瓦斯治理五項治本之策的方法與研究

郭長亮

1.前言

華晉焦煤公司沙曲礦各煤層瓦斯壓力大、含量高、煤層軟、并有突出危險，為解決這些難題，提出了開采保護層、區(qū)域預抽、優(yōu)化改造通風系統(tǒng)、提升瓦斯抽采系統(tǒng)能力、地面鉆孔抽采等綜合治理措施，明顯提高了瓦斯治理效果和資源利用率，大幅度減少了瓦斯積聚超限的次數(shù)。采取五項治本之策后，消滅了煤與瓦斯突出、瓦斯超限次數(shù)由09年345次減少到16年的1次、礦井風排瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.6%降低到現(xiàn)在的0.3%，從而保證了礦井通風安全、安全效果及技術(shù)經(jīng)濟效益非常顯著。

2. 礦井概況

沙曲礦初期生產(chǎn)能力為3Mt/a，2012年確定建設國家級瓦斯治理示范礦井，目前正實施“一礦變兩礦”改擴建工程，沙曲一礦設計能力5Mt/a，沙曲二礦設計能力3Mt/a。沙曲井田走向長22km，傾斜寬4.5～8km，面積 138.35km2，煤炭儲量22.52億噸。井田為一緩傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向自北向南由南北向漸變?yōu)楸蔽飨?，地表標高?00～900m。

井田可采煤層 8 層，分別是山西組 2 號、3 號、4 號、5 號煤層和太原組 6 號、8 號、9 號、10 號煤層，煤層以焦煤為主，總厚度 15.4m。區(qū)內(nèi)各煤層均處于瓦斯帶內(nèi)，瓦斯壓力大、含量高，各煤層瓦斯基礎參數(shù)如表1所示，2005年經(jīng)撫順煤科分院鑒定為煤與瓦斯突出礦井。

3. 沙曲礦瓦斯治理五項治本之策

為有效治理瓦斯，華晉公司多年來對國內(nèi)瓦斯治理技術(shù)進行了充分的研究，結(jié)合沙曲礦瓦斯賦存規(guī)律和瓦斯治理戰(zhàn)略，借鑒了國內(nèi)外瓦斯治理的成功經(jīng)驗，聘請國內(nèi)外知名專家、教授為沙曲礦瓦斯治理獻計獻策，并通過與中國礦業(yè)大學、河南理工大學、煤炭科學研究總院及沈陽研究院等科研院所進行科研合作，以煤礦瓦斯治理國家工程研究中心為平臺，經(jīng)過反復試驗、摸索、長期實踐和研究，提出了開采保護層、區(qū)域預抽、優(yōu)化改造通風系統(tǒng)、提升瓦斯抽采系統(tǒng)能力、地面鉆孔抽采五項治本之策，得到了以袁亮院士為首的行業(yè)專家高度評價。該經(jīng)驗對相似條件下近距離煤層群煤與瓦斯突出礦井的瓦斯綜合治理，實現(xiàn)煤與瓦斯共采有著重要的借鑒意義。

3.1 開采保護層

近距離突出煤層群條件決定了沙曲礦具有“一層開采，多層卸壓”的瓦斯涌出特點，為實現(xiàn)近距離突出煤層群條件下資源安全高效開采，礦井優(yōu)先選擇開采突出危險性較小的上保護層，從根本上治理瓦斯。

沙曲礦北翼2號煤下距3+4號煤、沙曲礦南翼3號煤下距4號煤一般在8～12m之間，突出危險性較小，煤層厚度0.7m以上的范圍達井田面積的60%以上，具備開采保護層的條件。經(jīng)過調(diào)研和技術(shù)論證于2008年提出開采沙曲礦北翼2號、沙曲礦南翼3號煤層，作為主采煤層4號、5號煤的上保護層，可明顯降低4號、5號煤層的瓦斯含量、壓力和地應力，實現(xiàn)下組層4號、5號煤層采掘工作面的區(qū)域消突，從根本上扭轉(zhuǎn)礦井防突工作的被動局面。開采上保護層將從根本上解決沙曲礦4號、5號煤的突出問題，緩解了礦井抽掘采矛盾。

