桑樹坪煤礦二號井四采區瓦斯抽采研究

李軍岐，劉 帥，沈少康，王 輝，馮歲偉

(陜西陜煤韓城礦業有限公司桑樹坪煤礦二號井，陜西 渭南 715400)

0 引言

二號井處于韓城礦區，韓城礦區是陜西唯一瓦斯災害嚴重礦區之一，曾發生過有記載的煤與瓦斯突出150余次和突水及老采空區透水事故，并造成了重大人員傷亡和財產損失。礦區骨干生產礦井桑樹坪煤礦二號井在瓦斯治理方面為韓城礦區指引著方向。

二號井本著“綠色開采”的原則，于北風井工業廣場建立瓦斯發電站。電廠遠期規劃容量為3×700 kW+3×1 200 kW，6臺瓦斯發電機經6臺10 kV戶內開關柜匯集后接入10 kV桑樹坪煤礦二號井風井連建變電所，目前已建成3×700 kW瓦斯發電項目，目前所有機組運行正常。

瓦斯發電機對于瓦斯濃度及流量要求比較苛刻，在瓦斯濃度達到14%以上、流量達到350 m3/min以上時電機才能正常工作。二號井本著超前治理的原則，嚴格按照《防治煤與瓦斯突出細則》[1]的要求，提前治理三采區北鄰的四采區，為后期四采區的掘進和采煤打好前站。四采區的抽采瓦斯，目前也是瓦斯發電廠的“主力軍”，其抽采系統共計5個單元，每個單元400 m左右，總長度約2 000 m，目前五單元的瓦斯抽采濃度基本穩定在20%，抽采混合流量基本穩定在25 m3/min，由此對于四采區的瓦斯抽采研究就很有必要。并且五單元為四采區的首個抽采單元，單元長度所得出的結論可以為整個四采區的瓦斯抽采負壓調節奠定一定的理論基礎。

1 目前瓦斯抽采存在的問題

1.1 日常維護管理落后

在國家提出“綠色開采”的大背景下，各煤礦企業積極響應國家政策，加大瓦斯抽采利用的力度，但由于抽采系統零部件過多，后期對于抽采系統維護的工作量就極其龐大，加之對于煤礦企業而言，主要經濟效益還是以煤炭為主，因此各煤炭企業對于煤層瓦斯的開采工作，主要目的還是以降低煤層瓦斯含量至國家標準以下為目標，對于井下瓦斯的抽采系統維護也較為粗放、隨便。國家并無瓦斯抽放系統維護的相關標準、規定，各煤礦企業對于抽采系統的維護也都不統一，抽采效果一般[24]。

1.2 抽采負壓損失大

對于煤礦企業而言，隨著采掘工作的不斷推進，井下巷道總里程不斷增加，巷道布置也愈加復雜，由于管道內部的摩擦阻力及管道接頭的不斷增加，抽采負壓損失也逐漸增加，負壓的損失將會直接導致抽采效果變差，不僅影響采掘面的瓦斯治理，也影響瓦斯電廠的發電效率。

1.3 抽采調節難度大

對于井下瓦斯抽采的調節，一般的調節方式主要有以下幾種：一是通過調節抽采系統，將不同要求的瓦斯鉆孔整合到一個系統中，便于集中管理，也為滿足瓦斯電廠的要求提供便利，缺點是調節工程量大，極其損耗礦井的人力物力[5]；二是提高鉆孔封孔質量及抽采管路的氣密性，減少漏氣，此項管理只能增加抽采的濃度，對于流量的控制極其有限，并且此方法的工作量巨大，同樣極其損耗礦井的人力物力，加之此種調節方式無法通過數據量化，想要達到宏觀調控較為困難；三是通過調節抽采負壓，以此控制瓦斯抽采的濃度及流量，但受管道摩擦阻力、瓦斯吸附強度等因素的影響，每個巷道、每個單元的負壓-濃度/流量關系也都不盡相同，但相對而言，相比前2種調節方法，負壓調節一是可以宏觀調控，二是省時省力，三是可以量化，因此在調節方法上，優先選擇調節負壓以控制濃度及流量。

