突出煤层群“三区”联动全过程定量评价方法研究

2021-06-21苏士龙闫大鹤程志恒王宏冰李美晨

煤炭工程 2021年6期

苏士龙，闫大鹤，陈亮，程志恒，阳骏，王宏冰，李美晨

(1.华晋焦煤有限责任公司，山西吕梁 033000；2.华北科技学院安全监管学院，北京 101601；3.华北科技学院安全工程学院，北京 101601；4.平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司，安徽淮南 232001)

随着我国煤层开采深度和强度的增加，瓦斯灾害逐渐成为制约我国高突矿井安全高效生产的首要问题。近年来“三区”联动瓦斯抽采技术逐渐兴起，该模式从时间和空间上实现了煤层气井上下联合抽采，为立体化、层次化有效开发煤层气提供了新的思路[1-5]。为提高瓦斯治理效率，对瓦斯治理效果进行精准高效的评价至关重要。当前对瓦斯治理效果的评价过程往往消耗大量的人力物力，且无法保证其精准度，瓦斯治理的效果无法及时反馈。如何科学高效地解决“三区”联动瓦斯的治理问题，有效对瓦斯治理效果进行智能评价是当前急需解决的问题[6-8]。程志恒等[9]建立了近距离煤层群“三区”联动模式的递进式动态评价函数，给出三阶段中2级指标四参数随时间变化的表达式，并确定了各指标临界值；董洪凯等[10]构建了多因素指标综合评价体系，有效避免了煤与瓦斯突出事故的发生，实现了抽采、防突达标评价工作的规范化和精细化；刘见中等[11]采用层级划分法，以地面井开发和煤层群开发为分类条件，总结并完善了3种典型煤矿区协调开发模式与配套技术体系；姜小强、张进军等[12，13]，通过对规划区、开拓区、生产区的划分与千米钻孔定向对接高效抽采、大孔径定向长钻孔立体式抽采等关键技术，各自形成了具有矿区特色的综合治理模式与配套技术体系；李进朋等[14]基于“三区”联动的井上下抽采建立了基于模糊结构元的多分支水平井多因素群评价模型，为工程方案的选择提供有力指导；贺天才等[15，16]通过探索井上下联合抽采技术，形成了“采煤采气一体化”的立体抽采模式，称为“晋城模式”，并在国内推广应用；李树刚等[17]通过分析筛选崔家沟煤矿采空区瓦斯抽采效果影响因素，建立了三级评价指标体系，为我国采空区瓦斯抽采效果评价提供了新方法；宋爽[18]提出了采空区卸压瓦斯抽采评价指标体系，形成了采空区卸压瓦斯抽采智能评价方法，开发了采空区卸压瓦斯抽采评价系统；杨宏民等[19]基于概率论与数理统计中“3σ”准则，为非等间距布孔及抽采效果评价建立了一种可操作性的方法；孙四清[20]提出以煤层气含量和气含量降低率(或采收率)作为煤矿区煤层气抽采效果检测和评价指标，并分别建立了煤矿区地面和井下煤层气抽采效果评价方法。上述研究为“三区”联动与瓦斯治理效果评价方面提供了大量的参考依据，在指导实际工程中发挥了重要作用，但目前“三区”联动模式与治理效果评价还未形成一套完整的评价体系，基于以上分析，考虑高突矿井“三区”联动的治理特点，本文将围绕瓦斯治理的效果，从安全、效益及时空三方面选取“三区”联动动态评价指标，以期为“三区”联动的治理效果提供一个准确高效的评价方法，完善高突矿井“三区”联动的瓦斯治理技术。

1 “三区”联动的科学概念及动态评价原理

1.1 “三区”联动的科学概念

为了达到高突矿井在低瓦斯状态下高产，分阶段采取不同井上、下抽采方法实现“三区”联动，如图1所示，“三区”内瓦斯治理指标由原始值→临界值→高产工作面安全值逐级递进，最终实现“三区”联动过程指标量化评价，明确提出“三区”的定量指标及其界定范围。

