影响区煤层动态含气量分析

井巷开拓和煤炭开采会改变扰动区的地应力场和流体压力场，破坏煤储层压力系统的平衡，煤层气发生解吸和渗流，含气量会发生动态变化。采动区的影响分为以下3类。

（1）本煤层采动影响区

本煤层采动影响区包括掘进巷道和采煤工作面导致的采动影响区。影响区内含气量与采煤工作面的推进速度和到暴露煤壁的距离有关，由于气体流速、流向和压力随时间发生变化，所以为非稳定流场，通常采用数值模拟的方法进行估算。

①有限元法。有限元法是将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题的数值方法。

本煤层采动影响区内含气量是地应力、煤层透气性系数、到暴露煤壁之间的距离及煤壁暴露时间的函数，采动影响区宽度最多为巷道宽度的5倍，巷道周围的裂隙和卸压区最终为巷道宽度的3～4倍，把采动影响区划分为若干个有限大小的单元体，每一个单元体的状态都相对简单、连续，对每一个单元体建立一个线性插值函数，则每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些单元场函数的集合能近似代表整个连续体的场函数。

采动影响区内每点的煤层气压力与时间的拟合关系为指数衰减形式（丁广骧，1996）：

式中：p0——煤储层初始压力，MPa；

　　　pi——煤储层某点、某时刻的压力，MPa；

　　　t——采动影响时间，d；

　　　a1，b1——拟合系数。

根据（丁广骧，1996）有限元模拟数据，采动影响区内某点、某时刻的煤层气压力，随着与暴露煤壁之间的距离的减小呈对数形式衰减：

式中：L——某点到暴露煤壁之间的距离，m；

　　　a2，b2——拟合系数。

②瓦斯涌出量法。实测暴露煤壁瓦斯涌出强度与时间的关系的数学模型为：

式中：CQT——经过时间t后煤壁瓦斯涌出强度，m3／（m2·d）；

　　　CQ0——煤壁瓦斯涌出初始强度，m3／（m2·d）；

　　　t——煤壁暴露时间，d；

　　　α——时间因次系数；

　　　β——与煤的类型、透气性等有关的系数。

煤壁瓦斯涌出初始强度CQ0与原始煤层瓦斯含量之间存在正相关关系，根据阳泉矿务局实测资料：

式中：Q0——卸压带内原始煤层瓦斯含量，m3／t。(www.xing528.com)

通过经验公式计算出煤壁瓦斯涌出初始强度CQ0，代入式（1－20）并对时间t积分，可得单位面积煤壁瓦斯涌出量，已知煤壁暴露面积情况下即可得到暴露煤壁瓦斯涌出总量，根据矿井实测本煤层含气量对瓦斯涌出量的贡献，在采动影响区煤层气含量预测时减掉煤层内瓦斯排放量即可得到采动影响区内剩余的煤层气含量。

③瓦斯压力测定法。根据实测瓦斯卸压带内某点的原始瓦斯压力和不同时间的残余瓦斯压力，由Langmuir等温吸附方程计算原始瓦斯含量和残余瓦斯含量，得出煤壁卸压区瓦斯含量随暴露时间和到暴露煤壁的距离的关系，通过数值模拟回归分析，得出煤层瓦斯排放率随暴露时间和到暴露煤壁的距离的关系。在某一时刻，煤壁卸压区瓦斯排放率和到暴露煤壁的距离的关系呈指数衰减：

式中：η——本煤层瓦斯排放率，%；

　　　a3，b3——拟合系数，其中b3又称为衰减系数；

　　　L——该点距暴露煤壁的距离，m。

中国煤炭科学总院重庆分院和阳泉矿务局采用类似方法，实测煤壁瓦斯卸压带内煤中某点残余瓦斯压力，建立了残余瓦斯含量与排放时间的关系：

式中：Q0——卸压带内原始煤层瓦斯含量，m3／t；

　　　Qt——卸压带内某点残余煤层瓦斯含量，m3／t；

　　　x——取决于地应力和瓦斯透气性的系数，d－1；

　　　t——煤壁暴露时间，d。

（2）邻近层采动影响区

受扰动卸压作用的影响，邻近煤层的煤层气会发生不同程度的解吸，解吸量用瓦斯排放效率来描述，受到开采层的距离、开采层工作面采高、工作面采长、层间岩石性质、地应力等因素的影响。根据瓦斯排放范围内邻近层原始瓦斯含量、残存瓦斯含量之间的关系，可计算瓦斯排放效率（包剑影等，1996）：

式中：η——邻近层瓦斯排放效率，%；

　　　Q邻初——邻近层原始瓦斯含量，m3／t；

　　　Q邻残——邻近层残存瓦斯含量，m3／t；

　　　L采长——工作面采长，m；

　　　L排宽——瓦斯排放宽度，m。

邻近层原始瓦斯含量根据测得的瓦斯压力和Langmuir常数求得，残存瓦斯含量由残存瓦斯压力求得。根据实测数据，处于冒落带的上邻近层残存瓦斯含量一般小于2m3／t，处于裂隙带的上邻近层残存瓦斯含量随距离开采层的距离增加而增大。

（3）煤炭资源残留区

煤炭资源残留区是指煤炭开采后资源损失量的分布区，包括煤层顶部残煤、底部残煤、各类煤柱等，含气量一般小于2m3／t，不计入煤层气的资源量计算。建筑物下、道路下、水体下等大型煤柱体的残余含气量可依据本煤层或邻近层采动影响区有关方法进行相应数值模拟。