突出煤層群“三區(qū)”聯動全過程定量評價方法研究

蘇士龍，閆大鶴，陳 亮，程志恒，陽 駿，王宏冰，李美晨

(1.華晉焦煤有限責任公司，山西 呂梁 033000；2.華北科技學院 安全監(jiān)管學院，北京 101601；3.華北科技學院 安全工程學院，北京 101601；4.平安煤礦瓦斯治理國家工程研究中心有限責任公司，安徽 淮南 232001)

隨著我國煤層開采深度和強度的增加，瓦斯災害逐漸成為制約我國高突礦井安全高效生產的首要問題。近年來“三區(qū)”聯動瓦斯抽采技術逐漸興起，該模式從時間和空間上實現了煤層氣井上下聯合抽采，為立體化、層次化有效開發(fā)煤層氣提供了新的思路[1-5]。為提高瓦斯治理效率，對瓦斯治理效果進行精準高效的評價至關重要。當前對瓦斯治理效果的評價過程往往消耗大量的人力物力，且無法保證其精準度，瓦斯治理的效果無法及時反饋。如何科學高效地解決“三區(qū)”聯動瓦斯的治理問題，有效對瓦斯治理效果進行智能評價是當前急需解決的問題[6-8]。程志恒等[9]建立了近距離煤層群“三區(qū)”聯動模式的遞進式動態(tài)評價函數，給出三階段中2級指標四參數隨時間變化的表達式，并確定了各指標臨界值；董洪凱等[10]構建了多因素指標綜合評價體系，有效避免了煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，實現了抽采、防突達標評價工作的規(guī)范化和精細化；劉見中等[11]采用層級劃分法，以地面井開發(fā)和煤層群開發(fā)為分類條件，總結并完善了3種典型煤礦區(qū)協(xié)調開發(fā)模式與配套技術體系；姜小強、張進軍等[12，13]，通過對規(guī)劃區(qū)、開拓區(qū)、生產區(qū)的劃分與千米鉆孔定向對接高效抽采、大孔徑定向長鉆孔立體式抽采等關鍵技術，各自形成了具有礦區(qū)特色的綜合治理模式與配套技術體系；李進朋等[14]基于“三區(qū)”聯動的井上下抽采建立了基于模糊結構元的多分支水平井多因素群評價模型，為工程方案的選擇提供有力指導；賀天才等[15，16]通過探索井上下聯合抽采技術，形成了“采煤采氣一體化”的立體抽采模式，稱為“晉城模式”，并在國內推廣應用；李樹剛等[17]通過分析篩選崔家溝煤礦采空區(qū)瓦斯抽采效果影響因素，建立了三級評價指標體系，為我國采空區(qū)瓦斯抽采效果評價提供了新方法；宋爽[18]提出了采空區(qū)卸壓瓦斯抽采評價指標體系，形成了采空區(qū)卸壓瓦斯抽采智能評價方法，開發(fā)了采空區(qū)卸壓瓦斯抽采評價系統(tǒng)；楊宏民等[19]基于概率論與數理統(tǒng)計中“3σ”準則，為非等間距布孔及抽采效果評價建立了一種可操作性的方法；孫四清[20]提出以煤層氣含量和氣含量降低率(或采收率)作為煤礦區(qū)煤層氣抽采效果檢測和評價指標，并分別建立了煤礦區(qū)地面和井下煤層氣抽采效果評價方法。上述研究為“三區(qū)”聯動與瓦斯治理效果評價方面提供了大量的參考依據，在指導實際工程中發(fā)揮了重要作用，但目前“三區(qū)”聯動模式與治理效果評價還未形成一套完整的評價體系，基于以上分析，考慮高突礦井“三區(qū)”聯動的治理特點，本文將圍繞瓦斯治理的效果，從安全、效益及時空三方面選取“三區(qū)”聯動動態(tài)評價指標，以期為“三區(qū)”聯動的治理效果提供一個準確高效的評價方法，完善高突礦井“三區(qū)”聯動的瓦斯治理技術。

