突出煤層群井上下聯(lián)合抽采防突模式與關(guān)鍵技術(shù)

張永將 ，鄒全樂 ，楊慧明 ，陳子涵，曹建軍，程志恒

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037；3.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044；4.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院,重慶 400044；5.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,河北 燕郊 065201)

煤炭是我國兜底能源，2011 年以來，煤炭占我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量比例始終保持第1。2021 年全國能源消費(fèi)總量為52.40 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，其中原煤消費(fèi)占比達(dá)56.00%。煤炭作為兜底保障能源的主體地位短時(shí)間難以改變。同時(shí)，隨著我國煤炭開采向深部延伸，埋深800 m 以上的煤層地應(yīng)力、瓦斯壓力和瓦斯含量相較于淺部煤層都呈現(xiàn)出不同程度的增加[1-2]，急需創(chuàng)新煤礦生產(chǎn)過程中的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性綜合治理方法[3]。為了解決煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害，諸多研究人員在實(shí)驗(yàn)室與煤礦現(xiàn)場開展了一系列深入的研究，提出了以地面井為核心的井上抽采防突措施與以鉆孔為核心的井下抽采防突措施[4]。在實(shí)驗(yàn)室研究方面，鄒全樂等[5]采用木質(zhì)素磺酸鈣優(yōu)化地面井水泥材料力學(xué)性質(zhì)，為維持卸壓瓦斯地面井穩(wěn)定性提供理論支撐。原德勝[6]基于低價(jià)煤結(jié)構(gòu)特征及其和瓦斯之間的相互耦合作用機(jī)理，提出了適用于彬長礦區(qū)地面井瓦斯產(chǎn)能預(yù)測理論模型，獲得地面井瓦斯抽采與井下瓦斯預(yù)抽優(yōu)化控制方法。張朋[7]從煤巖體雙重孔隙結(jié)構(gòu)出發(fā)，構(gòu)建煤體形變場、瓦斯擴(kuò)散場和滲流場的氣固耦合瓦斯抽采物理模型，進(jìn)一步采用COMSOL 數(shù)值模擬方法模擬垂直井與U 型井瓦斯預(yù)抽效果，并以此優(yōu)化地面井布孔間距。胡君[8]建立了采動(dòng)區(qū)瓦斯地面井群抽采效果評(píng)估方法體系，并實(shí)現(xiàn)對(duì)地面井瓦斯抽采效果評(píng)估。汪漫等[9]通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究了煤樣基質(zhì)孔隙度、不同壓力條件下煤樣滲透率和不同溫度下煤樣的Langmuir 等溫吸附-解吸特性，并采用雙孔隙度單滲透率模型對(duì)現(xiàn)場試驗(yàn)井瓦斯抽采歷史產(chǎn)量進(jìn)行擬合分析，揭示了不同井距抽采時(shí)抽采井瓦斯產(chǎn)氣速率、累計(jì)產(chǎn)量、儲(chǔ)層壓降以及儲(chǔ)層瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，確定了瓦斯矩形井網(wǎng)抽采時(shí)的最優(yōu)井距。在現(xiàn)場試驗(yàn)中，井上瓦斯抽采防突取得了較好的效果，胡千庭等[10]對(duì)地面井的類型及特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，將采動(dòng)區(qū)地面井抽采技術(shù)細(xì)分為鄰近層采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采、本煤層采動(dòng)發(fā)展區(qū)地面井抽采和采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)地面井抽采3 種類型，并提出了不同類型采動(dòng)區(qū)地面井的逐級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。劉應(yīng)科等[11]采用遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采及鉆井抽采消突技術(shù)在神華集團(tuán)烏蘭煤礦進(jìn)行了工程試驗(yàn)，結(jié)果表明地面鉆井抽采卸壓瓦斯的消突效果十分顯著。張江華等[12]提出了瓦斯地面鉆井過采空區(qū)成套技術(shù)體系，并在山西晉城寺河礦井取得了較好的應(yīng)用效果。在井下瓦斯抽采防突方面，趙旭生等[13]基于巖石水平長鉆孔抽采鄰近層瓦斯和順層長鉆孔抽采本煤層瓦斯的現(xiàn)場試驗(yàn)情況，提出了長鉆孔綜合抽采瓦斯新方法，為瓦斯災(zāi)害治理提供了新的技術(shù)途徑。周建偉等[14]通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤層頂?shù)装逵馉?、梳狀分支鉆孔能夠解決松軟煤層長距離鉆進(jìn)過程中的塌孔、抱鉆等問題，并進(jìn)一步總結(jié)了煤層頂?shù)装宸种чL鉆孔區(qū)域預(yù)抽工藝在俯孔施工條件下的鉆孔施工工藝流程。李泉新等[15]研發(fā)了中硬煤層超長孔定向鉆進(jìn)技術(shù)、碎軟煤層氣動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)和復(fù)雜頂板巖層大直徑定向鉆進(jìn)技術(shù)，利用定向鉆孔軌跡精確可控、可沿目標(biāo)地層長距離延伸的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)場煤礦井下大區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“中硬煤層、碎軟煤層、頂板巖層”全區(qū)域精準(zhǔn)覆蓋、“采前-采中-采后”全時(shí)段連續(xù)抽采。

