本书以老采空区瓦斯的赋存范围为研究对象，结合老采空区瓦斯的来源，利用分源法建立了老采空区瓦斯储量预测模型，为老采空区瓦斯储量计算提供了理论依据；介绍了工作面采高、覆岩关键层结构及采深对导气裂隙带各横向分区发育形态的影响规律，给出了考虑工作面采高、覆岩关键层结构及采深的横向分区发育特征的判别方法，为老采空区地面井位选择提供理论指导，同时还介绍了不同地面井位的钻井控制范围和老采空区气体流态。

老采空区瓦斯是指采煤工作面封闭后,其采动影响范围内能够卸压解吸的瓦斯。我国煤层瓦斯储量与陆地上常规天然气储量相当,而我国煤矿平均瓦斯抽采率仅为23%,封闭后的老采空区内积聚有大量的煤层瓦斯。老采空区瓦斯不仅是一种较强烈的温室气体,而且是一种清洁能源,在能源紧缺和环境恶化问题日趋严重的今天,开展老采空区瓦斯抽采技术的相关基础理论研究与实践具有十分重要的理论意义和应用价值。

老采空区瓦斯抽采技术是将老采空区内遗煤、煤柱及邻近煤岩层不断解吸释放的瓦斯抽采至地面的煤矿瓦斯抽采技术,是煤与瓦斯共采技术体系的重要组成内容。现阶段,国内外老采空区瓦斯抽采技术方案主要有:(1)封闭井筒预留管道抽采;(2)地面钻井抽采;(3)井下老采空区封闭管路(或钻孔)抽采。其中,地面钻井抽采技术不仅灵活,而且便于采取其他措施提高瓦斯的抽采速率。

目前,国内外学者对老采空区瓦斯富集规律的研究较少,地面钻井抽采条件下的老采空区瓦斯运移规律、老采空区地面钻井井位选择及井网布置方面的研究成果鲜见。虽然我国逐步认识到了老采空区瓦斯资源的重要性,并与国外合作,在某些矿区开展了老采空区瓦斯资源开发的尝试;但其合作项目仅在老采空区瓦斯抽采的理论方面做了一些探讨工作,且现有的老采空区瓦斯抽采理论尚不完善,不能很好地指导老采空区瓦斯抽采现场实践。

本书结合岩层移动和瓦斯卸压运移的最新研究成果———采动上覆瓦斯卸压运移“三带”理论,开展老采空区瓦斯的富集规律研究,建立老采空区瓦斯储量预测模型;开展老采空区裂隙场发育形态的影响因素研究,在此基础上进行老采空区地面井位优化研究,为老采空区地面井位选择和井网布置提供理论基础;将上述理论研究成果应用于阳泉矿区老采空区瓦斯抽采工程试验,对推动我国老采空区瓦斯的开发利用具有重要指导意义。

全书共分为6章:第1章主要介绍了我国目前老采空区瓦斯抽采相关领域的研究进展及存在的问题;第2章为老采空区瓦斯富集规律研究,分析了老采空区瓦斯赋存范围,介绍了老采空区瓦斯来源,根据采动卸压瓦斯运移“三带”理论,利用分源法建立了老采空区瓦斯储量预测模型;第3章为老采空区覆岩采动裂隙分布特征研究,在明确采空区导气裂隙带发育高度的基础上,将导气裂隙带在横向上划分为:侧向裂隙区、“O”形圈裂隙区和重新压实区,就工作面采高、覆岩关键层结构及采深对各横向分区发育形态的影响进行了数值模拟研究;第4章采用自行研制的“采空区瓦斯抽采模拟试验系统”开展了老采空区地面井位优化的物理模拟试验研究,考察了不同地面井位、抽采负压条件下的老采空区瓦斯的抽采效果,为老采空区地面井位选择提供指导依据;第5章对采空区覆岩垂直位移进行了监测,拟合得到了采空区覆岩垂直位移空间分布函数,在此基础上推导了采空区渗透率的空间分布函数,建立了老采空区瓦斯渗流数学模型,并通过FLUENT软件对该数学模型求解得到了老采空区瓦斯渗流场,论述了老采空区瓦斯抽采井的控制范围和气体流动状态;第6章将老采空区瓦斯抽采的基础理论应用于阳泉矿区的老采空区瓦斯抽采试验,对试验结果进行了分析,总结了工程试验过程中积累的工程经验,指出了今后老采空区瓦斯抽采面临的挑战和困难。

