突出煤層群“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)全過(guò)程定量評(píng)價(jià)方法研究

蘇士龍，閆大鶴，陳 亮，程志恒，陽(yáng) 駿，王宏冰，李美晨

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

隨著我國(guó)煤層開(kāi)采深度和強(qiáng)度的增加，瓦斯災(zāi)害逐漸成為制約我國(guó)高突礦井安全高效生產(chǎn)的首要問(wèn)題。近年來(lái)“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)瓦斯抽采技術(shù)逐漸興起，該模式從時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)了煤層氣井上下聯(lián)合抽采，為立體化、層次化有效開(kāi)發(fā)煤層氣提供了新的思路[1-5]。為提高瓦斯治理效率，對(duì)瓦斯治理效果進(jìn)行精準(zhǔn)高效的評(píng)價(jià)至關(guān)重要。當(dāng)前對(duì)瓦斯治理效果的評(píng)價(jià)過(guò)程往往消耗大量的人力物力，且無(wú)法保證其精準(zhǔn)度，瓦斯治理的效果無(wú)法及時(shí)反饋。如何科學(xué)高效地解決“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)瓦斯的治理問(wèn)題，有效對(duì)瓦斯治理效果進(jìn)行智能評(píng)價(jià)是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題[6-8]。程志恒等[9]建立了近距離煤層群“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)模式的遞進(jìn)式動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)函數(shù)，給出三階段中2級(jí)指標(biāo)四參數(shù)隨時(shí)間變化的表達(dá)式，并確定了各指標(biāo)臨界值；董洪凱等[10]構(gòu)建了多因素指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系，有效避免了煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了抽采、防突達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)工作的規(guī)范化和精細(xì)化；劉見(jiàn)中等[11]采用層級(jí)劃分法，以地面井開(kāi)發(fā)和煤層群開(kāi)發(fā)為分類條件，總結(jié)并完善了3種典型煤礦區(qū)協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)模式與配套技術(shù)體系；姜小強(qiáng)、張進(jìn)軍等[12，13]，通過(guò)對(duì)規(guī)劃區(qū)、開(kāi)拓區(qū)、生產(chǎn)區(qū)的劃分與千米鉆孔定向?qū)痈咝С椴?、大孔徑定向長(zhǎng)鉆孔立體式抽采等關(guān)鍵技術(shù)，各自形成了具有礦區(qū)特色的綜合治理模式與配套技術(shù)體系；李進(jìn)朋等[14]基于“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)的井上下抽采建立了基于模糊結(jié)構(gòu)元的多分支水平井多因素群評(píng)價(jià)模型，為工程方案的選擇提供有力指導(dǎo)；賀天才等[15，16]通過(guò)探索井上下聯(lián)合抽采技術(shù)，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(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用；李樹(shù)剛等[17]通過(guò)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(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為我國(guó)采空區(qū)瓦斯抽采效果評(píng)價(jià)提供了新方法；宋爽[18]提出了采空區(qū)卸壓瓦斯抽采評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，形成了采空區(qū)卸壓瓦斯抽采智能評(píng)價(jià)方法，開(kāi)發(fā)了采空區(qū)卸壓瓦斯抽采評(píng)價(jià)系統(tǒng)；楊宏民等[19]基于概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)中“3σ”準(zhǔn)則，為非等間距布孔及抽采效果評(píng)價(jià)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(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，并分別建立了煤礦區(qū)地面和井下煤層氣抽采效果評(píng)價(jià)方法。上述研究為“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)與瓦斯治理效果評(píng)價(jià)方面提供了大量的參考依據(jù)，在指導(dǎo)實(shí)際工程中發(fā)揮了重要作用，但目前“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)模式與治理效果評(píng)價(jià)還未形成一套完整的評(píng)價(jià)體系，基于以上分析，考慮高突礦井“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)的治理特點(diǎn)，本文將圍繞瓦斯治理的效果，從安全、效益及時(shí)空三方面選取“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以期為“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)的治理效果提供一個(gè)準(zhǔn)確高效的評(píng)價(jià)方法，完善高突礦井“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)的瓦斯治理技術(shù)。

1 “三區(qū)”聯(lián)動(dòng)的科學(xué)概念及動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)原理

