Research progress on stability control of surrounding rock in weakly cemented strata engineering in western China mining area
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摘要:
我国西部矿区开采地层主要由侏罗系、白垩系地层构成，该地层岩石总体表现为强度低、胶结性差、易崩解等特性，属于弱胶结岩石。弱胶结地层工程围岩与中东部矿区地层岩石差异性较大，工作面顶板控制、巷道围岩控制等采用传统的控制技术很难有效保障工程的安全性，常出现巷道大变形失稳、工作面压架、突水、溃沙、冲击地压等灾害。通过大量的调研和室内试验，获得弱胶结岩石抗拉、抗压等力学指标远小于中东部矿区同类岩石力学指标，建立了多因素耦合作用下的弱胶结岩石的变异程度评估指标体系，初步获得了典型矿区弱胶结岩石的变异性程度。以红庆河煤矿弱胶结岩石为例，发现了弱胶结岩石在力、水等载荷作用下，具有“类相变”现象，分析了胶结度对类相变现象的影响，给出了弱胶结粗粒砂岩的“类相变”状态特征及其敏感性参数。分析了导致工作面支架压架、突水溃沙灾害发生的覆岩垮落带、断裂带动态发育规律以及巷道围岩大变形规律，推演了弱胶结地层大采高工作面不同开采阶段垮落带动态变化表达式，建立了支架−围岩相互作用模型，给出了工作面来压和非来压期间支架工作阻力；针对弱胶结地层的松散弱特性，提出了巷道围岩双壳加固技术，可为工作面安全开采和巷道围岩控制提供保障。
Abstract:The mining strata in the western mining area of China are mainly composed of Jurassic and Cretaceous strata. The strata are characterized by low strength, poor cementation and easy disintegration, which belong to weakly cemented rocks. The surrounding rock of the weakly cemented stratum project is quite different from the stratum rock of the central and eastern mining areas. It is difficult to effectively guarantee the safety of the project by using traditional control technologies such as roof control of the working face and surrounding rock control of the roadway. Disasters such as large deformation and instability of the roadway, crushing of the working face, water inrush, sand inrush, rock burst and so on. Through a large number of investigations and laboratory experiments, the mechanical indexes such as tensile and compressive strength of weakly cemented rocks are much smaller than those of similar rocks in the central and eastern mining areas. The evaluation index system of the variation degree of weakly cemented rocks under the coupling of multiple factors is established, and the variation degree of weakly cemented rocks in typical mining areas is preliminarily obtained. Taking the weakly cemented rock in Hongqinghe Coal Mine as an example, it is found that the weakly cemented rock has the phenomenon of ‘phase transition’ under the action of force, water and other loads. The influence of cementation degree on the phase transition phenomenon is analyzed, and the ‘phase transition’ state characteristics and sensitivity parameters of weakly cemented coarse-grained sandstone are given. The dynamic development law of overburden caving zone and fracture zone and the large deformation law of roadway surrounding rock are studied and analyzed, which lead to the support crushing, water inrush and sand inrush disasters in the working face. The dynamic change expression of caving zone in different mining stages of large mining height working face in weakly cemented strata is deduced, and the support-surrounding rock interaction model is established. The working resistance of support during weighting and non-weighting of working face is given. Aiming at the loose and weak characteristics of weakly cemented strata, the double shell reinforcement technology of roadway surrounding rock is proposed, which can provide guarantee for safe mining of working face and control of roadway surrounding rock.
