間隔并網(wǎng)聯(lián)抽引起的瓦斯流量不均衡系數(shù)及其在安全生產(chǎn)中的應用

文┃王業(yè)建（湖南第一工業(yè)設計研究院有限公司）

關鍵字：鉆場（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“通風可靠、抽采達標、監(jiān)控有效、管理到位”的瓦斯綜合治理體系，切實加強瓦斯治理工作，建設本質(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的基本要求。

《煤礦安全規(guī)程》、《關于印發(fā)<煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定>的通知》（安監(jiān)總煤裝〔2011〕163號文）等規(guī)定：突出礦井必須建立地面永久抽采瓦斯系統(tǒng)；用通風方法解決瓦斯問題不合理的采掘工作面、絕對瓦斯涌出量達到規(guī)定條件的礦井，必須建立地面永久抽采瓦斯系統(tǒng)或者井下臨時抽采瓦斯系統(tǒng)。瓦斯抽采應當堅持“應抽盡抽、多措并舉、抽掘采平衡”的原則，抽采應效果達標。

設計、建設瓦斯抽采系統(tǒng)時，抽采泵站的裝機能力和管網(wǎng)能力應滿足安全生產(chǎn)和瓦斯抽采達標要求。按照《煤礦瓦斯抽采工程設計標準》（GB 50471-2018）規(guī)定，使用年限、服務區(qū)域內(nèi)的最大瓦斯抽采流量是抽采泵站的裝機能力和管網(wǎng)能力確定的重要依據(jù)；在可抽瓦斯量的基礎上，計入不均衡系數(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、負壓作用、煤層瓦斯含量、區(qū)域范圍、氣溫、氣壓等因素有關；瓦斯抽采流量隨時間呈衰減變化，鉆場（孔）間隔接入瓦斯抽采系統(tǒng)時，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（孔）的瓦斯流量最大值與均值之比。

1 鉆場（孔）間隔接入抽采引起的抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)分析與計算

1.1 鉆場（孔）接入抽采系統(tǒng)方式

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

式中：△T——每組鉆場（孔）投入抽采的時間間隔，d；

t1——鉆孔作業(yè)時間，d；

t2——封孔作業(yè)時間，d；

t3——封孔材料固化、養(yǎng)護時間，d；

t4——并網(wǎng)聯(lián)抽時間，d；

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

t6——其他時間，d 。

1.2 不均衡系數(shù)分析與計算基本假設

為便于分析與計算，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、抽采過程中的單組鉆場（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 不受采動影響抽采鉆孔瓦斯涌出規(guī)律圖

式中：qt——經(jīng)過t時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 ——時間，d。

b、每組鉆場（孔）投入抽采的時間間隔接近一致，差別對計算結(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（孔）的瓦斯流量最大值

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

相鄰兩組鉆場（孔）流量公比r如⑶式：

式中： △T——每組鉆場（孔）投入抽采的時間間隔，d，按對應的成組方式確定；

T——每循環(huán)鉆場（孔）抽采時間，d；

m ——每循環(huán)鉆場（孔）分組數(shù)量；

N——每循環(huán)鉆場（孔）數(shù)量，個；

n ——每組同時接入抽采系統(tǒng)的鉆場（孔）數(shù)量，個，按對應的成組方式確定。

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

將⑶式代入⑹式，得：

1.3.2 每循環(huán)鉆場（孔）瓦斯流量均值

瓦斯抽采系統(tǒng)設計、建設時，瓦斯流量均值是容易得到的參數(shù)。

1）按算術(shù)平均值計算

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

按成組方式，每循環(huán)鉆場（孔）瓦斯流量均值Q均按⑼式計算。

2）根據(jù)抽采指標計算的抽采瓦斯流量平均值

按《煤礦瓦斯抽采工程設計標準》（GB 50471-2018）之3.2.3條計算。

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（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式計算。

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

2 安全生產(chǎn)應用

2.1 抽采瓦斯流量最大值計算

《煤礦瓦斯抽采工程設計標準》（GB 50471-2018）中瓦斯抽采工程設計以抽采瓦斯流量最大值為基礎（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算抽采瓦斯流量最大值：

式中： QL——設計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（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計標準》（GB 50471-2018）之3.2.3條取值，預抽煤層區(qū)段或工作面回采區(qū)域時，取1.05～1.20；預抽煤巷條帶或石門揭煤區(qū)域時，取1.50～2.00；抽采鄰近層和圍巖卸壓瓦斯時，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計標準》（GB 50471-2018）之3.2.3條計算或按參數(shù)設計確定。

2.2 工程實例

增加鉆場（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，設計生產(chǎn)能力15萬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，采用穿層鉆孔預抽（2煤層）區(qū)段煤層瓦斯和開采上保護層（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抽時間T=100d，每一個抽放循環(huán)有20個鉆場，每個鉆場依次接入抽采系統(tǒng)，時間間隔平均為5d，該礦2016年5～9月實測預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抽瓦斯量變化曲線圖

從圖中可知：

1）預抽瓦斯量變化周期與鉆場接入時間間隔△T一致（2煤層α值較大，鉆場接入時間間隔較大，導致變化周期明顯）。

2）預抽瓦斯量平均值為1.01m3/min，最大值1.61m3/min，發(fā)生在第36d、第7個鉆場接入抽采后，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個鉆場接入抽采前，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計標準》（GB 50471-2018）之3.2.3條取值（預抽煤層區(qū)段或工作面回采區(qū)域時，取1.05～1.20）。

4）取T=100d，m=20個、△T=5d、α=0.152d-1，按公式經(jīng)⑽計算，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計標準》（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)值與礦井抽采實際較相符，因此，增加鉆場（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)設計實例

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計》為例，箐口煤礦設計生產(chǎn)能力60萬t/a，采取底板穿層鉆孔預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抽區(qū)段煤層瓦斯的區(qū)域綜合防突、減風措施，α=0.0948d-1，設計抽采瓦斯流量最大值計入了間隔接入引起的抽采瓦斯流量不均衡系數(shù)。

底板穿層鉆孔預抽時間T=360d，每一個抽放循環(huán)有48個鉆場，每個鉆場內(nèi)布置有5個鉆孔，按鉆孔依次接入抽采系統(tǒng)，m=240個、△T=1.5d，經(jīng)計算，K接=1.073 。

本煤層順層鉆孔預抽時間T=180d，每一個抽放循環(huán)有54個鉆場，每個鉆孔內(nèi)布置有1個鉆孔，按鉆孔依次接入抽采系統(tǒng)，m=54個、△T=3d，經(jīng)計算，K接=1.277 。

石門揭煤工作面預抽鉆孔呈網(wǎng)格狀布置，共28列，8行，224個孔，預抽時間T=90d，按每4個鉆孔依次接入抽采系統(tǒng)，m=56個、△T=1.5d，經(jīng)計算，K接=1.150 。

3 結(jié)束語

按照安全生產(chǎn)和抽采達標要求，設計、建設瓦斯抽采系統(tǒng)時，必須考慮瓦斯抽采流量的不均衡性；鉆場（孔）的接入，抽采系統(tǒng)瓦斯流量會突然增加，從上述工程實例計算來看，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《煤礦瓦斯抽采工程設計標準》（GB 50471-2018）之3.2.3條的不均衡系數(shù)取值，鉆場（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，是一個需要增加的參數(shù)。

鉆場（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)果對于瓦斯抽采系統(tǒng)設計、建設，乃至抽采效果達標、瓦斯綜合治理工作具有指導作用。