隨著煤與瓦斯突出等瓦斯動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生頻率增加，單一的井上或井下抽采防突措施難以保障煤層群的消突效果。在諸多科研人員長時(shí)間的探索之后，我國已初步形成了“先區(qū)域、后局部”的2 個(gè)“四位一體”綜合防突技術(shù)體系[16-17]，在一定程度上有效控制了煤層群煤與瓦斯突出事故。此外，各大礦區(qū)也依據(jù)不同的煤層地質(zhì)條件分別構(gòu)建了與之相適應(yīng)的工程實(shí)踐模式?；茨系V業(yè)集團(tuán)提出了卸壓開采、巖巷先行、立體抽采的突出防控模式，并總結(jié)了頂板抽采瓦斯技術(shù)、保護(hù)層開采綜合治理瓦斯技術(shù)、突出煤層邊抽邊掘技術(shù)、穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù)等一套適合淮南礦區(qū)的瓦斯治理技術(shù)[18-19]，煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在“十一五”、“十二五”研發(fā)的煤層氣“三區(qū)聯(lián)動(dòng)”立體抽采模式基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研發(fā)了全礦區(qū)、全層位、全時(shí)段的煤礦區(qū)煤層氣“四區(qū)(規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、采空區(qū))聯(lián)動(dòng)”井上下聯(lián)合抽采模式(新晉城模式)和系列技術(shù)體系，在山西重點(diǎn)煤礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用并取得了良好效果[19]。平煤神馬集團(tuán)提出了保護(hù)層開采、水力增透等多措并舉、應(yīng)抽盡抽的戰(zhàn)略[20]，松藻煤電公司結(jié)合松藻礦區(qū)煤層地質(zhì)條件，提出了“三區(qū)配套三超前增透抽采”模式[21]。然而，煤層間距不同會(huì)導(dǎo)致采動(dòng)影響范圍、瓦斯富集區(qū)域等發(fā)生較大變化，因此對(duì)于近、遠(yuǎn)距離煤層群，瓦斯抽采模式也會(huì)存在顯著差異。華陽集團(tuán)基于工程實(shí)踐提出了中遠(yuǎn)距離煤層群煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采模式，并在陽煤五礦成功進(jìn)行示范應(yīng)用[22]。華晉焦煤公司則通過建立瓦斯治理的時(shí)空坐標(biāo)系，系統(tǒng)地分析了井上、井下抽采技術(shù)的時(shí)空分布特征及其約束條件，最終針對(duì)近距離煤層群提出了沙曲瓦斯綜合治理模式與配套技術(shù)體系，并通過現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證了推行“沙曲模式”可實(shí)現(xiàn)采掘工作面瓦斯零超限，保證礦井安全高效生產(chǎn)[23]。然而，受限于傳統(tǒng)井上抽采與井下抽采2 項(xiàng)獨(dú)立技術(shù)的局限性，少有研究針對(duì)井上下抽采時(shí)空轉(zhuǎn)換機(jī)制及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。同時(shí)，煤層間距也是決定井上下聯(lián)合防突措施的關(guān)鍵之一，然而少有研究針對(duì)近、遠(yuǎn)距離煤層群各自的特點(diǎn)提出相應(yīng)的典型防突模式。總體來看，我國在井上下聯(lián)合抽采防突典型模式及其三區(qū)銜接方面仍存在一定的不足，并未完全實(shí)現(xiàn)井上措施與井下措施時(shí)空上的無縫對(duì)接。

