桑樹坪煤礦二號井四采區(qū)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(yè)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(qū)，韓城礦區(qū)是陜西唯一瓦斯災害嚴重礦區(qū)之一，曾發(fā)生過有記載的煤與瓦斯突出150余次和突水及老采空區(qū)透水事故，并造成了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。礦區(qū)骨干生產(chǎn)礦井桑樹坪煤礦二號井在瓦斯治理方面為韓城礦區(qū)指引著方向。

二號井本著“綠色開采”的原則，于北風井工業(yè)廣場建立瓦斯發(fā)電站。電廠遠期規(guī)劃容量為3×700 kW+3×1 200 kW，6臺瓦斯發(fā)電機經(jīng)6臺10 kV戶內(nèi)開關(guān)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(fā)電項目，目前所有機組運行正常。

瓦斯發(fā)電機對于瓦斯?jié)舛燃傲髁恳蟊容^苛刻，在瓦斯?jié)舛冗_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(qū)北鄰的四采區(qū)，為后期四采區(qū)的掘進和采煤打好前站。四采區(qū)的抽采瓦斯，目前也是瓦斯發(fā)電廠的“主力軍”，其抽采系統(tǒng)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(wěn)定在20%，抽采混合流量基本穩(wěn)定在25 m3/min，由此對于四采區(qū)的瓦斯抽采研究就很有必要。并且五單元為四采區(qū)的首個抽采單元，單元長度所得出的結(jié)論可以為整個四采區(qū)的瓦斯抽采負壓調(diào)節(jié)奠定一定的理論基礎(chǔ)。

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(yè)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(tǒng)零部件過多，后期對于抽采系統(tǒng)維護的工作量就極其龐大，加之對于煤礦企業(yè)而言，主要經(jīng)濟效益還是以煤炭為主，因此各煤炭企業(yè)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(tǒng)維護也較為粗放、隨便。國家并無瓦斯抽放系統(tǒng)維護的相關(guān)標準、規(guī)定，各煤礦企業(yè)對于抽采系統(tǒng)的維護也都不統(tǒng)一，抽采效果一般[24]。

1.2 抽采負壓損失大

對于煤礦企業(yè)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(nèi)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(fā)電效率。

1.3 抽采調(diào)節(jié)難度大

對于井下瓦斯抽采的調(diào)節(jié)，一般的調(diào)節(jié)方式主要有以下幾種：一是通過調(diào)節(jié)抽采系統(tǒng)，將不同要求的瓦斯鉆孔整合到一個系統(tǒng)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(diào)節(jié)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(zhì)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(diào)節(jié)方式無法通過數(shù)據(jù)量化，想要達到宏觀調(diào)控較為困難；三是通過調(diào)節(jié)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(guān)系也都不盡相同，但相對而言，相比前2種調(diào)節(jié)方法，負壓調(diào)節(jié)一是可以宏觀調(diào)控，二是省時省力，三是可以量化，因此在調(diào)節(jié)方法上，優(yōu)先選擇調(diào)節(jié)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(tǒng)、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(chǎn)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(zhì)的雙孔隙系統(tǒng)[7]。第1級孔主要包括基質(zhì)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(tǒng)或天然裂隙系統(tǒng)[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(zhì)中的孔隙網(wǎng)絡(luò)賦存有吸附態(tài)和游離態(tài)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(shù)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(chǎn)量主要受到煤基質(zhì)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(guān)系

通過收集二號井3309綜采工作面抽采系統(tǒng)各單元瓦斯?jié)舛燃柏搲簲?shù)據(jù)，分析各單元抽采負壓與濃度數(shù)據(jù)，建立負壓濃度關(guān)系圖，以此判別本單元負壓與濃度的關(guān)系。收集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

表2 北邊界巷、北邊界排矸巷瓦斯抽采數(shù)據(jù)

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(xiàn)“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(nèi)隨著負壓的增大一直增大；三、四單元濃度在研究范圍內(nèi)隨著負壓的增大一直減小。

根據(jù)各單元得出的負壓-濃度關(guān)系，通過現(xiàn)場調(diào)節(jié)負壓，各單元濃度也都符合上述研究規(guī)律，由此可知調(diào)節(jié)某一段抽采管路的濃度，可以通過調(diào)節(jié)負壓來實現(xiàn)。由于上述數(shù)據(jù)皆為3309采面數(shù)據(jù)，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(jié)果，收集的數(shù)據(jù)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(shù)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(diào)節(jié)負壓達到預期的數(shù)值。由此通過現(xiàn)場調(diào)節(jié)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(tǒng)的負壓和濃度整體無明顯規(guī)律，想通過調(diào)節(jié)負壓達到調(diào)節(jié)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?jié)舛龋梢酝ㄟ^收集五單元的負壓及濃度數(shù)據(jù)，通過多項式擬合，得出其關(guān)系，為五單元的提高濃度奠定理論基礎(chǔ)。

4 五單元瓦斯抽采數(shù)據(jù)處理分析

五單元抽采系統(tǒng)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(guān)系，因此僅收集負壓、濃度及流量數(shù)據(jù)，去除因儀器或其他因素導致的不正常數(shù)據(jù)，可研究的數(shù)據(jù)共計116組，數(shù)據(jù)情況見表3。

表3 瓦斯抽采數(shù)據(jù)

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

圖4 五單元負壓流量、負壓濃度關(guān)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(guān)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(guān)系。

5 結(jié)論

(1)二號井四采區(qū)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(qū)的瓦斯抽采，在抽采系統(tǒng)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(guān)系調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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。