基于擾動工藝的瓦斯抽采地質單元區(qū)劃研究

宋志敏　馬鳳蘭　李　冰　任建剛

（1.河南工程學院　資源環(huán)境學院，河南　鄭州　451191；2.鄭州市安全生產教育中心，河南　鄭州　450006；3.鄭州市礦山環(huán)境地質災害與防治重點實驗室，河南　鄭州　451191）

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基于擾動工藝的瓦斯抽采地質單元區(qū)劃研究

宋志敏1，2，3馬鳳蘭2李冰1，3任建剛1，3

（1.河南工程學院資源環(huán)境學院，河南鄭州451191；2.鄭州市安全生產教育中心，河南鄭州450006；3.鄭州市礦山環(huán)境地質災害與防治重點實驗室，河南鄭州451191）

摘要：我國含煤盆地形成后經歷了多期次構造運動的疊加改造，礦井構造組合、瓦斯含量分布、煤體結構展布、頂底板巖層富水性分布等呈現出復雜化、非均質化、差異化等顯著特征。從瓦斯抽采工程地質新角度出發(fā)，結合井下瓦斯抽采實施擾動工藝的迫切需要，開展了基于擾動工藝的瓦斯抽采地質單元區(qū)劃研究，提出了科學劃分出三級瓦斯抽采地質單元原則，初步形成了一套方便工程實踐瓦斯抽采地質單元評價指標體系，為擾動工藝和瓦斯抽采工程的實施提供了可靠的地質依據。

關鍵詞：礦井構造；煤體結構；頂底板巖性；瓦斯抽采地質單元；評價指標體系

隨著礦井開采深度和強度的逐年增加，瓦斯災害的防治難度也越來越大。《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》頒布以來，我國煤礦在高瓦斯/突出煤層開采前和開采中實施了大量的瓦斯抽采工程，在很大程度上減輕了瓦斯災害。然而，目前仍存在抽采不均衡、抽采效率低、盲目施工等問題，還不能消除瓦斯災害。隨著開采強度和深度的不斷增加，瓦斯賦存地質條件更加復雜，瓦斯隱患更趨嚴重。究其原因，除了抽采工程技術方面的問題外，更是缺乏行之有效的用于指導瓦斯抽采工作的基礎地質理論。我國主采煤層形成后經歷多期構造運動，瓦斯賦存、運移地質條件復雜［1-4］，各種形式的煤層擾動技術在工程應用中與復雜多變的地質條件存在不配套、不適用等問題。因此，開展基于擾動工藝的瓦斯抽采地質區(qū)劃研究，較準確地分析礦井構造組合型式、煤體結構展布及其頂底板巖性富水性等的分布規(guī)律，進一步查明擾動工藝需要的煤巖物性參數，科學劃分瓦斯抽采地質單元及構建一套瓦斯抽采地質單元評價指標體系，對解決地質不精細、保障不力等問題，指導瓦斯抽采工程部署，優(yōu)化瓦斯抽采工藝設計，提高瓦斯抽采效果，實現煤氣共采的瓦斯綜合治理目標具有重大的意義［5-7］。

1　瓦斯抽采地質單元劃分

瓦斯抽采不但能解決煤礦生產過程中瓦斯災害，還可以保護環(huán)境，又能從一定程度上緩解能源需求壓力。由于我國含煤地層形成后經歷了多期構造運動的疊加改造，瓦斯抽采地質特征呈現出礦井構造復雜化、煤體結構展布多樣化、頂底板巖層非均勻化、瓦斯含量分布差異化等特點，根據井下瓦斯抽采實施擾動工藝的需要，依據采掘部署、礦井構造、瓦斯地質、水文地質條件和煤體結構組合等因素，科學劃分瓦斯抽采地質單元。

影響瓦斯抽采地質單元劃分的因素較多，有生產和工藝因素，如采掘部署、擾動工藝；有地質因素，如地質構造、瓦斯含量、水文地質條件、煤體結構以及煤巖體物性等。在進行瓦斯抽采地質單元劃分時，地質因素仍然是第一要素。因此，采用以地質因素為主，生產因素為輔的劃分原則進行瓦斯抽采地質單元的劃分［8］。