基于此，筆者針對(duì)井上與井下瓦斯抽采技術(shù)作業(yè)特點(diǎn)，闡明了井上下聯(lián)合防突“時(shí)空轉(zhuǎn)換-優(yōu)勢(shì)互利”的內(nèi)涵，基于近遠(yuǎn)距離煤層群特點(diǎn)，提出了近距離煤層群“孔群覆蓋-協(xié)同抽采”井上下聯(lián)合防突典型模式與遠(yuǎn)距離煤層群“強(qiáng)化增透-遞進(jìn)抽采”井上下聯(lián)合防突典型模式，同時(shí)研發(fā)了近遠(yuǎn)距離煤層群井上下聯(lián)合防突關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)理論與技術(shù)成果已在多個(gè)煤礦現(xiàn)場進(jìn)行了推廣應(yīng)用并取得了顯著的效果。

1 井上下聯(lián)合防突“時(shí)空轉(zhuǎn)換-優(yōu)勢(shì)互利”內(nèi)涵

1.1 井上下聯(lián)合抽采瓦斯防突

地面井抽采瓦斯是防治煤礦發(fā)生瓦斯災(zāi)害事故的重要措施之一[24]，但針對(duì)高瓦斯、高地應(yīng)力的煤層進(jìn)行預(yù)抽時(shí)，可能出現(xiàn)瓦斯抽采盲區(qū)，導(dǎo)致抽采效果不佳。回采作業(yè)時(shí)，覆巖變形損壞地面井井身結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致地面井無法抽采瓦斯。可見，單一的地面井抽采瓦斯難以短時(shí)間內(nèi)將煤層瓦斯降到消突臨界值以下。井下鉆孔抽采是治理煤層區(qū)域瓦斯的有效方法之一[25]，但井下瓦斯抽采方式工程量大、周期長，進(jìn)而導(dǎo)致煤礦防突接替緊張，難以短時(shí)間實(shí)現(xiàn)大范圍區(qū)域消突[26]。

井上和井下瓦斯抽采構(gòu)成的立體化聯(lián)合抽采防突在結(jié)構(gòu)形式上具有明顯的優(yōu)勢(shì)(圖1)。地面井具有覆蓋瓦斯抽采區(qū)域廣和長時(shí)間抽采瓦斯等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而在煤礦煤層全區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采，實(shí)現(xiàn)“井上時(shí)間換空間”；瓦斯抽采鉆孔在目標(biāo)煤層中進(jìn)行瓦斯抽采，形成井下瓦斯抽采空間，具有抽采精度高、抽采壓差大、降壓速度快等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)“井下空間換時(shí)間”。因此，將井上瓦斯抽采與井下瓦斯抽采相結(jié)合，形成井上下聯(lián)合防突技術(shù)，不僅能夠改善煤層的滲透性，還能對(duì)煤層群進(jìn)行廣域、深度、精準(zhǔn)的快速消突，極大地縮短了瓦斯治理時(shí)間，提高了煤礦瓦斯治理能力。

1.2 地面井瓦斯抽采實(shí)現(xiàn)井上“時(shí)間換空間”

地面井瓦斯抽采(圖2)不受井下煤炭開采空間約束，能夠在地面對(duì)煤礦井下瓦斯進(jìn)行預(yù)先抽采，在進(jìn)行井下施工前能有效降低煤層瓦斯含量，實(shí)現(xiàn)煤層降突。地面井單井抽采瓦斯1 a 可使目標(biāo)煤層瓦斯含量降低0.5～1.0 m3/t。因此，在井下煤炭開采作業(yè)前，需根據(jù)目標(biāo)煤層瓦斯含量，提前5～10 a 布置地面井預(yù)先抽采瓦斯，直至目標(biāo)煤層瓦斯含量降至井下作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，地面井不受空間約束，通過在井下作業(yè)前長時(shí)間抽采瓦斯，為井下?lián)Q取作業(yè)空間，最終實(shí)現(xiàn)井上“時(shí)間換空間”。

