淮南礦區(qū)煤與瓦斯共采技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展

李琰慶，唐永志，唐 彬，余 巖

（1.淮河能源控股集團(tuán) 煤炭開(kāi)采國(guó)家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南232001；2.淮河能源控股集團(tuán) 深部煤炭開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南232033；3.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南232001）

瓦斯治理是安全高效開(kāi)采的前提和基礎(chǔ)。針對(duì)瓦斯防治難題，周世寧[1]創(chuàng)建了“煤層瓦斯流動(dòng)理論”體系，提出了“煤層瓦斯應(yīng)力場(chǎng)”概念和“煤和瓦斯突出的流變假說(shuō)”；袁亮[2-3]探索出卸壓開(kāi)采抽采瓦斯理論，建立了卸壓開(kāi)采煤與瓦斯共采技術(shù)體系，指出深部煤層應(yīng)堅(jiān)持地面和井下相結(jié)合的煤與瓦斯共采模式；程遠(yuǎn)平等[4]提出了煤體卸荷滲透率演化概念模型，建立了考慮有效應(yīng)力和瓦斯吸附/解吸變形等因素的、以應(yīng)變?yōu)樽兞康拿后w卸荷損傷增透理論模型；胡千庭等[5]建立了預(yù)測(cè)預(yù)防煤與瓦斯突出災(zāi)害的理論技術(shù)體系，提出利用煤層采動(dòng)卸壓增透效應(yīng)采用地面鉆井充分抽采瓦斯；李強(qiáng)等[6]通過(guò)優(yōu)化松軟煤層順層孔鉆進(jìn)和下篩管工藝，鉆孔深度達(dá)到180 m；李平等[7]通過(guò)攻關(guān)頂板爬坡孔段和目標(biāo)層段定向鉆進(jìn)、完孔等技術(shù)，形成頂板復(fù)雜地層高位定向鉆孔施工工藝，實(shí)現(xiàn)鉆孔替代頂抽巷。淮南礦區(qū)煤體松軟、透氣性差，礦區(qū)堅(jiān)持高投入，全面推行卸壓開(kāi)采煤與瓦斯共采技術(shù)，2018 年杜絕了煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸事故，瓦斯超限次數(shù)控制到4 次。但是，隨著向深部開(kāi)采，瓦斯威脅程度和治理成本不斷增加，為此，在卸壓開(kāi)采煤與瓦斯共采理論和技術(shù)體系基礎(chǔ)上，創(chuàng)新煤與瓦斯共采新技術(shù)，以期破解深部瓦斯防治面臨的安全與經(jīng)濟(jì)難題。

1 卸壓開(kāi)采煤與瓦斯共采理論和技術(shù)體系

1.1 卸壓開(kāi)采抽采瓦斯理論

20 世紀(jì)六七十年代，周世寧院士從突出事故中發(fā)現(xiàn)含瓦斯的軟煤在地應(yīng)力作用下有明顯的流動(dòng)效應(yīng)，創(chuàng)造性地提出“煤和瓦斯突出的流變假說(shuō)”[8]，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室研究，建立了地應(yīng)力與瓦斯壓力、煤層透氣性系數(shù)之間的關(guān)系公式[9]：

式中：p0、p 為煤層初始和采動(dòng)后的瓦斯壓力，MPa；λ0、λ 為煤層初始和采動(dòng)后的透氣性系數(shù)，m2/（MPa·d）；ρ 為煤層的密度，kg/m3；σ 為地應(yīng)力，MPa；c、b 為待定常數(shù)。

21 世紀(jì)，袁亮院士開(kāi)展了煤的瓦斯解吸研究，發(fā)現(xiàn)采動(dòng)卸壓能明顯增加煤層透氣性，煤中大量吸附瓦斯解吸為游離瓦斯，可抽采性大大增加，并打破傳統(tǒng)自上而下開(kāi)采煤層程序，系統(tǒng)研究了采動(dòng)巖層移動(dòng)規(guī)律及裂隙發(fā)育特征、瓦斯流動(dòng)流動(dòng)規(guī)律和瓦斯抽采方法，創(chuàng)立了卸壓開(kāi)采抽采瓦斯理論[2]，卸壓開(kāi)采抽采瓦斯防治煤與瓦斯突出原理如圖1。

