回采工作面上方煤层气地面抽采直井移动与变形分析

张华兴，刘修源

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.煤炭科学研究总院，北京100013;3.中国煤炭学会煤矿开采损害技术鉴定委员会，北京100013)

煤层气 (瓦斯)是赋存于煤层及邻近岩层中的非常规天然气，是与煤炭共伴生的一种能源资源。煤层开采前对煤层气进行抽采，既有利于开发煤层气，又可降低煤层中煤层气的含量和压力，进而降低煤层开采时瓦斯 (煤层气)灾害的威胁程度，有利于煤层的安全开采;煤层的开采同时也大大地有利于煤层气的解吸和运移，更便于抽采。因此，在煤层开采前在回采工作面上方地面布置煤层气抽采直井，用于煤层开采前、中、后对煤炭开采所涉及范围内的煤层气进行抽采，做到一井在煤层开采前、中、后的三用。但是，煤层开采后，由于煤层上覆岩层 (地层)的移动与变形，处于上覆岩层 (地层)中的煤层气抽采井必将受到损害，不利于实现“一井三用”。本文从煤层被开采后上覆岩层 (地层)的移动变形规律和破坏规律的角度，对地面直井在采动过程中的移动与变形进行简要分析，来探讨解决这一问题的技术途径。

1 回采工作面上覆岩层 (地层)移动与破坏的一般规律

煤层开采后，从煤层的顶板直到地表各岩层(地层)从下向上最终分别形成垮落带、导水裂缝带和整体弯曲带。垮落带中一般越处于下层的垮落岩石越破碎，越显不规则性;处于垮落带顶部的岩层，如果较厚、较坚硬，往往形成断裂的岩梁状。长壁回采工作面采空区四周 (上下巷及切眼和停采线)的内侧上覆岩层中的导水裂缝带发育最高(呈环形状)，中间部位相对较低，沿走向与倾向剖面上，导水裂缝带上部外廓呈马鞍形，马鞍形的两峰附近，裂缝较发育;马鞍形的中部因岩层垮落下沉残留的裂缝较少，连通性也较差。处于上巷附近的裂缝是该工作面上覆岩层中裂缝带发育最高的部位，距离地表最近。

上覆岩层的结构不同影响着垮落带和导水裂缝带的发育高度。一般而言，软弱破碎岩层垮落、破坏、变形和移动活动时间相对较短，垮落带和导水裂缝带的发育高度相对较小。上覆岩层中坚硬而单层厚度大的岩层对整个上覆岩层的沉降移动起着很大的影响，有的甚至是严重影响。相邻的两岩层之间岩性相差较大，如果坚硬的岩层在下，则上面的软弱岩层的沉降受到坚硬岩层的阻挡;如果坚硬岩层在上，则由于两层的沉降移动速度 (难易程度)的不一样，而产生岩层之间的错动和离层。

工作面回采后，采空区的直接顶会及时垮落，但在上下巷和开切眼与停采线靠近未采区边缘的顶板垮落往往较难、较慢，易呈悬壁状，在采空区四周边缘易形成一定的空洞、空隙，同时处在这些部位的煤层直接底形成低应力区，产生一些裂缝。由环形低应力裂隙区、冒落空洞裂隙区和垮落、导水裂隙区构成了如图1所示的环全回采工作面内圈的空隙、裂隙环形圈，这个圈内易于煤层气的运移并形成煤层气的储存。

图1 长壁回采工作面 (倾斜剖面)采空区空隙裂隙环形圈位置示意

随着煤层开采后时间的延续，采空区上覆岩层(地层)不断下沉压实，采空区上覆岩层中的空洞与裂隙、离层带会逐渐变得越来越小，连通性越来越差，这一过程称之为地表移动的稳定过程;上覆岩层的岩性越软，这一过程所需用的时间越短，越是坚硬的岩层所需的时间也就越长。

地面直井中处于岩性相差很大的两岩层之间位置处，由于两岩层的沉降和移动的速度和量值都有较大差异，使直井在该处易发生破坏 (如松散层与基岩交界处，坚硬岩层与软弱岩层交界处等)。

