張華興，劉修源

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013;3.中國煤炭學(xué)會煤礦開采損害技術(shù)鑒定委員會，北京100013)

煤層氣 (瓦斯)是賦存于煤層及鄰近巖層中的非常規(guī)天然氣，是與煤炭共伴生的一種能源資源。煤層開采前對煤層氣進(jìn)行抽采，既有利于開發(fā)煤層氣，又可降低煤層中煤層氣的含量和壓力，進(jìn)而降低煤層開采時瓦斯 (煤層氣)災(zāi)害的威脅程度，有利于煤層的安全開采;煤層的開采同時也大大地有利于煤層氣的解吸和運(yùn)移，更便于抽采。因此，在煤層開采前在回采工作面上方地面布置煤層氣抽采直井，用于煤層開采前、中、后對煤炭開采所涉及范圍內(nèi)的煤層氣進(jìn)行抽采，做到一井在煤層開采前、中、后的三用。但是，煤層開采后，由于煤層上覆巖層 (地層)的移動與變形，處于上覆巖層 (地層)中的煤層氣抽采井必將受到損害，不利于實(shí)現(xiàn)“一井三用”。本文從煤層被開采后上覆巖層 (地層)的移動變形規(guī)律和破壞規(guī)律的角度，對地面直井在采動過程中的移動與變形進(jìn)行簡要分析，來探討解決這一問題的技術(shù)途徑。

1 回采工作面上覆巖層 (地層)移動與破壞的一般規(guī)律

煤層開采后，從煤層的頂板直到地表各巖層(地層)從下向上最終分別形成垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶和整體彎曲帶?？迓鋷е幸话阍教幱谙聦拥目迓鋷r石越破碎，越顯不規(guī)則性;處于垮落帶頂部的巖層，如果較厚、較堅硬，往往形成斷裂的巖梁狀。長壁回采工作面采空區(qū)四周 (上下巷及切眼和停采線)的內(nèi)側(cè)上覆巖層中的導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育最高(呈環(huán)形狀)，中間部位相對較低，沿走向與傾向剖面上，導(dǎo)水裂縫帶上部外廓呈馬鞍形，馬鞍形的兩峰附近，裂縫較發(fā)育;馬鞍形的中部因巖層垮落下沉殘留的裂縫較少，連通性也較差。處于上巷附近的裂縫是該工作面上覆巖層中裂縫帶發(fā)育最高的部位，距離地表最近。

上覆巖層的結(jié)構(gòu)不同影響著垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度。一般而言，軟弱破碎巖層垮落、破壞、變形和移動活動時間相對較短，垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度相對較小。上覆巖層中堅硬而單層厚度大的巖層對整個上覆巖層的沉降移動起著很大的影響，有的甚至是嚴(yán)重影響。相鄰的兩巖層之間巖性相差較大，如果堅硬的巖層在下，則上面的軟弱巖層的沉降受到堅硬巖層的阻擋;如果堅硬巖層在上，則由于兩層的沉降移動速度 (難易程度)的不一樣，而產(chǎn)生巖層之間的錯動和離層。

工作面回采后，采空區(qū)的直接頂會及時垮落，但在上下巷和開切眼與停采線靠近未采區(qū)邊緣的頂板垮落往往較難、較慢，易呈懸壁狀，在采空區(qū)四周邊緣易形成一定的空洞、空隙，同時處在這些部位的煤層直接底形成低應(yīng)力區(qū)，產(chǎn)生一些裂縫。由環(huán)形低應(yīng)力裂隙區(qū)、冒落空洞裂隙區(qū)和垮落、導(dǎo)水裂隙區(qū)構(gòu)成了如圖1所示的環(huán)全回采工作面內(nèi)圈的空隙、裂隙環(huán)形圈，這個圈內(nèi)易于煤層氣的運(yùn)移并形成煤層氣的儲存。

圖1 長壁回采工作面 (傾斜剖面)采空區(qū)空隙裂隙環(huán)形圈位置示意

隨著煤層開采后時間的延續(xù)，采空區(qū)上覆巖層(地層)不斷下沉壓實(shí)，采空區(qū)上覆巖層中的空洞與裂隙、離層帶會逐漸變得越來越小，連通性越來越差，這一過程稱之為地表移動的穩(wěn)定過程;上覆巖層的巖性越軟，這一過程所需用的時間越短，越是堅硬的巖層所需的時間也就越長。