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0. 引 言
煤炭与煤层气分属两个独立的矿种，但两者同生共储，赋存于同一地质载体[1]。煤层气开发可在煤炭开采前、煤炭开采时和煤炭开采后进行[2]，特别是煤炭开采前和煤炭开采时的煤层气抽采既可获得清洁能源，又可大幅度降低煤层瓦斯含量，促进煤矿安全生产，得到了全社会的重点关注。我国也把“加大煤矿瓦斯抽采与利用力度，加快煤层气产业发展，保障煤矿生产安全，增加清洁能源供应，减少对生态环境的污染，促进煤炭工业可持续发展”作为制定煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十一五”规划时所遵循的原则[3]。自2005年以来，国家相关部门制定的《煤矿瓦斯治理与利用实施意见》《关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的若干意见》等多个政策性文件，提出要加快煤层气抽采，建立煤层气和煤炭协调开发机制，统筹煤层气和煤炭资源勘查开采布局和时序；进一步明确煤矿区要实施“先抽后采”“采气采煤一体化”和“煤气共采”等具体措施，极大地促进煤矿区煤层气和煤炭协调高效开发。近年来围绕煤矿区的煤层气与煤炭协调开发、“采煤采气一体化”和“煤气共采”等开展了深入的研究和实践，取得了丰硕成果[4-13]，初步形成了晋城、两淮、松藻3种典型地质条件下煤矿区煤炭与煤层气协调开发模式[14]。推动了煤炭与煤层气的协调开发，改善了能源供给结构，提高了煤矿安全生产水平。
尽管如此，但总体上煤层气资源开发的效果不容乐观，未能如期完成国家预期的煤层气抽采量目标。究其原因，除了我国煤层气赋存的地质条件复杂，抽采难度大外，下面3个因素也是其重要原因：①重视程度不够。大多数煤炭企业仅将煤层气抽采作为其众多安全生产措施中的一项措施；而油气企业往往也仅将煤层气抽采视为其天然气开发的补充。长期以来，煤层气开发作为一个产业未受到足够的重视；②关注的焦点仅局限于煤矿区。近年来多数煤层气开发区块靠近或在煤矿区域内进行，矿业权重叠资源区块的协调开发引发了广泛关注[15-16]。但事实上除煤矿区外，还有许多煤层气开发区块，这要求从更高、更广的视角来审视和认识煤层气与煤炭协调开发的关系，推动煤层气与煤炭开采企业的沟通与合作；③对如何评价不同性质企业的煤层气开发效益研究较少，仅习惯性认为煤层气开发具有资源、安全和环境等多重效益[17]，容易误导煤层气开采企业采取不恰当的投资。对于具体的煤层气煤炭开发区块，可能仅出让了煤层气矿业权或煤炭采矿权，也可能同时出让了煤层气矿业权和煤炭采矿权；煤层气矿业权和煤炭采矿权可能出让给一家企业，也可能出让给多家企业，此时煤炭开采和煤层气开发应遵循一定的时序和空间关系，才有可能实现两种资源的高效开发[18]，但纵观国内外相关文献，对煤炭与煤层气2种资源开发全过程及其阶段的划分等方面的研究较薄弱。基于煤层气矿业权和煤炭采矿权分置的现实以及现行的煤炭和煤层气开采安全生产许可制度，结合煤炭开采进程，从空间和时间两个维度上，对煤炭与煤层气共同开发全过程进行了阶段划分，并依据各开发阶段主要开发任务和目的，提出了各开发阶段开发任务和效果评价方法，以期更科学地理解煤与煤层气两种资源共同开发的全过程，促进二者的高效安全开发。
1. 煤与煤层气开发全过程及其阶段
1.1 煤与煤层气开发过程及其阶段划分
众所周知，据现行法律和资源管理制度，煤炭和煤层气开发的主体有煤层气开采企业、煤炭煤层气开采企业和煤炭开采企业3类。对于某个具体的煤炭煤层气资源区块，理想的情况下，国家首先出让的是煤层气矿业权；当煤层气开发结束后，国家再出让煤炭采矿权；当煤炭开采结束，矿井废弃后，最后出让采空区煤层气探矿权。
结合各资源开发主体与不同资源矿业权之间的组合关系，可以发现煤炭与煤层气协调开发全过程有着明显的持续性和阶段性特征（图1）。持续性是指煤层气的开发贯穿了煤炭开采前、煤炭开采中和煤炭开采后整个过程；阶段性是指煤炭与煤层气协调开发的不同阶段具有明显不同的目的任务。依据其不同的开发任务和特征，可将其分为单纯性煤层气开发阶段、互惠性煤气开发阶段、煤与瓦斯共采阶段和废弃矿井煤层气开发4个阶段。
![图 1 煤与煤层气协调开发阶段划分示意]()
图 1 煤与煤层气协调开发阶段划分示意Figure 1. Diagram of stage division of coordinated development of coal and coalbed methane1）单纯性煤层气开发阶段：只出让了煤层气矿业权的区块，其开发主体无论是煤层气开采企业还是煤炭煤层气开采企业，只能勘探或开发煤层气，该阶段可称之为单纯性煤层气开发阶段。
