邊樹鵬，劉 杰

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部， 山西 太原 030024)

經(jīng)過多年開采，我國煤礦以每年10～20 m(最快50 m)的速度向深部延深，煤層瓦斯壓力和瓦斯含量也在逐年加大，一些礦井由低瓦斯礦井逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚沟V井或煤與瓦斯突出礦井[1]. 煤層瓦斯危害礦井安全生產(chǎn)，同時作為一種重要的資源，對瓦斯的開采利用很有必要。瓦斯抽采影響礦井開拓、采區(qū)準(zhǔn)備，甚至影響工作面的回采速度[2-3]. 高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的瓦斯抽采利用已構(gòu)成保障采掘平衡接續(xù)的必要條件，研究瓦斯抽采工作對礦井“三量”可采期的影響具有深遠(yuǎn)意義。

針對煤與瓦斯突出礦井中的準(zhǔn)備煤量和回采煤量已不能真實(shí)反映礦井接替情況的問題，中國礦業(yè)大學(xué)的王海峰等[4]提出安全煤量及安全煤量合理可采期新概念。安全煤量的合理可采期指的是煤與瓦斯突出礦井安全煤量可供開采的合理時間，安全煤量過少就會造成礦井采掘接替緊張。彭楊皓等[5]研究了瓦斯抽放對礦井“三量”可采期的優(yōu)化作用，通過實(shí)施瓦斯的綜合抽放和編制合理的采掘接替計劃來保證回采工作面的安全生產(chǎn)，并制定了合理的適合礦區(qū)生產(chǎn)實(shí)際的“三量”關(guān)系。呂子輝等[6]對影響3個煤量可采期的相關(guān)因素和可采期確定方法進(jìn)行了分析，重新研究制定了合理的三量可采期。梁文勖等[7]針對現(xiàn)有煤層瓦斯有效抽放半徑測定方法實(shí)用性差的問題，尤其是壓降法對封孔要求較高的問題，提出了達(dá)標(biāo)所需抽采量，進(jìn)一步計算達(dá)標(biāo)抽采時間，以此來確定抽采半徑。韓真理等[8]為了實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，通過對煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀分析，指出了在煤礦瓦斯抽采設(shè)計和實(shí)際瓦斯抽采過程中存在的問題，并針對性地提出了提高煤礦瓦斯抽采效果的技術(shù)途徑和實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的管理工作要點(diǎn)。

瓦斯抽采對礦井生產(chǎn)接續(xù)有重大影響，然而，目前人們對于瓦斯抽采與礦井采掘之間的交互影響方式和作用的研究很少，尚無可借鑒的成果。由于高瓦斯礦井在礦井安全“三量”可采期的科學(xué)計算與瓦斯抽采工程的互相影響不可忽視，因此，如何將不同類型的瓦斯抽采進(jìn)程考慮到安全“三量”可采期計算中是個必須要研究的科學(xué)問題。

1 瓦斯抽采達(dá)標(biāo)效果評判

根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2011年下發(fā)的《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》(安監(jiān)總煤裝[2011]163號)，有下列情況之一的礦井必須進(jìn)行瓦斯抽采，并實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采基礎(chǔ)條件達(dá)標(biāo)、工作面瓦斯抽采效果達(dá)標(biāo)。 1) 掘進(jìn)工作面：a) 瓦斯預(yù)抽時間不小于6個月。b) 突出煤層的掘進(jìn)工作面還必須同時滿足突出煤層殘余瓦斯壓力和含量都小于突出礦井設(shè)定的敏感指標(biāo)，并且在施工評價過程中沒有發(fā)生鉆孔噴孔、頂鉆或其它的動力現(xiàn)象。如果沒有相應(yīng)的指標(biāo)時，分別按照0.74 MPa、8 m3/min取值。c) 工作面風(fēng)速≤4 m/s、回風(fēng)巷道風(fēng)流中瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%. 2) 采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應(yīng)滿足(表1)規(guī)定；對瓦斯涌出量主要來自于鄰近層或圍巖的采煤工作面，工作面抽采效果達(dá)標(biāo)評判可根據(jù)同一煤層相鄰工作面開采時瓦斯量計算工作面抽采率，采煤工作面瓦斯抽采率滿足(表2)規(guī)定；其他條件同掘進(jìn)工作面瓦斯抽采效果評判標(biāo)準(zhǔn)。

