本書以老采空區(qū)瓦斯的賦存范圍為研究對(duì)象，結(jié)合老采空區(qū)瓦斯的來源，利用分源法建立了老采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)量預(yù)測(cè)模型，為老采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)量計(jì)算提供了理論依據(jù)；介紹了工作面采高、覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)及采深對(duì)導(dǎo)氣裂隙帶各橫向分區(qū)發(fā)育形態(tài)的影響規(guī)律，給出了考慮工作面采高、覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)及采深的橫向分區(qū)發(fā)育特征的判別方法，為老采空區(qū)地面井位選擇提供理論指導(dǎo)，同時(shí)還介紹了不同地面井位的鉆井控制范圍和老采空區(qū)氣體流態(tài)。

老采空區(qū)瓦斯是指采煤工作面封閉后,其采動(dòng)影響范圍內(nèi)能夠卸壓解吸的瓦斯。我國(guó)煤層瓦斯儲(chǔ)量與陸地上常規(guī)天然氣儲(chǔ)量相當(dāng),而我國(guó)煤礦平均瓦斯抽采率僅為23%,封閉后的老采空區(qū)內(nèi)積聚有大量的煤層瓦斯。老采空區(qū)瓦斯不僅是一種較強(qiáng)烈的溫室氣體,而且是一種清潔能源,在能源緊缺和環(huán)境惡化問題日趨嚴(yán)重的今天,開展老采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論研究與實(shí)踐具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

老采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)是將老采空區(qū)內(nèi)遺煤、煤柱及鄰近煤巖層不斷解吸釋放的瓦斯抽采至地面的煤礦瓦斯抽采技術(shù),是煤與瓦斯共采技術(shù)體系的重要組成內(nèi)容。現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)外老采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)方案主要有:(1)封閉井筒預(yù)留管道抽采;(2)地面鉆井抽采;(3)井下老采空區(qū)封閉管路(或鉆孔)抽采。其中,地面鉆井抽采技術(shù)不僅靈活,而且便于采取其他措施提高瓦斯的抽采速率。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)老采空區(qū)瓦斯富集規(guī)律的研究較少,地面鉆井抽采條件下的老采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律、老采空區(qū)地面鉆井井位選擇及井網(wǎng)布置方面的研究成果鮮見。雖然我國(guó)逐步認(rèn)識(shí)到了老采空區(qū)瓦斯資源的重要性,并與國(guó)外合作,在某些礦區(qū)開展了老采空區(qū)瓦斯資源開發(fā)的嘗試;但其合作項(xiàng)目?jī)H在老采空區(qū)瓦斯抽采的理論方面做了一些探討工作,且現(xiàn)有的老采空區(qū)瓦斯抽采理論尚不完善,不能很好地指導(dǎo)老采空區(qū)瓦斯抽采現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

本書結(jié)合巖層移動(dòng)和瓦斯卸壓運(yùn)移的最新研究成果———采動(dòng)上覆瓦斯卸壓運(yùn)移“三帶”理論,開展老采空區(qū)瓦斯的富集規(guī)律研究,建立老采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)量預(yù)測(cè)模型;開展老采空區(qū)裂隙場(chǎng)發(fā)育形態(tài)的影響因素研究,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行老采空區(qū)地面井位優(yōu)化研究,為老采空區(qū)地面井位選擇和井網(wǎng)布置提供理論基礎(chǔ);將上述理論研究成果應(yīng)用于陽(yáng)泉礦區(qū)老采空區(qū)瓦斯抽采工程試驗(yàn),對(duì)推動(dòng)我國(guó)老采空區(qū)瓦斯的開發(fā)利用具有重要指導(dǎo)意義。

全書共分為6章:第1章主要介紹了我國(guó)目前老采空區(qū)瓦斯抽采相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展及存在的問題;第2章為老采空區(qū)瓦斯富集規(guī)律研究,分析了老采空區(qū)瓦斯賦存范圍,介紹了老采空區(qū)瓦斯來源,根據(jù)采動(dòng)卸壓瓦斯運(yùn)移“三帶”理論,利用分源法建立了老采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)量預(yù)測(cè)模型;第3章為老采空區(qū)覆巖采動(dòng)裂隙分布特征研究,在明確采空區(qū)導(dǎo)氣裂隙帶發(fā)育高度的基礎(chǔ)上,將導(dǎo)氣裂隙帶在橫向上劃分為:側(cè)向裂隙區(qū)、“O”形圈裂隙區(qū)和重新壓實(shí)區(qū),就工作面采高、覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)及采深對(duì)各橫向分區(qū)發(fā)育形態(tài)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究;第4章采用自行研制的“采空區(qū)瓦斯抽采模擬試驗(yàn)系統(tǒng)”開展了老采空區(qū)地面井位優(yōu)化的物理模擬試驗(yàn)研究,考察了不同地面井位、抽采負(fù)壓條件下的老采空區(qū)瓦斯的抽采效果,為老采空區(qū)地面井位選擇提供指導(dǎo)依據(jù);第5章對(duì)采空區(qū)覆巖垂直位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè),擬合得到了采空區(qū)覆巖垂直位移空間分布函數(shù),在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了采空區(qū)滲透率的空間分布函數(shù),建立了老采空區(qū)瓦斯?jié)B流數(shù)學(xué)模型,并通過FLUENT軟件對(duì)該數(shù)學(xué)模型求解得到了老采空區(qū)瓦斯?jié)B流場(chǎng),論述了老采空區(qū)瓦斯抽采井的控制范圍和氣體流動(dòng)狀態(tài);第6章將老采空區(qū)瓦斯抽采的基礎(chǔ)理論應(yīng)用于陽(yáng)泉礦區(qū)的老采空區(qū)瓦斯抽采試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,總結(jié)了工程試驗(yàn)過程中積累的工程經(jīng)驗(yàn),指出了今后老采空區(qū)瓦斯抽采面臨的挑戰(zhàn)和困難。