2 回采工作面地表移动一般规律

煤层开采后，煤层的上覆岩层 (地层)在自重和应力的作用下，会发生垮落、变形、移动与沉降，直到地表，最终在地表形成下沉盆地。

描述地表下沉盆地内各点的移动与变形量值主要有下沉 (W)、水平移动 (U)、倾斜 (i)、水平变形 (ε)和曲率 (k)等，而描述下沉盆地及状态的角量参数有:移动角、边界角、充分采动角、超前影响角和最大下沉速度滞后角等。地表下沉盆地各区域内点的移动与变形量值及移动与变形过程各不相同。图2为长壁工作面开采后倾斜方向地表移动与变形分区示意图。回采工作面采煤结束一定时间后，上覆岩层和地表的移动和变形趋于稳定，在下沉盆地中央区域 (图2所示的CDNM范围)，地表及岩层 (地层)内各点的移动主要表现为下沉，若相邻两岩层的岩性相差较大，在上层的岩层厚而硬时，两岩层下沉速度不同易发生离层现象。而其他区域 (图2所示的AMC和FND区域)内地表及岩层 (地层)中各点在下沉的同时还有一个指向回采工作面中心的水平移动，在拐点移动传播剖面 (图2所示的BM和EN剖面)上水平移动值最大。由于各点向采空区移动量值不同，在移动盆地的外边缘区 (图2所示的AMB和FNE区域)岩体横向承受拉伸变形，而内边缘区 (图2所示的BMC和END区域)岩体横向承受压缩变形。

图2 长壁回采工作面采煤后倾斜方向地表移动与变形分区示意

上面所述的是地表移动稳定后，回采工作面倾斜方向地表及岩层 (地层)的移动与变形状态。工作面回采有一个时间过程，受到回采工作面不断前进的影响，地表及上覆岩层 (地层)各点所处位置的不同，其移动过程 (下沉轨迹)也是不一样的。如图3所示，A点为回采工作面开始位置(切眼)，工作面推进一定距离后 (移动起始距，一般为 (0.25～0.5)H，H为平均采深)，继续推进，达到充分采动距 (充分采动距为0.9～2.2H)。上覆岩层的垮落沉降才传播到地表，地表开始移动。从盆地边缘X点至起始距中心S点范围内的地表及上覆岩层 (地层)移动表现为下沉和向工作面推进方向的水平移动 (其下沉移动轨迹如图3所示地表点L);从起始距中心S点至下沉最大点F(盆地最大下沉边缘点)范围内的地表及上覆岩层 (地层)移动除下沉外，水平移动表现为初期向切眼位置的移动，随着工作面的不断推进，逐渐转向朝工作面推进方向的移动 (其下沉移动轨迹如图3所示地表点M);在最大下沉区域 (下沉盆地中央平底区，图3中央F～G范围)，水平移动表现为初期向切眼位置的移动，随着工作面的推进而逐渐减小，最后回到原垂直线位置 (其下沉移动轨迹如图3所示地表点N)，最终表现为只有沉降而无水平移动;从最大下沉点至停采线拐点范围(停采线侧的内边缘区，图3中G～P范围)，水平移动尽管均向切眼位置移动，但后期有减少的量值(其下沉轨迹如图3中所示的地表点O);而停采线侧的外边缘区水平移动只表现为向切眼位置的移动(其下沉轨迹如图3中所示的地表点Q)。

图3 回采过程中各区域地表和上覆岩层 (地层)中各点的下沉及移动轨迹示意

一般而言，回采工作面推进过程中地表及上覆岩层 (地层)中各点的动态移动和变形总是小于回采结束后地表及上覆岩层 (地层)中最终稳定的静态移动与变形最大值，非充分采动的最大动态移动和变形值总是小于充分采动的最大动态移动和变形值。回采工作面推进速度越快，动态移动和变形值与静态最大移动与变形值的比值越接近于1。

3 煤层开采所形成的空间移动与变形分区

在采动过程中处在不同移动和变形区域的煤层气地面抽采直井所在位置承受的损害是不一样的。抽采直井由于孔径相对较小，对其影响较大的是变形量值，上覆岩层 (地层)除横向变形外，由于沉降的不同，还将承受垂向变形，其变形的状态与规律与横向不同。

为说明问题，利用MKD地表移动计算软件，针对常规开采条件 (走向充分采动、倾向非充分采动)，选取常规的计算参数，进行了工作面开采影响的岩体移动与变形计算。采用的地质采矿条件设定为工作面走向长500m，倾斜长160m，采深180m，煤层采厚为4m，倾角10°;选取的计算参数为下沉系数0.7，主要影响角正切为2.0，水平移动系数为0.3，拐点移动距为0.1H，开采影响传播角为85°，岩体内部传播系数为1。根据岩体内部移动与变形计算结果，绘制了倾向主剖面和走向主剖面横向变形等值线图和垂直变形等值线图。

3.1 横向变形空间分区

由倾向和走向两个主剖面的横向变形等值线图可知 (图4和图5)，岩体内部横向变形以拐点移动的传播线为界，在外侧为拉伸变形，内侧为压缩变形，最大值基本位于地表;在走向主断面上，横向变形基本呈对称分布，而在倾向主断面上，由于倾角的作用，上山方向的变形范围略小于下山方向;而在纵向上，越接近煤层开采位置，其变形相对较集中;在采空区中央上部，横向变形接近零。

