文┃王業(yè)建（湖南第一工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司）

關(guān)鍵字：鉆場(chǎng)（孔）；間隔接入；瓦斯流量；不均衡系數(shù)

前言

“一通三防”、瓦斯綜合治理是煤礦（煤系地層非煤礦山）安全生產(chǎn)工作的重中之重。著力構(gòu)建“通風(fēng)可靠、抽采達(dá)標(biāo)、監(jiān)控有效、管理到位”的瓦斯綜合治理體系，切實(shí)加強(qiáng)瓦斯治理工作，建設(shè)本質(zhì)安全型礦井，確保煤礦（煤系地層非煤礦山）安全生產(chǎn)，是瓦斯綜合治理工作體系建設(shè)的基本要求。

《煤礦安全規(guī)程》、《關(guān)于印發(fā)<煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定>的通知》（安監(jiān)總煤裝〔2011〕163號(hào)文）等規(guī)定：突出礦井必須建立地面永久抽采瓦斯系統(tǒng)；用通風(fēng)方法解決瓦斯問(wèn)題不合理的采掘工作面、絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到規(guī)定條件的礦井，必須建立地面永久抽采瓦斯系統(tǒng)或者井下臨時(shí)抽采瓦斯系統(tǒng)。瓦斯抽采應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“應(yīng)抽盡抽、多措并舉、抽掘采平衡”的原則，抽采應(yīng)效果達(dá)標(biāo)。

設(shè)計(jì)、建設(shè)瓦斯抽采系統(tǒng)時(shí)，抽采泵站的裝機(jī)能力和管網(wǎng)能力應(yīng)滿足安全生產(chǎn)和瓦斯抽采達(dá)標(biāo)要求。按照《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50471-2018）規(guī)定，使用年限、服務(wù)區(qū)域內(nèi)的最大瓦斯抽采流量是抽采泵站的裝機(jī)能力和管網(wǎng)能力確定的重要依據(jù)；在可抽瓦斯量的基礎(chǔ)上，計(jì)入不均衡系數(shù)、富裕系數(shù)等參數(shù)后，得到最大瓦斯抽采流量。不均衡系數(shù)與瓦斯涌出程度、負(fù)壓作用、煤層瓦斯含量、區(qū)域范圍、氣溫、氣壓等因素有關(guān)；瓦斯抽采流量隨時(shí)間呈衰減變化，鉆場(chǎng)（孔）間隔接入瓦斯抽采系統(tǒng)時(shí)，必然引起抽采瓦斯流量的突然增加，亦是造成流量不均衡的因素，應(yīng)該考慮；本文研究的不均衡系數(shù)，是指每循環(huán)間隔接入鉆場(chǎng)（孔）的瓦斯流量最大值與均值之比。

1 鉆場(chǎng)（孔）間隔接入抽采引起的抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)分析與計(jì)算

1.1 鉆場(chǎng)（孔）接入抽采系統(tǒng)方式

按照施工進(jìn)度，瓦斯抽采鉆場(chǎng)、鉆孔逐步接入抽采系統(tǒng)，其時(shí)間間隔應(yīng)滿足⑴式要求；以聚氨酯材料封孔為例，一般地，注漿時(shí)間30～40min/孔，聚氨酯4～5小時(shí)固化，第二天可以抽采；一個(gè)鉆孔在抽采，相鄰鉆孔可以打孔。

式中：△T——每組鉆場(chǎng)（孔）投入抽采的時(shí)間間隔，d；

t1——鉆孔作業(yè)時(shí)間，d；

t2——封孔作業(yè)時(shí)間，d；

t3——封孔材料固化、養(yǎng)護(hù)時(shí)間，d；

t4——并網(wǎng)聯(lián)抽時(shí)間，d；

t5——封孔質(zhì)量、管網(wǎng)聯(lián)接質(zhì)量檢查時(shí)間，d；

t6——其他時(shí)間，d 。

1.2 不均衡系數(shù)分析與計(jì)算基本假設(shè)

為便于分析與計(jì)算，略去一些次要，將抽采系統(tǒng)抽象為理想化：

a、從抽采鉆孔施工至其并網(wǎng)聯(lián)抽、抽采過(guò)程中的單組鉆場(chǎng)（孔）的瓦斯流量總體變化規(guī)律不變，百米鉆孔初始瓦斯流量、百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)數(shù)值相等，如圖1和⑵式。

