0 引 言
我国是世界上煤矿瓦斯灾害最严重的国家之一，且埋深2 000 m以浅的煤层瓦斯资源量约36.81万亿m3，与陆上常规天然气资源量基本相当[1]。煤与瓦斯共采是解决瓦斯灾害防治、矿区温室气体减排和瓦斯资源开发的根本途径，已成为煤矿绿色开采技术体系的重要组成部分[2]。该方法既获取了瓦斯资源，又保障了采煤安全，还减缓了温室效应，真正做到“一举三得”。然而，我国95%的高瓦斯、突出矿井的开采煤层属低渗透煤层(渗透率小于0.1×10-3 μm2)，且吸附瓦斯含量高(占80%～90%)，使得煤层瓦斯预抽困难[3]。因此，通过利用采煤过程中覆岩移动对邻近层瓦斯的卸压作用，构建抽采巷(孔)强化抽采卸压瓦斯，是实现煤与瓦斯高效共采的有效途径[3-10]。
卸压瓦斯抽采技术模式选择及其抽采巷(孔)的合理布置是邻近层卸压瓦斯抽采亟待解决的关键问题[11]。要实现瓦斯抽采巷(孔)布置层位与层面位置的优化设计，前提是掌握采动过程中邻近层瓦斯的卸压范围及卸压瓦斯的运移规律[12-13]。目前，邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)布置参数的确定方法主要有2种：一是依据传统岩层移动“竖三带”高度的现场实测结果或“三带”高度经验公式预计结果来确定；二是经验类比法。但是，一方面，采动覆岩“竖三带”高度的现场实测费时费力，需投入大量经费，而传统断裂带高度经验预计公式又忽略了覆岩结构差异性对“三带”高度的影响[14-15]；另一方面，由于不同区域煤层的覆岩结构存在差异，使得经验类比法在实际应用中适用性较差。
为此，笔者通过分析覆岩关键层运动对邻近层瓦斯卸压运移的控制机制，以煤层群开采瓦斯卸压运移的“三带”理论及其导气裂隙带侧向分区特征为基础，提出基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计新方法，为实现煤层群开采条件下煤与瓦斯高效共采提供科学指导。
1 覆岩关键层运动对邻近层瓦斯卸压运移的控制机制
在煤层群开采条件下，煤层采动引起的岩层移动是引起邻近层瓦斯赋存状态变化及其卸压运移的主要原因。覆岩移动一方面引起邻近层应力场的变化，使得采场卸压范围内的邻近煤岩层渗透率增大数十倍至数百倍[16]、部分吸附态瓦斯解吸为游离态；另一方面，覆岩移动引起贯通的导气裂隙的产生和延展[3,5,12-13]，为卸压瓦斯提供大量的运移通道和持续解吸条件[12,17]，如图1所示。
图1 阳泉矿区某矿9804工作面瓦斯涌出与上覆岩层移动的变化关系
Fig.1 Relationship between rock strata movement and gas emission of Panel 9804 in Yangquan Coalfield
由图1可知，在亚关键层未破断前，邻近层瓦斯没有卸压涌出的通道，工作面风排瓦斯基本为本煤层瓦斯，瓦斯涌出量较低；亚关键层破断后，引起上覆6、5、4和3号煤层卸压，其卸压瓦斯沿穿层破断裂隙涌入采空区，致使工作面瓦斯涌出量迅速增加，当工作面推进至21 m时出现第1次高峰；同时，由于上覆6号煤层的卸压，邻近层的低位抽采钻孔开始发挥作用并抽取少量的卸压瓦斯。随着亚关键层的周期破断，上覆邻近层的卸压面积不断增大，使得工作面瓦斯涌出量出现第2次高峰，而此时邻近层的高、低位钻孔的瓦斯抽采量也随之增大；当工作面推进至39.5 m时，主关键层发生破断，导致上覆细砂岩的卸压瓦斯向下部采空区涌出，使得工作面风排瓦斯量发生了小幅度的增加；在主关键层破断后，由于主关键层上覆岩层中不存在其他含瓦斯煤层，此时上邻近层的高、低位钻孔的瓦斯抽采量逐渐趋于稳定，工作面风排瓦斯量明显下降。
由此可见，覆岩关键层的移动与破断决定了覆岩采动裂隙的演化规律[18]，是影响邻近层瓦斯卸压与运移的关键因素。因此，邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)布置应结合覆岩关键层运动规律，这为建立科学的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法提供了新的途径。
2 基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法
2.1 卸压瓦斯抽采巷(孔)的布置层位
