瓦斯抽采達標煤量的提出及其與礦井原“三量”的關系

邊樹鵬，劉 杰

(山西焦煤集團有限責任公司 生產技術部， 山西 太原 030024)

經過多年開采，我國煤礦以每年10～20 m(最快50 m)的速度向深部延深，煤層瓦斯壓力和瓦斯含量也在逐年加大，一些礦井由低瓦斯礦井逐漸轉變為高瓦斯礦井或煤與瓦斯突出礦井[1]. 煤層瓦斯危害礦井安全生產，同時作為一種重要的資源，對瓦斯的開采利用很有必要。瓦斯抽采影響礦井開拓、采區準備，甚至影響工作面的回采速度[2-3]. 高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的瓦斯抽采利用已構成保障采掘平衡接續的必要條件，研究瓦斯抽采工作對礦井“三量”可采期的影響具有深遠意義。

針對煤與瓦斯突出礦井中的準備煤量和回采煤量已不能真實反映礦井接替情況的問題，中國礦業大學的王海峰等[4]提出安全煤量及安全煤量合理可采期新概念。安全煤量的合理可采期指的是煤與瓦斯突出礦井安全煤量可供開采的合理時間，安全煤量過少就會造成礦井采掘接替緊張。彭楊皓等[5]研究了瓦斯抽放對礦井“三量”可采期的優化作用，通過實施瓦斯的綜合抽放和編制合理的采掘接替計劃來保證回采工作面的安全生產，并制定了合理的適合礦區生產實際的“三量”關系。呂子輝等[6]對影響3個煤量可采期的相關因素和可采期確定方法進行了分析，重新研究制定了合理的三量可采期。梁文勖等[7]針對現有煤層瓦斯有效抽放半徑測定方法實用性差的問題，尤其是壓降法對封孔要求較高的問題，提出了達標所需抽采量，進一步計算達標抽采時間，以此來確定抽采半徑。韓真理等[8]為了實現煤礦瓦斯抽采達標，通過對煤礦瓦斯抽采現狀分析，指出了在煤礦瓦斯抽采設計和實際瓦斯抽采過程中存在的問題，并針對性地提出了提高煤礦瓦斯抽采效果的技術途徑和實現瓦斯抽采達標的管理工作要點。

瓦斯抽采對礦井生產接續有重大影響，然而，目前人們對于瓦斯抽采與礦井采掘之間的交互影響方式和作用的研究很少，尚無可借鑒的成果。由于高瓦斯礦井在礦井安全“三量”可采期的科學計算與瓦斯抽采工程的互相影響不可忽視，因此，如何將不同類型的瓦斯抽采進程考慮到安全“三量”可采期計算中是個必須要研究的科學問題。

1 瓦斯抽采達標效果評判

根據國家安全生產監督管理總局2011年下發的《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》(安監總煤裝[2011]163號)，有下列情況之一的礦井必須進行瓦斯抽采，并實現瓦斯抽采基礎條件達標、工作面瓦斯抽采效果達標。 1) 掘進工作面：a) 瓦斯預抽時間不小于6個月。b) 突出煤層的掘進工作面還必須同時滿足突出煤層殘余瓦斯壓力和含量都小于突出礦井設定的敏感指標，并且在施工評價過程中沒有發生鉆孔噴孔、頂鉆或其它的動力現象。如果沒有相應的指標時，分別按照0.74 MPa、8 m3/min取值。c) 工作面風速≤4 m/s、回風巷道風流中瓦斯濃度低于0.5%. 2) 采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應滿足(表1)規定；對瓦斯涌出量主要來自于鄰近層或圍巖的采煤工作面，工作面抽采效果達標評判可根據同一煤層相鄰工作面開采時瓦斯量計算工作面抽采率，采煤工作面瓦斯抽采率滿足(表2)規定；其他條件同掘進工作面瓦斯抽采效果評判標準。

表1 采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應達指標表

表2 采煤工作面瓦斯抽采率應達指標表

2 瓦斯抽采達標煤量可采期

2.1 瓦斯抽采達標煤量定義及計算

2.1.1瓦斯抽采達標煤量的含義

瓦斯抽采達標煤量：瓦斯抽采達標煤量指在礦井開采范圍內，經瓦斯抽采后，煤巖層的瓦斯含量或可解析瓦斯量等指標滿足抽采達標規定要求的煤量。

2.1.2抽采達標煤量的計算

計算瓦斯抽采達標煤量時，由于相關參數較多不易獲得，因此可用超過預抽期的抽采鉆孔進尺所控制的煤量來確定。具體的方法是，用抽采鉆孔抽采半徑范圍內的內接正方形代表抽采控制的橫斷面積，再確定出超過抽采達標時間的鉆孔進尺，相乘即可。計算公式見式(1)，公式中的系數α的確定方法見圖1.

Qwd=ρLcπR2α+Qd

(1)

式中：

Qwd—瓦斯抽采達標煤量，t；

Qd—直接影響回采的無需預抽低瓦斯區域煤量，t；

ρ—煤的密度，t/m3；

Lc—抽采達到6個月以上的鉆孔進尺，m；

R—抽采半徑，m；

α—內接正方形與圓面積比系數，約為0.63.

圖1 瓦斯抽采達標煤量計算系數確定原理圖

在一個區域煤量中如果包含高瓦斯和低瓦斯兩片區域，那么只需預抽高瓦斯區域的瓦斯，抽采達標后的煤量加上低瓦斯區域已構成工作面的回采煤量Qd，可以近似認為該整體區域的煤量屬于瓦斯抽采達標煤量，若該區域瓦斯分布均勻且都需要預抽，Qd取0.