1.1 “三區(qū)”聯(lián)動(dòng)的科學(xué)概念

為了達(dá)到高突礦井在低瓦斯?fàn)顟B(tài)下高產(chǎn)，分階段采取不同井上、下抽采方法實(shí)現(xiàn)“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)，如圖1所示，“三區(qū)”內(nèi)瓦斯治理指標(biāo)由原始值→臨界值→高產(chǎn)工作面安全值逐級(jí)遞進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)過(guò)程指標(biāo)量化評(píng)價(jià)，明確提出“三區(qū)”的定量指標(biāo)及其界定范圍。

圖1 “三區(qū)”聯(lián)動(dòng)瓦斯治理模式

1)規(guī)劃區(qū)：是指沒(méi)有井下采掘活動(dòng)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(zhǎng)時(shí)抽采，時(shí)間相對(duì)比較寬裕，最終實(shí)現(xiàn)消突，即轉(zhuǎn)入準(zhǔn)備區(qū)。轉(zhuǎn)化效果可用瓦斯指標(biāo)(Wc、Pc)、瓦斯抽采量Qx(單位m3)及消突煤量Cx(單位t)來(lái)考核。

2)準(zhǔn)備區(qū)：是指井下開(kāi)展礦井及采區(qū)大巷掘進(jìn)活動(dòng)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(dá)標(biāo)且工作面開(kāi)采強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能上限對(duì)應(yīng)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(jìn)面局部預(yù)抽，屬井下鉆孔進(jìn)尺集中區(qū)域，抽采時(shí)長(zhǎng)受控于采掘銜接，時(shí)間較為緊張，最終實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)(高產(chǎn)工作面瓦斯安全條件)，即轉(zhuǎn)入生產(chǎn)區(qū)；轉(zhuǎn)化效果可用瓦斯指標(biāo)(Wc、Pc)、瓦斯抽采量Qx、達(dá)標(biāo)煤量Mx(單位t)及鉆孔進(jìn)尺率(鉆孔施工量/設(shè)計(jì)值)來(lái)考核。

3)生產(chǎn)區(qū)：是指井下開(kāi)展采掘活動(dòng)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(zhǔn)備區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，有效解決了當(dāng)前普遍存在的鉆孔施工及抽采時(shí)長(zhǎng)壓力集中于生產(chǎn)區(qū)導(dǎo)致生產(chǎn)滯后和產(chǎn)能不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。

1.2 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)原理及步驟

“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)瓦斯治理的目標(biāo)體現(xiàn)在安全生產(chǎn)和資源產(chǎn)能，為了到達(dá)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)效果評(píng)價(jià)，需分階段構(gòu)建煤層瓦斯指標(biāo)(W、P)、消突/達(dá)標(biāo)煤量C(t)和瓦斯抽采量Q(m3)與抽采時(shí)長(zhǎng)t(年)的函數(shù)關(guān)系式，具體見(jiàn)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(shù)，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(shí)長(zhǎng)，年；k為地面井?dāng)?shù)量；Qj為單井平均日產(chǎn)量，t/d；v、De分別為掘進(jìn)面、工作面日進(jìn)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(zhì)條件、煤柱造成丟煤量，t；he為工作面數(shù)量；E為工作面平均斜長(zhǎng)，m。針對(duì)準(zhǔn)備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)井下鉆孔施工及抽采的定量評(píng)價(jià)，引入了鉆孔進(jìn)尺率η，即鉆孔施工完成進(jìn)尺量/鉆孔設(shè)計(jì)進(jìn)尺量。此外，針對(duì)抽采時(shí)長(zhǎng)t1和t2存在潛在的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，t1受控于礦井中長(zhǎng)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(chǎn)量要求。

表1 “三區(qū)”動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其表達(dá)式

“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)量化評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖2所示，“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)以W(t)、P(t)、C(t)、Q(t)為主要考核指標(biāo)，以鉆孔進(jìn)尺率η(t)與抽采時(shí)長(zhǎng)T為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，安全指標(biāo)W(t)、P(t)為一級(jí)指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)C(t)、Q(t)為二級(jí)指標(biāo)。

圖2 “三區(qū)”聯(lián)動(dòng)量化評(píng)價(jià)指標(biāo)

