间隔并网联抽引起的瓦斯流量不均衡系数及其在安全生产中的应用

文┃王业建（湖南第一工业设计研究院有限公司）

关键字：钻场（孔）；间隔接入；瓦斯流量；不均衡系数

前言

“一通三防”、瓦斯综合治理是煤矿（煤系地层非煤矿山）安全生产工作的重中之重。着力构建“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的瓦斯综合治理体系，切实加强瓦斯治理工作，建设本质安全型矿井，确保煤矿（煤系地层非煤矿山）安全生产，是瓦斯综合治理工作体系建设的基本要求。

《煤矿安全规程》、《关于印发<煤矿瓦斯抽采达标暂行规定>的通知》（安监总煤装〔2011〕163号文）等规定：突出矿井必须建立地面永久抽采瓦斯系统；用通风方法解决瓦斯问题不合理的采掘工作面、绝对瓦斯涌出量达到规定条件的矿井，必须建立地面永久抽采瓦斯系统或者井下临时抽采瓦斯系统。瓦斯抽采应当坚持“应抽尽抽、多措并举、抽掘采平衡”的原则，抽采应效果达标。

设计、建设瓦斯抽采系统时，抽采泵站的装机能力和管网能力应满足安全生产和瓦斯抽采达标要求。按照《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》（GB 50471-2018）规定，使用年限、服务区域内的最大瓦斯抽采流量是抽采泵站的装机能力和管网能力确定的重要依据；在可抽瓦斯量的基础上，计入不均衡系数、富裕系数等参数后，得到最大瓦斯抽采流量。不均衡系数与瓦斯涌出程度、负压作用、煤层瓦斯含量、区域范围、气温、气压等因素有关；瓦斯抽采流量随时间呈衰减变化，钻场（孔）间隔接入瓦斯抽采系统时，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，应该考虑；本文研究的不均衡系数，是指每循环间隔接入钻场（孔）的瓦斯流量最大值与均值之比。

1 钻场（孔）间隔接入抽采引起的抽采瓦斯流量不均衡系数分析与计算

1.1 钻场（孔）接入抽采系统方式

按照施工进度，瓦斯抽采钻场、钻孔逐步接入抽采系统，其时间间隔应满足⑴式要求；以聚氨酯材料封孔为例，一般地，注浆时间30～40min/孔，聚氨酯4～5小时固化，第二天可以抽采；一个钻孔在抽采，相邻钻孔可以打孔。

式中：△T——每组钻场（孔）投入抽采的时间间隔，d；

t1——钻孔作业时间，d；

t2——封孔作业时间，d；

t3——封孔材料固化、养护时间，d；

t4——并网联抽时间，d；

t5——封孔质量、管网联接质量检查时间，d；

t6——其他时间，d 。

1.2 不均衡系数分析与计算基本假设

为便于分析与计算，略去一些次要，将抽采系统抽象为理想化：

a、从抽采钻孔施工至其并网联抽、抽采过程中的单组钻场（孔）的瓦斯流量总体变化规律不变，百米钻孔初始瓦斯流量、百米钻孔瓦斯流量衰减系数数值相等，如图1和⑵式。

图1 不受采动影响抽采钻孔瓦斯涌出规律图

式中：qt——经过t时间的百米钻孔瓦斯流量，m3/min·hm；

q0——百米钻孔初始瓦斯流量，m3/min·hm；

α——百米钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1；

t ——时间，d。

b、每组钻场（孔）投入抽采的时间间隔接近一致，差别对计算结果影响小，可以忽略。

1.3 不均衡系数确定

1.3.1 每循环间隔接入钻场（孔）的瓦斯流量最大值

按基本假设b，取每组钻场（孔）投入抽采的时间间隔相同，那么，各组钻场（孔）的流量成等比数例。

相邻两组钻场（孔）流量公比r如⑶式：

式中： △T——每组钻场（孔）投入抽采的时间间隔，d，按对应的成组方式确定；

T——每循环钻场（孔）抽采时间，d；

m ——每循环钻场（孔）分组数量；

N——每循环钻场（孔）数量，个；

n ——每组同时接入抽采系统的钻场（孔）数量，个，按对应的成组方式确定。

连续接入至第m组钻场（孔）时，第一组钻场（孔）瞬时流量衰减为q0rm-1，第m组钻场（孔）瞬时流量为q0，每循环间隔接入钻场（孔）的瓦斯流量最大值Qm按⑺式计算。

将⑶式代入⑹式，得：

1.3.2 每循环钻场（孔）瓦斯流量均值

瓦斯抽采系统设计、建设时，瓦斯流量均值是容易得到的参数。

1）按算术平均值计算

据算术平均值定义、公式和基本假设a，单组钻场（孔）的瓦斯流量均值Q单均按⑻式计算。

按成组方式，每循环钻场（孔）瓦斯流量均值Q均按⑼式计算。

2）根据抽采指标计算的抽采瓦斯流量平均值

按《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》（GB 50471-2018）之3.2.3条计算。