表1 采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應(yīng)達(dá)指標(biāo)表

表2 采煤工作面瓦斯抽采率應(yīng)達(dá)指標(biāo)表

2 瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量可采期

2.1 瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量定義及計算

2.1.1瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量的含義

瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量：瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量指在礦井開采范圍內(nèi)，經(jīng)瓦斯抽采后，煤巖層的瓦斯含量或可解析瓦斯量等指標(biāo)滿足抽采達(dá)標(biāo)規(guī)定要求的煤量。

2.1.2抽采達(dá)標(biāo)煤量的計算

計算瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量時，由于相關(guān)參數(shù)較多不易獲得，因此可用超過預(yù)抽期的抽采鉆孔進(jìn)尺所控制的煤量來確定。具體的方法是，用抽采鉆孔抽采半徑范圍內(nèi)的內(nèi)接正方形代表抽采控制的橫斷面積，再確定出超過抽采達(dá)標(biāo)時間的鉆孔進(jìn)尺，相乘即可。計算公式見式(1)，公式中的系數(shù)α的確定方法見圖1.

Qwd=ρLcπR2α+Qd

(1)

式中：

Qwd—瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量，t；

Qd—直接影響回采的無需預(yù)抽低瓦斯區(qū)域煤量，t；

ρ—煤的密度，t/m3；

Lc—抽采達(dá)到6個月以上的鉆孔進(jìn)尺，m；

R—抽采半徑，m；

α—內(nèi)接正方形與圓面積比系數(shù)，約為0.63.

圖1 瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量計算系數(shù)確定原理圖

在一個區(qū)域煤量中如果包含高瓦斯和低瓦斯兩片區(qū)域，那么只需預(yù)抽高瓦斯區(qū)域的瓦斯，抽采達(dá)標(biāo)后的煤量加上低瓦斯區(qū)域已構(gòu)成工作面的回采煤量Qd，可以近似認(rèn)為該整體區(qū)域的煤量屬于瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量，若該區(qū)域瓦斯分布均勻且都需要預(yù)抽，Qd取0.

通過式(1)計算得到理論上的Qwd后需要與實(shí)際的回采煤量進(jìn)行比較，如果Qwd大于回采煤量，那么Qwd可以作為實(shí)際的瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量；如果Qwd小于回采煤量，說明瓦斯抽采結(jié)果沒有達(dá)到要求，需要繼續(xù)進(jìn)行抽采工作。

2.2 瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量可采期定義

根據(jù)原“三量”可采期的定義，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量可采期可類似的規(guī)定為：

瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量可采期(月)=

(2)

由此得到礦井的瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量可采期：

(3)

式中，A為礦井平均月產(chǎn)量，t/月。

3 瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量與原“三量”的關(guān)系

3.1 瓦斯抽采對回采工作的影響

3.1.1直接影響回采的瓦斯抽采方法

直接影響回采的瓦斯抽采方法主要有：開采層瓦斯抽采中的未卸壓條件下采區(qū)(工作面)大面積抽采和人為卸壓條件下的水力壓裂、控制爆破強(qiáng)化抽采等。這些抽采方法的主要工藝是由開采層工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、煤門打上下向順層鉆孔(壓裂、爆破等)抽采或交叉鉆孔抽采。這些抽采方法需要在工作面開采前完成，為保證工作面順利接替，要預(yù)留預(yù)抽時間。

3.1.2不直接影響回采的瓦斯抽采方法

不直接影響回采的瓦斯抽采方法主要有：開采層瓦斯抽采中的未卸壓條件下巖巷揭煤與煤巷掘進(jìn)抽采、采動卸壓條件下的邊掘邊抽和邊采邊抽；臨近層瓦斯抽采中的上下臨近層瓦斯抽采；采空區(qū)瓦斯抽采中的全封閉式抽采和半封閉式抽采；圍巖瓦斯抽采中的圍巖裂隙與溶洞瓦斯抽采。這些瓦斯抽采方法中，開采層瓦斯抽采中的未卸壓條件下巖巷揭煤與煤巷掘進(jìn)抽采是超前掘進(jìn)工作進(jìn)行的；采動卸壓條件下的邊掘邊抽和邊采邊抽、臨近層瓦斯抽采中的上下臨近層瓦斯抽采是伴隨采掘工作一起開展的；采空區(qū)瓦斯抽采中的全封閉式抽采和半封閉式抽采、圍巖瓦斯抽采中的圍巖裂隙與溶洞瓦斯抽采是在遠(yuǎn)離正在生產(chǎn)的采掘空間內(nèi)實(shí)施的。

