基于瓦斯地質單元劃分的礦井瓦斯精準抽采技術

張巨峰，施式亮，謝亞東，馬德奇，苗在全，張建江

(1.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000；2.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；3.靖遠煤電股份有限公司 魏家地煤礦，甘肅 白銀 730913)

為了貫徹落實煤層瓦斯抽采“應抽盡抽”的原則，所有抽采措施能用盡用，無形中增加了煤炭生產成本，尤其是在煤炭產能過剩、市場蕭條期間，給礦井安全生產帶來了巨大壓力，同時，因抽采技術措施設計和實施不當，可能造成采空區(qū)、煤柱等區(qū)域煤炭自然發(fā)火，甚至引發(fā)瓦斯爆炸事故等一系列安全問題[1-3]。為此，通過研究礦井瓦斯地質賦存條件，劃分瓦斯地質單元，準確計算瓦斯含量，精準設計抽采方案，優(yōu)選抽采技術及設備，精準施工抽采鉆孔等手段，保障瓦斯可靠抽采，實現(xiàn)抽采達標的目標[4，5]，構建了一套依據(jù)煤層瓦斯地質單元的瓦斯梯級抽采模式，使瓦斯抽采有章可循，更加科學合理，實現(xiàn)煤層瓦斯精準抽采。

瓦斯地質單元劃分最早是由原焦作工學院瓦斯地質研究所提出的，認為因地質因素制約，煤層瓦斯賦存與突出區(qū)域分布呈帶型特點，存在不均衡性，為了研究其規(guī)律性，按一定標準綜合劃分不同等級的區(qū)域，即瓦斯地質單元劃分[6]。此后，國內很多學者[7-10]通過對礦井煤田瓦斯地質單元進行了劃分，分析煤層瓦斯賦存的受控因素及條件，進而研究礦井瓦斯地質規(guī)律，為礦井瓦斯治理提供了理論依據(jù)和技術支撐。但是，根據(jù)煤田瓦斯地質單元劃分，確定工作面瓦斯等級，為實施礦井瓦斯精準抽采方面的梯級瓦斯抽采技術相關研究卻很少，本文基于魏家地煤礦井田瓦斯地質單元劃分，根據(jù)不同區(qū)域煤層瓦斯含量實施相應的瓦斯梯級抽采技術，探討構建瓦斯精準抽采模式。

1 井田概況

魏家地煤礦井田屬甘肅靖遠礦區(qū)寶積山煤田的一部分，井田內中生代地層發(fā)育，有白堊系和侏羅系地層，其中，侏羅系分上和中下侏羅統(tǒng)，主要出露于寶積山向斜北翼和F1-2斷層組的西南盤，中下侏羅統(tǒng)是含煤系，其煤系的基底為上三迭統(tǒng)。井田從西至東由寶積山向斜及其次生的1號背斜、2號向斜、3號背斜和4號向斜組成。井田的南側受F1-2斷層組的影響，使得西南翼煤層破壞較為嚴重，造成西南翼淺部構造較為復雜。井田中部主要受F3和F48斷層的影響，其中F3斷層由東北向西南推復壓扭，斷距可達28～65m；F48斷層在F3以南，基本與F3平行，該斷層由西南向東北推復，并與F3對沖，斷距小于40m。井田北側受深部F46斷層的影響，且該斷層為全隱蔽式高角度逆沖斷層，在形成過程中經受過強大壓扭應力的作用，斷層破碎帶達100m以上。

礦井井田含煤地層為中下侏羅系，可采煤層為一煤層、二煤層、三煤層，主采煤層為一煤層和三煤層，二煤層僅局部可采。一煤層瓦斯含量為0.13～10.22m3/t，平均3.04m3/t，在F3斷層以南由淺至深，瓦斯含量為0.91～10.22m3/t；F3斷層以北由淺至深，瓦斯含量為0.13～4.02m3/t，呈現(xiàn)由小到大的規(guī)律。三煤層瓦斯含量為0.12～4.79m3/t，平均2.31m3/t，F(xiàn)3斷層以南瓦斯含量偏高，以北瓦斯含量偏低，由淺至深瓦斯含量呈現(xiàn)由小到大的規(guī)律。2號向斜軸部及靠近F3斷層上下盤100～150m的區(qū)域瓦斯含量偏高。