1.3.3 不均衡系数

不均衡系数为每循环间隔接入钻场（孔）的瓦斯流量最大值与均值之比，整理⑺/⑼式，不均衡系数K接按⑽式计算。

据公式⑷，令△Tm=T，此时每组钻场（孔）并网联抽间隔时间最短，不均衡系数K接最小。

2 安全生产应用

2.1 抽采瓦斯流量最大值计算

《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》（GB 50471-2018）中瓦斯抽采工程设计以抽采瓦斯流量最大值为基础（见5.2.2、5.3.3条等规定），在上述抽采瓦斯流量平均值、不均衡系数确定后，笔者提出以下公式计算抽采瓦斯流量最大值：

式中： QL——设计抽采瓦斯流量最大值，m3/min；

K富——富裕系数，取1.2～1.8；

K接——钻场（孔）间隔接入抽采引起的抽采瓦斯流量不均衡系数；

K其它——其他因素引起的抽采瓦斯流量不均衡系数，按《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》（GB 50471-2018）之3.2.3条取值，预抽煤层区段或工作面回采区域时，取1.05～1.20；预抽煤巷条带或石门揭煤区域时，取1.50～2.00；抽采邻近层和围岩卸压瓦斯时，取1.20～1.50；

Q均——抽采瓦斯流量平均值，m3/min，按《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》（GB 50471-2018）之3.2.3条计算或按参数设计确定。

2.2 工程实例

增加钻场（孔）间隔接入抽采引起的抽采瓦斯流量不均衡系数K接提高矿井的本质安全程度。

2.2.1 矿井抽采实例

以湖南省涟源市群力煤矿为例，该矿为煤与瓦斯突出矿井，设计生产能力15万t/a，主采2煤层，3煤层局部可采，2、3煤层层间距平均23m；矿井在2煤层底板约15m处布置有集中瓦斯抽采巷，采用穿层钻孔预抽（2煤层）区段煤层瓦斯和开采上保护层（3煤层）的区域防突措施，2煤层钻孔瓦斯流量衰减系数α=0.152d-1、煤层透气性系数λ=0.5782m2/MPa2·d、钻孔初始瓦斯流量q0=0.6929m3/min·hm，2煤层底板穿层钻孔预抽时间T=100d，每一个抽放循环有20个钻场，每个钻场依次接入抽采系统，时间间隔平均为5d，该矿2016年5～9月实测预抽瓦斯量呈周期性规律变化，变化曲线如图2。

图2 群力煤矿2煤层底板穿层钻孔预抽瓦斯量变化曲线图

从图中可知：

1）预抽瓦斯量变化周期与钻场接入时间间隔△T一致（2煤层α值较大，钻场接入时间间隔较大，导致变化周期明显）。

2）预抽瓦斯量平均值为1.01m3/min，最大值1.61m3/min，发生在第36d、第7个钻场接入抽采后，偏差0.60 m3/min，不均衡系数1.594；最小值0.67m3/min，发生在第75d、第16个钻场接入抽采前，偏差-0.34 m3/min，不均衡系数1.337 。

3）抽采瓦斯流量不均衡系数最大值1.594，大于《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》（GB 50471-2018）之3.2.3条取值（预抽煤层区段或工作面回采区域时，取1.05～1.20）。

4）取T=100d，m=20个、△T=5d、α=0.152d-1，按公式经⑽计算，K接=1.4277；其它因素引起的抽采瓦斯流量不均衡系数按《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》（GB 50471-2018）之3.2.3条取值1.05～1.20；即，不均衡系数1.499～1.713，该数值与矿井抽采实际较相符，因此，增加钻场（孔）间隔接入抽采引起的抽采瓦斯流量不均衡系数K接有工程、技术上的意义。

2.2.2 抽采系统设计实例

以笔者编制的《贵州黔西正湘煤业有限公司箐口煤矿初步设计》为例，箐口煤矿设计生产能力60万t/a，采取底板穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯的区域综合防突措施，采取本煤层顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯的区域综合防突、减风措施，α=0.0948d-1，设计抽采瓦斯流量最大值计入了间隔接入引起的抽采瓦斯流量不均衡系数。

底板穿层钻孔预抽时间T=360d，每一个抽放循环有48个钻场，每个钻场内布置有5个钻孔，按钻孔依次接入抽采系统，m=240个、△T=1.5d，经计算，K接=1.073 。

本煤层顺层钻孔预抽时间T=180d，每一个抽放循环有54个钻场，每个钻孔内布置有1个钻孔，按钻孔依次接入抽采系统，m=54个、△T=3d，经计算，K接=1.277 。

石门揭煤工作面预抽钻孔呈网格状布置，共28列，8行，224个孔，预抽时间T=90d，按每4个钻孔依次接入抽采系统，m=56个、△T=1.5d，经计算，K接=1.150 。

3 结束语

按照安全生产和抽采达标要求，设计、建设瓦斯抽采系统时，必须考虑瓦斯抽采流量的不均衡性；钻场（孔）的接入，抽采系统瓦斯流量会突然增加，从上述工程实例计算来看，间隔接入引起的抽采瓦斯流量不均衡系数数值接近甚至超过《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》（GB 50471-2018）之3.2.3条的不均衡系数取值，钻场（孔）的间隔接入是引起抽采瓦斯流量不均衡性的主要因素之一，该不均衡系数有工程、技术上的意义，是一个需要增加的参数。

钻场（孔）的间隔接入是引起抽采瓦斯流量不均衡系数研究结果对于瓦斯抽采系统设计、建设，乃至抽采效果达标、瓦斯综合治理工作具有指导作用。