2）互惠性煤层气开发阶段：对于煤炭和煤层气矿权重叠的资源区块，相关规定要求“在煤炭远景规划区（后备区）以及取得煤炭探矿权、尚未取得煤炭采矿权的矿区，实施先采气、后采煤。已领取煤炭采矿许可证尚未进行基础建设的矿区，实施先抽后采、采煤采气一体化；正在进行生产或者基础建设的矿区，在5年内计划动用储量区域，以采煤为主，落实地面、井下联合抽采煤层气(煤矿瓦斯)，推进采煤采气一体化”。因此，对于具有该区域煤炭采矿权和煤层气矿权的开发主体，双方有着千丝万缕的联系，只有本着互惠原则，时刻保持协调和沟通，才能实现资源开发效益最大化，因此该阶段可称之为互惠性煤层气开发阶段。
3）煤与煤层气共采阶段：对于仅出让煤炭采矿权或煤炭采矿权和煤层气矿业权均出让给一家开采企业的区块，煤炭开采企业在开采煤炭的同时，为煤矿安全生产需要，可开展瓦斯抽采工作，形成了采煤和采瓦斯2个完整的开采系统，既产出煤炭也产出瓦斯，该阶段可称之为煤与煤层气共采阶段。
4）废弃矿井煤层气开发阶段：只出让了采空区瓦斯开采权的废弃矿井，任何有资质的开发主体也只能勘探和开采采空区煤层气，该阶段可称之为废弃矿井煤层气开发阶段。
1.2 开发阶段及其开发路径
煤与煤层气开发4个阶段的划分是一个总体方案，根据矿业权出让先后顺序、煤层气资源赋存和开发效果的制约，许多资源区块的开发路径可能会缺失其中一个或多个阶段（图2）。例如先出让煤炭采矿权后出让煤层气权业权资源区块，则会缺失单纯性煤层气开发阶段，直接进入互惠性煤层气开发阶段；若煤层气开发结束之后再出让煤炭采矿权，则该区块可能缺失互惠性煤层气开发阶段，而由单纯性煤层气开发阶段直接进入煤与煤层气共采阶段；若煤与瓦斯共采阶段的开发效果好，煤炭与瓦斯回收率较高时，将有可能不会再开展废弃矿井煤层气开发工作；而对于目前开展的埋深在3000 m左右的煤层气开发区块，因短时间还没有相应的高效安全开采技术，该类区块目前只能停留于单纯性煤层气开发阶段。
![图 2 煤与煤层气开发阶段及其路径示意]()
图 2 煤与煤层气开发阶段及其路径示意Figure 2. Diagram of development stage and development path of coal and coalbed methane2. 单纯性煤层气开发阶段
处于该开发阶段的区块一般远离煤矿的生产区域或者位于深部区域，未来煤炭如何开发还没有具体的规划。因此，任何开发主体申领煤层气矿业权的目的均是为了获取煤层气这种清洁能源，取得投资收益。
2.1 主要特征
该开发阶段主要特征如下：
1）开发的主体：具备采气资质的煤层气企业或具有采煤采气资质的煤炭企业。
2）开发的目的：获取尽可能多的煤层气，实现开发利润最大化。
3）开发方式：地面煤层气井抽采，布置井位时优选煤层气富集区。
4）与煤炭开采关系：因该区域煤炭矿业权还未设置，将来如何规划煤矿还未确定，此时煤层气开发时还无法考虑未来煤炭开采问题。只是在储层改造时，会要求开采技术措施不对煤层产生严重污染和对其完整性造成实质性破坏。
5）开发效益：提供了清洁能源，并由此产生的经济效益。开发的结果是部分区域煤层瓦斯含量降低，有利于未来煤炭的开采。但对于短时间内还不能开采的埋藏深度达2000 m或3000 m的煤层，其煤层气开发的安全效益很难体现出来。该区域煤层气不开发也不会对环境造成破坏，因此该阶段煤层气开发并没有直接减排温室气体意义。
2.2 开发效果评价
该阶段开发主要目的是获得清洁能源，并由此产生经济效益。其开发效果评价可围绕经济评价展开，即可按盈利和清偿能力进行评价，并选取财务净现值（VFNP）、财务内部收益率（RFIR）和投资回收期（Pt）作为主要评价指标[19]。各指标的计算分别见式（1）、式（2）和式（3）：
VFNP=n∑i=1(Ic−Oc)t(1+ic)−t (1) n∑i=1(Ic−Oc)t(1+RFIR)−t=0 (2) Pt=T0−1+PVt−1PVt (3) 式中：Ic为现金流入量；Oc为现金流出量：n为计算期；t为计算期的年序号；ic为基准收益率；T0为累计净现值出现正值的年份；PVt−1为上年累计净现金流量的绝对值；PVt为当年净现金流量的绝对值。
财务内部收益率和财务净现值是评价项目财务盈利能力最主要的动态评价指标，对于具体的煤层气开发项目，其内部收益率应大于行业基准收益率(煤层气行业基准收益率为12%)，投资回收期应少于行业基准投资回收期（煤层气行业的基准投资回收期为8年），财务净现值应大于0；且内部收益率越高，投资回收期越短，该项目投资收益越好。
3. 互惠性煤层气开发阶段