“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)評(píng)價(jià)流程：①根據(jù)采掘部署，得出“三區(qū)”內(nèi)的W(t)、P(t)、C(t)、Q(t)起始臨界值；②基于構(gòu)建各指標(biāo)與時(shí)間的函數(shù)，可計(jì)算出各指標(biāo)的實(shí)時(shí)變化量；③將各階段安全指標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與該階段的轉(zhuǎn)化達(dá)標(biāo)臨界值進(jìn)行比較分析，若安全指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，即可認(rèn)為轉(zhuǎn)化失敗，若安全指標(biāo)達(dá)標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算其轉(zhuǎn)化率；④安全指標(biāo)達(dá)標(biāo)后，基于“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)產(chǎn)能有效轉(zhuǎn)化率函數(shù)，計(jì)算出各階段有效轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而得出全礦井整體“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)化率，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井瓦斯治理“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)效果的動(dòng)態(tài)定量評(píng)價(jià)。

2 “三區(qū)”聯(lián)動(dòng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系

2.1 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選與計(jì)算

“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)的直接、根本目的分別是防治瓦斯(安全效益)和釋放優(yōu)質(zhì)煤、氣產(chǎn)能(經(jīng)濟(jì)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(lái)反映，產(chǎn)能情況采用瓦斯抽采量(Q)和煤炭產(chǎn)量(C)。針對(duì)高突礦井，瓦斯治理指標(biāo)作為安全一級(jí)指標(biāo)，煤氣產(chǎn)能指標(biāo)作為二級(jí)指標(biāo)。為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反映“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)-轉(zhuǎn)化效果，分區(qū)建立各指標(biāo)與時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，最終計(jì)算出“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)定量效果。

“三區(qū)”的瓦斯治理指標(biāo)采用理論和實(shí)測(cè)相結(jié)合，規(guī)劃區(qū)沒(méi)有井下采掘活動(dòng)，采用理論計(jì)算瓦斯含量，準(zhǔn)備區(qū)和生產(chǎn)區(qū)采用井下實(shí)測(cè)；“三區(qū)”的煤氣產(chǎn)量指標(biāo)為基于實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行計(jì)算，因此，得出“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)過(guò)程各評(píng)價(jià)指標(biāo)及其與時(shí)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)臨界值確定

安全評(píng)價(jià)指標(biāo)作為一級(jí)指標(biāo)在“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)-轉(zhuǎn)化過(guò)程要依次實(shí)現(xiàn)降突→消突→低瓦斯礦井高產(chǎn)的區(qū)段目標(biāo)，對(duì)應(yīng)的瓦斯指標(biāo)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(chǎn)區(qū)的抽采效果。

經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)作為二級(jí)指標(biāo)在“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)-轉(zhuǎn)化過(guò)程要依次滿足降危煤量C規(guī)→消突煤量C準(zhǔn)→抽采達(dá)標(biāo)煤量C生的區(qū)段要求，對(duì)應(yīng)的所需達(dá)到瓦斯抽采量分別為Q規(guī)、Q準(zhǔn)、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(biāo)煤量直接由抽采時(shí)長(zhǎng)t所決定。

綜上所述，采用理論計(jì)算和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法確定“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)-轉(zhuǎn)化各區(qū)段的各級(jí)指標(biāo)的臨界值，“三區(qū)”各級(jí)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)臨界值見(jiàn)表2。

表2 “三區(qū)”各級(jí)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)臨界值

2.3 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的目標(biāo)函數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)-轉(zhuǎn)化各區(qū)段的效果定量評(píng)判，定義一級(jí)指標(biāo)有效轉(zhuǎn)化率函數(shù)ηwi和ηpi，見(jiàn)式(1)。當(dāng)該函數(shù)值均小于1，即說(shuō)明達(dá)到各區(qū)段安全指標(biāo)的最低要求，具備向下一階段轉(zhuǎn)化的條件，即可進(jìn)行下一步二級(jí)指標(biāo)定量評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化效果；否則視為安全指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，不具備下一段轉(zhuǎn)化的條件，直接判定“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)-轉(zhuǎn)化失敗。

定義二級(jí)指標(biāo)有效轉(zhuǎn)化率函數(shù)ηci和ηQi，各區(qū)段的聯(lián)動(dòng)-轉(zhuǎn)化效果需綜合考慮煤層氣量轉(zhuǎn)化率ηQi和煤炭產(chǎn)量轉(zhuǎn)化率ηci的權(quán)重，假設(shè)ηci的權(quán)重為θ，ηQi的權(quán)重為1-θ，各區(qū)段的“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)-轉(zhuǎn)化效果評(píng)價(jià)函數(shù)πi可見(jiàn)式(2)，其中，權(quán)重可由煤、氣單項(xiàng)產(chǎn)能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益各自占比確定。