地面直井中處于巖性相差很大的兩巖層之間位置處，由于兩巖層的沉降和移動的速度和量值都有較大差異，使直井在該處易發(fā)生破壞 (如松散層與基巖交界處，堅硬巖層與軟弱巖層交界處等)。

2 回采工作面地表移動一般規(guī)律

煤層開采后，煤層的上覆巖層 (地層)在自重和應(yīng)力的作用下，會發(fā)生垮落、變形、移動與沉降，直到地表，最終在地表形成下沉盆地。

描述地表下沉盆地內(nèi)各點(diǎn)的移動與變形量值主要有下沉 (W)、水平移動 (U)、傾斜 (i)、水平變形 (ε)和曲率 (k)等，而描述下沉盆地及狀態(tài)的角量參數(shù)有:移動角、邊界角、充分采動角、超前影響角和最大下沉速度滯后角等。地表下沉盆地各區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的移動與變形量值及移動與變形過程各不相同。圖2為長壁工作面開采后傾斜方向地表移動與變形分區(qū)示意圖。回采工作面采煤結(jié)束一定時間后，上覆巖層和地表的移動和變形趨于穩(wěn)定，在下沉盆地中央?yún)^(qū)域 (圖2所示的CDNM范圍)，地表及巖層 (地層)內(nèi)各點(diǎn)的移動主要表現(xiàn)為下沉，若相鄰兩巖層的巖性相差較大，在上層的巖層厚而硬時，兩巖層下沉速度不同易發(fā)生離層現(xiàn)象。而其他區(qū)域 (圖2所示的AMC和FND區(qū)域)內(nèi)地表及巖層 (地層)中各點(diǎn)在下沉的同時還有一個指向回采工作面中心的水平移動，在拐點(diǎn)移動傳播剖面 (圖2所示的BM和EN剖面)上水平移動值最大。由于各點(diǎn)向采空區(qū)移動量值不同，在移動盆地的外邊緣區(qū) (圖2所示的AMB和FNE區(qū)域)巖體橫向承受拉伸變形，而內(nèi)邊緣區(qū) (圖2所示的BMC和END區(qū)域)巖體橫向承受壓縮變形。

圖2 長壁回采工作面采煤后傾斜方向地表移動與變形分區(qū)示意

上面所述的是地表移動穩(wěn)定后，回采工作面傾斜方向地表及巖層 (地層)的移動與變形狀態(tài)。工作面回采有一個時間過程，受到回采工作面不斷前進(jìn)的影響，地表及上覆巖層 (地層)各點(diǎn)所處位置的不同，其移動過程 (下沉軌跡)也是不一樣的。如圖3所示，A點(diǎn)為回采工作面開始位置(切眼)，工作面推進(jìn)一定距離后 (移動起始距，一般為 (0.25～0.5)H，H為平均采深)，繼續(xù)推進(jìn)，達(dá)到充分采動距 (充分采動距為0.9～2.2H)。上覆巖層的垮落沉降才傳播到地表，地表開始移動。從盆地邊緣X點(diǎn)至起始距中心S點(diǎn)范圍內(nèi)的地表及上覆巖層 (地層)移動表現(xiàn)為下沉和向工作面推進(jìn)方向的水平移動 (其下沉移動軌跡如圖3所示地表點(diǎn)L);從起始距中心S點(diǎn)至下沉最大點(diǎn)F(盆地最大下沉邊緣點(diǎn))范圍內(nèi)的地表及上覆巖層 (地層)移動除下沉外，水平移動表現(xiàn)為初期向切眼位置的移動，隨著工作面的不斷推進(jìn)，逐漸轉(zhuǎn)向朝工作面推進(jìn)方向的移動 (其下沉移動軌跡如圖3所示地表點(diǎn)M);在最大下沉區(qū)域 (下沉盆地中央平底區(qū)，圖3中央F～G范圍)，水平移動表現(xiàn)為初期向切眼位置的移動，隨著工作面的推進(jìn)而逐漸減小，最后回到原垂直線位置 (其下沉移動軌跡如圖3所示地表點(diǎn)N)，最終表現(xiàn)為只有沉降而無水平移動;從最大下沉點(diǎn)至停采線拐點(diǎn)范圍(停采線側(cè)的內(nèi)邊緣區(qū)，圖3中G～P范圍)，水平移動盡管均向切眼位置移動，但后期有減少的量值(其下沉軌跡如圖3中所示的地表點(diǎn)O);而停采線側(cè)的外邊緣區(qū)水平移動只表現(xiàn)為向切眼位置的移動(其下沉軌跡如圖3中所示的地表點(diǎn)Q)。