（1）總體考慮研究區(qū)實際生產部署的基礎上，分析研究區(qū)內地質因素及生產因素劃分出規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)和生產區(qū)。

（2）在規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)和生產區(qū)，以瓦斯含量6m3/t為界限，劃分出一級瓦斯抽采地質單元，即抽采區(qū)和非抽采區(qū)。

（3）抽采區(qū)分為井上（地面）抽采區(qū)和井下抽采區(qū)。井下抽采區(qū)可依據煤體結構f值、衰減系數、透氣性系數、百米極限抽放量及含氣量等評價指標的指標值，劃分出二級瓦斯抽采地質單元，即可抽性好與可抽性差區(qū)域。

（4）在二級瓦斯抽采地質單元可抽性差區(qū)域內劃分三級瓦斯抽采地質單元。依據煤層穩(wěn)定性、構造條件、煤體結構、水敏性及頂底板巖性等指標的指標值，劃分三級瓦斯抽采地質單元，即擾動工藝優(yōu)選區(qū)。

（5）在三級瓦斯抽采地質單元內優(yōu)選強化層擾動工藝，即壓裂、沖孔、沖壓一體。

2　瓦斯抽采地質評價指標體系

煤層的沉積、改造、定型和瓦斯的生成、運移、儲集是特定地質空間和時間內各種地質作用和外部環(huán)境相互作用、聯系的復雜地質體，最終地質體內保存的地質參數可以反映煤層和瓦斯的地質特征。這些地質參數既有確定性的一面，也有模糊性的一面；即具有一定的獨立性，又具有一定的關聯性，有些參數能夠表達煤層或瓦斯的某種特征，也可以從某個地質參數反映另一個參數的變化規(guī)律。因此，依據系統科學的觀點、采用定性和定量指標相結合的思想構建瓦斯抽采地質評價指標體系。

2.1指標體系構建的原則

瓦斯抽采地質評價指標體系是在一定原則基礎上的綜合各類關鍵地質參數構建的有機集合體。為了保證所構建的指標體系能夠準確表征煤層的瓦斯抽采地質特征，在指標體系構建時遵循以下幾個原則。

2.1.1系統性。煤與瓦斯是一個同生共儲的復雜的特殊地質體。從系統描述一個復雜地質體的角度出發(fā)，遴選出能夠代表系統儲層內部結構、構造和物性特征的參數作為評價指標。

2.1.2層次性。從儲層宏觀描述到微觀參數測定，從地質體整體構造型式到內部結構，分不同層次對瓦斯抽采地質特性進行表征。

2.1.3科學性。各單項指標的相互關系明確，內涵明晰，能夠反映瓦斯抽采擾動層的主要地質背景特征和擾動工藝實施所需要的關鍵技術參數。

2.1.4實用性。指標體系建立后，要在相關研究區(qū)推廣應用，必須兼顧生產企業(yè)實際和瓦斯抽采的需要，在實際應用中考慮指標數據的可獲得性和評價的可操作性。

2.2指標體系構建的思路

在對瓦斯抽采地質綜合分析的基礎上，以三級瓦斯抽采地質單元為評價區(qū)塊，以水力擾動層為評價層，以實測瓦斯抽采地質背景參數及煤巖層物性參數為基礎，提取能夠指導井下水力擾動設計和瓦斯抽采工程的地質指標，形成了一套瓦斯抽采地質評價指標體系，對各抽采單元進行綜合定量評價。

2.2.1目標層（一級指標）。目標層反映的是礦井瓦斯抽采地質背景下擾動層體系所表現的地質規(guī)律和物性特征。目標層有2個一級指標，分別為瓦斯抽采地質背景和水力擾動層物性參數指標。

2.2.2準則層（二級指標）。準則層是瓦斯抽采地質指標體系分析和測試的二級指標大類。包括構造條件、含氣性、滲透性、煤層穩(wěn)定性、水文地質、水理性、煤層結構及頂底板等。