2 礦井瓦斯地質單元劃分

2.1 瓦斯地質單元劃分原則

目前，瓦斯地質單元劃分仍沒有統(tǒng)一的劃分指標、規(guī)范和模式，在瓦斯地質單元具體劃分過程中仍主要依靠專家實踐經驗，因此，最終劃分的結果也存在一定的差異性，不利于建立瓦斯地質劃分原則，隨著學者們對瓦斯地質的深入研究[8-10]，瓦斯地質單元劃分原則也形成了一些共識：

1)通常在明確瓦斯地質單元劃分級別的基礎上按兩個級別確定劃分等級，首先進行瓦斯地質單元一級劃分，然后在一級劃分的基礎上進行瓦斯地質單元二級劃分，以盡量達到精細化。

2)瓦斯地質單元邊界通過瓦斯區(qū)域邊界控制線圈定。

3)同一區(qū)域內的瓦斯地質單元劃分應遵循統(tǒng)一的劃分標準。劃分標準為單一指標(瓦斯或地質)或綜合指標(瓦斯與地質)。

4)瓦斯地質單元劃分與瓦斯地質圖繪制一體化，并最終在瓦斯地質圖上體現(xiàn)，為礦井生產實踐提供依據(jù)和支撐。

2.2 魏家地煤礦瓦斯地質單元劃分

魏家地煤礦井田煤變質程度沿煤層走向基本無變化，沿煤層傾向(煤層底板標高-1000m以淺)的變化也不明顯；煤層展布均勻，厚度變化不大，頂板、底板較為致密，為瓦斯封存創(chuàng)造了良好條件；礦井全區(qū)處于同一個水文地質單元內，同時，水動力系統(tǒng)有利于整個區(qū)域瓦斯封存，因此，地質構造成為區(qū)別不同地質單元的關鍵因素，區(qū)域內大型斷層(延展長度超過6000m)發(fā)育，可作為瓦斯地質單元的邊界。根據(jù)礦井生產實際涌出瓦斯及煤層瓦斯含量測定的相關數(shù)據(jù)，運用瓦斯地質理論，研究礦井煤田區(qū)域瓦斯含量分布及瓦斯壓力分布規(guī)律，并利用大型斷層初步確定各個瓦斯地質單元邊界控制線，然后繼續(xù)細化探究各個地質單元內瓦斯賦存規(guī)律。瓦斯地質單元的合理劃分有利于煤層瓦斯賦存規(guī)律研究，有利于瓦斯資源的勘探開發(fā)，有利于煤炭資源的安全高效開采。

根據(jù)瓦斯地質單元劃分的原則和依據(jù)，結合魏家地煤礦煤層瓦斯含量、地質條件和生產實踐經驗，以F1-2斷層組、F3斷層和1號背斜為界劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3個一級瓦斯地質單元，以煤層瓦斯含量為6m3/t和10m3/t、煤層瓦斯壓力0.74MPa為臨界值，在一級瓦斯地質單元的基礎上劃分二級瓦斯地質單元，分別用Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3表示。瓦斯地質單元Ⅰ內瓦斯含量t<6m3/t、瓦斯壓力P<0.74MPa的區(qū)域為二級瓦斯地質單元Ⅰ1；瓦斯含量6m3/t≤t<10m3/t、瓦斯壓力P≥0.74MPa的區(qū)域為二級瓦斯地質單元Ⅰ2；瓦斯含量t≥10m3/t、瓦斯壓力P≥0.74MPa的區(qū)域為二級瓦斯地質單元Ⅰ3；瓦斯地質單元Ⅱ和Ⅲ的二級瓦斯地質單元劃分亦如此。礦井一煤層瓦斯含量等值線及地質單元劃分如圖1所示。