圖2 地面井瓦斯抽采Fig.2 Ground well gas extraction

1.3 鉆孔瓦斯抽采實(shí)現(xiàn)井下“空間換時(shí)間”

井下鉆孔抽采瓦斯(圖3)是國內(nèi)卸壓瓦斯抽采普遍采用的方法。相較于地面井瓦斯抽采過程易出現(xiàn)盲區(qū)，井下鉆孔鉆進(jìn)軌跡精確可控，具有沿目標(biāo)區(qū)域延伸鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。此外，井下增透技術(shù)使抽采區(qū)域煤層產(chǎn)生變形，促進(jìn)裂隙擴(kuò)展，進(jìn)而增大目標(biāo)區(qū)域滲透性與瓦斯解吸流動(dòng)性，因而能夠?qū)崿F(xiàn)井下煤層瓦斯精準(zhǔn)、快速消突，使目標(biāo)區(qū)域瓦斯含量降至安全作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，井下鉆孔在井下空間內(nèi)精準(zhǔn)抽采目標(biāo)區(qū)域瓦斯，縮短目標(biāo)區(qū)域消突時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)井下“空間換時(shí)間”。

圖3 井下鉆孔瓦斯抽采Fig.3 Underground drilling gas extraction

2 近、遠(yuǎn)距離煤層群井上下聯(lián)合防突典型模式

2.1 近距離煤層群防突典型模式及其銜接過程

近距離煤層群層間距離較小，煤層間距在5～20 m[27-29]。在近距離煤層群中進(jìn)行煤炭資源開采時(shí)具有顯著相互影響作用，開采上保護(hù)層時(shí)會(huì)造成煤層群的連續(xù)卸壓，煤層群開采過程本煤層及鄰近層卸壓瓦斯大量涌出[30]。因此，對(duì)于近距離煤層群煤與瓦斯突出的治理，需充分考慮采動(dòng)的影響，即在治理時(shí)盡可能實(shí)現(xiàn)近距離煤層群同時(shí)規(guī)劃、同時(shí)施工、同時(shí)治理，確保近距離煤層群整體消突。因此，基于近距離煤層群層間影響顯著，易形成層間貫通裂隙，提出了近距離煤層群“孔群覆蓋-協(xié)同抽采”井上下聯(lián)合防突典型模式，實(shí)現(xiàn)了近距離煤層群突出治理的超前規(guī)劃、提前施工、整體消突，其防突典型模式及方法如圖4(a)所示。近距離煤層群防突的核心在于多煤層協(xié)同抽采，實(shí)現(xiàn)多煤層的協(xié)同消突。該模式的特點(diǎn)在于：在規(guī)劃區(qū)利用多分支水平井、頂板L 型壓裂井、底板梳狀井等進(jìn)行抽采，實(shí)現(xiàn)多煤層瓦斯的預(yù)抽降突。在準(zhǔn)備區(qū)與生產(chǎn)區(qū)利用井下穿層、順層、定向長鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采消突。主要形成了“多分支水平井+定向長鉆孔”、“梳狀水平井+順層鉆孔”與“L 型井+順層鉆孔”3 種井上下聯(lián)合抽采防突方法，如圖4(b)～(d)所示。

圖4 近距離煤層群井上下聯(lián)合防突典型模式、方法及其銜接模式Fig.4 Gas outburst prevention typical model,method and articulation mode of joint ground and underground technology in close distance coal seams

多分支水平井+定向長鉆孔聯(lián)合抽采防突方法如圖4(b)所示，即在地面依次施工多分支水平井至保護(hù)層與被保護(hù)層中進(jìn)行預(yù)抽，然后在被保護(hù)層底板巷道中施工定向長鉆孔群至保護(hù)層與被保護(hù)層進(jìn)行抽采消突，并依據(jù)多分支水平井的預(yù)抽范圍實(shí)現(xiàn)定向長鉆孔群抽采全覆蓋，實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)合消突。其優(yōu)勢(shì)在于多分支井可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)工作面的瓦斯預(yù)抽，定向長鉆孔群可進(jìn)行多個(gè)工作面的瓦斯抽采消突，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)保護(hù)層與被保護(hù)層的快速消突。該方法適用于堅(jiān)固性系數(shù)f>0.5、透氣性系數(shù)λ>1 的煤層。

