基于瓦斯地質(zhì)可視化的差異化協(xié)同抽采技術(shù)研究

衡獻偉，李希建，李文彬，左金芳，武瑞龍，張書金，陳蒙磊，劉 曉

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省礦山安全科學(xué)研究院有限公司，貴州 貴陽 550025；3.貴州省煤礦設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550025；4.貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司，貴州 六盤水 553017；5.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

國內(nèi)生產(chǎn)礦井眾多，其中突出礦井占比較大，且隨著開采深度的逐漸增加，瓦斯災(zāi)害防治工作形勢嚴峻，嚴重制約著我國煤礦的安全生產(chǎn)[1-4]。目前，國內(nèi)煤礦瓦斯抽采普遍存在盲目性，缺乏對瓦斯賦存區(qū)域的有效識別與劃分，極易造成“高瓦斯、弱措施”、“低瓦斯、強措施”的怪象，不僅無法保證同一區(qū)段內(nèi)的協(xié)同抽采效果，也會增加抽采成本和安全隱患[5-7]。彭守建等[8，9]采用單一變量法改變抽采鉆孔的間距，分析鉆孔抽采量與抽采時間的演化規(guī)律，得出有效抽采半徑與抽采時間的動態(tài)關(guān)系；劉軍等[10]采用理論分析與現(xiàn)場試驗的方式，提出工作面非突區(qū)域應(yīng)適當(dāng)減少抽采鉆孔布置，而在突出區(qū)域應(yīng)適當(dāng)增加抽采鉆孔的布置；趙斌等[11]通過分析采掘活動對本煤層的卸壓影響，結(jié)合瓦斯越流理論，對抽采鉆孔進行優(yōu)化設(shè)計；于麗雅等[12]通過分析煤層瓦斯賦存地質(zhì)條件，將預(yù)抽區(qū)域劃分為多個瓦斯抽采段，進而優(yōu)化抽采鉆孔布置；張士嶺等[13]采用模型構(gòu)建的方法，搭建鉆孔設(shè)計軟件，能夠直觀地將鉆孔布置情況三維呈現(xiàn)；羅亞濤等[14]通過識別影響瓦斯抽采的關(guān)鍵因素，實現(xiàn)對瓦斯抽采單元的有效劃分，構(gòu)建多級瓦斯抽采指標體系，實現(xiàn)對瓦斯抽采的精細化管理；郭恒等[15]通過對煤層瓦斯賦存進行精準評估、鉆孔精準施工、抽采管網(wǎng)精準監(jiān)測，實現(xiàn)對煤層瓦斯抽采的全周期信息化管理。相關(guān)研究[16-18]表明：受主控地質(zhì)體等因素的影響，煤層瓦斯賦存呈現(xiàn)不均衡性，針對性開展瓦斯賦存規(guī)律的研究，有助于瓦斯災(zāi)害的高效治理。而煤礦瓦斯治理過程中常采用固定孔間距的方式設(shè)計抽采鉆孔，缺乏對瓦斯賦存區(qū)域的有效劃分，更不能確保區(qū)段內(nèi)瓦斯抽采的協(xié)同性，本文以林華煤礦為工程背景，運用GIS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的空間管理與分析功能，實現(xiàn)瓦斯地質(zhì)的可視化，在“應(yīng)抽盡抽”原則下，結(jié)合采掘進度差異化設(shè)計抽采鉆孔，從而實現(xiàn)區(qū)段內(nèi)瓦斯抽采的協(xié)同性，具有較好的工程應(yīng)用價值。

1 瓦斯地質(zhì)可視化

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

瓦斯地質(zhì)可視化系統(tǒng)利用二次開發(fā)后的MapGIS平臺將瓦斯地質(zhì)信息進行動態(tài)展示，其主要模塊包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入及編輯、圖紙編輯及處理、瓦斯地質(zhì)分析及預(yù)測、防突信息分析及預(yù)測、瓦斯涌出分析及預(yù)測、常規(guī)管理等模塊，瓦斯地質(zhì)可視化系統(tǒng)功能設(shè)計如圖1所示。核心目的是實現(xiàn)瓦斯地質(zhì)信息可視化、防突預(yù)測信息可視化和瓦斯涌出信息可視化。

圖1 瓦斯地質(zhì)可視化系統(tǒng)功能設(shè)計Fig.1 Functional design of gas geology visualization system

