“三化一工程”瓦斯抽采精細(xì)化管理

俞宏慶，郭艷飛，李學(xué)臣，王良金

（焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河南 焦作454000）

2019 年全國原煤產(chǎn)量完成38.5 億t，同比增長4.0%，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的57.7%，與能源結(jié)構(gòu)調(diào)整無法快速改變相對應(yīng)的是長久以來制約煤礦安全生產(chǎn)的瓦斯災(zāi)害防治等重大難題。隨著我國煤炭開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，開采深度逐步增加，煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水害、熱害等災(zāi)害威脅日益嚴(yán)重，復(fù)合災(zāi)害加劇[1-3]，其中尤以瓦斯事故更為嚴(yán)重。我國煤礦瓦斯抽采技術(shù)由單一井下抽采，逐步向地面與井下聯(lián)合抽采、地面預(yù)抽轉(zhuǎn)變[4]，以“淮南模式”—煤群采動(dòng)卸壓瓦斯立體抽采[5-6]和“晉城模式”—煤礦區(qū)瓦斯三區(qū)聯(lián)動(dòng)立體抽采[7-8]為代表的地面鉆井法煤與瓦斯共采技術(shù)已趨于成熟。然而，針對高瓦斯低透氣性單一厚煤層，目前仍然主要依靠典型的井下巷道抽采模式，實(shí)現(xiàn)卸壓區(qū)煤與瓦斯共采[4]。各礦區(qū)結(jié)合自身煤層賦存特征分別提出了“一孔兩消技術(shù)”（淮南）[9-11]、遞近掩護(hù)方式（盤江）、水力壓裂技術(shù)（松藻）[12]、“7+3”瓦斯治理模式（陽煤），并取得了良好效果。焦作礦區(qū)自20 世紀(jì)50 年代開始嘗試井下局部抽放，至2009 年進(jìn)入抽采鉆孔全掩護(hù)階段，礦井安全形勢得到有效改善，但在煤巷掘進(jìn)過程中仍發(fā)生了3 起突出事故，瓦斯抽采由本煤層順層鉆孔抽采全面轉(zhuǎn)為底抽巷穿層鉆孔掩護(hù)。但礦井單產(chǎn)單進(jìn)仍保持較低水平、抽-掘-采矛盾日益凸顯、生產(chǎn)成本居高不下，究其原因，必須在加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)工藝革新、技術(shù)裝備升級的同時(shí)，創(chuàng)新精細(xì)化管理方式，進(jìn)一步夯實(shí)、規(guī)范瓦斯抽采措施?；诖?，以“三化一工程”建設(shè)為背景，介紹焦煤公司瓦斯抽采精細(xì)化管理舉措及實(shí)施效果，為突出礦井底板巖巷穿層鉆孔抽采模式下，進(jìn)一步提高瓦斯治理效果、消除薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)安全高效開采提供借鑒。

1 焦作礦區(qū)瓦斯治理變革

1.1 焦作礦區(qū)概況

焦作礦區(qū)位于華北板塊太行山斷隆區(qū)南緣山前斷裂帶，為太行山背斜的東南翼[13]。煤系地層屬石炭二疊系，主采煤層為山西組二1 煤層，煤層平均厚度6 m，傾角10°～15°，煤層瓦斯含量5～42 m3/t，煤層瓦斯壓力0.1～3.05 MPa，透氣性系數(shù)0.189 1～1.769 1 m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.026～0.030 1 d-1。礦區(qū)瓦斯含量高、壓力大、煤層透氣性差，瓦斯、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，是全國嚴(yán)重的煤與瓦斯突出礦區(qū)之一。

