基于瓦斯地质可视化的差异化协同抽采技术研究

衡献伟，李希建，李文彬，左金芳，武瑞龙，张书金，陈蒙磊，刘 晓

(1.贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省矿山安全科学研究院有限公司，贵州 贵阳 550025；3.贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550025；4.贵州发耳煤业有限公司，贵州 六盘水 553017；5.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)

国内生产矿井众多，其中突出矿井占比较大，且随着开采深度的逐渐增加，瓦斯灾害防治工作形势严峻，严重制约着我国煤矿的安全生产[1-4]。目前，国内煤矿瓦斯抽采普遍存在盲目性，缺乏对瓦斯赋存区域的有效识别与划分，极易造成“高瓦斯、弱措施”、“低瓦斯、强措施”的怪象，不仅无法保证同一区段内的协同抽采效果，也会增加抽采成本和安全隐患[5-7]。彭守建等[8，9]采用单一变量法改变抽采钻孔的间距，分析钻孔抽采量与抽采时间的演化规律，得出有效抽采半径与抽采时间的动态关系；刘军等[10]采用理论分析与现场试验的方式，提出工作面非突区域应适当减少抽采钻孔布置，而在突出区域应适当增加抽采钻孔的布置；赵斌等[11]通过分析采掘活动对本煤层的卸压影响，结合瓦斯越流理论，对抽采钻孔进行优化设计；于丽雅等[12]通过分析煤层瓦斯赋存地质条件，将预抽区域划分为多个瓦斯抽采段，进而优化抽采钻孔布置；张士岭等[13]采用模型构建的方法，搭建钻孔设计软件，能够直观地将钻孔布置情况三维呈现；罗亚涛等[14]通过识别影响瓦斯抽采的关键因素，实现对瓦斯抽采单元的有效划分，构建多级瓦斯抽采指标体系，实现对瓦斯抽采的精细化管理；郭恒等[15]通过对煤层瓦斯赋存进行精准评估、钻孔精准施工、抽采管网精准监测，实现对煤层瓦斯抽采的全周期信息化管理。相关研究[16-18]表明：受主控地质体等因素的影响，煤层瓦斯赋存呈现不均衡性，针对性开展瓦斯赋存规律的研究，有助于瓦斯灾害的高效治理。而煤矿瓦斯治理过程中常采用固定孔间距的方式设计抽采钻孔，缺乏对瓦斯赋存区域的有效划分，更不能确保区段内瓦斯抽采的协同性，本文以林华煤矿为工程背景，运用GIS系统对数据的空间管理与分析功能，实现瓦斯地质的可视化，在“应抽尽抽”原则下，结合采掘进度差异化设计抽采钻孔，从而实现区段内瓦斯抽采的协同性，具有较好的工程应用价值。

1 瓦斯地质可视化

1.1 系统功能设计

瓦斯地质可视化系统利用二次开发后的MapGIS平台将瓦斯地质信息进行动态展示，其主要模块包含基础数据录入及编辑、图纸编辑及处理、瓦斯地质分析及预测、防突信息分析及预测、瓦斯涌出分析及预测、常规管理等模块，瓦斯地质可视化系统功能设计如图1所示。核心目的是实现瓦斯地质信息可视化、防突预测信息可视化和瓦斯涌出信息可视化。

图1 瓦斯地质可视化系统功能设计Fig.1 Functional design of gas geology visualization system

1.2 瓦斯地质信息可视化

将矿井采掘工程平面图导入到二次开发后的MapGIS平台，实现瓦斯地质信息的动态展示，将矿井现场实测的瓦斯含量、瓦斯压力及实际勘测的断层信息录入到平台系统，并通过瓦斯信息点捕捉、矢量等值线和区域渐变成图等手段，构建区域内煤层瓦斯赋存多元拟合预测模型，采用TIN、距离反比权重、克里金等方法对区域瓦斯地质信息进行创建，自动对区域瓦斯地质图进行绘制。随着井下采掘作业的开展，补充录入实时瓦斯地质信息，生成矿井瓦斯地质图，实现区域瓦斯地质信息的动态展示和可视化。另外，按照《防治煤与瓦斯突出细则》第六十三条规定对井下采掘工作面保护效果范围进行分析处理，实现保护层保护效果范围的自动绘制，可形成保护层开采有效保护范围。

1.3 防突预测信息可视化

在工作面瓦斯地质图的基础上完善巷道剖面、煤厚变化等基础资料，将工作面防突措施：竣工钻孔参数、残余瓦斯含量及压力等信息录入系统，自动生产防突预测图，并与工作面瓦斯地质图共享数据，实现对工作面防突信息的实时更新、智能分析、智能评价。

1.4 瓦斯涌出信息可视化

基于瓦斯地质信息可视化分析，采用分源预测法对工作面瓦斯涌出量进行分析预测，并结合瓦斯监控及通风系统数据，分析、计算工作面瓦斯涌出量，实现采掘工作面的超限预警，并与实测校检数据对比分析，实现异常数据的智能分析。

