間隔并網聯抽引起的瓦斯流量不均衡系數及其在安全生產中的應用

文┃王業建（湖南第一工業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

前言

“一通三防”、瓦斯綜合治理是煤礦（煤系地層非煤礦山）安全生產工作的重中之重。著力構建“通風可靠、抽采達標、監控有效、管理到位”的瓦斯綜合治理體系，切實加強瓦斯治理工作，建設本質安全型礦井，確保煤礦（煤系地層非煤礦山）安全生產，是瓦斯綜合治理工作體系建設的基本要求。

《煤礦安全規程》、《關于印發<煤礦瓦斯抽采達標暫行規定>的通知》（安監總煤裝〔2011〕163號文）等規定：突出礦井必須建立地面永久抽采瓦斯系統；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定條件的礦井，必須建立地面永久抽采瓦斯系統或者井下臨時抽采瓦斯系統。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、建設瓦斯抽采系統時，抽采泵站的裝機能力和管網能力應滿足安全生產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）規定，使用年限、服務區域內的最大瓦斯抽采流量是抽采泵站的裝機能力和管網能力確定的重要依據；在可抽瓦斯量的基礎上，計入不均衡系數、富裕系數等參數后，得到最大瓦斯抽采流量。不均衡系數與瓦斯涌出程度、負壓作用、煤層瓦斯含量、區域范圍、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，是指每循環間隔接入鉆場（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分析與計算

1.1 鉆場（孔）接入抽采系統方式

按照施工進度，瓦斯抽采鉆場、鉆孔逐步接入抽采系統，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——鉆孔作業時間，d；

t2——封孔作業時間，d；

t3——封孔材料固化、養護時間，d；

t4——并網聯抽時間，d；

t5——封孔質量、管網聯接質量檢查時間，d；

t6——其他時間，d 。

1.2 不均衡系數分析與計算基本假設

為便于分析與計算，略去一些次要，將抽采系統抽象為理想化：

a、從抽采鉆孔施工至其并網聯抽、抽采過程中的單組鉆場（孔）的瓦斯流量總體變化規律不變，百米鉆孔初始瓦斯流量、百米鉆孔瓦斯流量衰減系數數值相等，如圖1和⑵式。

圖1 不受采動影響抽采鉆孔瓦斯涌出規律圖

式中：qt——經過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，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，差別對計算結果影響小，可以忽略。

1.3 不均衡系數確定

1.3.1 每循環間隔接入鉆場（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——每循環鉆場（孔）抽采時間，d；

m ——每循環鉆場（孔）分組數量；

N——每循環鉆場（孔）數量，個；

n ——每組同時接入抽采系統的鉆場（孔）數量，個，按對應的成組方式確定。

連續接入至第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 每循環鉆場（孔）瓦斯流量均值

瓦斯抽采系統設計、建設時，瓦斯流量均值是容易得到的參數。

1）按算術平均值計算

據算術平均值定義、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，每循環鉆場（孔）瓦斯流量均值Q均按⑼式計算。

2）根據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

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

據公式⑷，令△Tm=T，此時每組鉆場（孔）并網聯抽間隔時間最短，不均衡系數K接最小。

2 安全生產應用

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條等規定），在上述抽采瓦斯流量平均值、不均衡系數確定后，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，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；

K其它——其他因素引起的抽采瓦斯流量不均衡系數，按《煤礦瓦斯抽采工程設計標準》（GB 50471-2018）之3.2.3條取值，預抽煤層區段或工作面回采區域時，取1.05～1.20；預抽煤巷條帶或石門揭煤區域時，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K接提高礦井的本質安全程度。

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）區段煤層瓦斯和開采上保護層（3煤層）的區域防突措施，2煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數α=0.152d-1、煤層透氣性系數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，每一個抽放循環有20個鉆場，每個鉆場依次接入抽采系統，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1.594；最小值0.67m3/min，發生在第75d、第16個鉆場接入抽采前，偏差-0.34 m3/min，不均衡系數1.337 。

3）抽采瓦斯流量不均衡系數最大值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（預抽煤層區段或工作面回采區域時，取1.05～1.20）。

4）取T=100d，m=20個、△T=5d、α=0.152d-1，按公式經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1.499～1.713，該數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K接有工程、技術上的意義。

2.2.2 抽采系統設計實例

以筆者編制的《貴州黔西正湘煤業有限公司箐口煤礦初步設計》為例，箐口煤礦設計生產能力60萬t/a，采取底板穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯的區域綜合防突措施，采取本煤層順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯的區域綜合防突、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。

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

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

石門揭煤工作面預抽鉆孔呈網格狀布置，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，m=56個、△T=1.5d，經計算，K接=1.150 。

3 結束語

按照安全生產和抽采達標要求，設計、建設瓦斯抽采系統時，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數值接近甚至超過《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，該不均衡系數有工程、技術上的意義，是一個需要增加的參數。

鉆場（孔）的間隔接入是引起抽采瓦斯流量不均衡系數研究結果對于瓦斯抽采系統設計、建設，乃至抽采效果達標、瓦斯綜合治理工作具有指導作用。