2.1.1 煤层群开采瓦斯卸压运移的“三带”划分
由传统的岩层移动理论可知，煤层采动后，上覆岩层可形成“竖三带”，即垮落带、断裂带和弯曲下沉带。虽然这一分带方法能够较好地揭示采动覆岩移动规律，但不能很好地描述采动过程中邻近层的卸压瓦斯运移过程。因此，从煤与瓦斯共采的角度出发，根据岩层移动“竖三带”的瓦斯卸压运移特征，将采场上覆煤岩层可划分为“导气裂隙带”“卸压解吸带”和“不易解吸带”，形成新的煤层群开采瓦斯卸压运移的“三带”划分方法，其分带理论模型[19-21]如图2所示。
图2 煤层群开采瓦斯卸压运移的“三带”[19-21]
Fig.2 “Three-zone” of relief-pressure gas flow induced by mining in multi-seams
煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”中各分带的瓦斯卸压运移特征[19-21]如下：① 导气裂隙带。存在沿层离层裂隙与穿层竖向贯通裂隙，邻近层瓦斯已充分卸压且可涌向采场，该带内的卸压瓦斯可有效抽采，其高度与关键层位置有关。② 卸压解吸带。存在少许沿层离层裂隙，邻近层瓦斯已卸压且在卸压期可有效抽采，但卸压瓦斯难以涌向采场且随应力恢复会重新吸附，其高度最大止于主关键层。③ 不易解吸带。覆岩内无明显的采动裂隙，邻近层瓦斯难以卸压、解吸，瓦斯抽采难易程度未变化。
2.1.2 瓦斯抽采巷(孔)布置层位预计
邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)空间位置布置是否合理是影响卸压瓦斯抽采效果的重要因素。从煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”来看，导气裂隙带内的采动裂隙最发育，卸压瓦斯运移最活跃，是卸压瓦斯抽采的主要区域。因此，邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)的布置层位应确定为导气裂隙带中上部范围，即垮落带以上、导气裂隙带最大发育高度以内的空间，以保证较长的抽采时间、较大的抽采范围和较高的抽采率，让卸压瓦斯抽采做到“有的放矢”。因此，邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)的布置层位可表示为
hc<h<hg
(1)
式中：hc为垮落带高度；h为卸压瓦斯抽采巷(孔)距煤层顶板高度；hg为导气裂隙带高度。
其中，由于煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”的导气裂隙带与传统导水裂隙带具有相同的裂隙形态特征，因而式(1)中的导气裂隙带高度hg可参照“基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法”[14-15]进行预计，如图3所示。该方法分为2种情况：① 当主关键层距煤层高度小于7～10倍采高时，主关键层及其控制的上覆岩层破断裂缝会贯通成为裂隙，则导气裂隙带发育至基岩顶部。② 当主关键层距煤层高度大于7～10倍采高时，临界高度范围内的亚关键层及其控制的覆岩破断裂缝会贯通成为导气裂隙，则导气裂隙带发育至临界高度上方最近的关键层底部。因此，在工程实践中，首先根据工作面覆岩柱状资料对关键层位置进行判别，而后预计出工作面导气裂隙带高度。
图3 基于关键层位置的导气裂隙带高度预计方法[14-15]
Fig.3 Prediction method for the height of fractured gas-conducting zone by key strata location[14-15]
式(1)中的垮落带高度hc可由式(2)得到
(2)
式中：M为煤层采高，m；Kz为直接顶岩层的岩石碎胀系数；α为煤层倾角，(°)。
2.2 卸压瓦斯抽采巷(孔)的层面位置
2.2.1 覆岩导气裂隙带的侧向分区
