宋志敏　马凤兰　李　冰　任建刚

（1.河南工程学院　资源环境学院，河南　郑州　451191；2.郑州市安全生产教育中心，河南　郑州　450006；3.郑州市矿山环境地质灾害与防治重点实验室，河南　郑州　451191）



基于扰动工艺的瓦斯抽采地质单元区划研究

宋志敏1，2，3马凤兰2李冰1，3任建刚1，3

（1.河南工程学院资源环境学院，河南郑州451191；2.郑州市安全生产教育中心，河南郑州450006；3.郑州市矿山环境地质灾害与防治重点实验室，河南郑州451191）

摘要：我国含煤盆地形成后经历了多期次构造运动的叠加改造，矿井构造组合、瓦斯含量分布、煤体结构展布、顶底板岩层富水性分布等呈现出复杂化、非均质化、差异化等显著特征。从瓦斯抽采工程地质新角度出发，结合井下瓦斯抽采实施扰动工艺的迫切需要，开展了基于扰动工艺的瓦斯抽采地质单元区划研究，提出了科学划分出三级瓦斯抽采地质单元原则，初步形成了一套方便工程实践瓦斯抽采地质单元评价指标体系，为扰动工艺和瓦斯抽采工程的实施提供了可靠的地质依据。

关键词：矿井构造；煤体结构；顶底板岩性；瓦斯抽采地质单元；评价指标体系

随着矿井开采深度和强度的逐年增加，瓦斯灾害的防治难度也越来越大。《防治煤与瓦斯突出规定》颁布以来，我国煤矿在高瓦斯/突出煤层开采前和开采中实施了大量的瓦斯抽采工程，在很大程度上减轻了瓦斯灾害。然而，目前仍存在抽采不均衡、抽采效率低、盲目施工等问题，还不能消除瓦斯灾害。随着开采强度和深度的不断增加，瓦斯赋存地质条件更加复杂，瓦斯隐患更趋严重。究其原因，除了抽采工程技术方面的问题外，更是缺乏行之有效的用于指导瓦斯抽采工作的基础地质理论。我国主采煤层形成后经历多期构造运动，瓦斯赋存、运移地质条件复杂［1-4］，各种形式的煤层扰动技术在工程应用中与复杂多变的地质条件存在不配套、不适用等问题。因此，开展基于扰动工艺的瓦斯抽采地质区划研究，较准确地分析矿井构造组合型式、煤体结构展布及其顶底板岩性富水性等的分布规律，进一步查明扰动工艺需要的煤岩物性参数，科学划分瓦斯抽采地质单元及构建一套瓦斯抽采地质单元评价指标体系，对解决地质不精细、保障不力等问题，指导瓦斯抽采工程部署，优化瓦斯抽采工艺设计，提高瓦斯抽采效果，实现煤气共采的瓦斯综合治理目标具有重大的意义［5-7］。

1　瓦斯抽采地质单元划分

瓦斯抽采不但能解决煤矿生产过程中瓦斯灾害，还可以保护环境，又能从一定程度上缓解能源需求压力。由于我国含煤地层形成后经历了多期构造运动的叠加改造，瓦斯抽采地质特征呈现出矿井构造复杂化、煤体结构展布多样化、顶底板岩层非均匀化、瓦斯含量分布差异化等特点，根据井下瓦斯抽采实施扰动工艺的需要，依据采掘部署、矿井构造、瓦斯地质、水文地质条件和煤体结构组合等因素，科学划分瓦斯抽采地质单元。

影响瓦斯抽采地质单元划分的因素较多，有生产和工艺因素，如采掘部署、扰动工艺；有地质因素，如地质构造、瓦斯含量、水文地质条件、煤体结构以及煤岩体物性等。在进行瓦斯抽采地质单元划分时，地质因素仍然是第一要素。因此，采用以地质因素为主，生产因素为辅的划分原则进行瓦斯抽采地质单元的划分［8］。

（1）总体考虑研究区实际生产部署的基础上，分析研究区内地质因素及生产因素划分出规划区、准备区和生产区。

（2）在规划区、准备区和生产区，以瓦斯含量6m3/t为界限，划分出一级瓦斯抽采地质单元，即抽采区和非抽采区。

（3）抽采区分为井上（地面）抽采区和井下抽采区。井下抽采区可依据煤体结构f值、衰减系数、透气性系数、百米极限抽放量及含气量等评价指标的指标值，划分出二级瓦斯抽采地质单元，即可抽性好与可抽性差区域。

（4）在二级瓦斯抽采地质单元可抽性差区域内划分三级瓦斯抽采地质单元。依据煤层稳定性、构造条件、煤体结构、水敏性及顶底板岩性等指标的指标值，划分三级瓦斯抽采地质单元，即扰动工艺优选区。