圖1 卸壓開(kāi)采抽采瓦斯防治煤與瓦斯突出原理Fig.1 Principle of preventing coal and gas outburst by gas extraction in pressure relief mining

在煤層群中選擇無(wú)突出危險(xiǎn)或弱突出危險(xiǎn)的煤層作為保護(hù)層首先開(kāi)采，充分利用采動(dòng)造成上下煤巖層膨脹變形和松動(dòng)卸壓，增加突出煤層的透氣性，解吸出大量游離瓦斯，然后通過(guò)施工抽采巷、鉆孔、鉆井等集中抽采卸壓瓦斯，消除（或降低）煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，達(dá)到區(qū)域治理瓦斯目的。并據(jù)此提出卸壓開(kāi)采抽采瓦斯技術(shù)模式[10]，卸壓開(kāi)采抽采瓦斯技術(shù)模式如圖2。上被保護(hù)層在保護(hù)層開(kāi)采形成的裂隙帶內(nèi)，利用頂抽巷直接抽采卸壓瓦斯消突；下被保護(hù)層處于保護(hù)層開(kāi)采形成的地應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)、底板破壞帶外，有一定厚度的完整巖層防止卸壓瓦斯涌入保護(hù)層工作面，但需提前施工底抽巷和鉆孔抽采卸壓瓦斯消突。

圖2 卸壓開(kāi)采抽采瓦斯技術(shù)模式Fig.2 Technical model of gas extraction in pressure relief mining

1.2 煤與瓦斯共采技術(shù)體系

“十五”“十一五”期間，淮南礦業(yè)集團(tuán)聯(lián)合高校和科研院所，針對(duì)淮南礦區(qū)不同的煤與瓦斯賦存條 件，經(jīng)過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)和抽采效果的考察與論證，形成不具備開(kāi)采保護(hù)層的首采突出危險(xiǎn)煤層消突技術(shù)、開(kāi)采遠(yuǎn)程下保護(hù)層上向卸壓抽采瓦斯技術(shù)、開(kāi)采近距離上保護(hù)層抽采下被保護(hù)層瓦斯技術(shù)和依次向上（下）開(kāi)采卸壓抽采瓦斯技術(shù)，構(gòu)建出一套完整的煤與瓦斯共采技術(shù)體系[11]。

1）首采突出危險(xiǎn)煤層消突技術(shù)。隨著向深部開(kāi)采，作為保護(hù)層開(kāi)采的非突煤層升級(jí)為突出煤層，需要先消突再開(kāi)采。通常采用巷旁充填留巷[12]、原巷充填掘巷[13]或留窄煤柱掘巷3 種無(wú)煤柱開(kāi)采方法，沿采空區(qū)布置煤巷，確保在采動(dòng)應(yīng)力降低區(qū)無(wú)突出危險(xiǎn)條件下掘巷；非采空區(qū)側(cè)煤巷則通過(guò)頂（底）抽巷施工條帶穿層鉆孔，實(shí)施區(qū)域消突后掘進(jìn)；然后利用工作面兩巷施工煤層順層鉆孔進(jìn)行全覆蓋消突。如謝一礦15 煤為弱突出煤層，直接采用鉆孔預(yù)抽瓦斯進(jìn)行消突，5131（5）工作面回風(fēng)巷留設(shè)6 m寬煤柱沿采空區(qū)布置，運(yùn)輸巷沿實(shí)體煤掘進(jìn)，工作面掘進(jìn)和回采時(shí)最大鉆屑量為5.5 kg/m、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)為0.26 mL/（g·min1/2），瓦斯壓力由0.9 MPa降為0.4 MPa，瓦斯含量由8.8 m3/t 降為5.3 m3/t，表明該工作面無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