通過式(1)計算得到理論上的Qwd后需要與實際的回采煤量進行比較，如果Qwd大于回采煤量，那么Qwd可以作為實際的瓦斯抽采達標煤量；如果Qwd小于回采煤量，說明瓦斯抽采結果沒有達到要求，需要繼續進行抽采工作。

2.2 瓦斯抽采達標煤量可采期定義

根據原“三量”可采期的定義，瓦斯抽采達標煤量可采期可類似的規定為：

瓦斯抽采達標煤量可采期(月)=

(2)

由此得到礦井的瓦斯抽采達標煤量可采期：

(3)

式中，A為礦井平均月產量，t/月。

3 瓦斯抽采達標煤量與原“三量”的關系

3.1 瓦斯抽采對回采工作的影響

3.1.1直接影響回采的瓦斯抽采方法

直接影響回采的瓦斯抽采方法主要有：開采層瓦斯抽采中的未卸壓條件下采區(工作面)大面積抽采和人為卸壓條件下的水力壓裂、控制爆破強化抽采等。這些抽采方法的主要工藝是由開采層工作面運輸巷、回風巷、煤門打上下向順層鉆孔(壓裂、爆破等)抽采或交叉鉆孔抽采。這些抽采方法需要在工作面開采前完成，為保證工作面順利接替，要預留預抽時間。

3.1.2不直接影響回采的瓦斯抽采方法

不直接影響回采的瓦斯抽采方法主要有：開采層瓦斯抽采中的未卸壓條件下巖巷揭煤與煤巷掘進抽采、采動卸壓條件下的邊掘邊抽和邊采邊抽；臨近層瓦斯抽采中的上下臨近層瓦斯抽采；采空區瓦斯抽采中的全封閉式抽采和半封閉式抽采；圍巖瓦斯抽采中的圍巖裂隙與溶洞瓦斯抽采。這些瓦斯抽采方法中，開采層瓦斯抽采中的未卸壓條件下巖巷揭煤與煤巷掘進抽采是超前掘進工作進行的；采動卸壓條件下的邊掘邊抽和邊采邊抽、臨近層瓦斯抽采中的上下臨近層瓦斯抽采是伴隨采掘工作一起開展的；采空區瓦斯抽采中的全封閉式抽采和半封閉式抽采、圍巖瓦斯抽采中的圍巖裂隙與溶洞瓦斯抽采是在遠離正在生產的采掘空間內實施的。

以上這些抽采方法不需要在工作面回采前進行，不影響回采工作面的接替，其對采掘工作的影響只體現在減緩推進速度上。采面回采速度的減慢可為掘進預留更多的準備時間，不影響采煤的接替，對采掘接續工作反而起積極作用；而掘進速度的減慢會對回采面的準備產生不利的影響，影響采掘接替，這就需要改進掘進工藝技術或增加掘進隊伍等。瓦斯抽采對掘進工作的影響可以間接從“三量”可采期中反映出來，不需要另設參數加以考慮。

3.2 瓦斯抽采對開拓和準備工作的影響

瓦斯抽采工作可以在礦井的開拓、采區主要巷道準備階段或形成回采工作面之前進行，也可以伴隨著礦井的開拓、采區準備等工作一起進行，故而瓦斯抽采的期限將直接影響礦井的開拓、采區準備的時間，甚至會影響工作面的回采速度，反之，瓦斯抽采利用效果也會受礦井采掘活動的影響。瓦斯抽采達標煤量與礦井原“三量”之間的相互關系見圖2.

圖2 礦井“四量”關系圖

由于各個礦井的瓦斯含量不同，高瓦斯或瓦斯突出礦井中瓦斯含量高，通過風排瓦斯并不能完全消除瓦斯超標所帶來的事故隱患，因此在生產過程中必須進行瓦斯預抽工作，以降低瓦斯濃度，消除因瓦斯因素所造成的突發災害；而低瓦斯礦井中的瓦斯濃度通過通風足以消除瓦斯所帶來的隱患，因此不需要進行預抽工作。

圖2a)代表高瓦斯或瓦斯有突出危險的礦井，瓦斯濃度高，預抽工作量大，在抽采不達標前不能進行回采工作，因此瓦斯抽采達標煤量是屬于開拓煤量和準備煤量中的一部分。圖2b)、c)代表低瓦斯礦井或無瓦斯礦井，瓦斯濃度低，預抽工作量小，甚至不需要對瓦斯預抽，可直接布置回采工作面進行回采，因此瓦斯抽采達標煤量可能大于準備煤量或者開拓煤量。

對于不同生產能力、不同瓦斯含量的礦井，瓦斯抽采與原“三量”是一個交互式影響的關系，瓦斯抽采工作目前是影響礦井采掘接續的一個重要原因。無論何種類型的礦井，瓦斯抽采達標煤量都應包括經區域性瓦斯治理后檢驗結果為無瓦斯隱患的煤量和瓦斯濃度低而無需進行預抽的煤量兩部分。可以根據該煤量來進行采掘銜接計劃的編制。

4 結 論

本文主要分析了瓦斯抽采達標的評價指標，提出了“瓦斯抽采達標煤量”以及“瓦斯抽采達標煤量合理可采期”的概念，同時提出了計算方法。礦井瓦斯抽采達標煤量與原“三量”—即開拓煤量、準備煤量、回采煤量，共同構成了礦井“四量”，分析了瓦斯抽采達標煤量與礦井原“三量”的關系，認為瓦斯抽采達標煤量在量級上與原“三量”存在3種囊括關系。瓦斯抽采達標煤量的提出，可以根據各個礦井的不同瓦斯含量，對高瓦斯礦井、瓦斯突出礦井和低瓦斯礦井“四量”進行合理劃分，對指導礦井生產接續具有指導意義。