1 “三區(qū)”聯動的科學概念及動態(tài)評價原理

1.1 “三區(qū)”聯動的科學概念

為了達到高突礦井在低瓦斯狀態(tài)下高產，分階段采取不同井上、下抽采方法實現“三區(qū)”聯動，如圖1所示，“三區(qū)”內瓦斯治理指標由原始值→臨界值→高產工作面安全值逐級遞進，最終實現“三區(qū)”聯動過程指標量化評價，明確提出“三區(qū)”的定量指標及其界定范圍。

圖1 “三區(qū)”聯動瓦斯治理模式

1)規(guī)劃區(qū)：是指沒有井下采掘活動的井田區(qū)域，區(qū)域面積原則上最大。抽采后煤層殘余瓦斯含量Wc∈(8m3/t，W0)其中，W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t；抽采后煤層殘余瓦斯含量Pc∈(0.74MPa，P0)，其中，P0為煤層原始瓦斯壓力，MPa。本區(qū)主要采用地面井長時抽采，時間相對比較寬裕，最終實現消突，即轉入準備區(qū)。轉化效果可用瓦斯指標(Wc、Pc)、瓦斯抽采量Qx(單位m3)及消突煤量Cx(單位t)來考核。

2)準備區(qū)：是指井下開展礦井及采區(qū)大巷掘進活動區(qū)域。煤層殘余瓦斯含量Wc∈(Wa，8m3/t)，煤層殘余瓦斯壓力Pc∈(Pa，0.74MPa)，其中是Wa、Pa分別為抽采達標且工作面開采強度達到設計產能上限對應的煤層殘余瓦斯含量和壓力值；本區(qū)主要采用區(qū)域抽采+掘進面局部預抽，屬井下鉆孔進尺集中區(qū)域，抽采時長受控于采掘銜接，時間較為緊張，最終實現抽采達標(高產工作面瓦斯安全條件)，即轉入生產區(qū)；轉化效果可用瓦斯指標(Wc、Pc)、瓦斯抽采量Qx、達標煤量Mx(單位t)及鉆孔進尺率(鉆孔施工量/設計值)來考核。

3)生產區(qū)：是指井下開展采掘活動區(qū)域；煤層殘余瓦斯含量Wc

此次“三區(qū)”的量化定義，尤其是準備區(qū)和生產區(qū)，有效解決了當前普遍存在的鉆孔施工及抽采時長壓力集中于生產區(qū)導致生產滯后和產能不達標的問題。

1.2 動態(tài)評價原理及步驟

“三區(qū)”聯動瓦斯治理的目標體現在安全生產和資源產能，為了到達實時動態(tài)效果評價，需分階段構建煤層瓦斯指標(W、P)、消突/達標煤量C(t)和瓦斯抽采量Q(m3)與抽采時長t(年)的函數關系式，具體見表1，表中，W0i是各煤層原始瓦斯含量，m3/t；A、B值為煤層氣井有效影響半徑系數，一般取值為6.23和0.37，Mi為煤層厚度，m；t為煤層氣抽采時長，年；k為地面井數量；Qj為單井平均日產量，t/d；v、De分別為掘進面、工作面日進尺，m/d；K1、K2分別為采區(qū)、工作面采出率，%；Q地、Q滯分別為受地質條件、煤柱造成丟煤量，t；he為工作面數量；E為工作面平均斜長，m。針對準備區(qū)、生產區(qū)井下鉆孔施工及抽采的定量評價，引入了鉆孔進尺率η，即鉆孔施工完成進尺量/鉆孔設計進尺量。此外，針對抽采時長t1和t2存在潛在的評價標準，t1受控于礦井中長期瓦斯治理規(guī)劃中“抽-掘”的銜接要求，t2受控于礦井采掘規(guī)劃中“抽-掘-采”銜接要求以及產量要求。

表1 “三區(qū)”動態(tài)評價指標及其表達式

“三區(qū)”聯動量化評價指標如圖2所示，“三區(qū)”聯動動態(tài)評價以W(t)、P(t)、C(t)、Q(t)為主要考核指標，以鉆孔進尺率η(t)與抽采時長T為輔助評價指標。其中，安全指標W(t)、P(t)為一級指標，經濟指標C(t)、Q(t)為二級指標。