2 工作面瓦斯灾害差异化协同治理

2.1 工程概况

林华煤矿自建井以来，9号煤层共发生煤与瓦斯突出事故24次，9号煤层原始瓦斯压力2.15 MPa，原始瓦斯含量23.42 m3/t，煤层透气性系数0.05～7.17 m2/(MPa2·d)，钻孔瓦斯流量衰减系数0.034～0.065 d-1，为典型的煤与瓦斯突出煤层。

结合井下采掘布置情况，选取2091工作面作为试点，该工作面位于井田西南部，采用走向长壁采煤法，其倾向长度180 m，走向长度550 m，工作面日产量约4090 t，煤层倾角8°～12°，平均可采煤厚2.77 m，煤的密度1.51 t/m3，煤层结构在工作面范围内较简单。

2.2 工作面瓦斯赋存规律分析

将9号煤层相关瓦斯地质信息汇总、录入瓦斯地质可视化系统，利用多源拟合预测的方法预测深部区域瓦斯含量和瓦斯压力，实现2091工作面瓦斯赋存区域的自动划分。结合矿井实际情况，制定瓦斯含量W界定准则：W>15 m3/t为高瓦斯，8 m3/t

2.3 工作面瓦斯差异化协同治理

2.3.1 钻孔有效抽采半径分析

假设同一瓦斯赋存区域内瓦斯赋存均衡，且煤岩体赋存稳定、透气性相同，得出抽采钻孔有效控制范围内瓦斯量Qi为：

Qi=RihlγWi

(1)

式中，Ri为钻孔有效抽采半径，m；h为煤层厚度，m；l为钻孔有效抽采长度，m；γ为煤的密度，t/m3；Wi为抽采前瓦斯含量，m3/t；i分别取低瓦斯区、中瓦斯区、高瓦斯区。

考虑瓦斯渗流特性，随着抽采时间的增加，钻孔瓦斯涌出量呈现一定的衰减规律[14]，则钻孔有效抽采时间t内百米钻孔有效抽采量qit为：

qit=qe-λt

(2)

式中，q为百米钻孔有效初始流量，m3/(min·hm-1)；λ为钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1；t为钻孔有效抽采时间，d。

由式(2)积分可知：单个抽采钻孔有效抽采时间t内抽采量Qit为：

(3)

瓦斯抽采率η是衡量工作面瓦斯抽采效果和抽采达标评判的主要指标，直观的反映已抽瓦斯量与初始瓦斯量之间的关系：

Qit=ηiQi

(4)

综合式(1)—式(4)可得：不同瓦斯赋存区域有效抽采半径与时间的关系式为：

2.3.2 工作面抽采钻孔差异化设计

依照《煤矿瓦斯抽采基本指标》(GB 41022—2021)第五条规定：工作面日产量4000～6000 t，则回采前煤的可解析瓦斯含量不应超过5.50 m3/t，现场采集9号煤层煤样进行试验，得出常压不可解析瓦斯含量2.11 m3/t，故抽采后的残余瓦斯含量不应超过7.61 m3/t。为保证不同瓦斯赋存区域抽采效果的有效性，抽采前瓦斯含量均取区域内最大值，考虑林华煤矿残余瓦斯含量按照6.00 m3/t执行，故9号煤层抽采后的残余瓦斯含量应取6.00 m3/t。不同瓦斯赋存区域对应抽采率见表1。

表1 不同瓦斯赋存区域对应抽采Table 1 Extraction rates at different gas occurrence areas

为进一步分析有效抽采半径之间的时空关系，在2091运输巷施工3个独立的抽采钻孔，基于钻孔流量法分析抽采钻孔的衰减规律，绘制单孔瓦斯流量衰减曲线，如图2所示。

图2 单孔瓦斯流量衰减曲线Fig.2 Attenuation curve of single-hole gas flow

2091工作面抽采钻孔采用运输巷与回风巷对打布置的方式，钻孔有效封孔长度20 m，工作面内预留10 m压茬距，故抽采钻孔有效抽采长度取75 m。结合式(5)可得：不同瓦斯赋存区域内有效抽采半径与时间的关系，见表2。

表2 不同瓦斯赋存区域内有效抽采半径与时间关系Table 2 Relationship between effective extraction radius and time in different gas occurrence areas

