0 引言

郑州矿区主采的二1煤层为全层构造煤发育，而且类别较高。构造煤在构造应力作用下煤层发生脆韧性变形，从而形成与原生结构煤结构和构造迥异的煤层。构造煤主要表现为煤体强度降低、煤层空隙结构发生变化、瓦斯放散速度加快、应力敏感性强、在原始应力状态下渗透率很低的特征[1-2]。受构造煤特征影响，该区煤层透气性极差，煤层透气性系数为0.026 70～0.048 54 m2/(MPa2·d)，属较难抽采煤层。煤层的透气性主要决定于煤体结构和埋深，破坏程度较高的构造煤一般透气性差，埋藏深度越大，地应力一般越高，煤体的蠕变变形越剧烈，会导致煤层钻孔发生坍塌、堵孔现象，从而缩短瓦斯抽采时间，减小瓦斯抽采半径，降低钻孔瓦斯抽采量[3]。杨河煤业位于郑州矿区，矿井主要采取穿层钻孔预抽煤层瓦斯、顺层钻孔预抽煤层瓦斯、顶板岩石高位钻孔抽采瓦斯等方法进行瓦斯抽采治理，采用聚氨酯封孔树脂配合“水泥浆+玻璃水”混合液的“两堵一注”工艺封孔，全孔段下筛管护孔。然而受煤层瓦斯赋存分布不均、抽采钻孔成孔质量差、瓦斯抽采管理工作不到位等因素影响，造成矿井瓦斯抽采水平较低。为深入探索造成瓦斯抽采浓度偏低的影响因素，解决瓦斯抽采偏低的瓶颈问题，笔者进行了大量的研究，找出了一些瓦斯抽采浓度偏低的原因。

1 矿井煤层结构

杨河煤业属郑州矿区典型的构造煤发育矿井，矿井构造煤的宏观煤体结构特点：煤体呈块状、均一状，煤的原生结构条带消失，致密，手试强度较高，但能捏成碎块，钻屑也呈粒状。实验室测试煤的坚固性系数f值在0.18～0.41，平均为0.23；ΔP在10.80～18.25，平均为14.96。

煤层中近似平行层面的面理发育，属于假层理。构造煤的二次成煤特征比较明显，即先期构造煤形成后，又经历了再次压实成煤作用。煤层中可以看到两种构造现象，即与层面斜交的破劈理和层间小褶皱。破劈理的产状(倾向南)反映构造煤形成后或形成时，煤层顶板岩层相对由南向北或由低向高运动，体现了区域褶皱作用的结果；小褶皱轴面产状倾向北或近直立，反映了后期由北向南或由高向低滑动作用的结果[4-7]。伴生构造特点说明，杨河煤业构造煤在区域滑动构造形成之前就已经形成，滑动构造主要使煤层中形成大量滑面和层间紧闭或同斜小褶皱。电子显微镜下观察，构造煤微观结构的主要特点是：破碎的煤粒呈棱角状，大大小小，斑状结构。煤粒粒径一般3～5 μm，杂乱无章，没有定向性，微角砾之间是不规则的裂隙和空隙。分析认为，碎裂构造煤中大量的粒间隙和孔隙相互连通，有利于瓦斯逸散，但由于煤粒太小，增加了瓦斯逸散的路程；相反，不利于瓦斯逸散。按照构造煤破碎程度分类，属于破碎粒度最小的粉状煤，即Ⅴ类构造煤，是脆性张裂变形的结果[8-11]。受煤层发育特性的影响，杨河煤业的煤层瓦斯抽采浓度普遍较低，瓦斯抽采效果相对较差。

根据井下观察，虽然煤层总体上属于全层构造煤，但在煤层中通常含有1～3层“煤结子”，宏观条件下似原生结构，煤层条带状结构隐约可见，亮煤条带中煤体破碎成细粒状，有棱角，暗煤条带呈粉粒状，肉眼无法识别煤粒的形态特征。

2 影响瓦斯抽采浓度的原因分析

2.1 煤层瓦斯赋存条件影响

杨河煤业所采的二1煤层位于山西组下部，层位稳定，下距太原组L9灰岩(或菱铁质泥岩)顶平均11.94 m，煤层赋存中西部呈轴向西北—东南的向斜形态，两翼地层西北高东南低；52线以东地层逐渐转变为向南倾的单斜形态，北浅南深。煤层埋深30～925 m，赋存标高在+210～-735 m。井田范围内二1煤层厚度变化较大，局部地点煤层厚度相差悬殊，主要为中厚、薄、不可采煤厚点和滑动构造造成的无煤点，特别是五里堡断层和吕家沟断层两侧，特厚见煤点与无煤点相间分布，煤层赋存条件极差。

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受矿井煤层结构及赋存条件影响，矿井瓦斯赋存呈条带状、离散状分布，瓦斯赋存与地质构造、煤厚、埋深、围岩等因素有关，尤其是地质构造发育区域和煤层较厚的区域，瓦斯赋存较高。若钻孔在高瓦斯赋存区域施工，钻孔瓦斯抽采浓度相对较高[16-18]；钻孔在低瓦斯赋存区域施工，钻孔瓦斯抽采浓度相对较低。从根本上来讲，煤层结构及瓦斯赋存条件对抽采系统瓦斯抽采浓度起着决定性作用。