圖2 “三區(qū)”聯動量化評價指標

“三區(qū)”聯動評價流程：①根據采掘部署，得出“三區(qū)”內的W(t)、P(t)、C(t)、Q(t)起始臨界值；②基于構建各指標與時間的函數，可計算出各指標的實時變化量；③將各階段安全指標實時數據與該階段的轉化達標臨界值進行比較分析，若安全指標不達標，即可認為轉化失敗，若安全指標達標，進而計算其轉化率；④安全指標達標后，基于“三區(qū)”聯動產能有效轉化率函數，計算出各階段有效轉化率，進而得出全礦井整體“三區(qū)”聯動轉化率，最終實現對礦井瓦斯治理“三區(qū)”聯動效果的動態(tài)定量評價。

2 “三區(qū)”聯動動態(tài)評價體系

2.1 動態(tài)評價指標篩選與計算

“三區(qū)”聯動的直接、根本目的分別是防治瓦斯(安全效益)和釋放優(yōu)質煤、氣產能(經濟效益)，瓦斯治理程度主要采用煤層瓦斯含量W和瓦斯壓力P來反映，產能情況采用瓦斯抽采量(Q)和煤炭產量(C)。針對高突礦井，瓦斯治理指標作為安全一級指標，煤氣產能指標作為二級指標。為實時動態(tài)反映“三區(qū)”聯動-轉化效果，分區(qū)建立各指標與時間的數學關系，最終計算出“三區(qū)”聯動轉化動態(tài)定量效果。

“三區(qū)”的瓦斯治理指標采用理論和實測相結合，規(guī)劃區(qū)沒有井下采掘活動，采用理論計算瓦斯含量，準備區(qū)和生產區(qū)采用井下實測；“三區(qū)”的煤氣產量指標為基于實際生產進行計算，因此，得出“三區(qū)”聯動過程各評價指標及其與時間的數學表達式。

2.2 評價指標臨界值確定

安全評價指標作為一級指標在“三區(qū)”聯動-轉化過程要依次實現降突→消突→低瓦斯礦井高產的區(qū)段目標，對應的瓦斯指標臨界值依次為β·W0或P0(β<1)、8m3/t或0.74MPa、α·8或α·0.74(α<1)，其中α、β反映為規(guī)劃區(qū)和生產區(qū)的抽采效果。

經濟效益指標作為二級指標在“三區(qū)”聯動-轉化過程要依次滿足降危煤量C規(guī)→消突煤量C準→抽采達標煤量C生的區(qū)段要求，對應的所需達到瓦斯抽采量分別為Q規(guī)、Q準、Q生，在瓦斯抽采手段既定條件下，各區(qū)段瓦斯抽采量、目標煤量直接由抽采時長t所決定。

綜上所述，采用理論計算和生產實踐經驗相結合的方法確定“三區(qū)”聯動-轉化各區(qū)段的各級指標的臨界值，“三區(qū)”各級動態(tài)評價指標臨界值見表2。

表2 “三區(qū)”各級動態(tài)評價指標臨界值

2.3 動態(tài)評價的目標函數

為了實現“三區(qū)”聯動-轉化各區(qū)段的效果定量評判，定義一級指標有效轉化率函數ηwi和ηpi，見式(1)。當該函數值均小于1，即說明達到各區(qū)段安全指標的最低要求，具備向下一階段轉化的條件，即可進行下一步二級指標定量評價轉化效果；否則視為安全指標不達標，不具備下一段轉化的條件，直接判定“三區(qū)”聯動-轉化失敗。

定義二級指標有效轉化率函數ηci和ηQi，各區(qū)段的聯動-轉化效果需綜合考慮煤層氣量轉化率ηQi和煤炭產量轉化率ηci的權重，假設ηci的權重為θ，ηQi的權重為1-θ，各區(qū)段的“三區(qū)”聯動-轉化效果評價函數πi可見式(2)，其中，權重可由煤、氣單項產能產生的經濟效益各自占比確定。