2）開(kāi)采遠(yuǎn)程下保護(hù)層上向卸壓抽采瓦斯技術(shù)。上被保護(hù)層處于下保護(hù)層開(kāi)采的裂隙帶外、彎曲下沉帶內(nèi)，確保其離層形成順層張裂隙，產(chǎn)生瓦斯解吸和順層流動(dòng)，并通過(guò)提前施工的底抽巷和鉆孔抽采存留在煤層中的卸壓瓦斯[14]，使卸壓層間距達(dá)到50 倍采高，突破了30 倍采高的傳統(tǒng)理論。如潘三礦13 煤通過(guò)開(kāi)采下伏66.7 m（35 倍采高）的11 煤實(shí)施卸壓抽采瓦斯，2121（3）工作面13 煤瓦斯壓力由4.4 MPa 降為0.5 MPa，瓦斯含量由13.2 m3/t 降為4.9 m3/t，煤層透氣性系數(shù)由0.011 m2/（MPa2·d）增加到32.687 m2/（MPa2·d），增大2970 倍。開(kāi)采遠(yuǎn)程下保護(hù)層上向卸壓抽采瓦斯如圖3。

圖3 開(kāi)采遠(yuǎn)程下保護(hù)層上向卸壓抽采瓦斯Fig.3 Gas extraction from upper layer by mining remote lower protective layer

3）開(kāi)采近距離上保護(hù)層抽采下被保護(hù)層瓦斯技術(shù)。開(kāi)采近距離上保護(hù)層抽采下被保護(hù)層瓦斯如圖4，由于上保護(hù)層與下被保護(hù)層層間距較小，底板裂隙發(fā)育至下被保護(hù)層，導(dǎo)致卸壓瓦斯直接涌入上保護(hù)層，需要在下被保護(hù)層施工底抽巷和鉆孔進(jìn)行采前預(yù)抽瓦斯和采后抽采攔截卸壓瓦斯，同時(shí)利用高抽巷、地面鉆井等加強(qiáng)抽采攔截上隅角和采空區(qū)的卸壓瓦斯[15]。如謝一礦開(kāi)采15 煤保護(hù)下伏15 m 的13 煤，5121（5）工作面原始瓦斯壓力0.7 MPa，含量6.1 m3/t，對(duì)應(yīng)的13 煤原始瓦斯壓力3.5 MPa，含量15. 9 m3/t，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量50.85 m3/min，底板巷穿層鉆孔抽采瓦斯21.70 m3/min，高抽巷等抽采瓦斯24.35 m3/min，累計(jì)抽采瓦斯46.05 m3/min，抽采率90.6%，配風(fēng)2 000 m3/min，回風(fēng)流瓦斯在0.24%左右，保護(hù)層實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采的同時(shí)，被保護(hù)層也獲得充分采動(dòng)卸壓。

圖4 開(kāi)采近距離上保護(hù)層抽采下被保護(hù)層瓦斯Fig.4 Gas extraction from lower layer by mining close upper protective layer

4）依次向上（下）開(kāi)采卸壓抽采瓦斯技術(shù)。突出煤層群的中間有一非突出煤層，將此煤層作為保護(hù)層優(yōu)先開(kāi)采，然后按順序向上（下）逐層開(kāi)采、依次卸壓，實(shí)現(xiàn)“中間來(lái)一刀，上下都解放”。治理瓦斯技術(shù)為前述技術(shù)的組合。

2 井下鉆孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采新模式

雖然卸壓開(kāi)采煤與瓦斯共采技術(shù)成效顯著，但為了根治瓦斯，瓦斯治理工程量大（開(kāi)采保護(hù)層約300 萬(wàn)m2/a，施工瓦斯治理巖巷20 m/萬(wàn)t、抽采鉆孔2 000 m/萬(wàn)t），周期長(zhǎng)（從瓦斯治理工程準(zhǔn)備到被保護(hù)層采完需要4.5 年），用工多（平均5 000 余人/礦），成本高（噸煤成本高達(dá)300 余元）。深部開(kāi)采瓦斯災(zāi)害加劇、成本巨高，迫使依靠技術(shù)創(chuàng)新化危為安。2016 年煤炭行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)困難情況下，與中煤科工西安研究院聯(lián)合攻關(guān)《煤層順層鉆孔和頂板高位鉆孔施工及抽采瓦斯技術(shù)》。