2.2.3指標層（三級指標）。指標層是能夠反映瓦斯抽采地質特征的具體指標或參數，每個指標均有具體的內涵。

2.2.4評價層（四級指標）。評價層是用具體的數據來反映瓦斯抽采地質評價指標的優(yōu)劣，也是指導擾動工藝和瓦斯抽采工程的定量標準，評價標準根據好、中、差劃分為1級、2級、3級。

2.3指標體系建立

根據上述原則和思路，構建了瓦斯抽采地質評價指標體系（見表1）。

表1 瓦斯抽采地質評價指標體系

3　結語

①從瓦斯抽采工程地質新角度出發(fā)，依據礦井的采區(qū)或工作面部署、瓦斯含量、煤體結構、透氣性系數、煤層穩(wěn)定性、構造條件以及頂底板巖性等，構建了瓦斯抽采地質單元區(qū)劃標準，劃分出三級瓦斯抽采地質單元。

②依據瓦斯抽采擾動工藝設計與施工需要，根據對礦井地質條件、地應力和煤巖體物性的研究，初步建立了一套瓦斯抽采地質評價指標技術體系。

參考文獻：

［1］袁亮，林柏泉，楊威.我國煤礦水力化技術瓦斯治理研究進展及發(fā)展方向［J］.煤炭科學技術，2015（1）：45-49.

［2］郭紅玉.基于水力壓裂的煤礦井下瓦斯抽采理論與技術［D］.焦作：河南理工大學，2001.

［3］馬耕，陶云奇.煤礦井下水力擾動抽采瓦斯技術體系.煤炭科學技術，2016（1）：29-38．

［4］劉曉，張雙斌，郭紅玉.煤礦井下長鉆孔水力壓裂技術研究［J］.煤炭科學技術，2014（3）：42-44.

［5］張代均，鮮學福.煤結構模式的初步研究［J］.煤田地質與勘探，1992（2）：32-35.

［6］降文萍，宋孝忠，鐘玲文.基于低溫液氮實驗的不同煤體結構煤的孔隙特征及其對瓦斯突出影響［J］.煤炭學報，2011 （4）：609-614.

［7］侯泉林，李會軍，范俊佳，等.構造煤結構與煤層氣賦存研究進展［J］.中國科學：地球科學，2012（10）：1487-1495.

［8］河南能源化工集團研究院研究院有限公司.井下瓦斯抽采系列關鍵技術及裝備研究與應用［R］.鄭州：河南能源化工集團研究院研究院有限公司，2012：123-125.

中圖分類號：TD712.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）02-0095-03

收稿日期：2016-01-25

基金項目：河南省重點科技攻關項目（132102310027，142102310030）；河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室開放基金（OTMP1406）；河南工程學院博士基金（D2013018）。

作者簡介：宋志敏（1961-），男，博士，教授，研究方向：瓦斯地質與煤田地質。

Study on Gas Extraction Geological Unit Division Based on Disturbed Technics

Song Zhimin1,2,3Ma Fenglan2Li Bing1,3Ren Jiangang1,3
（1.College of Resources and Environment，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou Henan 451191；
2.Zhengzhou Safety Production Education Center，Zhengzhou Henan 450006；3.Key Laboratory of Mine Geohazards and Environment Prevention in Zhengzhou City，Zhengzhou Henan 451191）

Abstract:The coal-bearing strata were all subjected to multistage tectonic movement superimpositions and transformations,so the mine structure,coal body structure,roof-floor lithology,hydrogeological condition re?spectively presented a feature of complexity,heterogeneity,diversity and differentiation.From a new perspec?tive of the gas extraction,combining with the urgent needs of hydraulic fracturing implemented on gas extrac?tion,gas extraction geological unit division based on hydraulic fracturing was studied,it was put forward that the principle of the scientific division of the geological unit of gas drainage in three stages,the evaluation in?dex system of gas drainage geological unit was formed by a set of convenient engineering practice,to provide a reliable geological basis for the disturbance process and the implementation of gas drainage engineering.

Keywords:mine structure；coal body structure；roof-floor lithology；gas extraction geological unit；evaluation indexes system