綜合考慮“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)之間相互制約性，定義“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)-轉(zhuǎn)化全過(guò)程的整體效率函數(shù)Y為各區(qū)段效率函數(shù)πi的乘積，見(jiàn)式(3)。

依據(jù)煤氣共采三階段，定義各階段單項(xiàng)指標(biāo)(W、P、C、Q)的有效轉(zhuǎn)化率η為一定抽采時(shí)長(zhǎng)下評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)值與其臨界值的比值(例如規(guī)劃區(qū)瓦斯含量有效轉(zhuǎn)化率為ηw遠(yuǎn)=W′/W臨)，其中安全指標(biāo)轉(zhuǎn)化率為先決條件，若安全指標(biāo)中任一指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，則判定消突失??；若安全指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，進(jìn)一步討論經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，假設(shè)θ為各階段煤量有效轉(zhuǎn)化率的權(quán)重，θ=C×煤?jiǎn)蝺r(jià)/(C×煤?jiǎn)蝺r(jià)+Q×氣單價(jià))，(1-θ)為相應(yīng)各階段煤層氣有效轉(zhuǎn)化率的權(quán)重，進(jìn)而可得出各開(kāi)采階段(規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)及生產(chǎn)區(qū))的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有效轉(zhuǎn)化率η經(jīng)=θηc+(1-θ)ηQ。綜上，可知近距離煤層群井上下聯(lián)合消突的整體有效轉(zhuǎn)化率η整的計(jì)算式，即η整=η規(guī)·η準(zhǔn)·η生。

3 工程應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 沙曲一礦概況

沙曲一礦位于河?xùn)|煤田中部，井田大致呈北西—南東向弧形，長(zhǎng)約22km，寬4.5～8km，面積138.3535km2。煤炭產(chǎn)能設(shè)計(jì)500萬(wàn)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(shù)見(jiàn)表3，屬典型近距離突出煤層群礦井，受多煤層突出制約，實(shí)際年產(chǎn)量?jī)H為3.0Mt。

表3 上部煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定結(jié)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(yù)抽煤層瓦斯；準(zhǔn)備區(qū)主要為水平井井孔對(duì)接抽采以及“保護(hù)層開(kāi)采+定向穿層鉆孔群”預(yù)抽煤層瓦斯；生產(chǎn)區(qū)主要為遞進(jìn)式順層鉆孔抽采，沙曲一礦“三區(qū)”瓦斯治理技術(shù)如圖3所示。規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)及生產(chǎn)區(qū)的抽采時(shí)長(zhǎng)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(shù)

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)沙曲一礦對(duì)主采2#、3+4#煤層瓦斯參數(shù)測(cè)定結(jié)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(zhǔn)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(yīng)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(chǎn)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(yīng)的殘余瓦斯壓力分別為 0.36～0.52MPa。綜合上述數(shù)據(jù)繪制2#、3+4#煤層瓦斯指標(biāo)隨抽采時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，如圖4所示。由圖4可得出2#、3+4#煤層在井上下聯(lián)抽措施作用下，“三區(qū)”相應(yīng)的瓦斯指標(biāo)均低于臨界值，即W規(guī)準(zhǔn)備區(qū)>規(guī)劃區(qū)，反映出瓦斯治理強(qiáng)度及井下鉆孔進(jìn)尺集中程度在生產(chǎn)區(qū)，準(zhǔn)備區(qū)次之；其中3+4#煤層在準(zhǔn)備區(qū)瓦斯指標(biāo)下降速度大于2#煤層，說(shuō)明在準(zhǔn)備區(qū)的區(qū)域消突措施上2#煤層作為保護(hù)層開(kāi)采對(duì)3+4#煤層卸壓消突作用明顯，與現(xiàn)場(chǎng)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(jù)市場(chǎng)調(diào)研，當(dāng)前優(yōu)質(zhì)主焦煤和煤層氣的單價(jià)分別為1700元/t、2.5元/m3，結(jié)合礦井煤、氣實(shí)際年產(chǎn)量，帶入式(2)可計(jì)算出θ=0.71，“三區(qū)”的煤、氣產(chǎn)能轉(zhuǎn)化率分別為π規(guī)=95%、π準(zhǔn)=85%、π生=90%，“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)的整體轉(zhuǎn)化率為70.5%，整體合格，但是抽掘采失衡，準(zhǔn)備區(qū)瓦斯治理效果不佳，瓦斯治理強(qiáng)度和密度在生產(chǎn)區(qū)相對(duì)較集中，治理壓力相對(duì)較大，建議改善準(zhǔn)備區(qū)的多煤層區(qū)域聯(lián)抽方法或適當(dāng)延長(zhǎng)準(zhǔn)備區(qū)抽采時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而達(dá)到原高突煤層進(jìn)入低瓦斯?fàn)顟B(tài)，極大降低生產(chǎn)區(qū)瓦斯治理工作量，保障安全的同時(shí)提升煤氣產(chǎn)能。