典型的工作面采动应力与覆岩采动裂隙分布规律如图4所示。由此可知，在导气裂隙带范围内，受采动应力作用，采空区侧向支承压力峰值内侧与中部压实区边界之间的上覆煤岩层会产生塑性破坏，使得穿层破断裂隙发育并与其离层裂隙相互贯通，成为邻近层卸压瓦斯运移的主要通道。因此，根据覆岩采动裂隙的发育规律与形态特征，将导气裂隙带在倾向上可划分[22-23]：① Ⅰ区—侧向压裂裂隙区。覆岩层的垂直应力产生集中、水平应力得到卸载，覆岩内部产生大量的压裂裂隙，瓦斯能够有效卸压且呈达西渗流状态，其外边界为采空区侧向支承压力峰值点连线、内边界为采空区边界破断角射线。② Ⅱ区—“O”形圈裂隙区。由于采空区四周煤壁对关键层破断砌体梁结构的支撑作用，在采空区内四周存在一个相互连通的采动裂隙发育区，即采动裂隙“O”形圈[24]，其内边界为上覆煤岩层卸压程度r=0.3[25]处的连线。③ Ⅲ区—重新压实区。采空区中部上覆岩层下沉，破断、垮落的煤岩体被重新压实，压实区内的裂隙重新闭合，煤岩体透气性重新降低。
图4 导气裂隙带采动应力与裂隙分布情况[23]
Fig.4 Distribution of vertical stress and mining- induced fissure after mining[23]
2.2.2 卸压瓦斯抽采巷(孔)的层面位置优化
在覆岩导气裂隙带的“O”形圈裂隙区内，覆岩离层裂隙和穿层破断裂隙发育，采场周围煤岩体的卸压瓦斯不断向其渗流、汇集而形成紊流区，这正是布置抽采巷(孔)抽采邻近层卸压瓦斯的最佳区域。因此，掌握“O”形圈裂隙区宽度是确定卸压瓦斯抽采巷(孔)层面位置的关键。
已有研究表明[23]，覆岩导气裂隙带内的“O”形圈裂隙区宽度D1(M)与煤层采高、覆岩关键层结构及采深存在显著的相关性，即
D1(M)=k2D′(M)
(3)
其中：k2为0.8～1.1；当上覆硬岩层较少、采深较大时，k2取小值，反之取大值。对于阳泉矿区而言，D′(M)=0.001M3-0.640M2+10.220M+13.514。
2.3 卸压瓦斯抽采优化设计流程
基于煤层群开采瓦斯卸压抽采的“三带”理论及其导气裂隙带的侧向分区特征(图5)，按照图6所示的卸压瓦斯抽采优化设计流程，可建立邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)布置优化原则，如图7a所示。另外，对于“卸压解吸带”内的卸压瓦斯，可在导气裂隙带的抽采巷内布置上向穿层钻孔，钻孔终孔于主关键层的离层裂隙空间内，如图7b所示；如为地面钻孔，则可在“卸压解吸带”内布置筛管进行强化抽采(图7a)，以提高邻近层卸压瓦斯的抽采率。
图7 基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)布置优化原则
Fig.7 Optimizing principle of pressure-relief gas drainage roadway location based on key strata movement
图6 基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计流程
Fig.6 Optimizing procedure of adjacent pressure-relief gas drainage roadway designing based on key strata movement
图5 导气裂隙带侧向分区[23]
Fig.5 Lateral zoning for the gas conductive fracture zone[23]
因此，邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)的空间位置参数可按式(4)计算
(4)
式中：L为抽采巷(孔)距回风巷水平距离(即卸压瓦斯抽采巷(孔)的层面位置)；b为抽采巷(孔)距“O”形圈裂隙区外边界的距离，可取0.5D1(M)；θ为“O”形圈裂隙区外边界与开采边界的连线与煤层的夹角。
3 工程应用
3.1 卸压瓦斯运移“三带”高度预计
新大地煤矿15201工作面是阳泉矿区15号煤层的典型回采工作面，平均煤厚5.2 m，平均煤层倾角8°，原始煤层瓦斯含量12.88 m3/t，日产量3 900 t，其上覆岩层中存在6、8、9、10、11、12、13上、13下、14号等多层不可采的含瓦斯煤层。根据15201工作面的相邻工作面生产经验，15号煤层的上覆邻近层卸压瓦斯是此类工作面采空区瓦斯的主要来源。根据15201综放工作面覆岩关键层结构的判别结果，结合图3的预计流程，可以得到15201工作面顶板以上55.3 m范围的覆岩为导气裂隙带，导气裂隙带以上直至主关键层之下的279.44 m范围内的覆岩为卸压解吸带，主关键层及其以上覆岩为不易解吸带(表1)。由此可知，上覆的10、11、12、13上、13下、14号煤层处于工作面导气裂隙带内，而处于卸压解吸带内的6、8、9号煤层卸压瓦斯不会涌入到工作面采空区。