图1 “三区”联动瓦斯治理模式

1)规划区：是指没有井下采掘活动的井田区域，区域面积原则上最大。抽采后煤层残余瓦斯含量Wc∈(8m3/t，W0)其中，W0为煤层原始瓦斯含量，m3/t；抽采后煤层残余瓦斯含量Pc∈(0.74MPa，P0)，其中，P0为煤层原始瓦斯压力，MPa。本区主要采用地面井长时抽采，时间相对比较宽裕，最终实现消突，即转入准备区。转化效果可用瓦斯指标(Wc、Pc)、瓦斯抽采量Qx(单位m3)及消突煤量Cx(单位t)来考核。

2)准备区：是指井下开展矿井及采区大巷掘进活动区域。煤层残余瓦斯含量Wc∈(Wa，8m3/t)，煤层残余瓦斯压力Pc∈(Pa，0.74MPa)，其中是Wa、Pa分别为抽采达标且工作面开采强度达到设计产能上限对应的煤层残余瓦斯含量和压力值；本区主要采用区域抽采+掘进面局部预抽，属井下钻孔进尺集中区域，抽采时长受控于采掘衔接，时间较为紧张，最终实现抽采达标(高产工作面瓦斯安全条件)，即转入生产区；转化效果可用瓦斯指标(Wc、Pc)、瓦斯抽采量Qx、达标煤量Mx(单位t)及钻孔进尺率(钻孔施工量/设计值)来考核。

3)生产区：是指井下开展采掘活动区域；煤层残余瓦斯含量Wc

此次“三区”的量化定义，尤其是准备区和生产区，有效解决了当前普遍存在的钻孔施工及抽采时长压力集中于生产区导致生产滞后和产能不达标的问题。

1.2 动态评价原理及步骤

“三区”联动瓦斯治理的目标体现在安全生产和资源产能，为了到达实时动态效果评价，需分阶段构建煤层瓦斯指标(W、P)、消突/达标煤量C(t)和瓦斯抽采量Q(m3)与抽采时长t(年)的函数关系式，具体见表1，表中，W0i是各煤层原始瓦斯含量，m3/t；A、B值为煤层气井有效影响半径系数，一般取值为6.23和0.37，Mi为煤层厚度，m；t为煤层气抽采时长，年；k为地面井数量；Qj为单井平均日产量，t/d；v、De分别为掘进面、工作面日进尺，m/d；K1、K2分别为采区、工作面采出率，%；Q地、Q滞分别为受地质条件、煤柱造成丢煤量，t；he为工作面数量；E为工作面平均斜长，m。针对准备区、生产区井下钻孔施工及抽采的定量评价，引入了钻孔进尺率η，即钻孔施工完成进尺量/钻孔设计进尺量。此外，针对抽采时长t1和t2存在潜在的评价标准，t1受控于矿井中长期瓦斯治理规划中“抽-掘”的衔接要求，t2受控于矿井采掘规划中“抽-掘-采”衔接要求以及产量要求。

表1 “三区”动态评价指标及其表达式

“三区”联动量化评价指标如图2所示，“三区”联动动态评价以W(t)、P(t)、C(t)、Q(t)为主要考核指标，以钻孔进尺率η(t)与抽采时长T为辅助评价指标。其中，安全指标W(t)、P(t)为一级指标，经济指标C(t)、Q(t)为二级指标。

图2 “三区”联动量化评价指标

“三区”联动评价流程：①根据采掘部署，得出“三区”内的W(t)、P(t)、C(t)、Q(t)起始临界值；②基于构建各指标与时间的函数，可计算出各指标的实时变化量；③将各阶段安全指标实时数据与该阶段的转化达标临界值进行比较分析，若安全指标不达标，即可认为转化失败，若安全指标达标，进而计算其转化率；④安全指标达标后，基于“三区”联动产能有效转化率函数，计算出各阶段有效转化率，进而得出全矿井整体“三区”联动转化率，最终实现对矿井瓦斯治理“三区”联动效果的动态定量评价。

2 “三区”联动动态评价体系

2.1 动态评价指标筛选与计算

“三区”联动的直接、根本目的分别是防治瓦斯(安全效益)和释放优质煤、气产能(经济效益)，瓦斯治理程度主要采用煤层瓦斯含量W和瓦斯压力P来反映，产能情况采用瓦斯抽采量(Q)和煤炭产量(C)。针对高突矿井，瓦斯治理指标作为安全一级指标，煤气产能指标作为二级指标。为实时动态反映“三区”联动-转化效果，分区建立各指标与时间的数学关系，最终计算出“三区”联动转化动态定量效果。

