李军岐，刘 帅，沈少康，王 辉，冯岁伟
(陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪煤矿二号井，陕西 渭南 715400)
二号井处于韩城矿区，韩城矿区是陕西唯一瓦斯灾害严重矿区之一，曾发生过有记载的煤与瓦斯突出150余次和突水及老采空区透水事故，并造成了重大人员伤亡和财产损失。矿区骨干生产矿井桑树坪煤矿二号井在瓦斯治理方面为韩城矿区指引着方向。
二号井本着“绿色开采”的原则，于北风井工业广场建立瓦斯发电站。电厂远期规划容量为3×700 kW+3×1 200 kW，6台瓦斯发电机经6台10 kV户内开关柜汇集后接入10 kV桑树坪煤矿二号井风井连建变电所，目前已建成3×700 kW瓦斯发电项目，目前所有机组运行正常。
瓦斯发电机对于瓦斯浓度及流量要求比较苛刻，在瓦斯浓度达到14%以上、流量达到350 m3/min以上时电机才能正常工作。二号井本着超前治理的原则，严格按照《防治煤与瓦斯突出细则》[1]的要求，提前治理三采区北邻的四采区，为后期四采区的掘进和采煤打好前站。四采区的抽采瓦斯，目前也是瓦斯发电厂的“主力军”，其抽采系统共计5个单元，每个单元400 m左右，总长度约2 000 m，目前五单元的瓦斯抽采浓度基本稳定在20%，抽采混合流量基本稳定在25 m3/min，由此对于四采区的瓦斯抽采研究就很有必要。并且五单元为四采区的首个抽采单元，单元长度所得出的结论可以为整个四采区的瓦斯抽采负压调节奠定一定的理论基础。
1.1 日常维护管理落后
在国家提出“绿色开采”的大背景下，各煤矿企业积极响应国家政策，加大瓦斯抽采利用的力度，但由于抽采系统零部件过多，后期对于抽采系统维护的工作量就极其庞大，加之对于煤矿企业而言，主要经济效益还是以煤炭为主，因此各煤炭企业对于煤层瓦斯的开采工作，主要目的还是以降低煤层瓦斯含量至国家标准以下为目标，对于井下瓦斯的抽采系统维护也较为粗放、随便。国家并无瓦斯抽放系统维护的相关标准、规定，各煤矿企业对于抽采系统的维护也都不统一，抽采效果一般[24]。
1.2 抽采负压损失大
对于煤矿企业而言，随着采掘工作的不断推进，井下巷道总里程不断增加，巷道布置也愈加复杂，由于管道内部的摩擦阻力及管道接头的不断增加，抽采负压损失也逐渐增加，负压的损失将会直接导致抽采效果变差，不仅影响采掘面的瓦斯治理，也影响瓦斯电厂的发电效率。
1.3 抽采调节难度大
对于井下瓦斯抽采的调节，一般的调节方式主要有以下几种：一是通过调节抽采系统，将不同要求的瓦斯钻孔整合到一个系统中，便于集中管理，也为满足瓦斯电厂的要求提供便利，缺点是调节工程量大，极其损耗矿井的人力物力[5]；
二是提高钻孔封孔质量及抽采管路的气密性，减少漏气，此项管理只能增加抽采的浓度，对于流量的控制极其有限，并且此方法的工作量巨大，同样极其损耗矿井的人力物力，加之此种调节方式无法通过数据量化，想要达到宏观调控较为困难；
三是通过调节抽采负压，以此控制瓦斯抽采的浓度及流量，但受管道摩擦阻力、瓦斯吸附强度等因素的影响，每个巷道、每个单元的负压-浓度/流量关系也都不尽相同，但相对而言，相比前2种调节方法，负压调节一是可以宏观调控，二是省时省力，三是可以量化，因此在调节方法上，优先选择调节负压以控制浓度及流量。
影响瓦斯抽采效果的主要有煤层赋存条件、瓦斯抽放系统、抽放孔封孔效果、瓦斯抽采负压几个因素。在众多的因素中，负压是影响抽采效果最直观、最主要的因素。在负压产生的瓦斯压力梯度的作用下，瓦斯通过裂隙不断流向钻孔，从而达到瓦斯抽采的目的[6]。通常认为煤层是包含裂隙和基质的双孔隙系统[7]。第1级孔主要包括基质中的微孔和小孔等，其以吸附相存储了煤层中大约95%的瓦斯；
第2级孔主要是相互垂直的裂隙，称作割理系统或天然裂隙系统[89]。割理是游离瓦斯的赋存场所和流动通道。瓦斯运移符合Darcy定律，基质中的孔隙网络赋存有吸附态和游离态瓦斯，瓦斯运移符合Fick定律[1011]。煤层中瓦斯运移过程如图1所示[1213]。多数学者认为渗流运动是瓦斯运移的重要过程，但扩散运动在瓦斯流动中所起的作用存在争议。PAN[1415]认为煤层气产量主要受到煤基质中瓦斯的扩散和裂隙中渗流的影响。本文主要针对负压对于瓦斯抽采浓度的影响进行研究。