表1 15201工作面瓦斯卸压运移“三带”高度判别结果
Fig.1 Discriminant result of “Three-zone” of gas pressure relief and migration extent of No.15201 working face
三带层号厚度/m埋深/m岩性关键层位置三带层号厚度/m埋深/m岩性关键层位置不易解吸带卸压解吸带877.057.05黄土—869.7316.78含砾粗砂岩—856.4423.22粗砂岩—8411.8635.08中砂岩—833.6838.76粗砂岩—828.1646.92砂质泥岩—812.0048.92细砂岩—8015.1364.05泥岩—797.3671.41砂质泥岩—786.0577.46粗砂岩—778.6386.09砂质泥岩—768.5494.63粗砂岩—759.02103.65泥岩—744.60108.25细砂岩—738.65116.90中砂岩—721.10118.00粗砂岩—716.25124.25细砂岩—703.72127.97砂质泥岩—697.47135.44中砂岩—689.31144.75粗砂岩—6711.11155.86砂质泥岩—665.18161.04中砂岩—6526.88187.92砂质泥岩主关键层642.69190.61中砂岩—636.00196.61粉砂岩—623.98200.59铝土泥岩—613.21203.80细砂岩—604.00207.80砂质泥岩—596.69214.49泥岩—5811.52226.01砂质泥岩—572.80228.81粗砂岩—563.92232.73中砂岩—554.18236.91细砂岩—544.93241.84粗砂岩—532.60244.44铝质泥岩—523.85248.29泥岩—5118.33266.62砂质泥岩亚关键层503.25269.87铝质泥岩—493.02272.89细砂岩—485.05277.94泥岩—4711.25289.19砂质泥岩—464.95294.14细砂岩—457.10301.24粗砂岩—446.98308.22中砂岩—卸压解吸带导气裂隙带434.15312.37细砂岩—420.80313.17砂质泥岩—414.84318.01细砂岩—405.15323.16砂质泥岩—3919.76342.92泥岩亚关键层385.09348.01砂质泥岩—374.28352.29细砂岩—368.26360.55中砂岩亚关键层354.30364.85泥岩—341.21366.06细砂岩—332.17368.23砂质泥岩—327.47375.70泥岩—310.55376.25煤—301.48377.736号煤—297.20384.93细砂岩—2810.46395.39泥岩亚关键层271.10396.498号煤—261.50397.99泥岩—255.90403.89砂质泥岩—242.00405.89泥岩—230.62406.519号煤—227.50414.01泥岩亚关键层210.15414.1610号煤—201.50415.66砂质泥岩—193.00418.66砂质泥岩—182.17420.83K4灰岩—170.50421.3311号煤—161.45422.78泥岩—150.70423.4812号煤—145.10428.58泥岩—132.00430.58K3灰岩—120.20430.7813号煤上—115.50436.28砂岩亚关键层100.41436.6913号煤下—96.14442.83砂质泥岩—83.61446.44泥岩—75.13451.57K2灰岩—60.40451.97泥岩—50.63452.60K2灰岩—40.60453.2014号煤—35.77458.97砂岩亚关键层28.39467.36泥岩—15.20472.5615号煤—
3.2 导气裂隙带内“O”形圈裂隙区宽度预计
根据阳泉矿区得出的导气裂隙带内侧向的“O”形圈裂隙区平均宽度与采高的函数关系式(3)，考虑15201工作面的覆岩关键层结构及采深，得出15201工作面“O”形圈裂隙区平均宽度为49.5 m。