2.2 钻孔成孔质量影响

瓦斯抽采钻孔是瓦斯抽采系统中的基础构成元素，良好的钻孔成孔质量是决定钻孔抽采效果达标的基础。抽采钻孔施工的基本要求：一进三退，低压慢速，掏空前进。在保证钻孔钻进过程中施工安全，钻掉的煤岩粉在风压或水压的作用下排出孔口之外并且不破坏钻孔周边煤层的成型状态，形成孔壁成型、孔内通透的钻孔即为高质量的钻孔。然而在实际施工过程中，往往因为工程进度、操作习惯等问题，致使钻孔并未严格按要求施工，导致钻孔塌孔、孔内煤岩粉积存过多等情况，从而导致出现以下3种情况。

漏气是影响瓦斯抽采浓度最直接的原因，分为2部分：①煤层内部漏气，指煤层自身存在缝隙以及钻孔质量(成孔及封孔质量)不佳造成的煤层与外界巷道连通形成的漏气。一般情况下，此时的漏气不易被人感知或人体察觉不到，只有比较严重的在煤墙处能听到漏气产生的声音。②外部漏气，指钻孔与瓦斯抽采泵之间的抽采系统中各连接处、密封处、放水除渣设备、抽采系统中安装的防爆设备、测试(人工及自动检测)装置或抽采管件密封不严形成的漏气，此类漏气现象多数可被工作人员查出并处理。抽采系统气密性差直接降低了瓦斯抽采浓度，这是瓦斯抽采浓度偏低的又一项影响因素。

(2)受塌孔、钻孔变形等客观因素影响，钻孔成孔后孔内煤粉不易排出，导致孔内煤粉大量积存，最终导致抽采筛管“护孔”不到位，影响抽采效果。

(3)钻孔封孔结束后，孔壁变形导致脱落煤粉进入抽采管，大量煤粉导致抽采筛管的筛孔堵塞甚至堵塞抽采管，使抽采效率降低，单孔抽采量减小。

提高钻孔瓦斯抽采效果的途径有2种：提高钻孔内外压差和提高煤层的透气性。煤层内外的压差造成瓦斯在煤层中流动至钻孔和抽采系统内，在一定压差范围内，压差越大，瓦斯流动越快，抽采效果就越好。然而，随着钻孔内外压差的不断增大，细小的煤体颗粒在内外高压差的作用下发生位移，堵塞瓦斯流动通道，不利于瓦斯抽采。经过试验和长期观察表明，杨河煤业合适的钻孔孔口抽采负压区间为40～50 kPa，过高或过低的负压均不能达到理想的瓦斯抽采效果。因此，抽采负压对瓦斯抽采浓度有着较大的影响。

2.3 钻孔封孔质量影响

钻孔封孔是保证钻孔气密性的关键工序，钻孔的封孔质量也是保证钻孔抽采效果持续有效的关键举措。郑煤集团杨河煤业对封孔的要求：顺层钻孔封孔长度15～18 m，采用“两堵一注”方式封孔，全孔深护孔；穿层钻孔封孔至煤岩交界处，封孔方式也采用“两堵一注”封孔，全孔深护孔。钻孔封孔质量很大程度上决定着钻孔的工作时长、抽采浓度和抽采效果。钻孔封孔如图1所示。

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图1 钻孔封孔示意Fig.1 Drill hole closure schematic

钻孔封孔质量差的原因：

(1)严格按照操作规程施工钻孔，打钻过程中做到“一进三退，低压慢速，掏空前进”，时刻观察钻机的运行情况，依照钻进过程中出现的情况来调节钻机运行速度。要坚信没有抽不出的瓦斯，只有打不到位的钻孔，落实好各项安全措施，规范作业、精细操作，确保钻孔施工到位。

(2)注浆量不够，封孔段未充填实。注浆量不够造成封孔段未充填实，封孔长度不足，容易造成煤(岩)柱裂隙带漏气。

(3)钻孔采用树脂封孔后，向2道封堵树脂之间注入水泥浆，受水泥浆凝固后收缩的特性影响，封孔长度缩短，2道封孔树脂之间容易形成空白带，空白带与巷道两侧的破碎带联通，造成钻孔漏气，从而降低瓦斯抽采浓度。另外，近水平的坡度施工钻孔时，水泥浆沉积、凝固后在封孔段顶部容易形成“条带状”的空白带，此类空白带容易造成钻孔严重漏气，甚至造成钻孔报废。

钻孔封孔质量对瓦斯抽采浓度的影响起关键作用，决定了钻孔能否长期有效抽采。

从井田范围内钻孔穿见煤层及井巷揭露情况来看，二1煤层厚度变化是由后期构造造成的，主要影响因素有煤层底板隆起和井田内发育的断裂构造。其中，煤层底板隆起控制二1煤层煤厚变化的总体规律，断裂构造则破坏了煤层的连续性并引起煤厚的局部变化[12-15]。