以上這些抽采方法不需要在工作面回采前進(jìn)行，不影響回采工作面的接替，其對采掘工作的影響只體現(xiàn)在減緩?fù)七M(jìn)速度上。采面回采速度的減慢可為掘進(jìn)預(yù)留更多的準(zhǔn)備時間，不影響采煤的接替，對采掘接續(xù)工作反而起積極作用；而掘進(jìn)速度的減慢會對回采面的準(zhǔn)備產(chǎn)生不利的影響，影響采掘接替，這就需要改進(jìn)掘進(jìn)工藝技術(shù)或增加掘進(jìn)隊伍等。瓦斯抽采對掘進(jìn)工作的影響可以間接從“三量”可采期中反映出來，不需要另設(shè)參數(shù)加以考慮。

3.2 瓦斯抽采對開拓和準(zhǔn)備工作的影響

瓦斯抽采工作可以在礦井的開拓、采區(qū)主要巷道準(zhǔn)備階段或形成回采工作面之前進(jìn)行，也可以伴隨著礦井的開拓、采區(qū)準(zhǔn)備等工作一起進(jìn)行，故而瓦斯抽采的期限將直接影響礦井的開拓、采區(qū)準(zhǔn)備的時間，甚至?xí)绊懝ぷ髅娴幕夭伤俣?，反之，瓦斯抽采利用效果也會受礦井采掘活動的影響。瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量與礦井原“三量”之間的相互關(guān)系見圖2.

圖2 礦井“四量”關(guān)系圖

由于各個礦井的瓦斯含量不同，高瓦斯或瓦斯突出礦井中瓦斯含量高，通過風(fēng)排瓦斯并不能完全消除瓦斯超標(biāo)所帶來的事故隱患，因此在生產(chǎn)過程中必須進(jìn)行瓦斯預(yù)抽工作，以降低瓦斯?jié)舛?，消除因瓦斯因素所造成的突發(fā)災(zāi)害；而低瓦斯礦井中的瓦斯?jié)舛韧ㄟ^通風(fēng)足以消除瓦斯所帶來的隱患，因此不需要進(jìn)行預(yù)抽工作。

圖2a)代表高瓦斯或瓦斯有突出危險的礦井，瓦斯?jié)舛雀?，預(yù)抽工作量大，在抽采不達(dá)標(biāo)前不能進(jìn)行回采工作，因此瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量是屬于開拓煤量和準(zhǔn)備煤量中的一部分。圖2b)、c)代表低瓦斯礦井或無瓦斯礦井，瓦斯?jié)舛鹊?，預(yù)抽工作量小，甚至不需要對瓦斯預(yù)抽，可直接布置回采工作面進(jìn)行回采，因此瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量可能大于準(zhǔn)備煤量或者開拓煤量。

對于不同生產(chǎn)能力、不同瓦斯含量的礦井，瓦斯抽采與原“三量”是一個交互式影響的關(guān)系，瓦斯抽采工作目前是影響礦井采掘接續(xù)的一個重要原因。無論何種類型的礦井，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量都應(yīng)包括經(jīng)區(qū)域性瓦斯治理后檢驗(yàn)結(jié)果為無瓦斯隱患的煤量和瓦斯?jié)舛鹊投鵁o需進(jìn)行預(yù)抽的煤量兩部分。可以根據(jù)該煤量來進(jìn)行采掘銜接計劃的編制。

4 結(jié) 論

本文主要分析了瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的評價指標(biāo)，提出了“瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量”以及“瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量合理可采期”的概念，同時提出了計算方法。礦井瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量與原“三量”—即開拓煤量、準(zhǔn)備煤量、回采煤量，共同構(gòu)成了礦井“四量”，分析了瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量與礦井原“三量”的關(guān)系，認(rèn)為瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量在量級上與原“三量”存在3種囊括關(guān)系。瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量的提出，可以根據(jù)各個礦井的不同瓦斯含量，對高瓦斯礦井、瓦斯突出礦井和低瓦斯礦井“四量”進(jìn)行合理劃分，對指導(dǎo)礦井生產(chǎn)接續(xù)具有指導(dǎo)意義。