1.2 瓦斯地質(zhì)信息可視化

將礦井采掘工程平面圖導(dǎo)入到二次開發(fā)后的MapGIS平臺，實現(xiàn)瓦斯地質(zhì)信息的動態(tài)展示，將礦井現(xiàn)場實測的瓦斯含量、瓦斯壓力及實際勘測的斷層信息錄入到平臺系統(tǒng)，并通過瓦斯信息點捕捉、矢量等值線和區(qū)域漸變成圖等手段，構(gòu)建區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯賦存多元擬合預(yù)測模型，采用TIN、距離反比權(quán)重、克里金等方法對區(qū)域瓦斯地質(zhì)信息進行創(chuàng)建，自動對區(qū)域瓦斯地質(zhì)圖進行繪制。隨著井下采掘作業(yè)的開展，補充錄入實時瓦斯地質(zhì)信息，生成礦井瓦斯地質(zhì)圖，實現(xiàn)區(qū)域瓦斯地質(zhì)信息的動態(tài)展示和可視化。另外，按照《防治煤與瓦斯突出細則》第六十三條規(guī)定對井下采掘工作面保護效果范圍進行分析處理，實現(xiàn)保護層保護效果范圍的自動繪制，可形成保護層開采有效保護范圍。

1.3 防突預(yù)測信息可視化

在工作面瓦斯地質(zhì)圖的基礎(chǔ)上完善巷道剖面、煤厚變化等基礎(chǔ)資料，將工作面防突措施：竣工鉆孔參數(shù)、殘余瓦斯含量及壓力等信息錄入系統(tǒng)，自動生產(chǎn)防突預(yù)測圖，并與工作面瓦斯地質(zhì)圖共享數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對工作面防突信息的實時更新、智能分析、智能評價。

1.4 瓦斯涌出信息可視化

基于瓦斯地質(zhì)信息可視化分析，采用分源預(yù)測法對工作面瓦斯涌出量進行分析預(yù)測，并結(jié)合瓦斯監(jiān)控及通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析、計算工作面瓦斯涌出量，實現(xiàn)采掘工作面的超限預(yù)警，并與實測校檢數(shù)據(jù)對比分析，實現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的智能分析。

2 工作面瓦斯災(zāi)害差異化協(xié)同治理

2.1 工程概況

林華煤礦自建井以來，9號煤層共發(fā)生煤與瓦斯突出事故24次，9號煤層原始瓦斯壓力2.15 MPa，原始瓦斯含量23.42 m3/t，煤層透氣性系數(shù)0.05～7.17 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.034～0.065 d-1，為典型的煤與瓦斯突出煤層。

結(jié)合井下采掘布置情況，選取2091工作面作為試點，該工作面位于井田西南部，采用走向長壁采煤法，其傾向長度180 m，走向長度550 m，工作面日產(chǎn)量約4090 t，煤層傾角8°～12°，平均可采煤厚2.77 m，煤的密度1.51 t/m3，煤層結(jié)構(gòu)在工作面范圍內(nèi)較簡單。

2.2 工作面瓦斯賦存規(guī)律分析

將9號煤層相關(guān)瓦斯地質(zhì)信息匯總、錄入瓦斯地質(zhì)可視化系統(tǒng)，利用多源擬合預(yù)測的方法預(yù)測深部區(qū)域瓦斯含量和瓦斯壓力，實現(xiàn)2091工作面瓦斯賦存區(qū)域的自動劃分。結(jié)合礦井實際情況，制定瓦斯含量W界定準則：W>15 m3/t為高瓦斯，8 m3/t

2.3 工作面瓦斯差異化協(xié)同治理

2.3.1 鉆孔有效抽采半徑分析

假設(shè)同一瓦斯賦存區(qū)域內(nèi)瓦斯賦存均衡，且煤巖體賦存穩(wěn)定、透氣性相同，得出抽采鉆孔有效控制范圍內(nèi)瓦斯量Qi為：

Qi=RihlγWi

(1)

式中，Ri為鉆孔有效抽采半徑，m；h為煤層厚度，m；l為鉆孔有效抽采長度，m；γ為煤的密度，t/m3；Wi為抽采前瓦斯含量，m3/t；i分別取低瓦斯區(qū)、中瓦斯區(qū)、高瓦斯區(qū)。

考慮瓦斯?jié)B流特性，隨著抽采時間的增加，鉆孔瓦斯涌出量呈現(xiàn)一定的衰減規(guī)律[14]，則鉆孔有效抽采時間t內(nèi)百米鉆孔有效抽采量qit為：

qit=qe-λt

(2)

式中，q為百米鉆孔有效初始流量，m3/(min·hm-1)；λ為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；t為鉆孔有效抽采時間，d。

