李 丹

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013）

從資源和環(huán)境的角度，采用地面井開(kāi)發(fā)利用采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。如何利用已有的地質(zhì)生產(chǎn)資料，準(zhǔn)確快速地計(jì)算采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源得到了專(zhuān)家學(xué)者的高度重視，開(kāi)展了全面深入的研究，并取得了豐碩的研究成果。研究認(rèn)為[1-3]，采動(dòng)裂隙是采空區(qū)煤層氣滲流及賦存的基本條件。采場(chǎng)巖層移動(dòng)破斷與采動(dòng)裂隙分布的“橫三區(qū)”、“豎三帶”的總體認(rèn)識(shí)，為煤礦采空區(qū)煤層氣資源計(jì)算和開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)[4-8]。韓保山[9]等提出了物質(zhì)平衡法、資源構(gòu)成法及下降曲線(xiàn)法等3 種采空區(qū)煤層氣資源量估算方法。秦偉[10-11]等利用資源扣減法建立了相對(duì)完整的老采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)量預(yù)測(cè)方法。李日富[12-13]等構(gòu)建了采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量評(píng)估模型。李日富[14]在松藻礦區(qū)石壕煤礦利用分源加法評(píng)估技術(shù)估算了試驗(yàn)地點(diǎn)的可抽采煤層氣量。孟召平[15]等分別建立了采空區(qū)垮落帶和斷裂帶內(nèi)巖體孔隙體積模型。汪長(zhǎng)明、金龍哲和李宗翔[16-18]等從理論上分析了采空區(qū)瓦斯氣體的運(yùn)移及分布規(guī)律。綜上分析，國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究成果大多是經(jīng)驗(yàn)型結(jié)論，評(píng)估資源量時(shí)需要詳細(xì)的生產(chǎn)地質(zhì)資料作支撐，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與資料的收集相對(duì)困難；因此，在前人研究基礎(chǔ)上，基于工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法，提出了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單可行的工作面采動(dòng)影響穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量計(jì)算方法，以期為工作面采動(dòng)影響穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量計(jì)算提供新的途徑。

1 采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量計(jì)算原理

采動(dòng)影響穩(wěn)定區(qū)就是指地層活動(dòng)穩(wěn)定以后的采動(dòng)影響區(qū)[10]。依據(jù)物質(zhì)平衡法[2]，當(dāng)采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)上覆巖層有足夠的厚度或者其上部存在有效的覆蓋巖層，具有良好的密封性，能夠阻止穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的煤層氣大規(guī)模泄露式逸散，工作面采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量應(yīng)等于采礦活動(dòng)前儲(chǔ)集在整個(gè)受采礦影響范圍內(nèi)的煤層氣資源量減去整個(gè)工作面開(kāi)采活動(dòng)期間損失的煤層氣資源量，計(jì)算如下：

式中：GW為工作面采動(dòng)影響穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量；G0為工作面開(kāi)采影響范圍內(nèi)采礦活動(dòng)前的原始煤層氣資源量；Gk為工作面全部開(kāi)采過(guò)程中散失的煤層氣資源量。

2 采動(dòng)范圍內(nèi)原始煤層氣地質(zhì)資源量

2.1 采動(dòng)影響范圍

煤層開(kāi)采后，采動(dòng)影響穩(wěn)定區(qū)頂?shù)装鍘r層移動(dòng)及破壞示意圖如圖1[4-6,19]。

圖1 采動(dòng)影響穩(wěn)定區(qū)頂?shù)装鍘r層移動(dòng)及破壞示意圖Fig.1 Diagram of deformation and failure distribution of roof and floor rock in mining stabilization region

采動(dòng)影響范圍主要有以下3 部分組成：

1）工作面頂板巖層斷裂帶范圍。該范圍主要包括垮落帶和斷裂帶。

2）工作面底板巖層斷裂帶范圍。工作面底板下一定范圍內(nèi)的巖體，采空區(qū)形成后，在煤壁前方形成應(yīng)力集中，從而引起工作面底板淺部巖體發(fā)生自上而下的破壞，形成導(dǎo)水?dāng)嗔褞20]（圖1 中的藍(lán)色區(qū)域）。

3）工作面四周采動(dòng)裂隙范圍。煤巷工作面掘進(jìn)后，巷道周?chē)后w的應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，并最終形成巷道的瓦斯極限排放寬度[21]。工作面的開(kāi)切眼、進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷、末采通道等工作面的四周巷道瓦斯極限排放寬度即為開(kāi)采層四周采動(dòng)裂隙范圍，開(kāi)采層四周采動(dòng)裂隙范圍示意圖如圖2。計(jì)算工作面采動(dòng)影響范圍時(shí)，按巷道瓦斯極限排放寬度進(jìn)行計(jì)算。