由前面分析可知，由于历史或现行法律的原因，一些资源区块会出现煤层气矿业权和煤炭采矿权重叠的现象。例如生产矿井的规划区等区域，按照相关规定，这些区域的煤炭生产至少在5年之后才可能实施。在此之前，总体上仍然是先采气，同时也要为后续煤炭开采创造有利条件。因开发主体不同，该阶段呈现出互惠性。该阶段矿业权所属企业联系与协作如图3所示。
![图 3 互惠性煤层气开发阶段矿业权所属企业联系与协作示意]()
图 3 互惠性煤层气开发阶段矿业权所属企业联系与协作示意Figure 3. Diagram of relationship and cooperation of mining right enterprises in development stage of reciprocity CBM3.1 主要特征
一些资源区域煤层气开发结束前就出让了煤炭采矿权或者出让了煤炭采矿权后又出让了煤层气矿业权，造成煤层气矿业权和煤炭采矿权重叠现象。当两种矿权隶属于不同性质的2个开采企业时，为了实现两种资源的高效开发和各自的利益，该阶段两个企业只能强化沟通和协调。该开发阶段主要特征如下：
1）开发的主体：是煤层气企业、煤炭煤层气开采企业或煤炭开采企业。
2）开发的目的：煤层气开采企业仍然是为了获取煤层气这种清洁能源，或与煤炭采矿权所属企业合作，获得一定数额的补贴，实现开发利润最大化。煤炭企业或者煤炭煤层气开采企业主要目是通过地面煤层气开发降低煤层瓦斯含量使其达到国家相关规定要求，为随后煤炭的开采提供便利。
3）开发方式：煤层气开采企业可在煤层气富集区布井，也可按煤矿开拓接替需求布井。煤炭开采企业或者煤炭煤层气开采企业通常会按开拓接替需求布井。
4）与煤炭开采关系：煤层气开采企业地面煤层气抽采降低了煤层瓦斯含量，有利于煤炭安全开采；另一方面煤炭生产进度的变化会影响其地面井经济开采年限。煤炭企业或煤炭煤层气开采企业进行煤层气地面抽采是保证后续煤炭安全高效开采的手段和措施。
5）开发效益：煤层气开采企业的经济效益主要来自资源开发所产生的经济效益和合作开发煤炭开采企业的补贴。部分区域煤层瓦斯含量降低，有利于将来煤炭的开采，具有一定的安全效益。相对于井下瓦斯抽采，煤层气地面抽采浓度相对较高，利用率较高，有一定的环境效益。煤炭开企业采企业或煤炭煤层气开采企业最大的效益来自煤层瓦斯含量的降低，保证了正常的抽掘采接替，为将来煤炭开采提供安全保障。
3.2 开发效果评价
1）煤层气开采企业。按常规布置的煤层气开发井组或区域，仍可用煤层气开发阶段的评价方法进行评价，但在计算过程中，要考虑该区域煤炭开采是否可能会影响到生产井的生产周期。那些应煤炭开采企业要求而布置的抽采井组，可能会造成一定数量抽采井难以达到经济产量，此时煤炭开采企业应给予一定的补偿，从而实现投入产出平衡，不发生亏损。其预计的煤层气销售收入Rg与获得的煤炭生产企业补贴Su之和应能与这些井组的建设投资和维护费用
C 相平衡，即Rg+Su≥C。2）煤炭开采企业。当不参与地面煤层气开发时，不存在开发效果评价问题。当与煤层气开采企业合作抽采煤层气时，其目的是以尽量少的投入最大限度地降低煤层瓦斯含量，支付给煤层气开采企业的合作费用或补贴与预计煤层气抽采量之比即每方瓦斯的抽采成本（Um）越低越好。考虑到煤层中的瓦斯也可以采用井下瓦斯抽采方式解决，因此，地面煤层气抽采成本Um最高应不大于井下瓦斯抽采成本Ug，即Um≤Ug。
3）煤炭煤层气开采企业。当利用煤层气矿业权流转的方法获得煤层气矿业权时，其开发效果评价内容与方与法可参照煤与煤层气共采阶段相关内容。
4. 煤与煤层气共采开发阶段
4.1 主要特征
虽然一个区块资源同时出让了煤层气矿业权和煤炭采矿权，但两种矿权均属于一个开采主体时，尽管资源开发总体上仍然是先采气、后采煤，但该主体可对两种资源的开发进行统筹规划，在空间和时间上能统一合理部署，从而实现采气采煤一体化开发（图4）。该阶段主要特征如下：
![图 4 共采阶段开发模式及开发方案优选示意]()
图 4 共采阶段开发模式及开发方案优选示意Figure 4. Diagram of development mode and scheme optimization during coal and gas co-mining stage1）开发的主体：是煤炭煤层气开发企业或煤炭开采企业。
2）开发的目的：①安全效益最大化。煤矿采掘衔接正常，瓦斯不再是影响煤矿安全生产的影响因素；充分利用采煤引起的岩层移动对瓦斯卸压作用来优化抽放方案，抽采效率高，掘进作业均在瓦斯抽采达标区域进行，真正实现了高瓦斯煤层，低瓦斯生产。②经济效益最大化。统筹兼顾煤炭生产与瓦斯抽采，从而实现了煤炭开采和瓦斯抽采利用经济效益最大化。③环境效益最大化。瓦斯抽采率和瓦斯利用率高，抽采瓦斯基本都得到了利用，瓦斯排放量少。以最少的投入，最大限度地降低煤层中的瓦斯气体含量，为后续煤炭安全高效开采奠定基础。