3.3 邻近层卸压瓦斯抽采优化设计
根据15201工作面的卸压瓦斯运移“三带”高度预计范围、上覆邻近煤层的瓦斯含量以及相邻工作面的邻近层卸压瓦斯排放系数，按照式(5)预测回采期间15201工作面的邻近层瓦斯涌出量
(5)
式中：Mi为第i层邻近煤层厚度，m；ki为第i层邻近煤层的瓦斯排放率；Ci、C分别为第i层邻近煤层和开采层的瓦斯含量，m3/t。
由式(5)和表2可计算得到回采期间涌入15201工作面的邻近层卸压瓦斯量达24.76 m3/min。因此，为防止邻近层卸压瓦斯大量涌入回采空间而频繁造成瓦斯超限，15201综放工作面拟采用走向高抽巷来抽采邻近层的卸压瓦斯。
表2 15201工作面上覆邻近层瓦斯参数
Table 2 Gas parameters of overlying adjacent coal seam of Panel 15201
邻近层与15号煤层距离/m厚度/m瓦斯含量/(m3·t-1)瓦斯排放率/%10号55.150.1512.884011号46.000.507.395212号43.880.707.685713上号36.580.207.886213下号30.670.4112.887014号14.160.608.7784
注：K2、K3、K4灰岩，根据邻近工作面的经验，15号煤层开采过程中邻近灰岩瓦斯涌出量约为20 m3/min。
首先，按照基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法，15201工作面的走向高抽巷的高度范围应布置在15号煤顶板27 m以上、55.3 m以下范围的上覆岩层内。同时，综合考虑到走向高抽巷的巷道围岩稳定性、增加走向高抽巷的掘巷效益，15201工作面走向高抽巷的合理布置层位为工作面顶板46 m处的11号煤层和K4灰岩内，以保证较长的抽采时间、较大的抽采范围和较高的卸压瓦斯抽采率。
其次，根据邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)的层面位置计算公式(3)，可得到15201工作面走向高抽巷距回风巷的水平距离L(即卸压瓦斯抽采巷布置的层面位置)为54.1m。15201工作面走向高抽巷层位布置如图8所示。
图8 15201工作面走向高抽巷层位布置
Fig.8 Layer designing of high gas drainage roadway of Panel 15201
3.4 实施效果
15201工作面走向高抽巷的瓦斯抽采量变化情况如图9所示。由此可知，15201工作面走向高抽巷的瓦斯抽采量呈周期性的波动平衡状态，工作面初采期过后走向高抽巷的瓦斯抽采量稳定在42 m3/min左右、工作面风排瓦斯量在25 m3/min(其中邻近层瓦斯量平均为3.5 m3/min)左右、邻近层卸压瓦斯抽采率稳定在92%，且工作面瓦斯浓度未出现超限，保障了工作面安全开采，取得了较好的瓦斯治理效果。
图9 高抽巷瓦斯抽采量
Fig.9 Gas drainage quantity of high drainage roadway
4 结 论
1)覆岩关键层运动决定了覆岩采动裂隙的演化规律，进而控制邻近层瓦斯的卸压与运移。这为建立科学的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法提供了新的途径。
2)基于煤层群开采瓦斯卸压运移的“三带”理论，提出了邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)布置层位优化原则；结合导气裂隙带侧向分区特征，建立了邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)的层面位置确定方法，从而形成了基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优选设计新方法。
3)基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法在阳泉矿区的煤与瓦斯共采实践中得到了应用和验证，邻近层卸压瓦斯抽采率稳定在92%，取得了较好的瓦斯抽采效果。
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