圖3 回采過程中各區(qū)域地表和上覆巖層 (地層)中各點(diǎn)的下沉及移動軌跡示意

一般而言，回采工作面推進(jìn)過程中地表及上覆巖層 (地層)中各點(diǎn)的動態(tài)移動和變形總是小于回采結(jié)束后地表及上覆巖層 (地層)中最終穩(wěn)定的靜態(tài)移動與變形最大值，非充分采動的最大動態(tài)移動和變形值總是小于充分采動的最大動態(tài)移動和變形值?；夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)速度越快，動態(tài)移動和變形值與靜態(tài)最大移動與變形值的比值越接近于1。

3 煤層開采所形成的空間移動與變形分區(qū)

在采動過程中處在不同移動和變形區(qū)域的煤層氣地面抽采直井所在位置承受的損害是不一樣的。抽采直井由于孔徑相對較小，對其影響較大的是變形量值，上覆巖層 (地層)除橫向變形外，由于沉降的不同，還將承受垂向變形，其變形的狀態(tài)與規(guī)律與橫向不同。

為說明問題，利用MKD地表移動計算軟件，針對常規(guī)開采條件 (走向充分采動、傾向非充分采動)，選取常規(guī)的計算參數(shù)，進(jìn)行了工作面開采影響的巖體移動與變形計算。采用的地質(zhì)采礦條件設(shè)定為工作面走向長500m，傾斜長160m，采深180m，煤層采厚為4m，傾角10°;選取的計算參數(shù)為下沉系數(shù)0.7，主要影響角正切為2.0，水平移動系數(shù)為0.3，拐點(diǎn)移動距為0.1H，開采影響傳播角為85°，巖體內(nèi)部傳播系數(shù)為1。根據(jù)巖體內(nèi)部移動與變形計算結(jié)果，繪制了傾向主剖面和走向主剖面橫向變形等值線圖和垂直變形等值線圖。

3.1 橫向變形空間分區(qū)

由傾向和走向兩個主剖面的橫向變形等值線圖可知 (圖4和圖5)，巖體內(nèi)部橫向變形以拐點(diǎn)移動的傳播線為界，在外側(cè)為拉伸變形，內(nèi)側(cè)為壓縮變形，最大值基本位于地表;在走向主斷面上，橫向變形基本呈對稱分布，而在傾向主斷面上，由于傾角的作用，上山方向的變形范圍略小于下山方向;而在縱向上，越接近煤層開采位置，其變形相對較集中;在采空區(qū)中央上部，橫向變形接近零。

圖4 回采工作面傾向主剖面橫向變形等值線

圖5 回采工作面走向主剖面橫向變形等值線

3.2 垂向變形空間分區(qū)

由傾向和走向兩個主剖面的垂向變形等值線圖可知 (圖6和圖7)，巖體內(nèi)部垂向變形同樣以拐點(diǎn)移動的傳播線為界，但在外側(cè)為壓縮變形，內(nèi)側(cè)為拉伸變形，最大值位于開采煤層上方一定范圍，而非地表;在走向主斷面上，垂向變形也呈對稱分布，而在傾向主斷面上，由于傾角的作用，上山方向的變形范圍略小于下山方向;而在縱向上，越接近煤層開采位置，其變形相對較為集中;在采空區(qū)中央上部，垂向變形同樣接近于零。