2.1 煤層順層鉆孔“一孔兩消”抽采瓦斯技術(shù)

煤層順層鉆孔在工作面沿采空區(qū)側(cè)回風(fēng)巷內(nèi)施工，鉆孔順煤層橫穿工作面至另一側(cè)待掘的運(yùn)輸巷輪廓線外15 m 以上，對(duì)工作面和運(yùn)輸巷一并消突，即“一孔兩消”，為瓦斯治理贏得時(shí)間和空間，取代頂、底抽巷和穿層鉆孔[16]。選用ZDY6000LD（F）型鉆機(jī)和MLGF17/12.5-132G 型空氣壓縮機(jī)，采用空氣馬達(dá)和鉆機(jī)雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)高效鉆井，研制φ103 mm 可開(kāi)閉式鉆頭進(jìn)行跟管鉆進(jìn)防治垮孔，并安裝無(wú)線電磁波隨鉆測(cè)量糾偏裝置實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)。

潘三礦17102(3)工作面原始瓦斯壓力2.8 MPa、含量8.4 m3/t。通過(guò)回風(fēng)巷施工煤層順層鉆孔，孔間距5 m，深度不低于220 m，抽采瓦斯?jié)舛?0%左右，百孔抽采純量21.5 m3/min。抽采后實(shí)測(cè)最大殘余瓦斯壓力0.35 MPa、含量3.69 m3/t，抽采效果達(dá)標(biāo)，省去了待掘運(yùn)輸巷條帶穿層鉆孔及相應(yīng)的頂（底）抽巷，且工作面和待掘煤巷實(shí)現(xiàn)“一孔兩消”。

2.2 頂板高位鉆孔替代頂抽巷抽采瓦斯技術(shù)

頂板高位鉆孔在工作面回風(fēng)巷內(nèi)施工，布置在回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)頂板的巖層裂隙帶內(nèi)，抽采采空區(qū)卸壓瓦斯，攔截瓦斯流向上隅角，取代頂抽巷，大幅度提高瓦斯治理工程施工進(jìn)度[16]。選用ZDY12000LD 型鉆機(jī)和BLY460/13 型泥漿泵車(chē)，泥漿泵輸送高壓水驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭的同時(shí)，鉆機(jī)動(dòng)力頭通過(guò)鉆桿帶動(dòng)鉆頭同向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙動(dòng)力鉆進(jìn)，單孔深度可達(dá)1 500 m。首先采用φ120 mm 定向鉆頭和泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量糾偏裝置施工定向先導(dǎo)孔，然后采用φ153 mm 和φ220 mm 鉆頭擴(kuò)孔。

顧橋礦1123（3）工作面施工頂板高位鉆孔10個(gè)，深度500 m 以上鉆孔7 個(gè)，總進(jìn)尺4 643 m，抽采瓦斯?jié)舛葹?0%～30%，抽采瓦斯混合量達(dá)40 m3/min以上，抽采純均達(dá)到10 m3/min 以上。頂板高位鉆孔與頂抽巷的抽采瓦斯效果基本相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)替代作用。

2.3 井下鉆孔實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采新模式

在煤層順層鉆孔和頂板高位鉆孔技術(shù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出井下鉆孔實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采新模式。選擇非突或弱突出危險(xiǎn)煤層作為保護(hù)層首先開(kāi)采，工作面無(wú)煤柱或留設(shè)窄小煤柱布置，沿采空區(qū)側(cè)煤巷掘進(jìn)后，施工煤層順層鉆孔對(duì)工作面和非采空區(qū)側(cè)待掘煤巷消突，然后再掘進(jìn)和回采。與此同時(shí)，對(duì)應(yīng)的上、下被保護(hù)層工作面通過(guò)采空區(qū)側(cè)煤巷施工頂板高位鉆孔和煤層順層鉆孔抽采卸壓瓦斯。該模式取消了頂、底抽巷，節(jié)省了穿層鉆孔，降低瓦斯治理成本在30%以上。井下鉆孔實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采新模式如圖5。