焦作煤礦自1898 年建礦以來已有120 余年歷史，是全國主要無煙煤生產(chǎn)基地之一。自1955 年6月24 日李封礦天官區(qū)發(fā)生第1 次煤與瓦斯突出以來，至今共發(fā)生煤與瓦斯突出事故371 起。其中2011 年10 月27 日，九里山礦16031 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面發(fā)生的煤與瓦斯突出事故，是焦煤歷史上突出煤量、瓦斯量最大的突出事故，突出煤量3 246 t，瓦斯量29.12 萬m3；最近1 次煤與瓦斯突出事故發(fā)生在2018 年5 月14 日，中馬村礦39061 切眼掘進(jìn)工作面，突出煤量77.28 t，瓦斯量5 961 m3。焦煤公司歷年瓦斯突出次數(shù)統(tǒng)計(jì)情況如圖1。

圖1 焦煤公司歷年瓦斯突出次數(shù)統(tǒng)計(jì)情況Fig.1 Statistics on the number of gas outburst per year in Jiaozuo Coal Company

1.2 瓦斯防治技術(shù)發(fā)展過程

1）第1 階段：排放鉆孔+局部抽放。1955—1988年，自焦作礦區(qū)發(fā)生第1 次煤與瓦斯突出事故后，開始探索防突技術(shù)，由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)突出礦井較少，國家沒有正規(guī)的防突技術(shù)路線和規(guī)定，沒有標(biāo)準(zhǔn)可依，僅采取簡單的排放鉆孔（1965 年開始安裝抽放泵進(jìn)行抽放，1987 年開始瓦斯民用）。

2）第2 階段：綜合局部措施+全面抽采。1988—2009 年（1988 年4 月第1 部《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》發(fā)布實(shí)施，1995 年5 月1 日第2 部《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》原煤炭工業(yè)部煤安字［1995］30 號發(fā)布實(shí)施），按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》（1988 年版、1995 年版）要求，煤巷掘進(jìn)采取排放鉆孔、松動(dòng)爆破等局部防突措施，揭煤、回采工作面采取抽放措施。（2008 開始瓦斯發(fā)電）

3）第3 階段：順層鉆孔全掩護(hù)。2009—2011 年（2009 年8 月1 日《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》發(fā)布實(shí)施），按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求并結(jié)合焦作礦區(qū)實(shí)際，采取“順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯+順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯”區(qū)域防突措施。

4）第4 階段：穿層條帶+順層回采區(qū)域。2012—2018 年（九里山礦2011 年“10·27”煤與瓦斯突出事故后），嚴(yán)格按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》采取“穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯+順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯”區(qū)域防突措施。

5）第5 階段：穿層鉆孔全掩護(hù)。2019 年至今（中馬村礦2018 年“5·14”煤與瓦斯突出事故后），嚴(yán)格按照河南省瓦斯防治“雙十條”及“登封會(huì)議32 條”要求，采取“穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯+穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯”區(qū)域防突措施，即穿層鉆孔全掩護(hù)。

1.3 現(xiàn)階段瓦斯防治工作存在的問題

雖然焦煤公司瓦斯治理技術(shù)經(jīng)歷了5 個(gè)階段的發(fā)展和提升，認(rèn)識也由最初的對付、應(yīng)付、消極被動(dòng)治理轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的積極主動(dòng)治理。先后采取立體化抽采、水力化增透[14-18]、定向長鉆孔抽采[19-20]等措施，但在采取“穿層鉆孔全掩護(hù)”區(qū)域防突措施的過程中，仍存在著一些管理上的不足：鉆孔施工、封孔等關(guān)鍵環(huán)節(jié)監(jiān)督不到位，治理效果沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；瓦斯抽采量分區(qū)段計(jì)量、單孔沖煤計(jì)量不精準(zhǔn)，難以保證煤層區(qū)域整體、均勻治理。因此，必須在加強(qiáng)瓦斯治理關(guān)鍵技術(shù)研究的同時(shí)，進(jìn)一步提升管理舉措，確保區(qū)域措施執(zhí)行到位、瓦斯治理效果達(dá)標(biāo)。

2 瓦斯抽采“三化一工程”