圖1 魏家地煤礦一煤層瓦斯含量等值線及地質單元劃分

1)瓦斯地質單元Ⅰ：由F1-2斷層組、F3斷層組與1號背斜形成邊界控制線之間部分。F1-2是井田南部邊緣的外來推覆體，由F1、F2和其中間的諸多斷層組成，保持與井田走向一致的方向貫穿了整個井田，以疏緩的角度垂直井田走向方向推覆到井田中深部500～2000m的距離(水平斷距)，幾乎掩蓋了大半個井田，它對下盤煤層破壞很嚴重，造成了井田南翼成為復雜的F1-2斷層組構造影響帶。F3斷層位于井田中部1號背斜和2號向斜西段之間，為一被F1-2斷層組覆蓋的隱蔽逆斷層，西起于Ⅹ線以東，以55°西向斜切1號背斜，在Ⅹ-Ⅴ線與加Ⅹ-Ⅴ線間消失，全長4100m。根據(jù)二級瓦斯地質單元劃分標準，瓦斯地質單元Ⅰ又劃分為瓦斯地質單元Ⅰ1、瓦斯地質單元Ⅰ2和瓦斯地質單元Ⅰ3。

2)瓦斯地質單元Ⅱ：由F46斷層與F3斷層形成的邊界控制線部分。F46位于井田北東邊部，為整個井田的北東邊界。東由Ⅹ-Ⅸ線179號孔處進入本井田，以N50°W向伸向NW，在加Ⅹ-Ⅲ-2線與Ⅹ-Ⅳ線間略轉為N55°W一直穿過全井田。斷層面傾向SW，傾角70°～75°，為SW盤(本井田)上升，NE盤下降的壓扭性逆斷層。F48斷層：位于F3斷層以南與F3斷層大致平行，是一由SW向NE推覆的并與F3斷層對沖的逆斷層。斷面傾角60°～70°，斷距小于40m，由于兩斷層從其兩側對沖上升之故，致使中間煤層呈一倒楔形帶狀下降。根據(jù)二級瓦斯地質單元劃分標準，瓦斯地質單元Ⅱ又劃分為瓦斯地質單元Ⅱ1、瓦斯地質單元Ⅱ2和瓦斯地質單元Ⅱ3。

3)瓦斯地質單元Ⅲ：1號背斜與2號向斜之間部分，區(qū)域內F48斷層為一由NE向SW推覆的壓扭性逆斷層，斷面傾向NE，傾角55°～65°，斷距小于F49，性質與F49相同，長約650m，為煤層瓦斯的儲存提供了天然條件。根據(jù)二級瓦斯地質單元劃分標準，瓦斯地質單元Ⅲ又劃分為瓦斯地質單元Ⅲ1、瓦斯地質單元Ⅲ2和瓦斯地質單元Ⅲ3。

3 礦井瓦斯精準抽采模式

3.1 礦井瓦斯精準抽采步驟及方法

礦井瓦斯精準抽采是建立在時間和空間綜合屬性基礎上的一種系統(tǒng)性抽采方法，以礦井煤田瓦斯地質、瓦斯含量為依據(jù)，在瓦斯地質單元劃分的基礎上，對采煤工作面瓦斯災害進行等級劃分，并進行瓦斯抽采半徑測定，得出瓦斯鉆孔布置間距與抽采時間關系，同時結合礦井“抽-掘-采”接續(xù)關系，根據(jù)礦井瓦斯治理“一區(qū)一策，一面一策，梯級抽采”的模式，從時空角度優(yōu)化瓦斯抽采方式，形成一套基于瓦斯地質單元的礦井瓦斯精準抽采模式，礦井瓦斯精準抽采步驟路線如圖2所示。

圖2 礦井瓦斯精準抽采步驟路線

1)瓦斯地質資料收集，主要收集礦井瓦斯地質、煤層瓦斯含量和壓力、“抽-掘-采”接續(xù)部署等情況。

2)通過現(xiàn)場測定煤層瓦斯參數(shù)(包括瓦斯含量、瓦斯壓力等)開展不同區(qū)域瓦斯含量預測，繪制礦井瓦斯地質圖，得出礦井煤田瓦斯地質規(guī)律。