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2.4 护孔筛管深度影响

杨河煤业抽采钻孔要求全孔深护孔，即伸入孔内筛管的长度应等于钻孔深度。在实际作业过程中，由于钻孔内阻塞煤粉、封孔树脂短时间内膨胀、现场管理不善等原因造成护孔筛管不能深入到孔底的情况，这些都极大地影响抽采效果。钻孔护孔筛管深度不足时，经过一段时间的抽采，未实现筛管护孔的部分容易出现塌孔、堵孔等现象，造成深部钻孔全部堵塞、报废，不能有效抽采瓦斯。另外，筛管上筛孔的直径大小、疏密程度也会对护孔效果起到不同的作用，研究科学的筛管护孔技术对抽采效果的提高有较大的意义。

2.5 抽采负压的影响

因此，钻孔成孔质量对瓦斯抽采浓度的影响较大，起基础作用。

2.6 抽采系统积水影响

受构造破碎带、顶底板含水层或煤层注水的影响，煤层中会存在一定量的水，煤层缝隙与顶(底)板含水岩层相连通时，裂隙水在负压的作用下源源不断地流入到抽采系统中，造成抽采系统出现积水。抽采系统中的积水增加了系统阻力，降低了孔口负压。试验结果表明：当抽采系统内存在积水时，对瓦斯抽采效果有一定的影响，但不是主要因素。

2.7 抽采参数测试误差影响

抽采参数测试误差来源较多，主要为孔板流量计选取不当、测试人员操作不规范、测试过程气密性差、测试仪器出现故障、漏气等导致的测试结果偏小或失真。抽采参数测试误差的影响通过计量器具精度的改进是可以人为降低或消除的，因此不作为主要影响因素。

2.8 抽采系统气密性影响

(1)施工过程中压力过大，钻孔塌孔导致钻孔变形，孔壁周边煤层的成型状态因应力重新分布的作用受到破坏，多个“问题钻孔”累积使煤层中的薄弱部分与外界采掘揭露空间连通形成漏气通道，导致在抽采过程中钻孔与巷道相通而漏气，抽采的瓦斯浓度降低。

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3 提高瓦斯抽采浓度的改进措施

(1)捆绑树脂时操作不规范或树脂质量欠缺、反应时间过快，造成封孔段密封不严。即树脂膨胀后与钻孔孔壁密封不实直接导致钻孔与外界巷道漏气；注浆时浆液通过孔壁缝隙直接流入钻孔内，造成钻孔有效深度减小，钻孔底部瓦斯不可抽。钻孔外段与巷道外部揭露空间联通、漏气，从而降低抽采时的瓦斯浓度。

(2)严格管控钻孔封孔环节，提高封孔质量，对封孔工艺的每项步骤都精细操作，尤其要加强两端封堵树脂的质量管理，做好浆液配比，实现带压注浆封孔、多轮次补浆封孔。另外，采用更加先进的囊袋式“两堵一注”配合膨胀水泥封孔工艺，能够进一步提高瓦斯抽采浓度。

(3)为提高护孔筛管深入钻孔的深度，钻孔成孔后应该及时封孔、护孔，避免钻孔暴露时间过长造成塑性区塌孔。另外，采用中空钻杆配合专用的空心钻头，在钻孔施工到位后将护孔筛管通过中空钻杆内腔深入孔底，能够提高全孔护孔的成功率。

(4)采用变频瓦斯抽采泵，能够根据抽采系统承载的钻孔数量调节抽采负压，提高瓦斯抽采浓度。

(5)优先考虑使用自动放水器，并设有专人进行日常巡查和维护。

水平2～4答案正确，占了90.0%。正确率高是否说明学生理解了“数线上标小数”的实际意义？从对具体想法的统计中，我们发现并不是如此。水平2的46.7%的学生认为0或1后面几格就是零点几或一点几（如图3）；水平3的11.7%的学生先考虑箭头所指的位置处于哪两个整数之间（如图4），再按照水平2的方式进行思考。从中可以看出，这些学生并不清楚0.1的意义，但也能成功地给出正确答案。

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(6)保证作业质量，配备人员进行日常巡查和维护，发现钻孔漏气及时处理。

4 结语

通过分析可知，杨河煤业瓦斯抽采浓度偏低的根本影响因素为煤层瓦斯赋存条件，其次钻孔成孔质量对瓦斯抽采浓度起基础作用，钻孔封孔质量对瓦斯抽采浓度的影响起关键作用，决定了钻孔能否长期有效抽采。另外，护孔筛管的深度、抽采负压对抽采浓度起着较大的作用，抽采系统积水、抽采参数测试误差、抽采系统气密性则对抽采浓度的影响相对较小。

参考文献(References)：

本项目储能系统的收益主要来源于峰谷电价差收益。以上海市普通工业峰谷电价计算储能系统在削峰填谷中的经济效益，按照夏季3个月、非夏季9个月进行计算。根据上述运行方式和夏季、非夏季电价，给出基于峰谷电价差收益的储能项目收益计算模型：

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