2.1 瓦斯抽采“三化一工程”建設(shè)

“三化一工程”理念是在結(jié)合“7+3”瓦斯治理陽泉模式以及“一個(gè)鉆孔就是一項(xiàng)工程”的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的，即抽采標(biāo)準(zhǔn)化、打鉆視頻化、計(jì)量精準(zhǔn)化、一個(gè)鉆孔就是一項(xiàng)工程，進(jìn)一步細(xì)化瓦斯抽采管理，提升區(qū)域瓦斯治理效果。

1）抽采標(biāo)準(zhǔn)化。規(guī)范底抽巷瓦斯抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)，細(xì)化封孔聯(lián)網(wǎng)抽采工藝。主抽采管路、分單元管路、分源抽采管路從上到下依次固定，管路統(tǒng)一編號。單孔采取“兩堵一注”或“兩堵兩注”帶壓封孔工藝，配合“通管直聯(lián)”技術(shù)聯(lián)入各分單元管路?，F(xiàn)場抽采管路鋪設(shè)及連孔標(biāo)準(zhǔn)化效果如圖2。

圖2 現(xiàn)場抽采管路鋪設(shè)及連孔標(biāo)準(zhǔn)化效果圖Fig.2 Effect diagram of standardization of pipeline laying and connecting holes

2）打鉆視頻化。將鉆孔施工自穩(wěn)設(shè)鉆機(jī)至通過直連抽采劃分為12 道工序，全程采用分辨率不低于720 P 的高清攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對鉆孔定位、沖孔、沖煤計(jì)量驗(yàn)收、撤鉆、封孔、鉆孔參數(shù)驗(yàn)收6 個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)行舉牌確認(rèn)。按照工作面、巷道、組孔、單孔建立分級視頻影像資料管理，確保鉆孔臺賬、鉆孔視頻臺賬和井下原始記錄三對照。實(shí)現(xiàn)治理過程的安全管理和質(zhì)量管控，做到質(zhì)量可靠、過程可溯。

3）計(jì)量精準(zhǔn)化。將底抽巷每200 m 區(qū)段劃分為1 個(gè)評價(jià)單元，安裝分單元自動(dòng)計(jì)量裝置，建立基于煤層原始瓦斯含量、抽采單元內(nèi)瓦斯儲量、分單元抽采累計(jì)量和抽采趨勢等參數(shù)的抽采達(dá)標(biāo)預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對分單元區(qū)域的瓦斯抽采效果智能監(jiān)測。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)沖煤精準(zhǔn)計(jì)量、確保沖孔均勻卸壓，實(shí)行“一鉆一篩一計(jì)量”，組孔煤段沖煤總量不低于0.6 t/m。

4）一鉆孔一工程。每個(gè)鉆孔做到“五有、兩分析”，“五有”即每個(gè)鉆孔有設(shè)計(jì)、有視頻、有施工及沖孔臺賬、有抽采臺賬、有竣工剖面，“兩分析”即及時(shí)對鉆孔竣工剖面及抽采情況進(jìn)行分析，特別是對當(dāng)日鉆孔施工、抽采異常信息進(jìn)行收集、分析，查找問題原因，制定預(yù)防、整改措施。

2.2 “三化一工程”實(shí)施保障措施

1）考察鉆孔有效抽采半徑，為設(shè)計(jì)提供充分依據(jù)?？疾觳煌俊⒉煌瑳_孔煤量、不同抽采時(shí)間鉆孔有效抽采半徑，為瓦斯抽采提供詳實(shí)、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù)，使抽采設(shè)計(jì)更合理、更優(yōu)化、更符合實(shí)際。