3)根據(jù)礦井不同煤層地質條件和瓦斯賦存特征，將瓦斯地質特征相似的井田劃分為若干個一級瓦斯地質單元。

4)在一級地質單元劃分的基礎上，根據(jù)井田煤層瓦斯含量、瓦斯壓力和礦井生產實踐經驗，劃分二級瓦斯地質單元，并將工作面瓦斯災害與二級瓦斯地質單元對應，分為三個梯級(一級、二級、三級)。

5)根據(jù)礦井“抽-掘-采”整體布局，結合礦井鉆孔瓦斯抽采有效半徑和采煤工作面常用瓦斯抽采方法，提出了“一區(qū)一策，一面一策，梯級抽采”的瓦斯治理模式，避免了瓦斯抽采方法使用的隨意性和盲目性，實現(xiàn)了瓦斯抽采技術有針對性、精準的目標。

3.2 礦井瓦斯梯級治理模式

根據(jù)魏家地煤礦煤層瓦斯賦存情況，井田瓦斯地質單元劃分為3個一級單元和3個二級單元，按照“一區(qū)一策，一面一策，梯級抽采”的瓦斯治理理念，以煤層瓦斯地質單元、瓦斯地質因素和工作面瓦斯抽采方法為綜合指標，將回采工作面瓦斯抽采等級確定為三個梯級，即：一級(Ⅰ1、Ⅱ1、Ⅲ1)，二級(Ⅰ2、Ⅱ2、Ⅲ2)，三級(Ⅰ3、Ⅱ3、Ⅲ3)。

3.3 瓦斯精準抽采模式

瓦斯抽采方案設計是礦井瓦斯治理整體規(guī)劃和操作實施的關鍵環(huán)節(jié)，對瓦斯精準抽采具有重要影響。目前，礦井瓦斯抽采的主要方法包括：順層鉆孔瓦斯抽采、底板巖巷穿層鉆孔瓦斯抽采、采空區(qū)上隅角埋管抽采、頂板巖石走向高位鉆孔瓦斯抽采、上出口中位鉆孔瓦斯抽采、地面鉆井瓦斯抽采等[11-15]。為了避免礦井瓦斯抽采方法使用過程中的主觀性和盲目性，合理實施抽采技術，減小施工成本，保證礦井瓦斯精準抽采，根據(jù)回采工作面瓦斯梯級治理等級，按三個級別對應實施瓦斯抽采技術。

1)梯級一：針對礦井煤層瓦斯地質單元Ⅰ1、瓦斯地質單元Ⅱ1和瓦斯地質單元Ⅲ1區(qū)域，在合理配風的基礎上，通過實施上隅角埋管抽采和順層鉆孔瓦斯抽采、上出口中位鉆孔瓦斯抽采技術措施解決工作面瓦斯超限問題，其中，上出口中位鉆孔瓦斯抽采即在上出口處向采空區(qū)方向實施3～5個傾角為5°、孔徑?75mm的鉆孔，主要進行采空區(qū)裂隙帶內高濃度瓦斯抽采，解決上隅角瓦斯超限問題。

2)梯級二：煤層瓦斯地質單元Ⅰ2、瓦斯地質單元Ⅱ2和瓦斯地質單元Ⅲ2區(qū)域采用的通風稀釋、上隅角埋管抽采、順層鉆孔瓦斯抽采等方法和上出口中位鉆孔瓦斯抽采等方法仍無法解決工作面瓦斯超限問題，通過在回風巷上幫每隔100m施工傾斜向上穿過煤層頂板5m的高位鉆場，施工孔徑?108mm、長度70～100m的大直徑巖石鉆孔，主要抽采采空區(qū)上部形成的裂隙帶高濃度瓦斯，以解決采空區(qū)瓦斯涌出量大的問題。