“三区”的瓦斯治理指标采用理论和实测相结合，规划区没有井下采掘活动，采用理论计算瓦斯含量，准备区和生产区采用井下实测；“三区”的煤气产量指标为基于实际生产进行计算，因此，得出“三区”联动过程各评价指标及其与时间的数学表达式。

2.2 评价指标临界值确定

安全评价指标作为一级指标在“三区”联动-转化过程要依次实现降突→消突→低瓦斯矿井高产的区段目标，对应的瓦斯指标临界值依次为β·W0或P0(β<1)、8m3/t或0.74MPa、α·8或α·0.74(α<1)，其中α、β反映为规划区和生产区的抽采效果。

经济效益指标作为二级指标在“三区”联动-转化过程要依次满足降危煤量C规→消突煤量C准→抽采达标煤量C生的区段要求，对应的所需达到瓦斯抽采量分别为Q规、Q准、Q生，在瓦斯抽采手段既定条件下，各区段瓦斯抽采量、目标煤量直接由抽采时长t所决定。

综上所述，采用理论计算和生产实践经验相结合的方法确定“三区”联动-转化各区段的各级指标的临界值，“三区”各级动态评价指标临界值见表2。

表2 “三区”各级动态评价指标临界值

2.3 动态评价的目标函数

为了实现“三区”联动-转化各区段的效果定量评判，定义一级指标有效转化率函数ηwi和ηpi，见式(1)。当该函数值均小于1，即说明达到各区段安全指标的最低要求，具备向下一阶段转化的条件，即可进行下一步二级指标定量评价转化效果；否则视为安全指标不达标，不具备下一段转化的条件，直接判定“三区”联动-转化失败。

定义二级指标有效转化率函数ηci和ηQi，各区段的联动-转化效果需综合考虑煤层气量转化率ηQi和煤炭产量转化率ηci的权重，假设ηci的权重为θ，ηQi的权重为1-θ，各区段的“三区”联动-转化效果评价函数πi可见式(2)，其中，权重可由煤、气单项产能产生的经济效益各自占比确定。

综合考虑“三区”联动之间相互制约性，定义“三区”联动-转化全过程的整体效率函数Y为各区段效率函数πi的乘积，见式(3)。

依据煤气共采三阶段，定义各阶段单项指标(W、P、C、Q)的有效转化率η为一定抽采时长下评价指标实时数值与其临界值的比值(例如规划区瓦斯含量有效转化率为ηw远=W′/W临)，其中安全指标转化率为先决条件，若安全指标中任一指标不达标，则判定消突失败；若安全指标均达标，进一步讨论经济指标，假设θ为各阶段煤量有效转化率的权重，θ=C×煤单价/(C×煤单价+Q×气单价)，(1-θ)为相应各阶段煤层气有效转化率的权重，进而可得出各开采阶段(规划区、准备区及生产区)的经济指标有效转化率η经=θηc+(1-θ)ηQ。综上，可知近距离煤层群井上下联合消突的整体有效转化率η整的计算式，即η整=η规·η准·η生。

3 工程应用效果评价

3.1 沙曲一矿概况

沙曲一矿位于河东煤田中部，井田大致呈北西—南东向弧形，长约22km，宽4.5～8km，面积138.3535km2。煤炭产能设计500万t/a，全井田批采煤层共8层煤，分为山西组和太原组，上煤组为山西组的2#、3#、4#(3+4#)、5#煤层，煤层瓦斯参数见表3，属典型近距离突出煤层群矿井，受多煤层突出制约，实际年产量仅为3.0Mt。

表3 上部煤层瓦斯基础参数测定结果平均值

沙曲一矿在规划区主要为常规地面井、多分支水平井及防突压裂井组合式预抽煤层瓦斯；准备区主要为水平井井孔对接抽采以及“保护层开采+定向穿层钻孔群”预抽煤层瓦斯；生产区主要为递进式顺层钻孔抽采，沙曲一矿“三区”瓦斯治理技术如图3所示。规划区、准备区及生产区的抽采时长分别为8a以上、5～6a、0.5～2a。