圖6 回采工作面傾向主剖面垂向變形等值線

圖7 回采工作面走向主剖面垂向變形等值線

3.3 變形量值的時間過程

由于巖體內(nèi)部的移動經(jīng)歷一個時間過程，對于不同點(diǎn)而言，其不同方向的變形過程是不相同的。沿煤層切眼方向，其 (傾向)變形隨工作面的推進(jìn)，其量值是逐漸增加的。而沿煤層推進(jìn)方向，由于不同時間各點(diǎn)與工作面的相對位置是變化的，因此，其量值也是變化的，且區(qū)域不同變化的方式也不同。在開切眼外側(cè)與停采線外側(cè) (圖2所示的外邊緣區(qū))，無論是橫向變形與垂向變形其量值是逐漸增加的過程，橫向變形為拉伸變形，而垂向變形為壓縮變形。而在開切眼內(nèi)側(cè) (圖3所示內(nèi)邊緣區(qū))橫向變形經(jīng)歷拉伸由小到大、再由大到小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s，壓縮變形再由小到大、(部分區(qū)域)由大到小的過程;垂向變形經(jīng)歷壓縮由小到大、再由大到小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔?，拉伸變形再由小到大?部分區(qū)域)由大到小的過程，在中央?yún)^(qū)域最終趨向于終值 (或為零)。而在停采線內(nèi)側(cè)(圖3所示內(nèi)邊緣區(qū))橫向變形經(jīng)歷拉伸由小到大、再由大到小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s，壓縮變形再由小到大的過程;垂向變形經(jīng)歷壓縮由小到大、再由大到小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔欤熳冃卧儆尚〉酱蟮倪^程。

由于變形計算方法的適用條件，盡管計算結(jié)果部分區(qū)域 (如垮落帶區(qū)域)并不反映實(shí)際變形狀況，但基本可說明巖體變形的整個狀態(tài)。

4 抽采直井位置的選擇

抽采直井位置的選擇需考慮以下2個方面:一是對煤層氣抽采有利;二是盡量減少開采過程中遭受的損害。

根據(jù)煤礦開采上覆巖層 (地層)的破壞特點(diǎn)，在采空區(qū)四周發(fā)育的導(dǎo)水裂縫帶、垮落帶和底板裂縫帶構(gòu)成的空隙、裂隙環(huán)形圈及由于相鄰巖層的巖性差異較大致使巖層的沉降速度不同而形成的離層帶，都是殘留煤層氣 (瓦斯)儲存的場所。因此，直井的平面位置應(yīng)考慮能夠達(dá)到這些空間區(qū)域，從而有利于煤層氣的抽采。

為減少開采對抽采直井的損害，其位置最好選在橫向變形和垂向變形均相對較小的位置，依據(jù)對開采過程中橫向變形與垂向變形分區(qū)計算結(jié)果及時間過程，抽采直井可依據(jù)以下方式選取:

(1)最佳位置應(yīng)是工作面4個拐點(diǎn)線相交位置，且直井采用按開采影響傳播角方向布置斜井(圖2所示的BM和EN線)。由于在停采線側(cè)所經(jīng)歷的過程，盡管最終變形較小，但中間過程中變形相對要大一些，最佳位置是開切眼處的拐點(diǎn)。拐點(diǎn)位置的垮落高度也相對較大、壓實(shí)程度相對較低，也是適于采后采空區(qū)的煤層氣抽采。

(2)對于工作面其他位置，抽采直井最好布置在上下巷的拐點(diǎn)位置，盡管在 (水平方向)走向要經(jīng)歷一個變形過程，至少傾向方向的橫向變形和垂向變形相對較小，且經(jīng)歷的動態(tài)變形要小于最終值。屬于拐點(diǎn)位置，同樣是垮落高度相對較大、壓實(shí)程度相對較低的區(qū)域，有利于煤層氣抽采。

(3)直井布置應(yīng)避開變形最大位置，從地表變形的角度應(yīng)是0.4R(R為主要影響半徑，開采影響范圍一般為開采邊界外1.5R)處;由于開采影響非直線傳播，因此，其位置在傾向必須考慮影響傳播方向。

由于直井的影響除變形外，還受到巖性條件、移動量值等的影響，以上原則只針對變形而言。

5 結(jié)束語

抽氣井的保護(hù)涉及結(jié)構(gòu)、巖性、地層條件及開采破壞程度等多方面的影響，本文僅從開采影響變形的角度分析了有利于抽氣井保護(hù)的位置選擇原則，從而為抽氣井位置設(shè)計提供借鑒。

［1］煤炭科學(xué)研究院北京開采研究所.煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1981.

［2］國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［3］張華興，郭惟嘉.“三下”采煤新技術(shù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［4］鄒友峰.條帶開采設(shè)計及其地表沉陷預(yù)計的三維層狀介質(zhì)理論［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.