根據(jù)沙曲一礦防突科定期測(cè)定2#、3+4#煤層(5#煤層主要巷道尚未開(kāi)拓)殘余瓦斯含量與瓦斯壓力進(jìn)行防突效果檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析得出2#和3+4#煤層瓦斯含量在準(zhǔn)備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)均小于臨界值8m3/t，各煤層瓦斯含量、瓦斯壓力在生產(chǎn)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(shí)長(zhǎng)呈負(fù)對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，如圖4所示，在準(zhǔn)備區(qū)中后段及開(kāi)采區(qū)全段才能實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)備區(qū)<生產(chǎn)區(qū)”；3+4#煤層在準(zhǔn)備區(qū)的νP和νW明顯大于2#、3+4#煤層，原因?yàn)?#煤層做為保護(hù)層開(kāi)采，3+4#煤層距離最近而卸壓效果顯著；3+4#煤層在生產(chǎn)區(qū)νP和νW明顯大于2#、3+4#煤層，原因?yàn)?+4#煤層軟分層相對(duì)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(jù)沙曲一礦主采煤層單價(jià)為1700元/t，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為5Mt，煤層氣單價(jià)為2.5元/m3，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為1.4億m3，代入權(quán)重計(jì)算公式得θ=0.71。

基于礦井實(shí)測(cè)煤層瓦斯參數(shù)與“三區(qū)”的安全指標(biāo)臨界值對(duì)比分析可知，在規(guī)劃預(yù)抽時(shí)間內(nèi)2#、3+4#煤層“三區(qū)”的Wc和Pc均小于對(duì)應(yīng)臨界值，均達(dá)到消突要求，保障礦井的安全生產(chǎn)，為進(jìn)一步探究消突各階段的有效轉(zhuǎn)化率變化，進(jìn)行全過(guò)程動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，依據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)條件確定參數(shù)和系數(shù)取值代入計(jì)算公式可得出規(guī)劃區(qū)η規(guī)、準(zhǔn)備區(qū)η準(zhǔn)和生產(chǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化率η開(kāi)分別為95%、85%、90%，準(zhǔn)備區(qū)抽采消突效率相對(duì)偏低，有待進(jìn)一步提高，最終計(jì)算出井上下聯(lián)合消突全過(guò)程整體有效轉(zhuǎn)化率為70.5%，根據(jù)“三區(qū)”煤層氣和煤炭總量計(jì)算可得為1265萬(wàn)m3和385萬(wàn)t，較之前的煤、氣產(chǎn)能分別提高了80萬(wàn)t和420萬(wàn)m3，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié) 論

1)明確了“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)的科學(xué)內(nèi)涵，分階段確立了規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)及生產(chǎn)區(qū)的定量指標(biāo)及其值域，為“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)定量評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。

2)給出“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)各區(qū)段安全指標(biāo)和效益指標(biāo)與抽采時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系式，并給出其相應(yīng)的臨界值，進(jìn)而建立“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)各區(qū)段及整體轉(zhuǎn)化效率目標(biāo)函數(shù)，確立效果動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)整體步驟。

3)得出“三區(qū)”的煤、氣產(chǎn)能轉(zhuǎn)化率分別為π規(guī)=95%、π準(zhǔn)=85%、π生=90%，“三區(qū)”聯(lián)動(dòng)整體轉(zhuǎn)化率為70.5%，整體合格，但是抽掘采相對(duì)失衡，準(zhǔn)備區(qū)瓦斯治理效果不佳，瓦斯治理強(qiáng)度和密度在生產(chǎn)區(qū)相對(duì)較集中，治理壓力相對(duì)較大，建議改善準(zhǔn)備區(qū)的多煤層區(qū)域聯(lián)抽方法或適當(dāng)延長(zhǎng)準(zhǔn)備區(qū)抽采時(shí)長(zhǎng)。