3）开发方式：地面煤层气井抽采；煤层气抽采井布置时首先要考虑煤炭采掘设计和接替规划，地面抽采进度要适应煤矿采掘衔接需要；其次要尽量实现均匀抽采，使煤层瓦斯均匀地降低，不再刻意寻找煤层气富集区。煤炭生产与瓦斯抽采完全融为一体，互为保障，共同促进。围绕煤矿生产建设中紧密相关的开拓、准备和回采3个重要阶段，优化瓦斯抽采方案，保证矿井“三量”平衡和抽采达标煤量达标，实现有序接替，按计划平衡安全地产出煤炭和瓦斯，并结合当地实际情况，多渠道利用瓦斯，使抽采瓦斯都可得到利用（图4）。
4）与煤炭开采关系：1 m3煤层气的发热量相当于1.22 kg标准煤，瓦斯含量为16 m3/t，抽采利用按50%来计算，吨煤中瓦斯的热当量仅占煤的1%左右，煤层气的经济价值远低于煤炭，因此，煤炭的安全高效开采永远处于开发的核心地位。采气与采煤要统一合理部署，协调开发，但其主要目的是降低煤层瓦斯含量，为后续煤炭安全开采做好准备。瓦斯抽采服务于煤炭的安全生产；煤炭生产促进瓦斯的抽采。
5）开发效益：煤与瓦斯共采的目的是实现煤炭开采和瓦斯抽采利用经济效益最大化，其开发效果可从经济、安全、环境和资源4个方面进行评价。
4.2 共采模式及方案
1）共采模式选择。根据煤层赋存条件和瓦斯抽采方法，我国煤与煤层气共采方面形成了地面预抽采、保护层开采和井下预抽采3类开发模式[20-21]。在进行开发模式选择时，首先应分析判断地面煤层气预抽采的必要性，是否必须开展。如果根据矿井实际地质和生产技术条件、矿井开拓、开采方式和煤层气抽采工艺技术等，确认地面煤层气预抽采是唯一可行的煤层气预抽采方法，则应开展地面煤层气预抽采，否则要与其他方法进行经济合理性对比。其次，如果煤层气地面开发、保护层开采和井下预抽采均可满足煤矿生产衔接需要，则要分析计算各预抽方法的单位煤层气抽采成本，根据成本大小选择确定煤与煤层气共采开发模式。开展地面煤层气预抽采的前提是其单位煤层气抽采成本最低，否则不实施地面煤层气开发。各抽采方法的单位瓦斯抽采成本计算如下。
为了便于计算和对比，对于一个特定的资源区域，无论是采用地面预抽采、保护层开采还是井下预抽采，其单位瓦斯抽采成本只计算钻井（孔）施工费、运行费和辅助费用；其中施工费主要包括材料费、工人工资、设备折旧、修理及电力费；运行费主要包括材料费、工人工资、设备折旧费和电力费等；辅助费用主要包括运输费、抽采管路费等。
①地面煤层气预抽采。单位煤层气抽采成本
Us 为待定区域各地面井的施工、运行和辅助费用之和与抽采煤层气量的比值，可按式（4）计算：Us=n0∑i=1(Csbi+Csoi+Csai)n0∑i=1Qsbi (4) 式中：Csbi、Csoi和Csai为地面抽采时，特定资源区域的第i个地面抽采井的施工费用、运行费用和辅助费用，元；n0为特定资源区域施工的地面抽采井数量，个。
由式（4）可知，煤层气抽采成本主要决定于地面井的施工费用、运行费用和辅助费用的多少与抽采煤层气量的大小；当各种费用变化不大时，主要取决于每口井的抽采量，而抽采量的多少与抽采的时间息息相关。
②保护层开采。其瓦斯抽采方式如图5所示，单位瓦斯抽采成本
Ul 主要包括3部分：特定资源区域为瓦斯抽采而施工的各地面井和岩巷的施工、运行和辅助费用；所有穿层钻孔和顺层钻孔的施工费用及其运行和辅助费用，可按式（5）计算：Ul=n1∑i=1（Clbi+Cloi+Clai)+m1∑j=1（Clwj+Cloj+Claj)+q1∑k=1Crhk+p1∑λ=1Cmhλ+Clho+Clhan1∑i=1Qlbi+qq∑k=1Qrhk+p1∑λ=1Qmhλ (5) 式中：Clbi、Cloi和Clai为地面抽采时，特定区域的第i个地面井的施工、运行和辅助费用，元；n1为特定区域施工的地面抽采井数量，个；Clwj、Cloj和Claj为特定区域的第j个岩巷的施工、运行和辅助费用，元；m1为特定区域施工的岩巷数量，个；Crhk为特定区域的第k个穿层钻孔的施工费用，元；q1为特定区域施工的穿层钻孔数量，个；Cmhλ为特定区域的第λ个顺层钻孔的施工费用，元；p1为顺层钻孔数量，个；Clho、Clha分别为所有穿层和钻孔的运行和辅助费用，元。
③井下预抽采。单位瓦斯抽采成本Ud主要包括特定区域为瓦斯抽采而施工的所有岩巷的施工、运行和辅助费用；所有穿层钻孔和顺层钻孔的施工费用及其运行和辅助费用，可按式（6）计算：