2）考察穿層鉆孔偏斜規(guī)律，制定針對性措施。考察分析鉆孔測斜數(shù)據(jù)，針對焦作礦區(qū)穿層鉆孔偏斜規(guī)律，制定針對性措施：傾角≥60°、孔深≤30 m的鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)基本保持一致，按照設(shè)計(jì)施工；傾角20°～60°、孔深30～70 m 鉆孔軌跡較設(shè)計(jì)發(fā)生一定偏斜，但終孔位置在設(shè)計(jì)允許誤差內(nèi)，相鄰鉆孔之間不存在抽采空白帶，提高鉆孔測斜比例，特別是孔深大于60 m 的鉆孔全部測斜，根據(jù)測斜結(jié)果采取針對性措施；傾角＜20°、孔深＞70 m 鉆孔部分軌跡偏斜超出設(shè)計(jì)誤差范圍、存在抽采空白帶，以定向鉆機(jī)施工為主，或控制底抽巷間距≤75 m、設(shè)計(jì)鉆孔深度≤70 m。

3）研制鉆孔施工作業(yè)防護(hù)系統(tǒng)，解決瓦斯超限難題。針對穿層鉆孔水力沖孔增透期間，大量的瓦斯及煤渣在高壓水流的作用下瞬間噴出鉆孔，引起孔口附近短時(shí)間瓦斯超限，研制鉆孔施工作業(yè)密封緩沖防超限防護(hù)系統(tǒng)，集合孔口的擠壓膨脹密封、煤水自動(dòng)排放密封、高壓瓦斯減壓緩沖功能，顯著降低鉆孔施工期間瓦斯超限次數(shù)，為安全施工提供保障。鉆孔施工作業(yè)密封緩沖防超限防護(hù)系統(tǒng)如圖3。

圖3 鉆孔施工作業(yè)密封緩沖防超限防護(hù)系統(tǒng)Fig.3 Protection system of gas over-limit by sealing and buffer function in drilling operation

3 瓦斯抽采“三化一工程”實(shí)施效果

3.1 煤巷掘進(jìn)效果對比

實(shí)施底板巖巷穿層鉆孔強(qiáng)化抽采之后，煤巷瓦斯抽采治理效果明顯。對比古漢山礦目前正在施工的1606 運(yùn)輸巷與16031 運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷掘進(jìn)期間相關(guān)數(shù)據(jù)：16031 運(yùn)輸巷抽采達(dá)標(biāo)期15 個(gè)月，掘進(jìn)期間采取每循環(huán)實(shí)施超前排放鉆孔強(qiáng)化措施控制瓦斯超限，絕對瓦斯涌出量平均為1.03 m3/min，掘進(jìn)速度平均為76 m/月，區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)出現(xiàn)6 次超標(biāo)現(xiàn)象，風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.78%；16031 回風(fēng)巷抽采達(dá)標(biāo)期50 個(gè)月，掘進(jìn)期間采取每循環(huán)實(shí)施超前排放鉆孔強(qiáng)化措施控制瓦斯超限，絕對瓦斯涌出量平均為0.8 m3/min，掘進(jìn)速度平均為81 m/月，區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)出現(xiàn)3 次超標(biāo)現(xiàn)象，風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.69%。

1606 運(yùn)輸巷區(qū)域煤層厚度5～7.01 m，平均厚度5.6 m，煤層原始瓦斯含量28.04 m3/t，原始瓦斯壓力1.3 MPa。通過實(shí)施穿層鉆孔強(qiáng)化抽采，抽采達(dá)標(biāo)期24 個(gè)月，掘進(jìn)期間未采取任何局部強(qiáng)化措施，區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.52%，絕對瓦斯涌出量平均為0.63 m3/min，實(shí)施大斷面一次成巷，掘進(jìn)速度達(dá)到118 m/月以上，平均正常日進(jìn)尺達(dá)到5 m，初步實(shí)現(xiàn)了高效快速掘進(jìn)。