梳狀水平井+順層鉆孔聯(lián)合抽采防突方法如圖4(c)所示，即在地面向被保護(hù)層底板施工梳狀水平井，在梳狀水平井水平段依次施工梳狀分支鉆孔至保護(hù)層與被保護(hù)層中進(jìn)行預(yù)抽，然后在保護(hù)層中施工煤巷與順層鉆孔，利用順層鉆孔實(shí)現(xiàn)下一個(gè)工作面和煤巷條帶消突，從而實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)合消突。其優(yōu)勢(shì)在于梳狀水平井可以在多分支水平井、L 型井等井上瓦斯抽采措施不適用的條件下進(jìn)行施工，完成保護(hù)層與被保護(hù)層快速消突。適用于堅(jiān)固性系數(shù)f<0.5、透氣性系數(shù)λ<1 的煤層。

L 型井+順層鉆孔聯(lián)合抽采防突方法如圖4(d)所示，即在地面施工L 型井至保護(hù)層頂板進(jìn)行水力壓裂，壓裂完成后進(jìn)行保護(hù)層瓦斯預(yù)抽，預(yù)抽達(dá)標(biāo)后在保護(hù)層施工煤巷與順層鉆孔，利用順層鉆孔實(shí)現(xiàn)下一個(gè)工作面和煤巷條帶消突，從而實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)合消突。其優(yōu)勢(shì)在于利用L 型井進(jìn)行保護(hù)層頂板水力壓裂，促進(jìn)保護(hù)層瓦斯的快速解吸，提高了消突效率，大大降低了瓦斯治理時(shí)間。該方法適用于堅(jiān)固性系數(shù)f<0.5、透氣性系數(shù)λ<1 的煤層。

綜上所述，近距離煤層群“孔群覆蓋-協(xié)同抽采”井上下聯(lián)合防突典型模式及方法能夠?qū)崿F(xiàn)“規(guī)劃區(qū)超前抽采、準(zhǔn)備區(qū)快速抽采、生產(chǎn)區(qū)補(bǔ)充抽采”的3 區(qū)順暢銜接，最終實(shí)現(xiàn)近距離煤層群多煤層預(yù)抽空間全覆蓋。近距離煤層群防突典型模式的銜接過程如圖4(e)所示，主要有以下特點(diǎn)：①規(guī)劃區(qū)，在規(guī)劃區(qū)內(nèi)利用地面井長期進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，實(shí)現(xiàn)煤層群降突；②準(zhǔn)備區(qū)，在準(zhǔn)備區(qū)利用定向長鉆孔、順層鉆孔等補(bǔ)充措施，實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)合抽采瓦斯；③生產(chǎn)區(qū)，在井上下聯(lián)合抽采措施后，實(shí)現(xiàn)煤層群消突。

2.2 遠(yuǎn)距離煤層群防突典型模式及其銜接過程

遠(yuǎn)距離煤層群煤層間距較大，一般認(rèn)為煤層間距在50 m 以上[31-32]。因此，在遠(yuǎn)距離煤層群中進(jìn)行煤炭資源開采時(shí)，煤層之間采動(dòng)影響較小，導(dǎo)致裂隙難以貫通，保護(hù)層開采過程被保護(hù)層卸壓不充分影響卸壓瓦斯抽采效果[30]。因此傳統(tǒng)的井上、井下抽采瓦斯技術(shù)難以解決遠(yuǎn)距離煤層群快速協(xié)同消突。對(duì)于遠(yuǎn)距離煤層群，下保護(hù)層開采具有普遍的適應(yīng)性。因此，基于遠(yuǎn)距離煤層群層間影響較小，不易形成層間貫通裂隙，卸壓范圍較小等特點(diǎn)，提出了遠(yuǎn)距離煤層群“強(qiáng)化增透-遞進(jìn)抽采”井上下聯(lián)合防突典型模式，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離煤層群煤與瓦斯突出治理的強(qiáng)化卸壓、采動(dòng)跟進(jìn)、遞進(jìn)消突，其防突典型模式，如圖5(a)所示。