本 书所有研究成果均是在恩师许家林教授的指导下完成的,在此对恩师的热情关怀和悉心指导致以诚挚的谢意;感谢课题组胡国忠、吴仁伦、黄军碗、孔祥、徐光、王中伟、周华东、彭小亚、李晓林、李子玉、董跃文、张海东、黄兴、李杰、田鹏涛等人在现场实测和实验室模拟研究中所做的大量工作。在阳煤集团三矿

进行实测与现场试验过程中,得到了阳煤集团赵长春、赵庆珍、李耀谦、王玉禄、杨齐全、刘朝阳等领导和工程技术人员的大力支持和帮助,在此表示衷心的感谢。感谢中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室各位同仁的指导、帮助。同时,在本书出版之际,对本书所引用资料和参考文献的作者表示最真挚的感谢。

虽然对本书尽了最大努力,但由于水平和时间所限,疏漏和错误在所难免,敬请读者批评指正。

著 者

2015年6月

第1章 导论……………………………………………………………………… 1

1.1 引言…………………………………………………………………… 1

1.2 国内外老采空区瓦斯抽采领域研究进展…………………………… 2

1.3 老采空区瓦斯抽采技术领域面临的关键问题……………………… 8

本章参考文献………………………………………………………………… 9

第2章 老采空区瓦斯富集规律……………………………………………… 13

2.1 引言…………………………………………………………………… 13

2.2 老采空区瓦斯赋存状态……………………………………………… 14

2.3 老采空区瓦斯来源…………………………………………………… 17

2.4 老采空区瓦斯赋存范围……………………………………………… 18

2.5 老采空区瓦斯储量分源预测方法…………………………………… 20

2.6 老采空区瓦斯运移和积聚规律……………………………………… 24

2.7 本章小结……………………………………………………………… 26

本章参考文献……………………………………………………………… 27

第3章 老采空区覆岩采动裂隙分布特征研究……………………………… 28

3.1 引言…………………………………………………………………… 28

3.2 导气裂隙带高度判别方法…………………………………………… 29

3.3 老采空区导气裂隙带横向分区……………………………………… 30

3.4 横向分区发育形态的影响因素研究………………………………… 33

3.5 本章小结……………………………………………………………… 54

本章参考文献……………………………………………………………… 55

第4章 地面井位优化的物理模拟实验……………………………………… 57

4.1 引言…………………………………………………………………… 57

4.2 试验目的……………………………………………………………… 57

4.3 试验装置……………………………………………………………… 58

4.4 试验步骤和试验结果………………………………………………… 63

4.5 本章小结……………………………………………………………… 78

本章参考文献……………………………………………………………… 79

第5章 老采空区瓦斯渗流数学模型………………………………………… 80

5.1 引言…………………………………………………………………… 80

5.2 老采空区多孔介质特性……………………………………………… 81

5.3 老采空区导气裂隙带内渗透率空间分布…………………………… 84

5.4 老采空区瓦斯渗流数学模型………………………………………… 94

5.5 地面钻井抽采条件下老采空区瓦斯渗流模型的数值计算………… 99

5.6 本章小结…………………………………………………………… 113

本章参考文献……………………………………………………………… 115

第6章 地面钻井抽采老采空区瓦斯工程试验……………………………… 116

6.1 引言………………………………………………………………… 116

6.2 阳泉三矿老采空区区域划分……………………………………… 118

6.3 连通区域老采空区瓦斯储量计算………………………………… 123

6.4 阳泉三矿老采空区瓦斯抽采地面钻井井位选择及井网布置…… 127

6.5 阳泉三矿老采空区瓦斯抽采现场试验…………………………… 131

6.6 本章小结…………………………………………………………… 135

本章参考文献……………………………………………………………… 135