目前沙曲礦北翼2號煤安全回采第三個工作面（2203綜采工作面）已經(jīng)正常推進約800m。沙曲礦南翼3號煤第一、二個工作面于2017年10月底全部形成。

沙曲礦目前掘進的2號、3號保護層，煤層厚度在0.6～1.3m之間。經(jīng)過調(diào)研論證，確定沙曲礦2號、3號煤層開采方法采用小型綜合機械化采煤。依據(jù)沙曲礦2號、3號煤原始地質(zhì)賦存條件及礦井隊伍素質(zhì)和技術(shù)水平，開采保護層綜采工作面采長150～200m，走向長度1000～1600m，順槽斷面寬×高=3.6×2.4m，軌道巷采用沿空留巷的方法，通風系統(tǒng)采用如圖1所示的“Y”型通風方式，配合布置底抽巷解決開采保護層期間瓦斯大量涌出問題。

2號和3號煤層盡管開采條件較差，但其先行開采，使4號和5號突出煤層得到有效地安全保護，可實現(xiàn)4號和5號突出煤層的安全生產(chǎn)。另一方面，2號、3號煤層為優(yōu)良主焦煤，采用小型綜采可大幅度提升2號、3號煤層資源回收率，創(chuàng)造顯著經(jīng)濟效益。2201、2202上保護層工作面現(xiàn)已安全回采收作，創(chuàng)造2億多元經(jīng)濟效益。

3.2區(qū)域性預抽

為了提高區(qū)域預抽效率和擴大區(qū)域預抽面積，沙曲礦進口了德國DDR-1200型、澳大利亞VLD-1000型長距離大直徑定向鉆機，也購置了國產(chǎn)的ZDY-4000L型、ZYWL-6500LP型履帶式鉆機，鉆孔施工工藝和鉆進深度有顯著提高。礦井主要采用大直徑長距離鉆孔立體式抽采、底抽巷+穿層鉆孔群等多種方法開展規(guī)模性、綜合性區(qū)域預抽措施。

3.2.1 長距離大直徑鉆機區(qū)域預抽煤層瓦斯

1）穿層鉆孔：區(qū)域預抽采面鄰近層瓦斯：利用現(xiàn)有巷道布置區(qū)域向預抽鉆場，向下施工長距離、大孔徑、大范圍的區(qū)域性預抽鉆孔，如在4307軌道巷向下施工穿層鉆孔區(qū)域預抽下鄰近5號煤瓦斯，如圖2所示。

2）順層鉆孔：

（1）區(qū)域預抽掩護本巷道掘進：掘進工作面正前施工順層鉆孔，孔深100-500m，在巷道兩側(cè)施工鉆孔，輻射巷道輪廓線兩側(cè)20m，如圖3所示。

（2）區(qū)域預抽掩護鄰近巷道掘進：利用現(xiàn)有巷道布置區(qū)域性預抽鉆場，施工順層鉆孔區(qū)域預抽掩護鄰近巷道掘進，如4208回風巷道施工順層鉆孔掩護4209軌道巷掘進，目前4209軌道巷位于被被護層卸壓范圍內(nèi)，卸壓瓦斯被預抽，日進尺大于10m，如圖4所示。

（3）區(qū)域預抽本煤層：施工順層鉆孔區(qū)域預抽本煤層采面，如4305回風巷向4306工作面施工區(qū)域預抽鉆孔，如圖5所示。

3.2.2 底抽巷區(qū)域預抽

由于沙曲礦南翼東翼3號煤煤層與4號部分合并后分開距較小，不適合保護層開采，所以區(qū)域防突措施改用鉆孔預抽煤層瓦斯，因此沙曲礦南翼三采區(qū)、五采區(qū)等不具備保護層開采條件的區(qū)域主要應用底抽巷預抽進行區(qū)域消突。對于沙曲礦近距離煤層群開采，采用底抽巷+穿層鉆孔群進行區(qū)域預抽，底抽巷布置在上組煤L5灰?guī)r底板，如圖6所示。