圖5 遠(yuǎn)距離煤層群井上下聯(lián)合防突典型模式、方法及其銜接模式Fig.5 Gas outburst prevention typical model,method and articulation mode of joint ground and underground technology in long distance coal seams

遠(yuǎn)距離煤層群防突的核心在于保護(hù)層精準(zhǔn)防突、被保護(hù)層有效聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多煤層的遞進(jìn)消突。該模式的特點(diǎn)在于：利用水力壓裂、水力切縫等措施實(shí)現(xiàn)首采層煤體卸壓增透，進(jìn)一步利用保護(hù)層開采實(shí)現(xiàn)被保護(hù)層卸壓，同時(shí)配合井下補(bǔ)充措施進(jìn)行瓦斯抽采消突。主要形成了“多分支水平井+順層鉆孔”、“地面直井+底抽巷+順層鉆孔”、“L 型井+順層鉆孔”3 種井上下聯(lián)合抽采防突方法，如圖5(b)～(d)所示。

多分支水平井+順層鉆孔聯(lián)合抽采防突方法如圖5(b)所示，即在地面施工多分支水平井至保護(hù)層中進(jìn)行預(yù)抽，預(yù)抽達(dá)標(biāo)后在保護(hù)層中施工煤巷與順層鉆孔，利用順層鉆孔“切縫-壓裂”聯(lián)合增透，實(shí)現(xiàn)下一個(gè)工作面和煤巷條帶消突，同時(shí)在地面施工直井至被保護(hù)層中抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯，實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)合消突。其優(yōu)勢(shì)在于多分支井可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)工作面的瓦斯預(yù)抽，另外利用保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)層進(jìn)行卸壓，充分發(fā)揮了采動(dòng)卸壓的作用。該方法適用于堅(jiān)固性系數(shù)f>0.5、透氣性系數(shù)λ>1 的煤層。

L 型井+順層鉆孔聯(lián)合抽采防突方法如圖5(c)所示，在地面向被保護(hù)層底板施工梳狀水平井，在梳狀水平井水平段依次施工梳狀分支鉆孔至保護(hù)層與被保護(hù)層中進(jìn)行預(yù)抽，然后在保護(hù)層中施工煤巷與順層鉆孔，利用順層鉆孔“切縫-壓裂”聯(lián)合增透，實(shí)現(xiàn)下一個(gè)工作面和煤巷條帶消突，從而實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)合消突。其優(yōu)勢(shì)在于梳狀水平井可以在多分支水平井、L 型井等井上瓦斯抽采措施不適用的條件下進(jìn)行施工，完成保護(hù)層與被保護(hù)層快速消突。適用于堅(jiān)固性系數(shù)f<0.5、透氣性系數(shù)λ<1 的煤層。

地面直井+底抽巷+順層鉆孔聯(lián)合抽采防突方法如圖5(d)所示，即在保護(hù)層底板施工底板巷，由底板巷施工穿層鉆孔至保護(hù)層中進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，預(yù)抽達(dá)標(biāo)后在保護(hù)層施工煤巷與順層鉆孔，利用順層鉆孔實(shí)現(xiàn)下一個(gè)工作面和煤巷條帶消突，同時(shí)在地面施工直井至被保護(hù)層中抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯，實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)合消突。其優(yōu)勢(shì)在于利用穿層鉆孔、順層鉆孔實(shí)現(xiàn)保護(hù)層消突，另外利用保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)層進(jìn)行卸壓，充分發(fā)揮了采動(dòng)卸壓的作用，促進(jìn)了被保護(hù)層瓦斯的快速解吸，提高了消突效率，降低了瓦斯治理時(shí)間。該方法適用于堅(jiān)固性系數(shù)f<0.5、透氣性系數(shù)λ<1的煤層。