图1 煤层瓦斯运移双孔模型Fig.1 Two-hole model of coal seam gas migration
通过收集二号井3309综采工作面抽采系统各单元瓦斯浓度及负压数据，分析各单元抽采负压与浓度数据，建立负压浓度关系图，以此判别本单元负压与浓度的关系。收集的数据见表1、2，分析曲线如图2、3所示。
表1 3309各单元瓦斯抽采数据
表2 北边界巷、北边界排矸巷瓦斯抽采数据
图2 3309各单元瓦斯抽采负压浓度曲线Fig.2 Negative pressure-concentration curve of gas extraction in each unit of 3309
图3 北边界及排矸巷瓦斯抽采负压浓度曲线Fig.3 Negative pressure-concentration curve of gas extraction in the north boundary and gangue removing roadway
由图2可知，3309一单元的抽采浓度在负压为7 kPa时候浓度最低，整体呈现“先低后高”趋势，即一单元的浓度随着负压的增大，先减小再增大；
二单元浓度在研究范围内随着负压的增大一直增大；
三、四单元浓度在研究范围内随着负压的增大一直减小。
根据各单元得出的负压-浓度关系，通过现场调节负压，各单元浓度也都符合上述研究规律，由此可知调节某一段抽采管路的浓度，可以通过调节负压来实现。由于上述数据皆为3309采面数据，其具有局限性，由此又对北边界巷及北边界排矸巷的抽采浓度及负压进行研究，以验证上述研究结果，收集的数据及分析曲线见表2和图3。
由北边界巷及排矸巷负压-浓度曲线可知，2条巷道的浓度都在负压达到某一个数值时到最低标准，即北边界巷及排矸巷的浓度，理论上来说也可以通过调节负压达到预期的数值。由此通过现场调节2条巷道的抽采负压，虽与曲线稍有不同，但整体与研究曲线相符。
由3条巷道，6个单元的负压-浓度曲线可知，二号井抽采系统的负压和浓度整体无明显规律，想通过调节负压达到调节浓度的目的，研究单元最大为一个抽采单元，由此为了提高4301五单元的瓦斯浓度，可以通过收集五单元的负压及浓度数据，通过多项式拟合，得出其关系，为五单元的提高浓度奠定理论基础。
五单元抽采系统自2021年7月12日开始运行，由于本文只研究负压与抽采浓度及流量的关系，因此仅收集负压、浓度及流量数据，去除因仪器或其他因素导致的不正常数据，可研究的数据共计116组，数据情况见表3。
表3 瓦斯抽采数据
根据以上数据，通过Origin处理数据，以负压为自变量，分别以浓度及流量为因变量对数据进行线性及多项式拟合，以此得出负压与浓度及流量的关系，拟合图形如图4所示。
图4 五单元负压流量、负压浓度关系Fig.4 The five unit negative pressure-flow，negative pressure-concentration relationship diagram
由线性拟合曲线可知，随着负压的增大，抽采浓度逐渐增大，而抽采流量逐渐降低，由此可得出负压和浓度、流量线性拟合的关系；
由多项式拟合曲线可知，随着负压的增大，抽采浓度逐渐增大，而抽采流量逐渐降低，由此可得出负压和浓度、流量多项式拟合的关系。
(1)二号井四采区五单元的瓦斯抽采浓度随着负压的增大而增大，其抽采流量随着负压的增大而减小。
(2)二号井四采区的瓦斯抽采，在抽采系统不做过大变化，煤层赋存无过大变化时，其他单元及工作面可参照五单元的负压浓度、负压流量关系调节负压。
(3)加强与瓦斯电厂的沟通工作，在不影响瓦斯治理的情况下，通过调节负压，满足瓦斯电厂对于浓度及流量的要求。
(4)二号井负压与浓度的研究，最大单元只能为一个抽采单元。
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