由式(2)積分可知：單個抽采鉆孔有效抽采時間t內(nèi)抽采量Qit為：

(3)

瓦斯抽采率η是衡量工作面瓦斯抽采效果和抽采達標評判的主要指標，直觀的反映已抽瓦斯量與初始瓦斯量之間的關(guān)系：

Qit=ηiQi

(4)

綜合式(1)—式(4)可得：不同瓦斯賦存區(qū)域有效抽采半徑與時間的關(guān)系式為：

2.3.2 工作面抽采鉆孔差異化設(shè)計

依照《煤礦瓦斯抽采基本指標》(GB 41022—2021)第五條規(guī)定：工作面日產(chǎn)量4000～6000 t，則回采前煤的可解析瓦斯含量不應(yīng)超過5.50 m3/t，現(xiàn)場采集9號煤層煤樣進行試驗，得出常壓不可解析瓦斯含量2.11 m3/t，故抽采后的殘余瓦斯含量不應(yīng)超過7.61 m3/t。為保證不同瓦斯賦存區(qū)域抽采效果的有效性，抽采前瓦斯含量均取區(qū)域內(nèi)最大值，考慮林華煤礦殘余瓦斯含量按照6.00 m3/t執(zhí)行，故9號煤層抽采后的殘余瓦斯含量應(yīng)取6.00 m3/t。不同瓦斯賦存區(qū)域?qū)?yīng)抽采率見表1。

表1 不同瓦斯賦存區(qū)域?qū)?yīng)抽采Table 1 Extraction rates at different gas occurrence areas

為進一步分析有效抽采半徑之間的時空關(guān)系，在2091運輸巷施工3個獨立的抽采鉆孔，基于鉆孔流量法分析抽采鉆孔的衰減規(guī)律，繪制單孔瓦斯流量衰減曲線，如圖2所示。

圖2 單孔瓦斯流量衰減曲線Fig.2 Attenuation curve of single-hole gas flow

2091工作面抽采鉆孔采用運輸巷與回風(fēng)巷對打布置的方式，鉆孔有效封孔長度20 m，工作面內(nèi)預(yù)留10 m壓茬距，故抽采鉆孔有效抽采長度取75 m。結(jié)合式(5)可得：不同瓦斯賦存區(qū)域內(nèi)有效抽采半徑與時間的關(guān)系，見表2。

表2 不同瓦斯賦存區(qū)域內(nèi)有效抽采半徑與時間關(guān)系Table 2 Relationship between effective extraction radius and time in different gas occurrence areas

在同一抽采效果檢驗標準的基礎(chǔ)上，考慮抽采鉆孔接抽時間的差異性，為確保2091工作面瓦斯治理與采掘進度的協(xié)同性，將2091工作面瓦斯治理模式由粗放型治理優(yōu)化為差異化協(xié)同治理，結(jié)合2091工作面巷道布置情況，以2091運輸巷開口處為里程起點，將2091工作面劃分為三個瓦斯治理區(qū)段：0～180 m為Ⅰ區(qū)段，181～360 m為Ⅱ區(qū)段，361～550 m為Ⅲ區(qū)段；2091運輸巷與2091回風(fēng)巷同步掘進，平均掘進速度為6 m/d。為確保工作面回采至各瓦斯治理區(qū)段時的瓦斯抽采效果，各區(qū)段內(nèi)瓦斯抽采時間以最后接抽鉆孔為準，計算得出：Ⅲ區(qū)段允許抽采時間不低于30 d，Ⅱ區(qū)段允許抽采時間不低于95 d，Ⅰ區(qū)段允許抽采時間不低于160 d?？紤]現(xiàn)場煤層賦存的差異性及抽采鉆孔施工的可行性，本次抽采鉆孔差異化設(shè)計并未根據(jù)理想狀態(tài)下的抽采控制模型進行設(shè)計，而是采用單排抽采鉆孔的方式進行設(shè)計，并結(jié)合表2對各瓦斯治理區(qū)段內(nèi)的不同瓦斯賦存區(qū)域差異化設(shè)計抽采鉆孔，為防止低瓦斯區(qū)出現(xiàn)局部空白帶，現(xiàn)場施工過程中R1取0.5的安全系數(shù)，2091工作面抽采鉆孔差異化設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 2091工作面抽采鉆孔差異化設(shè)計參數(shù)Table 3 Differential design parameters of extraction boreholes in the 2091 working face