綜合考慮“三區(qū)”聯動之間相互制約性，定義“三區(qū)”聯動-轉化全過程的整體效率函數Y為各區(qū)段效率函數πi的乘積，見式(3)。

依據煤氣共采三階段，定義各階段單項指標(W、P、C、Q)的有效轉化率η為一定抽采時長下評價指標實時數值與其臨界值的比值(例如規(guī)劃區(qū)瓦斯含量有效轉化率為ηw遠=W′/W臨)，其中安全指標轉化率為先決條件，若安全指標中任一指標不達標，則判定消突失敗；若安全指標均達標，進一步討論經濟指標，假設θ為各階段煤量有效轉化率的權重，θ=C×煤單價/(C×煤單價+Q×氣單價)，(1-θ)為相應各階段煤層氣有效轉化率的權重，進而可得出各開采階段(規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)及生產區(qū))的經濟指標有效轉化率η經=θηc+(1-θ)ηQ。綜上，可知近距離煤層群井上下聯合消突的整體有效轉化率η整的計算式，即η整=η規(guī)·η準·η生。

3 工程應用效果評價

3.1 沙曲一礦概況

沙曲一礦位于河東煤田中部，井田大致呈北西—南東向弧形，長約22km，寬4.5～8km，面積138.3535km2。煤炭產能設計500萬t/a，全井田批采煤層共8層煤，分為山西組和太原組，上煤組為山西組的2#、3#、4#(3+4#)、5#煤層，煤層瓦斯參數見表3，屬典型近距離突出煤層群礦井，受多煤層突出制約，實際年產量僅為3.0Mt。

表3 上部煤層瓦斯基礎參數測定結果平均值

沙曲一礦在規(guī)劃區(qū)主要為常規(guī)地面井、多分支水平井及防突壓裂井組合式預抽煤層瓦斯；準備區(qū)主要為水平井井孔對接抽采以及“保護層開采+定向穿層鉆孔群”預抽煤層瓦斯；生產區(qū)主要為遞進式順層鉆孔抽采，沙曲一礦“三區(qū)”瓦斯治理技術如圖3所示。規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)及生產區(qū)的抽采時長分別為8a以上、5～6a、0.5～2a。

圖3 沙曲一礦“三區(qū)”瓦斯治理技術

3.2 評價結果

根據沙曲一礦對主采2#、3+4#煤層瓦斯參數測定結果可知，規(guī)劃區(qū)2#煤層、3+4#煤層殘余瓦斯含量分別為8.22～10.65m3/t和7.96～12.55m3/t；準備區(qū)2#煤層、3+4#煤層殘余瓦斯含量分別為5.45～7.24m3/t和6.82～8.91m3/t，相應的殘余瓦斯壓力分別為0.55～0.64MPa、0.65～0.76MPa和0.55～0.74MPa；生產區(qū)2#煤層、3+4#煤層殘余瓦斯含量分別為3.74～5.24m3/t和5.36～6.45m3/t，相應的殘余瓦斯壓力分別為 0.36～0.52MPa。綜合上述數據繪制2#、3+4#煤層瓦斯指標隨抽采時長的變化趨勢，如圖4所示。由圖4可得出2#、3+4#煤層在井上下聯抽措施作用下，“三區(qū)”相應的瓦斯指標均低于臨界值，即W規(guī)準備區(qū)>規(guī)劃區(qū)，反映出瓦斯治理強度及井下鉆孔進尺集中程度在生產區(qū)，準備區(qū)次之；其中3+4#煤層在準備區(qū)瓦斯指標下降速度大于2#煤層，說明在準備區(qū)的區(qū)域消突措施上2#煤層作為保護層開采對3+4#煤層卸壓消突作用明顯，與現場瓦斯治理工程情況相一致。