3)梯級三：礦井瓦斯地質單元Ⅰ3、Ⅱ3、Ⅲ3區(qū)域常用的通風稀釋、順層鉆孔瓦斯抽采、上隅角埋管瓦斯抽采、頂板巖石走向高位鉆孔瓦斯抽采等方法不能滿足安全生產需要，尤其是工作面回采過程中的頂板垮落、周期來壓的情況，極易造成采空區(qū)大量瓦斯異常涌出。例如，東102綜放工作面回采過程中，工作面初次來壓造成瓦斯異常涌出量達240m3/min，礦井南風井瓦斯傳感器濃度達0.8%，嚴重威脅礦井的安全生產，為此，東1102工作面實施了地面鉆井采前預抽、采中卸壓抽和采后重抽的瓦斯抽采措施，鉆井抽采的瓦斯最高濃度達70%，最大純瓦斯抽采量為20m3/min，很好地解決了回采過程中瓦斯異常涌出問題，為工作面的安全回采提供了有力保障。

4 瓦斯精準抽采現(xiàn)場應用

4.1 試驗工作面概況

為了驗證瓦斯精準抽采方法的可行性，在魏家地煤礦東102綜放工作面進行了現(xiàn)場應用，東102工作面煤層厚度為5～39.55m，平均15.4m，煤層傾角0°～25°，平均13°，煤層原始瓦斯含量為4.68～10.17m3/t，瓦斯最大壓力為1.88MPa，透氣性系數(shù)為0.213m3/(MPa2·d)，堅固性系數(shù)f值為0.31。工作面走向長920m，傾向長135m，采用U形通風方式，綜采放頂煤工藝開采，全部垮落法管理頂板。

4.2 煤層瓦斯參數(shù)分析

東102工作面煤層底板標高為1182～1245m，開采面積的3/4布置在F1-2斷層組構造影響帶內，受F1-2斷層組的擠壓和推覆，煤層厚度變化大，構造破壞嚴重，F(xiàn)1-2斷層組構造影響帶內的煤層具有煤與瓦斯突出危險性，瓦斯含量沿工作面走向呈現(xiàn)出減小的趨勢。根據(jù)礦井瓦斯地質單元劃分可知，東102工作面介于地質單元Ⅱ與地質單元Ⅲ之間，按照工作面瓦斯梯級抽采等級表將工作面與分為3個區(qū)域，如圖3所示，圖中，梯級三區(qū)域為工作面距切眼約400m范圍，區(qū)域煤層瓦斯含量為10～10.17m3/t；梯級二區(qū)域為工作面距切眼400～800m范圍，區(qū)域煤層瓦斯含量為6～9.86m3/t；梯級一區(qū)域為距工作面出口約150m范圍內，區(qū)域煤層瓦斯含量為4.15～4.96m3/t。工作面區(qū)域煤層瓦斯含量如圖4所示。

圖3 工作面瓦斯分布及抽采措施布置

圖4 東102工作面瓦斯含量分布規(guī)律

4.3 梯級區(qū)域瓦斯抽采措施

根據(jù)東102工作面瓦斯含量劃分的瓦斯梯級區(qū)域，距工作面切眼400m范圍內布置兩口地面瓦斯抽采鉆井進行煤層采前預抽和采后采空區(qū)抽采，同時，并輔以順層鉆孔瓦斯抽采、上隅角埋管抽采、中位鉆孔抽采、高位鉆孔或高位瓦斯抽采巷抽采，并配備瓦斯分源抽采系統(tǒng)；距工作面切眼400～800m范圍區(qū)域則通過實施順層鉆孔瓦斯抽采、上隅角埋管抽采、中位鉆孔抽采、高位鉆孔或高位瓦斯抽采巷抽采等措施解決工作面瓦斯問題；距工作面出口150m范圍區(qū)域進行順層鉆孔瓦斯抽采、上隅角埋管抽采、中位鉆孔抽采等措施。工作面瓦斯抽采措施布置如圖3所示。