图3 沙曲一矿“三区”瓦斯治理技术

3.2 评价结果

根据沙曲一矿对主采2#、3+4#煤层瓦斯参数测定结果可知，规划区2#煤层、3+4#煤层残余瓦斯含量分别为8.22～10.65m3/t和7.96～12.55m3/t；准备区2#煤层、3+4#煤层残余瓦斯含量分别为5.45～7.24m3/t和6.82～8.91m3/t，相应的残余瓦斯压力分别为0.55～0.64MPa、0.65～0.76MPa和0.55～0.74MPa；生产区2#煤层、3+4#煤层残余瓦斯含量分别为3.74～5.24m3/t和5.36～6.45m3/t，相应的残余瓦斯压力分别为 0.36～0.52MPa。综合上述数据绘制2#、3+4#煤层瓦斯指标随抽采时长的变化趋势，如图4所示。由图4可得出2#、3+4#煤层在井上下联抽措施作用下，“三区”相应的瓦斯指标均低于临界值，即W规准备区>规划区，反映出瓦斯治理强度及井下钻孔进尺集中程度在生产区，准备区次之；其中3+4#煤层在准备区瓦斯指标下降速度大于2#煤层，说明在准备区的区域消突措施上2#煤层作为保护层开采对3+4#煤层卸压消突作用明显，与现场瓦斯治理工程情况相一致。

图4 沙曲一矿各煤层瓦斯含量和瓦斯压力“三区”变化

根据市场调研，当前优质主焦煤和煤层气的单价分别为1700元/t、2.5元/m3，结合矿井煤、气实际年产量，带入式(2)可计算出θ=0.71，“三区”的煤、气产能转化率分别为π规=95%、π准=85%、π生=90%，“三区”联动的整体转化率为70.5%，整体合格，但是抽掘采失衡，准备区瓦斯治理效果不佳，瓦斯治理强度和密度在生产区相对较集中，治理压力相对较大，建议改善准备区的多煤层区域联抽方法或适当延长准备区抽采时长，进而达到原高突煤层进入低瓦斯状态，极大降低生产区瓦斯治理工作量，保障安全的同时提升煤气产能。

根据沙曲一矿防突科定期测定2#、3+4#煤层(5#煤层主要巷道尚未开拓)残余瓦斯含量与瓦斯压力进行防突效果检验，统计分析得出2#和3+4#煤层瓦斯含量在准备区、生产区均小于临界值8m3/t，各煤层瓦斯含量、瓦斯压力在生产区均低于临界值。深入分析可知煤层瓦斯含量、瓦斯压力与防突时长呈负对数函数关系，如图4所示，在准备区中后段及开采区全段才能实现多煤层消突，在相同条件下，煤层平均残余瓦斯压力和瓦斯含量下降速率(νP和νW)一般符合“规划区<准备区<生产区”；3+4#煤层在准备区的νP和νW明显大于2#、3+4#煤层，原因为2#煤层做为保护层开采，3+4#煤层距离最近而卸压效果显著；3+4#煤层在生产区νP和νW明显大于2#、3+4#煤层，原因为3+4#煤层软分层相对发育，在采掘工作面采用可控冲击波增透促抽，提升了消突速率。依据沙曲一矿主采煤层单价为1700元/t，设计产量为5Mt，煤层气单价为2.5元/m3，设计产量为1.4亿m3，代入权重计算公式得θ=0.71。

基于矿井实测煤层瓦斯参数与“三区”的安全指标临界值对比分析可知，在规划预抽时间内2#、3+4#煤层“三区”的Wc和Pc均小于对应临界值，均达到消突要求，保障矿井的安全生产，为进一步探究消突各阶段的有效转化率变化，进行全过程动态评价，依据矿井实际生产条件确定参数和系数取值代入计算公式可得出规划区η规、准备区η准和生产区转化率η开分别为95%、85%、90%，准备区抽采消突效率相对偏低，有待进一步提高，最终计算出井上下联合消突全过程整体有效转化率为70.5%，根据“三区”煤层气和煤炭总量计算可得为1265万m3和385万t，较之前的煤、气产能分别提高了80万t和420万m3，经济效益显著。