2 瓦斯抽采影響因素

影響瓦斯抽采效果的主要有煤層賦存條件、瓦斯抽放系統、抽放孔封孔效果、瓦斯抽采負壓幾個因素。在眾多的因素中，負壓是影響抽采效果最直觀、最主要的因素。在負壓產生的瓦斯壓力梯度的作用下，瓦斯通過裂隙不斷流向鉆孔，從而達到瓦斯抽采的目的[6]。通常認為煤層是包含裂隙和基質的雙孔隙系統[7]。第1級孔主要包括基質中的微孔和小孔等，其以吸附相存儲了煤層中大約95%的瓦斯；第2級孔主要是相互垂直的裂隙，稱作割理系統或天然裂隙系統[89]。割理是游離瓦斯的賦存場所和流動通道。瓦斯運移符合Darcy定律，基質中的孔隙網絡賦存有吸附態和游離態瓦斯，瓦斯運移符合Fick定律[1011]。煤層中瓦斯運移過程如圖1所示[1213]。多數學者認為滲流運動是瓦斯運移的重要過程，但擴散運動在瓦斯流動中所起的作用存在爭議。PAN[1415]認為煤層氣產量主要受到煤基質中瓦斯的擴散和裂隙中滲流的影響。本文主要針對負壓對于瓦斯抽采濃度的影響進行研究。

圖1 煤層瓦斯運移雙孔模型Fig.1 Two-hole model of coal seam gas migration

3 抽采負壓與抽采濃度的關系

通過收集二號井3309綜采工作面抽采系統各單元瓦斯濃度及負壓數據，分析各單元抽采負壓與濃度數據，建立負壓濃度關系圖，以此判別本單元負壓與濃度的關系。收集的數據見表1、2，分析曲線如圖2、3所示。

表1 3309各單元瓦斯抽采數據

表2 北邊界巷、北邊界排矸巷瓦斯抽采數據

圖2 3309各單元瓦斯抽采負壓濃度曲線Fig.2 Negative pressure-concentration curve of gas extraction in each unit of 3309

圖3 北邊界及排矸巷瓦斯抽采負壓濃度曲線Fig.3 Negative pressure-concentration curve of gas extraction in the north boundary and gangue removing roadway

由圖2可知，3309一單元的抽采濃度在負壓為7 kPa時候濃度最低，整體呈現“先低后高”趨勢，即一單元的濃度隨著負壓的增大，先減小再增大；二單元濃度在研究范圍內隨著負壓的增大一直增大；三、四單元濃度在研究范圍內隨著負壓的增大一直減小。

根據各單元得出的負壓-濃度關系，通過現場調節負壓，各單元濃度也都符合上述研究規律，由此可知調節某一段抽采管路的濃度，可以通過調節負壓來實現。由于上述數據皆為3309采面數據，其具有局限性，由此又對北邊界巷及北邊界排矸巷的抽采濃度及負壓進行研究，以驗證上述研究結果，收集的數據及分析曲線見表2和圖3。

由北邊界巷及排矸巷負壓-濃度曲線可知，2條巷道的濃度都在負壓達到某一個數值時到最低標準，即北邊界巷及排矸巷的濃度，理論上來說也可以通過調節負壓達到預期的數值。由此通過現場調節2條巷道的抽采負壓，雖與曲線稍有不同，但整體與研究曲線相符。

由3條巷道，6個單元的負壓-濃度曲線可知，二號井抽采系統的負壓和濃度整體無明顯規律，想通過調節負壓達到調節濃度的目的，研究單元最大為一個抽采單元，由此為了提高4301五單元的瓦斯濃度，可以通過收集五單元的負壓及濃度數據，通過多項式擬合，得出其關系，為五單元的提高濃度奠定理論基礎。

4 五單元瓦斯抽采數據處理分析

五單元抽采系統自2021年7月12日開始運行，由于本文只研究負壓與抽采濃度及流量的關系，因此僅收集負壓、濃度及流量數據，去除因儀器或其他因素導致的不正常數據，可研究的數據共計116組，數據情況見表3。

表3 瓦斯抽采數據

根據以上數據，通過Origin處理數據，以負壓為自變量，分別以濃度及流量為因變量對數據進行線性及多項式擬合，以此得出負壓與濃度及流量的關系，擬合圖形如圖4所示。

圖4 五單元負壓流量、負壓濃度關系Fig.4 The five unit negative pressure-flow，negative pressure-concentration relationship diagram

由線性擬合曲線可知，隨著負壓的增大，抽采濃度逐漸增大，而抽采流量逐漸降低，由此可得出負壓和濃度、流量線性擬合的關系；由多項式擬合曲線可知，隨著負壓的增大，抽采濃度逐漸增大，而抽采流量逐漸降低，由此可得出負壓和濃度、流量多項式擬合的關系。

5 結論

(1)二號井四采區五單元的瓦斯抽采濃度隨著負壓的增大而增大，其抽采流量隨著負壓的增大而減小。

(2)二號井四采區的瓦斯抽采，在抽采系統不做過大變化，煤層賦存無過大變化時，其他單元及工作面可參照五單元的負壓濃度、負壓流量關系調節負壓。

(3)加強與瓦斯電廠的溝通工作，在不影響瓦斯治理的情況下，通過調節負壓，滿足瓦斯電廠對于濃度及流量的要求。

(4)二號井負壓與濃度的研究，最大單元只能為一個抽采單元。