5 瓦斯抽采效果考察

5.1 抽采達標標準

“抽采達標”是我國煤礦瓦斯治理十六字方針“通風可靠、抽采達標、監(jiān)控有效、管理到位”的關鍵所在，是礦井瓦斯抽采設計和實施的檢驗，是“瓦斯精準抽采”的重要內容[16，17]。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標》和《靖遠煤業(yè)集團“一通三防”技術規(guī)范》可知，魏家地煤礦東102綜放工作面瓦斯抽采達標應滿足以下標準：

1)瓦斯預抽率η≥40%。

2)工作面煤層殘余瓦斯含量WCY≤6m3/t，殘余瓦斯壓力PCY≤0.74MPa，瓦斯鉆孔施工時無卡鉆、頂鉆、噴孔等瓦斯異?，F(xiàn)象。

3)東102工作面風排瓦斯量不高于8m3/min，回風流瓦斯?jié)舛炔桓哂?.4%。

4)工作面相對瓦斯涌出量不高于3.5m3/t。

5.2 抽采效果評價

1)東102工作面通過實施地面與井下相結合的立體式瓦斯抽采措施，最長預抽時間390d，最短預抽時間370d，現(xiàn)場測試抽采前后的瓦斯含量結果見表1。由表1可知，工作面通過瓦斯梯級治理，預先抽煤層瓦斯抽采率為41.31%～49.54%，平均瓦斯抽采率為45.43%，大于瓦斯預抽率臨界值，滿足抽采標準的要求。

表1 工作面不同區(qū)域煤層瓦斯含量對比

2)根據(jù)現(xiàn)場測定可知，工作面煤層殘余瓦斯含量為2.06～5.86m3/t，低于6m3/t；現(xiàn)場測定殘余瓦斯壓力為0.08～0.58MPa，低于0.74MPa，滿足抽采達標的要求。

3)東102工作面最大配風量為2000m3/min，回風流瓦斯?jié)舛然究刂圃?.2%～0.3%，最大風排瓦斯量為6m3/min，低于工作面風排瓦斯量8m3/min的標準，滿足抽采達標的要求。

4)根據(jù)瓦斯等級鑒定測定的相對瓦斯涌出量為2.42m3/t，滿足瓦斯抽采達標的要求。

綜上，東102綜放工作面通過一年多時間的預抽，工作面三個梯級區(qū)域均實現(xiàn)瓦斯抽采達標。

5.3 經濟效益考察

魏家地煤礦于2015年開始進行瓦斯精準抽采技術的實施，以解決瓦斯盲目抽采導致的成本增加問題。以2019年和2015年為例進行經濟效益考察分析，通過實施基于瓦斯地質單元劃分的瓦斯梯級精準抽采后，年增加瓦斯純抽采量6.59×106m3，每0.5m3純瓦斯可以發(fā)一度電，每度電按0.5元計算，則可產生直接經濟效益約659萬元；節(jié)約瓦斯抽采鉆孔施工成本約316萬元，則間接經濟效益約316萬元，因此，年經濟效益約975萬元。

6 結 論

1) 根據(jù)魏家地煤礦煤層瓦斯含量、地質條件和生產實踐經驗，運用瓦斯地質理論，井田劃分為3個一級瓦斯地質單元；并以煤層瓦斯含量為6m3/t和10m3/t、煤層瓦斯壓力為0.74MPa為臨界值，在一級瓦斯地質單元的基礎上劃分為3個二級瓦斯地質單元。

2)綜合考慮井田瓦斯地質單元及采煤工作面生產情況，礦井建立了采煤工作面三個等級的瓦斯梯級抽采制度，在魏家地煤礦東102工作面試驗，工作面三個梯級區(qū)域有針對性地精準實施了不同的瓦斯抽采措施，均實現(xiàn)了瓦斯抽采達標。

3)結合礦井瓦斯地質單元劃分和采煤工作面瓦斯梯級治理等級，形成了“一區(qū)一策，一面一策，梯級抽采”的瓦斯治理模式，礦井實現(xiàn)了瓦斯精準抽采，保障了安全生產。