Ud=m2∑j=1(Cdwj+Cdoj+Cdaj)+q2∑k=1Cdrk+p2∑λ=1Cdmλ+Cdho+Cdhaq2∑k=1Qdrk+p2∑λ=1Qdmλ (6) 式中：Cdwj、Cdoj和Cdaj为特定区域的第j个岩巷的施工、运行和辅助费用，元；m2为特定区域施工的岩巷数量，个；Cdhk为特定区域的第k个穿层钻孔的施工费用，元；q2为特定区域施工的穿层钻孔数量，个；Cdhk为特定区域的第λ个顺层钻孔的施工费用，元；p2为特定区域施工的顺层钻孔数量，个；Cdho、Cdha分别为所有穿层和顺层钻孔的运行和辅助费用，元。
通常比较，选用3种共采模式中瓦斯抽采成本最低的模式，即U=min[Us, Ul, Ud]。
2）开发方案。基于不同的开发模式，依据煤炭和瓦斯赋存条件、瓦斯基本参数、煤矿开拓方式、巷道布置和开采工艺，结合现有的瓦斯抽采方法，可提出多种可行的煤与瓦斯共采方案，具体选择何种开发方案，需根据矿井实际地质和生产条件进行优化比较后选用。
①采用地面煤层气预抽采开发模式时。从矿井开拓、采区准备到回采工作面的瓦斯抽采均可采用全区域预抽采或条带预抽采与区域抽采相结合的方式；可采用地面预抽采的方式对整个开拓区域进行预抽；可仅对开拓巷道影响区域进行预抽，掘出开拓巷道后，其余区域采用顺层钻孔抽采；可对开拓巷道和准备巷道影响区域进行预抽，其余区域则采用顺层钻孔抽采（图6a）。
②采用保护层开采模式时。目前，保护层开采时，瓦斯抽采的方式主要有地面井抽采、底板岩巷穿层钻孔抽采、首采煤层顶板巷道或钻孔抽采和沿空留巷穿层钻孔抽采等方法，部分可行的共采方案（图6b），实际使用时，一般会根据矿井煤层赋存状况、地质和生产条件，同时选用其中的几种方法，实施综合抽采。
③采用井下钻孔预抽采模式时。与地面煤层气钻井预抽采模式相似，从矿井开拓、采区准备到回采工作面的瓦斯抽采均可采用全区域预抽采、条带预抽采与区域抽采相结合的方式。可采用井下钻孔预抽采的方式对整个开拓区域进行预抽，也可仅对开拓巷道影响区域进行预抽，掘出开拓巷道后，再采用顺层钻孔对其余区域抽采；可按顺序对开拓巷道和准备巷道影响区域先后进行预抽，再采用顺层钻孔对其余区域抽采。部分可行的共采方案如图6c所示，可根据矿井地质和生产条件进行分析选择。
4.3 共采开发效果评价
对于具体的生产矿井，煤与瓦斯共采方案开发效果的评价需包括2方面内容：首先要能保证矿井“三量”平衡和抽采达标煤量达标，否则将影响矿井的正常的安全生产，失去了实施煤与瓦斯共采的作用和意义；其次，从安全、经济、环境和资源[22]等方面进行综合考评，两种资源综合开发效益最优。
1）煤矿“三量”平衡。煤与瓦斯共采阶段，需对现行共采方案按规定期限对矿井开拓煤量、准备煤量、回采煤量进行统计和分析，确保各煤量能满足规定要求，否则应优选其他共采方案。突出矿井、高瓦斯矿井和其他矿井的开拓煤量最短开采期应分别不少于5年、4年和3年；突出矿井和其他矿井的准备煤量最短开采期应分别不少14个月和12个月；2个及以上采煤工作面同时生产的矿井回采煤量可采期不少于5个月，其他矿井不得少于4个月。抽采达标煤量必须大于年度计划回采煤量。
2）综合开发效益最优。对于可保证矿井“三量”平衡和抽采达标煤量符合规定的共采方案，可采用灰色关联分析法[23-24]从经济、安全、环境和资源等多方面开展评价，以综合开发效益的优劣进行优选。
①建立指标评价体系。经济效益上选取回采面月单产、掘进面月单进、单位瓦斯直接抽采成本Cg作为评价指标，单产和单进高，说明矿井生产效率高，经济效益好；瓦斯直接抽采成本越低，表明瓦斯抽采效率高，经济效益好。安全效益方面可用矿井瓦斯超限次来反映，瓦斯超限次越小，表明瓦斯治理效果好，生产越安全。环境效益方面选取抽采瓦斯利用率ηg作为评价指标，抽采瓦斯利用率越高，表明抽采瓦斯排放越少，环境污染小。资源回收方面选取采区煤炭采出率ηm和矿井抽采率ηk作为评价指标，煤炭回收率和瓦斯抽采率越高，表明煤炭和瓦斯两种资源均得到了较好的开发，没有浪费资源。各共采方案评价指标见表1。
表 1 各方案评价参数汇总Table 1. Summary of evaluation parameters of each scheme序号 评价指标 方案1 方案2 方案3 方案m 1 回采面平均月产量/（t·个−1·月−1） A1 A2 A3 Am 2 掘进面平均月进度/（m·个−1·月−1） U1 U2 U1 Um 3 瓦斯抽采直接成本/（元·m−3) C1 C2 C3 Cm 4 矿井瓦斯超限次数 N1 N2 N3 Ni 5 抽采瓦斯利用率/% ηg1 ηg2 ηg3 ηgm 6 采区煤炭采出率/% ηm1 ηm2 ηm1 ηmm 7 矿井抽采率/% ηk1 ηk2 ηk3 ηkm 各方案评价指标可表示为参考数列X={Xj(1),Xj(2),···, Xj(7)} j=1,2,···,m。