3.2 回采工作面效果對比

對比分析采取全區(qū)段穿層抽采掩護(hù)的回采工作面與以往回采工作面的瓦斯治理效果，選取古漢山礦1604 綜放工作面和16031 分層綜采工作面為例。16031 工作面走向長690～770 m，平均走向長730 m，傾向長157 m，煤層厚度5.0～5.5 m，平均煤厚5.2 m。原始瓦斯含量25.08 m3/t，原始瓦斯壓力1.11 MPa。在1603 一號底抽巷施工條帶穿層鉆孔掩護(hù)16031 回風(fēng)巷掘進(jìn)，1603 二號底抽巷施工條帶穿層鉆孔和中深孔掩護(hù)16031 運(yùn)輸巷掘進(jìn)，在16031回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷施工順層鉆孔抽采16031 工作面瓦斯。抽采達(dá)標(biāo)評判前共抽出瓦斯量3 190.4 萬m3，實(shí)測煤層殘余瓦斯含量最大值為5.64 m3/t，計(jì)算殘余瓦斯壓力0.237 MPa，采取分層綜合機(jī)械化開采方式。回采期間，16031 工作面每天檢修班必須施工強(qiáng)化超前排放鉆孔防止瓦斯超限，但仍有瓦斯超限現(xiàn)象發(fā)生；區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)△h2最大值達(dá)到156.8 Pa，鉆屑量最大值3.8 kg/m、瓦斯涌出初速度最大值2.0 L/min；工作面產(chǎn)能平均僅達(dá)到4.5 萬t/月，平均絕對瓦斯涌出量為3.90 m3/min。

1604 工作面走向長975.6～1 008.4 m，傾向長152 m，煤層厚4.8～5.5 m，平均厚5.2 m。原始瓦斯含量28.04 m3/t，原始瓦斯壓力1.11 MPa。通過1604運(yùn)輸、切眼底抽巷對1604 工作面采取底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施；利用6條傾向底抽巷對工作面中部施工穿層鉆孔進(jìn)行抽采；在1604 走向中間底抽巷施工穿層鉆孔，對工作面中上部進(jìn)行強(qiáng)化抽采，實(shí)現(xiàn)穿層鉆孔對工作面全覆蓋。抽采達(dá)標(biāo)評判前共抽出瓦斯量3 927.2 萬m3，實(shí)測煤層殘余瓦斯含量最大值為5.84 m3/t，計(jì)算殘余瓦斯壓力0.27 MPa，采取綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝。截至目前，1604 工作面已安全回采610 m，回采期間未發(fā)生瓦斯超限、區(qū)域驗(yàn)證超標(biāo)、頂鉆、噴孔等現(xiàn)象，平均月產(chǎn)量8.33 萬t，工作面產(chǎn)能可達(dá)到12 萬t/月，平均絕對瓦斯涌出量為2.92 m3/min。

4 結(jié) 語

焦作礦區(qū)瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜，煤與瓦斯突出事故多發(fā)，瓦斯防治技術(shù)先后經(jīng)歷了排放鉆孔+局部抽放、綜合局部措施+全面抽采、順層鉆孔全掩護(hù)、穿層條帶+順層回采區(qū)域抽采、穿層鉆孔全掩護(hù)5個(gè)階段發(fā)展。在加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)工藝革新、技術(shù)裝備升級的同時(shí)，實(shí)施“三化一工程”建設(shè)，創(chuàng)新穿層鉆孔施工“鉆、沖、篩、計(jì)、運(yùn)、監(jiān)”精細(xì)化管理模式，借助先進(jìn)的設(shè)備及完善的制度，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采標(biāo)準(zhǔn)化、視頻化、精準(zhǔn)化，進(jìn)一步規(guī)范瓦斯抽采措施，確保全煤層整體均勻卸壓消突。通過在古漢山礦16采區(qū)實(shí)施驗(yàn)證，單產(chǎn)單進(jìn)水平大幅提升，確定了突出礦井底板巖巷穿層鉆孔抽采精細(xì)化管理的“焦作模式”，為實(shí)現(xiàn)安全高效開采提供借鑒。