在同一抽采效果检验标准的基础上，考虑抽采钻孔接抽时间的差异性，为确保2091工作面瓦斯治理与采掘进度的协同性，将2091工作面瓦斯治理模式由粗放型治理优化为差异化协同治理，结合2091工作面巷道布置情况，以2091运输巷开口处为里程起点，将2091工作面划分为三个瓦斯治理区段：0～180 m为Ⅰ区段，181～360 m为Ⅱ区段，361～550 m为Ⅲ区段；2091运输巷与2091回风巷同步掘进，平均掘进速度为6 m/d。为确保工作面回采至各瓦斯治理区段时的瓦斯抽采效果，各区段内瓦斯抽采时间以最后接抽钻孔为准，计算得出：Ⅲ区段允许抽采时间不低于30 d，Ⅱ区段允许抽采时间不低于95 d，Ⅰ区段允许抽采时间不低于160 d。考虑现场煤层赋存的差异性及抽采钻孔施工的可行性，本次抽采钻孔差异化设计并未根据理想状态下的抽采控制模型进行设计，而是采用单排抽采钻孔的方式进行设计，并结合表2对各瓦斯治理区段内的不同瓦斯赋存区域差异化设计抽采钻孔，为防止低瓦斯区出现局部空白带，现场施工过程中R1取0.5的安全系数，2091工作面抽采钻孔差异化设计参数见表3。

表3 2091工作面抽采钻孔差异化设计参数Table 3 Differential design parameters of extraction boreholes in the 2091 working face

现场抽采钻孔差异化设计原则及施工要求：首先，依托瓦斯地质可视化系统将2091工作面的低瓦斯区、中瓦斯区和高瓦斯区进行有效划分；其次，结合表3中的有效抽采半径，对所划分的不同瓦斯赋存区域进行抽采钻孔设计，并根据现场实际煤层赋存变化情况，对局部厚煤层区域进行抽采钻孔加密处理；最后，现场抽采钻孔施工严格按照设计参数执行，并保证所有抽采钻孔以垂直煤壁的方位进行施工，同时对所有抽采钻孔采用“两堵一注”的封孔工艺进行封孔，以保证抽采效果。

3 工作面瓦斯治理效果

3.1 抽采钻孔优化效果

结合2091工作面原有粗放式抽采模式，在不考虑抽采衰减的情况下，假设有效抽采半径为1.0 m，抽采钻孔长95 m，抽采钻孔共计550个，抽采钻孔总进尺52250 m，将煤层残余瓦斯含量降低至6 m3/t，需抽采150 d ；基于瓦斯赋存特点的差异化协同抽采模式，对2091工作面抽采钻孔设计进行优化，其中2091运输巷共施工188个，2091回风巷共施工214个，抽采钻孔长度均为95 m，抽采钻孔总进尺38190 m。相比原有粗放式抽采模式，基于瓦斯赋存特点的差异化协同抽采模式能够将抽采钻孔减少148个，总钻孔进尺减少14060 m，抽采时间根据采掘进度控制在30～150 d，不仅实现对2091工作面瓦斯差异化协同治理，而且缩短抽采钻孔的抽采时间及总进尺，较大程度上缓解采掘衔接过程中的时间紧张问题。

3.2 抽采效果分析

在瓦斯地质可视化的基础上，结合采掘进度对2091工作面进行差异化设计抽采钻孔，并通过防突信息分析模块自动生成防突预测图，有效识别瓦斯治理空白带，进一步优化抽采钻孔布置。采用SDQ深孔快速取样装置[19]对抽采效果进行考察：2091工作面区域残余瓦斯含量为4.53～5.88 m3/t。工作面整体抽采时间控制在30～150 d，回采期间对2091工作面回风瓦斯浓度及上隅角瓦斯浓度进行60 d的监测统计，其中回风瓦斯浓度为0.22%～0.41%，上隅角瓦斯浓度为0.30%～0.47%。工作面回采期间未出现瓦斯超限事故，且瓦斯涌出预警模块工作正常，瓦斯治理效果显著，瓦斯浓度监测曲线如图3所示。

图3 瓦斯浓度监测曲线Fig.3 Monitoring curve of gas concentration

通过瓦斯地质可视化系统的应用，实现对工作面瓦斯赋存区域的有效划分，避免了2091工作面瓦斯治理的随意性与盲目性，有效降低抽采钻孔的施工进尺和抽采时间，提高瓦斯的抽采效率，实现区段内瓦斯灾害的差异化治理，并确保抽采效果在时间和空间上的一致性。

4 结 论

1)通过搭建瓦斯地质可视化系统，可将瓦斯地质信息、防突预测信息和瓦斯涌出信息可视化，避免煤矿瓦斯灾害治理的盲目性，强化煤矿信息化管理。

2)识别与划分2091工作面瓦斯赋存区域的低瓦斯区、中瓦斯区和高瓦斯区，结合采掘进度差异化设计抽采钻孔，实现对2091工作面瓦斯灾害的高效、协同治理。

3)2091工作面区域残余瓦斯含量为4.53～5.88 m3/t，整体抽采时间在30～150 d区间，回风瓦斯浓度为0.22%～0.41%，上隅角瓦斯浓度为0.30%～0.47%，工作面回采期间瓦斯涌出预警模块工作正常，瓦斯治理效果显著。