圖1 不受采動(dòng)影響抽采鉆孔瓦斯涌出規(guī)律圖

式中：qt——經(jīng)過(guò)t時(shí)間的百米鉆孔瓦斯流量，m3/min·hm；

q0——百米鉆孔初始瓦斯流量，m3/min·hm；

α——百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；

t ——時(shí)間，d。

b、每組鉆場(chǎng)（孔）投入抽采的時(shí)間間隔接近一致，差別對(duì)計(jì)算結(jié)果影響小，可以忽略。

1.3 不均衡系數(shù)確定

1.3.1 每循環(huán)間隔接入鉆場(chǎng)（孔）的瓦斯流量最大值

按基本假設(shè)b，取每組鉆場(chǎng)（孔）投入抽采的時(shí)間間隔相同，那么，各組鉆場(chǎng)（孔）的流量成等比數(shù)例。

相鄰兩組鉆場(chǎng)（孔）流量公比r如⑶式：

式中： △T——每組鉆場(chǎng)（孔）投入抽采的時(shí)間間隔，d，按對(duì)應(yīng)的成組方式確定；

T——每循環(huán)鉆場(chǎng)（孔）抽采時(shí)間，d；

m ——每循環(huán)鉆場(chǎng)（孔）分組數(shù)量；

N——每循環(huán)鉆場(chǎng)（孔）數(shù)量，個(gè)；

n ——每組同時(shí)接入抽采系統(tǒng)的鉆場(chǎng)（孔）數(shù)量，個(gè)，按對(duì)應(yīng)的成組方式確定。

連續(xù)接入至第m組鉆場(chǎng)（孔）時(shí)，第一組鉆場(chǎng)（孔）瞬時(shí)流量衰減為q0rm-1，第m組鉆場(chǎng)（孔）瞬時(shí)流量為q0，每循環(huán)間隔接入鉆場(chǎng)（孔）的瓦斯流量最大值Qm按⑺式計(jì)算。

將⑶式代入⑹式，得：

1.3.2 每循環(huán)鉆場(chǎng)（孔）瓦斯流量均值

瓦斯抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)時(shí)，瓦斯流量均值是容易得到的參數(shù)。

1）按算術(shù)平均值計(jì)算

據(jù)算術(shù)平均值定義、公式和基本假設(shè)a，單組鉆場(chǎng)（孔）的瓦斯流量均值Q單均按⑻式計(jì)算。

按成組方式，每循環(huán)鉆場(chǎng)（孔）瓦斯流量均值Q均按⑼式計(jì)算。

2）根據(jù)抽采指標(biāo)計(jì)算的抽采瓦斯流量平均值

按《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50471-2018）之3.2.3條計(jì)算。

1.3.3 不均衡系數(shù)

不均衡系數(shù)為每循環(huán)間隔接入鉆場(chǎng)（孔）的瓦斯流量最大值與均值之比，整理⑺/⑼式，不均衡系數(shù)K接按⑽式計(jì)算。

據(jù)公式⑷，令△Tm=T，此時(shí)每組鉆場(chǎng)（孔）并網(wǎng)聯(lián)抽間隔時(shí)間最短，不均衡系數(shù)K接最小。

2 安全生產(chǎn)應(yīng)用

2.1 抽采瓦斯流量最大值計(jì)算

《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50471-2018）中瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)以抽采瓦斯流量最大值為基礎(chǔ)（見5.2.2、5.3.3條等規(guī)定），在上述抽采瓦斯流量平均值、不均衡系數(shù)確定后，筆者提出以下公式計(jì)算抽采瓦斯流量最大值：

式中： QL——設(shè)計(jì)抽采瓦斯流量最大值，m3/min；

K富——富裕系數(shù)，取1.2～1.8；

K接——鉆場(chǎng)（孔）間隔接入抽采引起的抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)；

K其它——其他因素引起的抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)，按《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50471-2018）之3.2.3條取值，預(yù)抽煤層區(qū)段或工作面回采區(qū)域時(shí)，取1.05～1.20；預(yù)抽煤巷條帶或石門揭煤區(qū)域時(shí)，取1.50～2.00；抽采鄰近層和圍巖卸壓瓦斯時(shí)，取1.20～1.50；

Q均——抽采瓦斯流量平均值，m3/min，按《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50471-2018）之3.2.3條計(jì)算或按參數(shù)設(shè)計(jì)確定。

2.2 工程實(shí)例

增加鉆場(chǎng)（孔）間隔接入抽采引起的抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)K接提高礦井的本質(zhì)安全程度。