綜上所述，遠(yuǎn)距離煤層群“強(qiáng)化增透-遞進(jìn)抽采”井上下聯(lián)合防突典型模式及方法能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)層“網(wǎng)絡(luò)增透、精準(zhǔn)施策”，被保護(hù)層“上下聯(lián)動(dòng)、有效銜接”，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離煤層群逐層遞進(jìn)消突。遠(yuǎn)距離煤層群保護(hù)層與被保護(hù)層3 區(qū)類型轉(zhuǎn)換閾值與近距離煤層群3 區(qū)類型轉(zhuǎn)換閾值相似，因此，遠(yuǎn)距離煤層群防突典型模式的銜接過程如圖5(e)所示，主要有以下特點(diǎn)：①規(guī)劃區(qū)，由于遠(yuǎn)距離煤層群煤礦多數(shù)情況下為下保護(hù)層開采，因此，被保護(hù)層規(guī)劃區(qū)開始時(shí)間與保護(hù)層規(guī)劃區(qū)開始時(shí)間相同；②準(zhǔn)備區(qū)，當(dāng)保護(hù)層進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)作業(yè)時(shí)，被保護(hù)層進(jìn)入準(zhǔn)備區(qū)，并通過井上瓦斯預(yù)抽與井下鉆孔抽采降突。通過強(qiáng)化抽采，解決遠(yuǎn)距離煤層保護(hù)層開采卸壓不充分、不及時(shí)等問題；③生產(chǎn)區(qū)，保護(hù)層生產(chǎn)作業(yè)完成后，被保護(hù)層進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)作業(yè)。在生產(chǎn)區(qū)中需結(jié)合現(xiàn)場情況實(shí)現(xiàn)煤層群消突。

3 近距離煤層群井上下聯(lián)合防突關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)近距離煤層群多煤層立體區(qū)域協(xié)同消突，筆者基于煤、氣共采不同階段的時(shí)空條件和消突要求分區(qū)分級(jí)優(yōu)選并集成了近距離煤層群井上下聯(lián)合抽采防突關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 煤層群多井型組合分區(qū)聯(lián)抽技術(shù)

基于近距離煤層群煤與瓦斯突出分布規(guī)律，依據(jù)各煤層原始瓦斯含量W0的空間分布特征，結(jié)合瓦斯含量臨界值W，按突出危險(xiǎn)程度將煤層劃分為3 區(qū)：Ⅰ區(qū)瓦斯含量滿足W0≥W1>W，Ⅱ區(qū)瓦斯含量滿足W0∈(W1，W2)，其中W2

圖6 多種地面井組合分區(qū)聯(lián)抽防突[33]Fig.6 Multiple ground well combination zones combined pumping to outburst penetration[33]

3.2 煤層群多分支水平井關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選技術(shù)

筆者以華晉焦煤集團(tuán)沙曲一礦3+4 號(hào)煤層為研究對(duì)象，3+4號(hào)煤層的滲透率為0.045×10-15～0.095×10-15m2，煤層瓦斯含量為5.00～12.84 m3/t，透氣性系數(shù)為1.780～3.785 m2/(MPa2·d)。根據(jù)其瓦斯賦存條件，建立不同抽采方案鉆孔布置模型，采用數(shù)值模擬方法[34]對(duì)多分支水平井最優(yōu)分支形態(tài)、長度等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究，數(shù)值模擬結(jié)果如圖7 所示。基于煤層瓦斯卸壓程度-煤層消突面積角度-工程投入程度優(yōu)選準(zhǔn)則，確立了混合型最優(yōu)分支形態(tài)，非對(duì)稱性抽采效果佳；分支角度為35°～ 50°、分支長度300～500 m 為宜；分支數(shù)目與煤層厚度及抽采能力相關(guān)，一般取4～8 個(gè)為宜。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)，瓦斯抽采時(shí)間為240 d 時(shí)，各方案中距鉆孔22 m 內(nèi)的煤層瓦斯壓力均降到0.74 MPa，且隨著抽采時(shí)間增加，降壓程度和范圍均逐步擴(kuò)大，但總體來看降壓范圍較小，由此可見，煤層群多分支水平井可以滿足井上降突需求，可以通過優(yōu)選煤層群多分支水平井參數(shù)有效增強(qiáng)近距離煤層群多分支水平井消除或降低煤層瓦斯含量，從而實(shí)現(xiàn)近距離煤層群防突。

圖7 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)多分支水平井抽采效果的影響Fig.7 Effect of design parameters on extraction effectiveness of multi-lateral horizontal wells

3.3 煤巷條帶強(qiáng)化卸壓防突技術(shù)