图4 回采工作面倾向主剖面横向变形等值线

图5 回采工作面走向主剖面横向变形等值线

3.2 垂向变形空间分区

由倾向和走向两个主剖面的垂向变形等值线图可知 (图6和图7)，岩体内部垂向变形同样以拐点移动的传播线为界，但在外侧为压缩变形，内侧为拉伸变形，最大值位于开采煤层上方一定范围，而非地表;在走向主断面上，垂向变形也呈对称分布，而在倾向主断面上，由于倾角的作用，上山方向的变形范围略小于下山方向;而在纵向上，越接近煤层开采位置，其变形相对较为集中;在采空区中央上部，垂向变形同样接近于零。

图6 回采工作面倾向主剖面垂向变形等值线

图7 回采工作面走向主剖面垂向变形等值线

3.3 变形量值的时间过程

由于岩体内部的移动经历一个时间过程，对于不同点而言，其不同方向的变形过程是不相同的。沿煤层切眼方向，其 (倾向)变形随工作面的推进，其量值是逐渐增加的。而沿煤层推进方向，由于不同时间各点与工作面的相对位置是变化的，因此，其量值也是变化的，且区域不同变化的方式也不同。在开切眼外侧与停采线外侧 (图2所示的外边缘区)，无论是横向变形与垂向变形其量值是逐渐增加的过程，横向变形为拉伸变形，而垂向变形为压缩变形。而在开切眼内侧 (图3所示内边缘区)横向变形经历拉伸由小到大、再由大到小并逐渐转变为压缩，压缩变形再由小到大、(部分区域)由大到小的过程;垂向变形经历压缩由小到大、再由大到小并逐渐转变为拉伸，拉伸变形再由小到大、(部分区域)由大到小的过程，在中央区域最终趋向于终值 (或为零)。而在停采线内侧(图3所示内边缘区)横向变形经历拉伸由小到大、再由大到小并逐渐转变为压缩，压缩变形再由小到大的过程;垂向变形经历压缩由小到大、再由大到小并逐渐转变为拉伸，拉伸变形再由小到大的过程。

由于变形计算方法的适用条件，尽管计算结果部分区域 (如垮落带区域)并不反映实际变形状况，但基本可说明岩体变形的整个状态。

4 抽采直井位置的选择

抽采直井位置的选择需考虑以下2个方面:一是对煤层气抽采有利;二是尽量减少开采过程中遭受的损害。

根据煤矿开采上覆岩层 (地层)的破坏特点，在采空区四周发育的导水裂缝带、垮落带和底板裂缝带构成的空隙、裂隙环形圈及由于相邻岩层的岩性差异较大致使岩层的沉降速度不同而形成的离层带，都是残留煤层气 (瓦斯)储存的场所。因此，直井的平面位置应考虑能够达到这些空间区域，从而有利于煤层气的抽采。

为减少开采对抽采直井的损害，其位置最好选在横向变形和垂向变形均相对较小的位置，依据对开采过程中横向变形与垂向变形分区计算结果及时间过程，抽采直井可依据以下方式选取:

(1)最佳位置应是工作面4个拐点线相交位置，且直井采用按开采影响传播角方向布置斜井(图2所示的BM和EN线)。由于在停采线侧所经历的过程，尽管最终变形较小，但中间过程中变形相对要大一些，最佳位置是开切眼处的拐点。拐点位置的垮落高度也相对较大、压实程度相对较低，也是适于采后采空区的煤层气抽采。

(2)对于工作面其他位置，抽采直井最好布置在上下巷的拐点位置，尽管在 (水平方向)走向要经历一个变形过程，至少倾向方向的横向变形和垂向变形相对较小，且经历的动态变形要小于最终值。属于拐点位置，同样是垮落高度相对较大、压实程度相对较低的区域，有利于煤层气抽采。

(3)直井布置应避开变形最大位置，从地表变形的角度应是0.4R(R为主要影响半径，开采影响范围一般为开采边界外1.5R)处;由于开采影响非直线传播，因此，其位置在倾向必须考虑影响传播方向。

由于直井的影响除变形外，还受到岩性条件、移动量值等的影响，以上原则只针对变形而言。

5 结束语

抽气井的保护涉及结构、岩性、地层条件及开采破坏程度等多方面的影响，本文仅从开采影响变形的角度分析了有利于抽气井保护的位置选择原则，从而为抽气井位置设计提供借鉴。

［1］煤炭科学研究院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用［M］.北京:煤炭工业出版社，1981.

［2］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［3］张华兴，郭惟嘉.“三下”采煤新技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008.

［4］邹友峰.条带开采设计及其地表沉陷预计的三维层状介质理论［M］.北京:科学出版社，2011.