2.2.1 礦井抽采實(shí)例

以湖南省漣源市群力煤礦為例，該礦為煤與瓦斯突出礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15萬(wàn)t/a，主采2煤層，3煤層局部可采，2、3煤層層間距平均23m；礦井在2煤層底板約15m處布置有集中瓦斯抽采巷，采用穿層鉆孔預(yù)抽（2煤層）區(qū)段煤層瓦斯和開采上保護(hù)層（3煤層）的區(qū)域防突措施，2煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α=0.152d-1、煤層透氣性系數(shù)λ=0.5782m2/MPa2·d、鉆孔初始瓦斯流量q0=0.6929m3/min·hm，2煤層底板穿層鉆孔預(yù)抽時(shí)間T=100d，每一個(gè)抽放循環(huán)有20個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)依次接入抽采系統(tǒng)，時(shí)間間隔平均為5d，該礦2016年5～9月實(shí)測(cè)預(yù)抽瓦斯量呈周期性規(guī)律變化，變化曲線如圖2。

圖2 群力煤礦2煤層底板穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯量變化曲線圖

從圖中可知：

1）預(yù)抽瓦斯量變化周期與鉆場(chǎng)接入時(shí)間間隔△T一致（2煤層α值較大，鉆場(chǎng)接入時(shí)間間隔較大，導(dǎo)致變化周期明顯）。

2）預(yù)抽瓦斯量平均值為1.01m3/min，最大值1.61m3/min，發(fā)生在第36d、第7個(gè)鉆場(chǎng)接入抽采后，偏差0.60 m3/min，不均衡系數(shù)1.594；最小值0.67m3/min，發(fā)生在第75d、第16個(gè)鉆場(chǎng)接入抽采前，偏差-0.34 m3/min，不均衡系數(shù)1.337 。

3）抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)最大值1.594，大于《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50471-2018）之3.2.3條取值（預(yù)抽煤層區(qū)段或工作面回采區(qū)域時(shí)，取1.05～1.20）。

4）取T=100d，m=20個(gè)、△T=5d、α=0.152d-1，按公式經(jīng)⑽計(jì)算，K接=1.4277；其它因素引起的抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)按《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50471-2018）之3.2.3條取值1.05～1.20；即，不均衡系數(shù)1.499～1.713，該數(shù)值與礦井抽采實(shí)際較相符，因此，增加鉆場(chǎng)（孔）間隔接入抽采引起的抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)K接有工程、技術(shù)上的意義。

2.2.2 抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

以筆者編制的《貴州黔西正湘煤業(yè)有限公司箐口煤礦初步設(shè)計(jì)》為例，箐口煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/a，采取底板穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的區(qū)域綜合防突措施，采取本煤層順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯的區(qū)域綜合防突、減風(fēng)措施，α=0.0948d-1，設(shè)計(jì)抽采瓦斯流量最大值計(jì)入了間隔接入引起的抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)。

底板穿層鉆孔預(yù)抽時(shí)間T=360d，每一個(gè)抽放循環(huán)有48個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置有5個(gè)鉆孔，按鉆孔依次接入抽采系統(tǒng)，m=240個(gè)、△T=1.5d，經(jīng)計(jì)算，K接=1.073 。

本煤層順層鉆孔預(yù)抽時(shí)間T=180d，每一個(gè)抽放循環(huán)有54個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆孔內(nèi)布置有1個(gè)鉆孔，按鉆孔依次接入抽采系統(tǒng)，m=54個(gè)、△T=3d，經(jīng)計(jì)算，K接=1.277 。

石門揭煤工作面預(yù)抽鉆孔呈網(wǎng)格狀布置，共28列，8行，224個(gè)孔，預(yù)抽時(shí)間T=90d，按每4個(gè)鉆孔依次接入抽采系統(tǒng)，m=56個(gè)、△T=1.5d，經(jīng)計(jì)算，K接=1.150 。

3 結(jié)束語(yǔ)

按照安全生產(chǎn)和抽采達(dá)標(biāo)要求，設(shè)計(jì)、建設(shè)瓦斯抽采系統(tǒng)時(shí)，必須考慮瓦斯抽采流量的不均衡性；鉆場(chǎng)（孔）的接入，抽采系統(tǒng)瓦斯流量會(huì)突然增加，從上述工程實(shí)例計(jì)算來(lái)看，間隔接入引起的抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)數(shù)值接近甚至超過(guò)《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50471-2018）之3.2.3條的不均衡系數(shù)取值，鉆場(chǎng)（孔）的間隔接入是引起抽采瓦斯流量不均衡性的主要因素之一，該不均衡系數(shù)有工程、技術(shù)上的意義，是一個(gè)需要增加的參數(shù)。

鉆場(chǎng)（孔）的間隔接入是引起抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)研究結(jié)果對(duì)于瓦斯抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)，乃至抽采效果達(dá)標(biāo)、瓦斯綜合治理工作具有指導(dǎo)作用。