按相对优化的原则，从m个可行方案中选出各项指标的最佳值，作为参考数列，即
X0={X0(1), X0(2), X0(3), X0(4), X0(5), X0(6), X0(7)}；其中，评价指标为正向的，则取其所有指标中的最大值，比如：X0(1)=max(A1, A2, ···, Am)；评价指标为负向的，则取其所有指标中的最小值，比如：X0(4)=min(N1, N2, ···, Nm)；其它参数依次类推。
②求关联系数及关联度ζ。按下式求出关联系数：
ζi(k)=minimink|X0(k)−Xi(k)|+0.5maximaxk|X0(k)−Xi(k)||X0(k)−Xi(k)|+0.5maximaxk|X0(k)−Xi(k)| (7) 其中，i=1, 2, ···, m；j=1, 2, ···, 7；ζi(k)为第i个方案与参照方案中第k个指标的关联系数。
关联度按式计算：
γj=7∑k=1ζj(k)；j=1,2,⋯,m (8) 从m个关联度值中选出最大值，该关联度值对应的方案为最优，即γi*=max[γ1, γ2,···,γm]，则γi*对应的共采方案为最优。
5. 采空区（废弃矿井）瓦斯开发阶段
5.1 主要特征
该区域为生产矿井煤炭开采结束所形成后的采空区或在国家现行政策、利益、资源及其他环境因素约束下不足以继续开采利用而被放弃的矿井，按照目前相关规定[25]，其煤炭矿业权人在规划本矿区煤炭生产安排时，应当全面落实“采前抽、采中抽、采后抽”要求，统筹安排煤炭采空区（废弃矿井）煤层气抽采试验；对煤炭与煤层气矿业权重叠区，重叠双方共建共享煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用设施，稳步推进煤炭采空区（废弃矿井）煤层气抽采试验，实现煤层气与煤炭资源综合高效利用；对煤炭矿业权已灭失的采空区（废弃矿井），采取招标方式确定抽采试验主体。该开发阶段主要特征如下：
1）开发的主体：煤炭开采企业、煤层气开采企业或煤炭煤层气开采企业。
2）开发的目的：获取可作为能源的采空区瓦斯气体。
3）开发的方式：主要是采用地面直井或井下埋管负压抽采的方式进行。
4）与煤炭开采关系：对于废弃矿井，煤炭开采已经结束，其瓦斯抽采与煤炭生产没有关系；对于生产矿井封闭的采空区，因瓦斯抽采降低了采空区瓦斯的集聚和流动，对矿井安全生产有一定的促进作用。
5）开发效益：资源开发所生的经济效益；采空区瓦斯抽采减少了采空区瓦斯向大气的渗漏，有一定的环境效益。
5.2 开发效果评价
研究表明采空区瓦斯资源主要由采空区遗煤和煤柱残留瓦斯、导水裂隙带和底板破坏带范围内的不可采煤层和含气岩层的瓦斯、采空区裂隙中的游离态瓦斯等构成[26-27]。当煤炭回收率高、无煤柱时，采空区瓦斯资源有限，因此，采空区（废弃矿井）瓦斯开发时，要持谨慎的态度。
对于任何采空区瓦斯开发主体，其目的均是通过开发瓦斯而获得投资收益，因此，投资收益越高越好。考虑采空区瓦斯开发收入主要来自出售抽采的瓦斯气体，而其开发投入主要为地面钻井、抽采设备和运行费用，因此，若采空区仅布置一口地面瓦斯抽采井时，其投资收益Gm可用式（9）表达：
Gm=Qηpu−Ca (9) 式中：Q为采空区瓦斯资源量，m3；η为采空区瓦斯资源回收率，%；pu为每方瓦斯气体的售价和政府补贴，元；Ca为地面钻井、抽采设备和运行费用之和，元。
6. 结 论
1）对具有同生共储特征的煤炭和煤层气资源开发过程进行了阶段划分。提出将煤炭与煤层气协调开发全过程分为4个阶段：即单纯性煤层气开发阶段、互惠性煤层气开发阶段、煤和瓦斯共采开发阶段和废弃矿井煤层气开发阶段。受各种因素的制约和影响，对具体的资源区块，煤炭与煤层气开发过程可能会缺失其中一个或多个阶段。
2）各开发阶段均具有各自明显特征和开发目标。单纯性煤层气开发阶段主要是获取煤层气这种清洁能源；互惠性煤层气开发阶段虽然也是为了开发煤层气资源，但同时需要考虑该区域煤炭资源将来的安全开采问题；煤与瓦斯共采开发阶段则要统筹兼顾煤炭生产与瓦斯抽采，从而实现煤炭开采和瓦斯抽采利用综合效益最大化；而废弃矿井煤层气开发阶段是为了获取采空区的煤层气资源。
3）提出了各阶段开发效果的评价内容和方法。单纯性煤层气开发阶段和互惠性煤层气开发阶段主要评价其投入产出效果；煤与瓦斯共采阶段主要评价其矿井“三量”是否平衡、安全、经济、环境和资源等综合开发效益的高低；废弃矿井煤层气开发效果主要评价其采空区瓦斯资源的开发能否平衡其开发投入。
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图 1 典型矿井弱胶结岩石变异性指数