（1）采前掘進巷道區(qū)域預抽：將底抽巷布置在L5灰?guī)r底板6號煤中，利用底抽巷超前施工2號、3號、4號、5號煤穿層孔，對上覆各煤層進行區(qū)域性預抽和消突，掩護巷道掘進。如沙曲礦北翼北二2號底抽巷施工穿層鉆孔掩護2205軌道巷掘進，提前區(qū)域預抽，減少本巷道消突工程，提高突出煤層掘進進尺。

（2）采前采面本煤層和鄰近層區(qū)域預抽：利用底抽巷施工穿層鉆孔對本煤層區(qū)域預抽，如沙曲礦南翼三采區(qū)1#和2#底抽巷對4301采面和4302采面以及4303采面區(qū)域預抽；南翼四采區(qū)1#底抽巷對4號、5號煤區(qū)域預抽。

（3）采中抽采下鄰近層卸壓瓦斯：上保護層開采后，抽采下鄰近層卸壓瓦斯。如北翼二采區(qū)2#底抽巷施工穿層鉆孔區(qū)域預抽正在回采2203采面下伏的4號、5號煤。

（4）采后抽采采空區(qū)瓦斯：煤層開采后，本煤層和鄰近層瓦斯涌向采空區(qū)，底抽巷穿層鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，降低和利用采空區(qū)瓦斯。

（5）底抽巷布置在L5灰?guī)r底板，施工穿層鉆孔對上覆煤層瓦斯和采空區(qū)積水進行抽排。

3.3 優(yōu)化改造通風系統(tǒng)

通風能力是瓦斯治理的基礎，也是提升礦井生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。

（1）增加風井，提高風量。2009年沙曲礦在南翼增加了白家坡一對進回風立井，北翼增加了下龍花垣一對進回風井。目前，沙曲礦共有7個進風井，4個回風井，其中白家坡回風井與沙曲回風斜井擔負南翼區(qū)域回風；高家山回風井與下龍花垣回風井擔負北翼區(qū)域回風。礦井南翼風量由11000m3/min提高到23500m3/min，北翼風量由16000m3/min提高到27000m3/min，總風量從27000m3/min提高到50500m3/min。

（2）實現(xiàn)礦井和采區(qū)獨立通風。對礦井通風系統(tǒng)進行優(yōu)化，礦井南翼區(qū)域白家坡回風井與沙曲回風斜井實現(xiàn)獨立回風，北翼區(qū)域高家山回風井與下龍花垣回風井實現(xiàn)獨立回風。通風能力的大幅度增加，使得礦井風排瓦斯?jié)舛却蠓冉档?，由原來?.6%降低到現(xiàn)在的0.3%，從而保證了礦井通風安全，為各個采掘工作面施工提供了足夠的風量。沙曲礦對采區(qū)通風系統(tǒng)的調(diào)整，實現(xiàn)了分區(qū)通風。