現(xiàn)場抽采鉆孔差異化設(shè)計原則及施工要求：首先，依托瓦斯地質(zhì)可視化系統(tǒng)將2091工作面的低瓦斯區(qū)、中瓦斯區(qū)和高瓦斯區(qū)進行有效劃分；其次，結(jié)合表3中的有效抽采半徑，對所劃分的不同瓦斯賦存區(qū)域進行抽采鉆孔設(shè)計，并根據(jù)現(xiàn)場實際煤層賦存變化情況，對局部厚煤層區(qū)域進行抽采鉆孔加密處理；最后，現(xiàn)場抽采鉆孔施工嚴格按照設(shè)計參數(shù)執(zhí)行，并保證所有抽采鉆孔以垂直煤壁的方位進行施工，同時對所有抽采鉆孔采用“兩堵一注”的封孔工藝進行封孔，以保證抽采效果。

3 工作面瓦斯治理效果

3.1 抽采鉆孔優(yōu)化效果

結(jié)合2091工作面原有粗放式抽采模式，在不考慮抽采衰減的情況下，假設(shè)有效抽采半徑為1.0 m，抽采鉆孔長95 m，抽采鉆孔共計550個，抽采鉆孔總進尺52250 m，將煤層殘余瓦斯含量降低至6 m3/t，需抽采150 d ；基于瓦斯賦存特點的差異化協(xié)同抽采模式，對2091工作面抽采鉆孔設(shè)計進行優(yōu)化，其中2091運輸巷共施工188個，2091回風(fēng)巷共施工214個，抽采鉆孔長度均為95 m，抽采鉆孔總進尺38190 m。相比原有粗放式抽采模式，基于瓦斯賦存特點的差異化協(xié)同抽采模式能夠?qū)⒊椴摄@孔減少148個，總鉆孔進尺減少14060 m，抽采時間根據(jù)采掘進度控制在30～150 d，不僅實現(xiàn)對2091工作面瓦斯差異化協(xié)同治理，而且縮短抽采鉆孔的抽采時間及總進尺，較大程度上緩解采掘銜接過程中的時間緊張問題。

3.2 抽采效果分析

在瓦斯地質(zhì)可視化的基礎(chǔ)上，結(jié)合采掘進度對2091工作面進行差異化設(shè)計抽采鉆孔，并通過防突信息分析模塊自動生成防突預(yù)測圖，有效識別瓦斯治理空白帶，進一步優(yōu)化抽采鉆孔布置。采用SDQ深孔快速取樣裝置[19]對抽采效果進行考察：2091工作面區(qū)域殘余瓦斯含量為4.53～5.88 m3/t。工作面整體抽采時間控制在30～150 d，回采期間對2091工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛燃吧嫌缃峭咚節(jié)舛冗M行60 d的監(jiān)測統(tǒng)計，其中回風(fēng)瓦斯?jié)舛葹?.22%～0.41%，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.30%～0.47%。工作面回采期間未出現(xiàn)瓦斯超限事故，且瓦斯涌出預(yù)警模塊工作正常，瓦斯治理效果顯著，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測曲線Fig.3 Monitoring curve of gas concentration

通過瓦斯地質(zhì)可視化系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)對工作面瓦斯賦存區(qū)域的有效劃分，避免了2091工作面瓦斯治理的隨意性與盲目性，有效降低抽采鉆孔的施工進尺和抽采時間，提高瓦斯的抽采效率，實現(xiàn)區(qū)段內(nèi)瓦斯災(zāi)害的差異化治理，并確保抽采效果在時間和空間上的一致性。

4 結(jié) 論

1)通過搭建瓦斯地質(zhì)可視化系統(tǒng)，可將瓦斯地質(zhì)信息、防突預(yù)測信息和瓦斯涌出信息可視化，避免煤礦瓦斯災(zāi)害治理的盲目性，強化煤礦信息化管理。

2)識別與劃分2091工作面瓦斯賦存區(qū)域的低瓦斯區(qū)、中瓦斯區(qū)和高瓦斯區(qū)，結(jié)合采掘進度差異化設(shè)計抽采鉆孔，實現(xiàn)對2091工作面瓦斯災(zāi)害的高效、協(xié)同治理。

3)2091工作面區(qū)域殘余瓦斯含量為4.53～5.88 m3/t，整體抽采時間在30～150 d區(qū)間，回風(fēng)瓦斯?jié)舛葹?.22%～0.41%，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.30%～0.47%，工作面回采期間瓦斯涌出預(yù)警模塊工作正常，瓦斯治理效果顯著。