本 書所有研究成果均是在恩師許家林教授的指導(dǎo)下完成的,在此對(duì)恩師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)致以誠(chéng)摯的謝意;感謝課題組胡國(guó)忠、吳仁倫、黃軍碗、孔祥、徐光、王中偉、周華東、彭小亞、李曉林、李子玉、董躍文、張海東、黃興、李杰、田鵬濤等人在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬研究中所做的大量工作。在陽(yáng)煤集團(tuán)三礦

進(jìn)行實(shí)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中,得到了陽(yáng)煤集團(tuán)趙長(zhǎng)春、趙慶珍、李耀謙、王玉祿、楊齊全、劉朝陽(yáng)等領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員的大力支持和幫助,在此表示衷心的感謝。感謝中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室各位同仁的指導(dǎo)、幫助。同時(shí),在本書出版之際,對(duì)本書所引用資料和參考文獻(xiàn)的作者表示最真摯的感謝。

雖然對(duì)本書盡了最大努力,但由于水平和時(shí)間所限,疏漏和錯(cuò)誤在所難免,敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

著 者

2015年6月

第1章 導(dǎo)論……………………………………………………………………… 1

1.1 引言…………………………………………………………………… 1

1.2 國(guó)內(nèi)外老采空區(qū)瓦斯抽采領(lǐng)域研究進(jìn)展…………………………… 2

1.3 老采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵問題……………………… 8

本章參考文獻(xiàn)………………………………………………………………… 9

第2章 老采空區(qū)瓦斯富集規(guī)律……………………………………………… 13

2.1 引言…………………………………………………………………… 13

2.2 老采空區(qū)瓦斯賦存狀態(tài)……………………………………………… 14

2.3 老采空區(qū)瓦斯來源…………………………………………………… 17

2.4 老采空區(qū)瓦斯賦存范圍……………………………………………… 18

2.5 老采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)量分源預(yù)測(cè)方法…………………………………… 20

2.6 老采空區(qū)瓦斯運(yùn)移和積聚規(guī)律……………………………………… 24

2.7 本章小結(jié)……………………………………………………………… 26

本章參考文獻(xiàn)……………………………………………………………… 27

第3章 老采空區(qū)覆巖采動(dòng)裂隙分布特征研究……………………………… 28

3.1 引言…………………………………………………………………… 28

3.2 導(dǎo)氣裂隙帶高度判別方法…………………………………………… 29

3.3 老采空區(qū)導(dǎo)氣裂隙帶橫向分區(qū)……………………………………… 30

3.4 橫向分區(qū)發(fā)育形態(tài)的影響因素研究………………………………… 33

3.5 本章小結(jié)……………………………………………………………… 54

本章參考文獻(xiàn)……………………………………………………………… 55

第4章 地面井位優(yōu)化的物理模擬實(shí)驗(yàn)……………………………………… 57

4.1 引言…………………………………………………………………… 57

4.2 試驗(yàn)?zāi)康摹?57

4.3 試驗(yàn)裝置……………………………………………………………… 58

4.4 試驗(yàn)步驟和試驗(yàn)結(jié)果………………………………………………… 63

4.5 本章小結(jié)……………………………………………………………… 78

本章參考文獻(xiàn)……………………………………………………………… 79

第5章 老采空區(qū)瓦斯?jié)B流數(shù)學(xué)模型………………………………………… 80

5.1 引言…………………………………………………………………… 80

5.2 老采空區(qū)多孔介質(zhì)特性……………………………………………… 81

5.3 老采空區(qū)導(dǎo)氣裂隙帶內(nèi)滲透率空間分布…………………………… 84

5.4 老采空區(qū)瓦斯?jié)B流數(shù)學(xué)模型………………………………………… 94

5.5 地面鉆井抽采條件下老采空區(qū)瓦斯?jié)B流模型的數(shù)值計(jì)算………… 99

5.6 本章小結(jié)…………………………………………………………… 113

本章參考文獻(xiàn)……………………………………………………………… 115

第6章 地面鉆井抽采老采空區(qū)瓦斯工程試驗(yàn)……………………………… 116

6.1 引言………………………………………………………………… 116

6.2 陽(yáng)泉三礦老采空區(qū)區(qū)域劃分……………………………………… 118

6.3 連通區(qū)域老采空區(qū)瓦斯儲(chǔ)量計(jì)算………………………………… 123

6.4 陽(yáng)泉三礦老采空區(qū)瓦斯抽采地面鉆井井位選擇及井網(wǎng)布置…… 127

6.5 陽(yáng)泉三礦老采空區(qū)瓦斯抽采現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)…………………………… 131

6.6 本章小結(jié)…………………………………………………………… 135

本章參考文獻(xiàn)……………………………………………………………… 135