Figure 1. Variability index of weakly cemented rock in typical coal mine
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图 2 胶结砂岩在不同胶结度时的应力-应变曲线
Figure 2. Stress-strain curves of consolidated sandstones at different degrees of cementation
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图 3 弱胶结粗粒砂岩与硬岩、软岩的应力-应变曲线
Figure 3. Stress-strain curves of weakly consolidated coarse-grained sandstones, hard rocks, and soft rocks
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图 4 弱胶结粗粒砂岩类相变临界状态分析
Figure 4. Phase-transition-like critical state of weakly consolidated coarse-grained sandstones
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图 8 工作面非来压期间支架-围岩相互作用结构模型
Figure 8. Structural model of interaction between support and surrounding rock during non-pressure period of working face
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图 9 支架-围岩相互作用结构模型
Figure 9. Interaction structure model of hydraulic support and surrounding rock
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图 10 典型弱胶结地层巷道变形破坏形态
Figure 10. Typical deformation and failure patterns of weakly consolidated strata roadway
表 1 常见砂岩与西部典型矿井砂岩物理力学参数对比[19]
Table 1 Comparison of parameters of physical and mechanical of sandstone between Middle mining area and Western mining area[19]
岩性 弹性模量
E/GPa泊松比
μ抗压强度
σc/MPa抗拉强度
σt/MPa黏聚力
C/MPa内摩擦角
φ/(°)密度
ρ/(g·cm−3)孔隙率
n/%常见砂岩 11~39 0.12~0.20 36.30~143 1.30~17.60 7.80~39.20 35~50 2~2.6 3~30 大井南砂岩 0.23~2.30 0.17~0.26 3.20~62 0.06~2.15 0.6~7.40 19.65~38.43 1.94~2.46 — 大海则砂岩 2.07~2.79 0.19~0.27 1.32~95.32 0.19~2.71 0.42~8.52 50.24~67.60 2.13~2.65 0.38~26.12 高头窑砂岩 2.55~33.20 0.15~0.32 2.9~47.70 0.31~3.86 0.6~13.50 16.2~40.47 1.95~2.59 2.92~25.99 苇子沟砂岩 — — 14.1~78.20 0.16~5.40 1.11~6.61 27~38.60 2.35~2.76 1.45~7.91 陶忽图砂岩 0.13~10.21 0.11~0.38 1.91~44.56 — 0.24~17.28 1.43~35.59 1.86~2.58 — 营盘壕砂岩 0.65~14.36 0.11~0.38 3.01~61.64 — 0.48~16.5 10.56~30.65 1.88~2.6 — 
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