（5）在三级瓦斯抽采地质单元内优选强化层扰动工艺，即压裂、冲孔、冲压一体。

2　瓦斯抽采地质评价指标体系

煤层的沉积、改造、定型和瓦斯的生成、运移、储集是特定地质空间和时间内各种地质作用和外部环境相互作用、联系的复杂地质体，最终地质体内保存的地质参数可以反映煤层和瓦斯的地质特征。这些地质参数既有确定性的一面，也有模糊性的一面；即具有一定的独立性，又具有一定的关联性，有些参数能够表达煤层或瓦斯的某种特征，也可以从某个地质参数反映另一个参数的变化规律。因此，依据系统科学的观点、采用定性和定量指标相结合的思想构建瓦斯抽采地质评价指标体系。

2.1指标体系构建的原则

瓦斯抽采地质评价指标体系是在一定原则基础上的综合各类关键地质参数构建的有机集合体。为了保证所构建的指标体系能够准确表征煤层的瓦斯抽采地质特征，在指标体系构建时遵循以下几个原则。

2.1.1系统性。煤与瓦斯是一个同生共储的复杂的特殊地质体。从系统描述一个复杂地质体的角度出发，遴选出能够代表系统储层内部结构、构造和物性特征的参数作为评价指标。

2.1.2层次性。从储层宏观描述到微观参数测定，从地质体整体构造型式到内部结构，分不同层次对瓦斯抽采地质特性进行表征。

2.1.3科学性。各单项指标的相互关系明确，内涵明晰，能够反映瓦斯抽采扰动层的主要地质背景特征和扰动工艺实施所需要的关键技术参数。

2.1.4实用性。指标体系建立后，要在相关研究区推广应用，必须兼顾生产企业实际和瓦斯抽采的需要，在实际应用中考虑指标数据的可获得性和评价的可操作性。

2.2指标体系构建的思路

在对瓦斯抽采地质综合分析的基础上，以三级瓦斯抽采地质单元为评价区块，以水力扰动层为评价层，以实测瓦斯抽采地质背景参数及煤岩层物性参数为基础，提取能够指导井下水力扰动设计和瓦斯抽采工程的地质指标，形成了一套瓦斯抽采地质评价指标体系，对各抽采单元进行综合定量评价。

2.2.1目标层（一级指标）。目标层反映的是矿井瓦斯抽采地质背景下扰动层体系所表现的地质规律和物性特征。目标层有2个一级指标，分别为瓦斯抽采地质背景和水力扰动层物性参数指标。

2.2.2准则层（二级指标）。准则层是瓦斯抽采地质指标体系分析和测试的二级指标大类。包括构造条件、含气性、渗透性、煤层稳定性、水文地质、水理性、煤层结构及顶底板等。

2.2.3指标层（三级指标）。指标层是能够反映瓦斯抽采地质特征的具体指标或参数，每个指标均有具体的内涵。

2.2.4评价层（四级指标）。评价层是用具体的数据来反映瓦斯抽采地质评价指标的优劣，也是指导扰动工艺和瓦斯抽采工程的定量标准，评价标准根据好、中、差划分为1级、2级、3级。

2.3指标体系建立

根据上述原则和思路，构建了瓦斯抽采地质评价指标体系（见表1）。

表1 瓦斯抽采地质评价指标体系

3　结语

①从瓦斯抽采工程地质新角度出发，依据矿井的采区或工作面部署、瓦斯含量、煤体结构、透气性系数、煤层稳定性、构造条件以及顶底板岩性等，构建了瓦斯抽采地质单元区划标准，划分出三级瓦斯抽采地质单元。

②依据瓦斯抽采扰动工艺设计与施工需要，根据对矿井地质条件、地应力和煤岩体物性的研究，初步建立了一套瓦斯抽采地质评价指标技术体系。

参考文献：

［1］袁亮，林柏泉，杨威.我国煤矿水力化技术瓦斯治理研究进展及发展方向［J］.煤炭科学技术，2015（1）：45-49.

［2］郭红玉.基于水力压裂的煤矿井下瓦斯抽采理论与技术［D］.焦作：河南理工大学，2001.

［3］马耕，陶云奇.煤矿井下水力扰动抽采瓦斯技术体系.煤炭科学技术，2016（1）：29-38．

［4］刘晓，张双斌，郭红玉.煤矿井下长钻孔水力压裂技术研究［J］.煤炭科学技术，2014（3）：42-44.

［5］张代均，鲜学福.煤结构模式的初步研究［J］.煤田地质与勘探，1992（2）：32-35.

［6］降文萍，宋孝忠，钟玲文.基于低温液氮实验的不同煤体结构煤的孔隙特征及其对瓦斯突出影响［J］.煤炭学报，2011 （4）：609-614.

［7］侯泉林，李会军，范俊佳，等.构造煤结构与煤层气赋存研究进展［J］.中国科学：地球科学，2012（10）：1487-1495.

［8］河南能源化工集团研究院研究院有限公司.井下瓦斯抽采系列关键技术及装备研究与应用［R］.郑州：河南能源化工集团研究院研究院有限公司，2012：123-125.

中图分类号：TD712.6

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）02-0095-03

收稿日期：2016-01-25

基金项目：河南省重点科技攻关项目（132102310027，142102310030）；河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室开放基金（OTMP1406）；河南工程学院博士基金（D2013018）。

作者简介：宋志敏（1961-），男，博士，教授，研究方向：瓦斯地质与煤田地质。

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