3.4 提升瓦斯抽采系統(tǒng)能力

瓦斯抽采系統(tǒng)決定了礦井瓦斯抽采的效果，為了保證瓦斯抽采效果從三個方面進行礦井抽采系統(tǒng)改造。

（1）增大瓦斯抽采能力。沙曲礦抽采泵站增加大功率泵站，改造擴容后，抽采能力得到大幅度提高。

（2）優(yōu)化布置大直徑抽采管路。增加布置大直徑抽采管路，增大抽采能力。礦井布置三趟DN800mm大直徑抽采管路，一般采掘面都采用DN320mm抽采管路。

（3）合理分配抽采能力。采用分源分壓抽采管路，一般布置一趟抽采裂隙帶和本煤層鉆孔瓦斯，另外一趟抽采采空區(qū)和埋管抽采瓦斯。

經(jīng)過多年優(yōu)化改造，提高抽采系統(tǒng)能力，在2008年抽采系統(tǒng)改造的基礎上，進行抽采系統(tǒng)擴能。礦井的瓦斯抽采能力得到大幅度提高，瓦斯抽采能力由2009年的950m3/min提高到2016年的6050m3/min；礦井瓦斯抽采率由2009年的64.1%提高到2016年的67.54%；瓦斯抽采量由2009年的0.95億m3提高到2016年的1.94億m3，從根本上減少了瓦斯涌出。

3.5地面鉆井抽采

地面井瓦斯抽采主要在沙曲井田施工不同類型的地面煤層氣鉆井對井下瓦斯進行預抽。在沙曲礦北翼煤層較厚的區(qū)域以施工水平井為主，輔以壓裂直井補充水平井之間的盲區(qū)；在沙曲礦南翼煤層較薄的區(qū)域施工地面抽采井；在靠近煤層開采區(qū)的厚煤層區(qū)域，施工水平對接井；在靠近煤層開采區(qū)的薄煤層區(qū)域，施工防突井。目前沙曲礦區(qū)煤層氣開發(fā)由四家單位實施，分別是華晉焦煤公司、中聯(lián)煤層氣、富地柳林燃氣公司、沁水藍焰煤層氣開發(fā)公司。

沙曲礦井田范圍內(nèi)共施工各類鉆井359口。其中沙曲礦北翼共施工地面抽采井53口，其中水平井16口，地面抽采直井37口；沙曲礦南翼共施工地面抽采井306口，其中防突井12口，地面抽采直井239口，定向井55口。目前部分鉆井進入穩(wěn)產(chǎn)采氣及利用階段。

（1）地面抽采直井：防突井，地面抽采直井的一種，即在沙曲礦5年規(guī)劃區(qū)以內(nèi)布置，對4號主采煤層實施壓裂增透，然后封井，從井下巷道對目標區(qū)域施工抽采鉆孔，目前已施工12口防突井（其中3口已壓裂），井下單孔日采氣量約1000m3（0.6-0.7m3/min），產(chǎn)氣效果良好。另外還施工了346口抽采直井，其中沙曲礦北翼53口，沙曲礦南翼143口井已進入排采期。

（2）多分支水平對接井：華晉公司與寧夏煤田地質(zhì)局礦井災害治理研究院合作開展“地面多分支水平井與煤礦井下鉆孔對接抽采煤層瓦斯技術(shù)研究”項目，現(xiàn)已成功施工一口多分支水平對接井（24307水平井），從2012年12月17日至2017年6月18日累計產(chǎn)氣量1559萬m3，平均濃度86.1%，抽采效果良好。

基于24307多分支水平井的良好抽采效果，公司選定在沙曲礦北翼北五采區(qū)首采工作面施工一口多分支水平井井上下對接井下抽采井，該項目為《“多分支水平井井上下對接鉆孔井下規(guī)?；椴杉夹g(shù)示范（基于仿生瓦斯抽采理論的地面多分支水平井井下對接抽采關(guān)鍵技術(shù)研究）”》，此項目仍采用地面多分支水平井與井下抽采鉆孔對接技術(shù)，井下采用3+4號及5號煤層同時進行瓦斯抽采的新方式。

4 五項治本之策的應用效果

沙曲礦2009年至2016年礦井瓦斯涌出量、風排瓦斯量、抽采瓦斯量統(tǒng)計結(jié)果如表2和圖7所示。

表2和圖7為沙曲礦2009年至2016年礦井瓦斯涌出量、風排瓦斯量、抽采瓦斯量統(tǒng)計結(jié)果。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明沙曲煤礦在產(chǎn)量基本穩(wěn)定條件下，隨著開拓規(guī)模和煤層揭露面積的逐年擴大，風排瓦斯量與瓦斯涌出量呈逐年遞減趨勢，從2016年數(shù)據(jù)統(tǒng)計較2009年分別減少了66.94%、61.57%。這表明沙曲煤礦瓦斯綜合治理技術(shù)水平逐年在改善和提高。