圖4 沙曲一礦各煤層瓦斯含量和瓦斯壓力“三區(qū)”變化

根據市場調研，當前優(yōu)質主焦煤和煤層氣的單價分別為1700元/t、2.5元/m3，結合礦井煤、氣實際年產量，帶入式(2)可計算出θ=0.71，“三區(qū)”的煤、氣產能轉化率分別為π規(guī)=95%、π準=85%、π生=90%，“三區(qū)”聯動的整體轉化率為70.5%，整體合格，但是抽掘采失衡，準備區(qū)瓦斯治理效果不佳，瓦斯治理強度和密度在生產區(qū)相對較集中，治理壓力相對較大，建議改善準備區(qū)的多煤層區(qū)域聯抽方法或適當延長準備區(qū)抽采時長，進而達到原高突煤層進入低瓦斯狀態(tài)，極大降低生產區(qū)瓦斯治理工作量，保障安全的同時提升煤氣產能。

根據沙曲一礦防突科定期測定2#、3+4#煤層(5#煤層主要巷道尚未開拓)殘余瓦斯含量與瓦斯壓力進行防突效果檢驗，統(tǒng)計分析得出2#和3+4#煤層瓦斯含量在準備區(qū)、生產區(qū)均小于臨界值8m3/t，各煤層瓦斯含量、瓦斯壓力在生產區(qū)均低于臨界值。深入分析可知煤層瓦斯含量、瓦斯壓力與防突時長呈負對數函數關系，如圖4所示，在準備區(qū)中后段及開采區(qū)全段才能實現多煤層消突，在相同條件下，煤層平均殘余瓦斯壓力和瓦斯含量下降速率(νP和νW)一般符合“規(guī)劃區(qū)<準備區(qū)<生產區(qū)”；3+4#煤層在準備區(qū)的νP和νW明顯大于2#、3+4#煤層，原因為2#煤層做為保護層開采，3+4#煤層距離最近而卸壓效果顯著；3+4#煤層在生產區(qū)νP和νW明顯大于2#、3+4#煤層，原因為3+4#煤層軟分層相對發(fā)育，在采掘工作面采用可控沖擊波增透促抽，提升了消突速率。依據沙曲一礦主采煤層單價為1700元/t，設計產量為5Mt，煤層氣單價為2.5元/m3，設計產量為1.4億m3，代入權重計算公式得θ=0.71。

基于礦井實測煤層瓦斯參數與“三區(qū)”的安全指標臨界值對比分析可知，在規(guī)劃預抽時間內2#、3+4#煤層“三區(qū)”的Wc和Pc均小于對應臨界值，均達到消突要求，保障礦井的安全生產，為進一步探究消突各階段的有效轉化率變化，進行全過程動態(tài)評價，依據礦井實際生產條件確定參數和系數取值代入計算公式可得出規(guī)劃區(qū)η規(guī)、準備區(qū)η準和生產區(qū)轉化率η開分別為95%、85%、90%，準備區(qū)抽采消突效率相對偏低，有待進一步提高，最終計算出井上下聯合消突全過程整體有效轉化率為70.5%，根據“三區(qū)”煤層氣和煤炭總量計算可得為1265萬m3和385萬t，較之前的煤、氣產能分別提高了80萬t和420萬m3，經濟效益顯著。

4 結 論

1)明確了“三區(qū)”聯動的科學內涵，分階段確立了規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)及生產區(qū)的定量指標及其值域，為“三區(qū)”聯動定量評價提供理論基礎。

2)給出“三區(qū)”聯動各區(qū)段安全指標和效益指標與抽采時長的關系式，并給出其相應的臨界值，進而建立“三區(qū)”聯動各區(qū)段及整體轉化效率目標函數，確立效果動態(tài)評價整體步驟。

3)得出“三區(qū)”的煤、氣產能轉化率分別為π規(guī)=95%、π準=85%、π生=90%，“三區(qū)”聯動整體轉化率為70.5%，整體合格，但是抽掘采相對失衡，準備區(qū)瓦斯治理效果不佳，瓦斯治理強度和密度在生產區(qū)相對較集中，治理壓力相對較大，建議改善準備區(qū)的多煤層區(qū)域聯抽方法或適當延長準備區(qū)抽采時長。