圖5 井下鉆孔實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采新模式Fig.5 New mode of coal and gas mining by underground drilling

3 地面鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采新方案

3.1 地面鉆井技術(shù)進(jìn)展及抽采瓦斯應(yīng)用

我國(guó)地面鉆井技術(shù)成熟于石油行業(yè)，1990 年以來(lái)獲得了突飛猛進(jìn)發(fā)展，自主研制出了旋沖鉆進(jìn)、隨鉆測(cè)井、近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向、連續(xù)下管、分段壓裂等核心裝備的萬(wàn)米鉆機(jī)及配套裝備，形成大位移水平井、三維多目標(biāo)井、側(cè)鉆水平井、分支水平井等特殊鉆井工藝[17-18]。煤炭行業(yè)從20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始開(kāi)展地面鉆井抽采瓦斯試驗(yàn)，截止1998 年施工地面鉆井136 口，以垂直井為主，每口井平均長(zhǎng)700～800 m。2006 年煤層氣開(kāi)發(fā)列入“十一五”國(guó)家能源發(fā)展規(guī)劃，開(kāi)始有計(jì)劃地引入石油行業(yè)先進(jìn)鉆井技術(shù)，截止2016 年施工水平井607 口[19]。探索試驗(yàn)較成功的是2013 年華晉焦煤沙曲煤礦24307 工作面，采用多分支水平鉆井與井下鉆孔連通，輻射整個(gè)采煤工作面，抽采瓦斯18 000 m3/d，濃度達(dá)90%以上[20]。

3.2 地面特殊鉆井技術(shù)治理瓦斯技術(shù)方案

根據(jù)石油工業(yè)鉆井技術(shù)水平和煤炭行業(yè)探索試驗(yàn)情況，提出采用側(cè)鉆水平井和分支水平井治理瓦斯技術(shù)方案?；謴?fù)傳統(tǒng)的自上而下開(kāi)采煤層程序，采用側(cè)鉆水平井或分支水平井對(duì)單一和遠(yuǎn)距離突出煤層或突出煤層群首采煤層預(yù)抽瓦斯消突，并結(jié)合采動(dòng)卸壓影響情況對(duì)下鄰近煤層采用分支水平井提前預(yù)抽和采后卸壓抽采瓦斯，以及采用側(cè)鉆水平井代替頂抽巷加強(qiáng)抽采采后卸壓瓦斯。該方案從地面進(jìn)行區(qū)域超前治理瓦斯，不僅使職工遠(yuǎn)離井下危險(xiǎn)源，保證強(qiáng)突煤層在安全狀態(tài)下作業(yè)；而且省去了井下瓦斯治理巷道和鉆孔工程，降低了安全生產(chǎn)成本；還做到地面超前治理瓦斯，破解了井下采、掘、抽接替矛盾。地面鉆井實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采新方案如圖6。

圖6 地面鉆井實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采新方案Fig.6 New scheme of coal and gas mining by ground special drilling

4 結(jié) 語(yǔ)

淮南礦區(qū)面對(duì)曾經(jīng)頻發(fā)的瓦斯事故，痛下決心治瓦斯，逐步探索認(rèn)識(shí)到瓦斯災(zāi)害是瓦斯場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用的結(jié)果，并從應(yīng)力這個(gè)災(zāi)害源頭入手，創(chuàng)立了卸壓開(kāi)采煤與瓦斯共采理論，形成了瓦斯治理“淮南模式”。近年來(lái)，又攻關(guān)井下鉆孔和地面鉆井治理瓦斯技術(shù)，不斷優(yōu)化煤與瓦斯共采技術(shù)，取得了一定的成效，既解決了制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，也為行業(yè)安全狀況好轉(zhuǎn)作出了貢獻(xiàn)。但是由于淮南礦區(qū)自然開(kāi)采條件復(fù)雜，防治煤與瓦斯突出工作依然很艱巨，瓦斯綜合防治工作始終在路上！