圖8為沙曲礦8年內(nèi)瓦斯超限統(tǒng)計結(jié)果，從圖中也可以看到瓦斯積聚超限的次數(shù)從19年345次降到16年的1次，逐年瓦斯超限次數(shù)大幅度下降，表明沙曲煤礦瓦斯綜合治理水平的提高。

沙曲礦主采煤層瓦斯含量高、涌出量大、抽采難度較困難，煤層普遍具有突出危險性，瓦斯綜合治理任務異常艱巨，管理難度較大。但是經(jīng)過多年的實踐，礦井已經(jīng)逐漸摸索出一套適合沙曲煤礦瓦斯綜合治理技術(shù)措施和綜合利用途徑，使瓦斯災害威脅程度逐年降低，保證了礦井采掘工作面正?；夭伞?/p>

6 五項治本之策發(fā)展方向

通過五項治本之策的實施，在沙曲礦瓦斯治理工作方面取得了巨大的進展，其研究和發(fā)展方向不僅是五項治本之策成為煤礦瓦斯治理基本之策、防突與瓦斯治理技術(shù)核心和關(guān)鍵，還要成為煤與瓦斯共同采的技術(shù)核心和關(guān)鍵，成為煤礦安全生產(chǎn)、經(jīng)濟效益保障，但是由于客觀條件限制，目前還存在以下問題需要在實踐中逐步解決：

（1）調(diào)整采場布局，實施區(qū)域性瓦斯治理措施采取后，采場向2號、3號薄煤層轉(zhuǎn)移，保護層巷道掘進煤層薄、起伏大，超前預抽鉆孔施工難度大，鉆孔深度淺，預抽距離短，抽、掘不平衡，影響保護層投產(chǎn)工期，借鑒壓風排渣無芯保徑導向鉆進技術(shù)施工鉆孔。

（2）合理設計瓦斯治理工程，超前預抽主采突出煤層，工程量大，預抽時間長，采掘接替緊張，巷道開拓和煤炭生產(chǎn)的矛盾需要協(xié)調(diào)和處理。實施動態(tài)調(diào)整三區(qū)聯(lián)動，提前布局瓦斯治理工程。

（3）瓦斯綜合治理系統(tǒng)統(tǒng)環(huán)節(jié)多，管理難度大，需進一步提高各級人員管理水平。

（4）進一步加強低濃度瓦斯的綜合利用，如何保證環(huán)境和社會效益的同時，提高綜合經(jīng)濟效益。

7 結(jié)束語

為了更好開展瓦斯治理工作，對瓦斯治理模式深入分析探索。扎實開展井下保護層開采、超前鉆孔掩護煤巷掘進、順層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯治理模式，裂隙帶高位鉆孔、傾向高位瓦斯抽采巷、大孔徑鉆孔代替高抽巷、底板瓦斯抽采巷上向網(wǎng)格式穿層鉆孔抽采開采層和鄰近層瓦斯治理模式；采煤工作面采空區(qū)壓管抽采、密閉老空區(qū)壓管抽采、地面井抽采的采空區(qū)瓦斯治理模式；地面直井壓裂瓦斯抽采、地面多分支水平鉆井與千米鉆孔對接抽采等地面鉆井瓦斯治理模式，優(yōu)選與集成出近距離煤層群條件井上下聯(lián)合立體式抽采的瓦斯綜合治理技術(shù)體系，取得了良好的瓦斯治理效果，標志著沙曲礦瓦斯治理取得了突破性的進展、對相似條件下近距離煤層群煤與瓦斯突出礦井的瓦斯綜合治理，實現(xiàn)煤與瓦斯共采有著重要的借鑒意義。