圖2 開(kāi)采層四周采動(dòng)裂隙范圍示意圖Fig.2 Sketch of the range of mining induced fracture around the working face

2.2 煤層氣原始資源量計(jì)算方法

依據(jù)DZ/216—2002《煤層氣資源／儲(chǔ)量規(guī)范》，并考慮煤層的殘余瓦斯量，即煤層氣資源量G0為：

式中：A 為資源量計(jì)算面積，m2；W0為煤層氣含量，m3/t；M 為煤層厚度，m；ρ 為煤層平均密度，t/m3；Wc為煤層氣殘余瓦斯含量，m3/t。

2.3 采動(dòng)影響范圍內(nèi)煤層氣原始資源量

由圖1 可知，采動(dòng)影響范圍內(nèi)煤層氣資源量主要包括工作面垮落帶和斷裂帶內(nèi)煤層的煤層氣資源量、本煤層的煤層氣資源量和工作面底板破裂帶內(nèi)煤層的煤層氣資源量，即：

式中：Gr為垮落帶和斷裂帶內(nèi)的煤層氣資源量，m3；Gc為開(kāi)采層裂隙內(nèi)煤層氣資源量，m3；Gf為開(kāi)采煤層底板斷裂帶內(nèi)煤層氣資源量，m3。

2.3.1 工作面垮落帶和斷裂帶內(nèi)煤層氣資源量

首先計(jì)算導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?。走向長(zhǎng)壁全部垮落法開(kāi)采時(shí)，采動(dòng)影響穩(wěn)定區(qū)內(nèi)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨菻F可由文獻(xiàn)[22]提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

其次，根據(jù)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨群凸ぷ髅婢C合地質(zhì)柱狀圖，確定出處于導(dǎo)水?dāng)嗔褞е畠?nèi)的煤層數(shù)量。

然后，為了計(jì)算簡(jiǎn)單，在計(jì)算不同距離處煤層的煤層氣資源計(jì)算面積時(shí)，采用矩形來(lái)計(jì)算。

如圖1 中2 號(hào)煤層，它距開(kāi)采煤層距離為H2，則其采動(dòng)裂隙面積A2為：

式中：A2為 2 號(hào)煤層采動(dòng)裂隙面積，m2；L1為工作面走向長(zhǎng)度，m；L2為工作面傾向長(zhǎng)度，m；δ 為走向邊界角。

則2 號(hào)煤層采動(dòng)裂隙范圍內(nèi)煤層氣資源量為:

式中：Gr2為2 號(hào)煤層頂板采動(dòng)裂隙范圍內(nèi)煤層氣資源量，m3；M2為 2 號(hào)煤層的厚度，m；ρ2為 2 號(hào)煤層的密度，t/m3；W02為 2 號(hào)煤層氣瓦斯含量，m3/t；Wc2為 2 號(hào)煤層氣殘余瓦斯含量，m3/t。

如果斷裂帶中還有其它煤層，可用相同的方法分別計(jì)算。

2.3.2 開(kāi)采層煤層氣資源量

由圖2 可知，開(kāi)采層受開(kāi)采影響的范圍在長(zhǎng)度上為工作面走向長(zhǎng)度與兩端頭的瓦斯極限排放帶寬度之和；寬度上為工作面傾向長(zhǎng)度與兩側(cè)巷道寬度及瓦斯極限排放帶寬度之和，由此，開(kāi)采煤層煤層氣資源量為：

式中：Bm為巷道瓦斯極限排放帶寬度，m；Bq為工作面切眼寬度，m；Bh為工作面回撤通道寬度，m；B 為工作面巷道寬度，m。

2.3.3 底板煤層的煤層氣資源量

極限狀態(tài)下底板巖體塑性破壞區(qū)域如圖3，其中最大破壞深度h1可按文獻(xiàn)[23]提出的方法計(jì)算。

圖3 極限狀態(tài)下底板巖體塑性破壞區(qū)域Fig.3 The plastic destroying area of floor rock mass under the limited condition

煤層底板巖體最大破壞深度距工作面端部的水平距離 l1=h1tanφ0，式中：φ0為煤層內(nèi)摩擦角，（°）；hb為工作面端部的破壞深度。由圖3 可以看出，處于開(kāi)采煤層底板破壞帶的煤層，由于距開(kāi)采煤層底板深度不同，采動(dòng)影響的范圍大小不一。

當(dāng)距開(kāi)采煤層底板深度h

式中：xa為距采空區(qū)的距離。

當(dāng)距開(kāi)采煤層底板深度hb

則工作面底板煤層斷裂帶面積Ad為:

工作面底板煤層的煤層氣資源量Gf為:

式中：Ad為底板煤層采動(dòng)裂隙面積，m2；Md為底板煤層的厚度，m；ρd為底板煤層的密度，t/m3；W0d為底板煤層氣瓦斯含量，m3/t；Wcd為底板煤層氣殘余瓦斯含量，m3/t。

如果工作面底板破壞深度范圍內(nèi)有多個(gè)煤層，可用相同的方法分別計(jì)算。

3 工作面煤炭開(kāi)采煤層氣散失量

對(duì)一個(gè)處于四周為實(shí)體煤的工作面來(lái)說(shuō)，主要有2 部分，即巷道掘進(jìn)及工作面回采期間損失的煤層氣資源量，即：

式中：Gk為工作面整個(gè)回采過(guò)程引起的煤層氣損失量，m3；Gj為工作面巷道引起的煤層氣損失量，m3；Gh為工作面回采引起的煤層氣損失量，m3。

3.1 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量計(jì)算

對(duì)巷道來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為工作面通風(fēng)把巷道兩側(cè)極限排放帶寬度內(nèi)煤層中的瓦斯都帶出了礦井，其煤層氣損失量Gp為：

式中：Wy為運(yùn)出礦井后煤的殘存瓦斯含量，m3/t。

巷道掘進(jìn)的結(jié)果是把整條巷道的煤炭都輸送到了礦井以外，掘進(jìn)落煤造成的煤層氣損失量Gl為：

式中：S 為掘進(jìn)巷道斷面積，m2。

同時(shí)，由于煤炭運(yùn)出礦井時(shí)，仍含有大量的瓦斯，也會(huì)形成煤層氣資源量的損失，損失量的多少為殘存瓦斯量與殘余瓦斯量之差，因此，巷道掘進(jìn)引起的煤層氣損失總量Gj為：

3.2 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

回采工作面瓦斯涌出量，回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)用相對(duì)瓦斯涌出量表達(dá)[24]。

1）開(kāi)采層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。薄及中厚煤層不分層開(kāi)采時(shí)，開(kāi)采層瓦斯涌出量計(jì)算如下：

式中：q3為開(kāi)采層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t ；K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，用回采率的倒數(shù)來(lái)計(jì)算；K3為采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)開(kāi)采層瓦斯涌出影響系數(shù)；m 為開(kāi)采層厚度，m。

2）鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算如下[24]:

式中：q4為鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i 個(gè)鄰近層煤層厚度，m；ηi為第i 個(gè)鄰近層瓦斯排放率，%；W0i為第i 個(gè)鄰近層煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wci為第 i 個(gè)鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3/t。

3.3 工作面開(kāi)采煤層氣損失量

由上節(jié)可知，工作面瓦斯涌量預(yù)測(cè)計(jì)算出了每回采1 t 煤炭，從開(kāi)采層和鄰近層分別涌出了多少方的瓦斯，因此預(yù)測(cè)的工作面瓦斯涌量與工作面實(shí)際采出煤量的積即為全部煤炭產(chǎn)出所造成的煤層氣損失量；同時(shí)，由于煤炭運(yùn)出礦井時(shí)，仍含有大量的瓦斯，也會(huì)形成煤層氣資源量的損失，損失量的多少為殘存瓦斯量與殘余瓦斯量之差。即工作面開(kāi)采引起的煤層氣資源量損失Gh計(jì)算如下：

將式（5）、式（6）和式（10）代入式（3）就可得到工作面斷裂帶范圍內(nèi)的煤層氣資源量；將式（14）和式（17）代入式（11）就可行到工作面整個(gè)開(kāi)采過(guò)程煤層氣損失量；將式（3）和式（11）代入式（1）就可得到工作面采采空區(qū)煤層氣資源量。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）基于物質(zhì)平衡法建立了采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量計(jì)算方法，即工作面采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源量應(yīng)等于采礦活動(dòng)前儲(chǔ)集在整個(gè)受采礦影響范圍內(nèi)的煤層氣資源量與工作面開(kāi)采活動(dòng)期間損失的煤層氣資源量之差。

2）采動(dòng)影響范圍內(nèi)煤層氣原始資源量主要包括工作面垮落帶和斷裂帶內(nèi)煤層的煤層氣資源量、本煤層的煤層氣資源量和工作面底板破裂帶內(nèi)煤層的煤層氣資源量。

3）對(duì)一個(gè)處于四周為實(shí)體煤的工作面來(lái)說(shuō)，工作面開(kāi)采期間煤層氣損失量主要有2 部分，即巷道掘進(jìn)及工作面回采期間損失的煤層氣資源量，并可利用瓦斯涌出量法進(jìn)行計(jì)算。