基于預(yù)掘底板巖巷穿層抽采鉆孔卸壓原理研究，豎直方向上將待掘煤巷布置在底板巖巷圍巖卸壓區(qū)范圍內(nèi)，降低待掘煤巷的頂?shù)装鍘r層的地應(yīng)力危害；水平方向上將上覆煤層劃分為卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始煤層區(qū)，針對(duì)應(yīng)力集中區(qū)、原始煤層區(qū)，采用水力化技術(shù)使煤層排出部分煤體，進(jìn)一步降低地應(yīng)力危害，其中軟煤區(qū)域(煤的堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.5)采用水力沖孔技術(shù)、硬煤區(qū)域(煤的堅(jiān)固性系數(shù)f>0.5)采用水力切縫技術(shù)；同時(shí)，聯(lián)合采用穿層鉆孔抽采煤巷條帶瓦斯降低煤層的瓦斯危害，實(shí)現(xiàn)同時(shí)降低煤巷條帶區(qū)域的地應(yīng)力和瓦斯，如圖8 所示。

圖8 煤巷條帶分段卸壓防突技術(shù)示意Fig.8 Schematic diagram of pressure relief and outburst prevention technology of coal roadway strip

3.4 井上下聯(lián)合抽采防突銜接合理性評(píng)價(jià)模型

基于煤層群礦井抽采防突特點(diǎn)及影響因素，進(jìn)一步結(jié)合前文的井上下聯(lián)合抽采防突的內(nèi)涵及模式，總結(jié)并構(gòu)建了井上下聯(lián)合抽采防突時(shí)空銜接合理性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖9(a)所示。

圖9 井上下聯(lián)合防突銜接合理性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及模型Fig.9 Evaluation index system and model for the articulation rationalization of the gas outburst prevention mode of joint ground and underground technology

合理性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要由掘進(jìn)超前指標(biāo)和區(qū)域措施工程有效性指標(biāo)構(gòu)成，兩大類指標(biāo)集合能夠有效反映井上下聯(lián)合抽采防突接替合理性。此外，突出礦井生產(chǎn)條件復(fù)雜，不確定因素較多，極易造成生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。因此，有必要對(duì)各影響因素進(jìn)行定量分析，確定主要影響因素。而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是將概率論與圖論組合起來的定量分析方法，能夠較為直觀地辨識(shí)問題的主控因素，適用于井上下聯(lián)合抽采防突時(shí)空銜接合理性的評(píng)價(jià)[33,35]。其中，指標(biāo)體系可分為“井上下聯(lián)合防突接替合理性A”、“掘進(jìn)超前指標(biāo)B1”、“區(qū)域措施工程有效性指標(biāo)B2”。表1為C1～C11各類評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算規(guī)則。同時(shí)基于《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》[36]，并結(jié)合貝葉斯理論，構(gòu)建了井上下聯(lián)合防突銜接合理性評(píng)價(jià)模型，如圖9(b)所示。

表1 各類評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算規(guī)則Table 1 Types of indicators and grading standards

根據(jù)圖10，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和專家打分相結(jié)合的方法，通過調(diào)查多個(gè)礦井近5 a 的抽采防突相關(guān)資料和多組礦井領(lǐng)域內(nèi)的專家意見(表2)，確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的邊緣概率，進(jìn)而計(jì)算得到井上下聯(lián)合銜接合理性概率。表2 中P(Ci=Yes |Emn)為專家組Em認(rèn)為指標(biāo)Ci處于n狀態(tài)下的部署合理性概率；其中，P為該指標(biāo)的概率；E為專家；m為專家排序；n為評(píng)估等級(jí)n=(1)、(2)、(3)；Ci為第i個(gè)指標(biāo)。通過與表3 對(duì)照，得出其合理性程度，其中A為代表礦井防突接替合理性的概率。若所評(píng)價(jià)礦井的P(A=Yes)小于0.5，則該突出礦井防突接替的合理性級(jí)別為1；若P(A=Yes)在0.5～0.7，則合理性級(jí)別為2；若P(A=Yes)在0.7～0.9，合理性級(jí)別為3；若P(A=Yes)大于0.9，則合理性級(jí)別為4。

表2 不同專家對(duì)部分影響因素的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則Table 2 Guidelines for the evaluation of selected impact factors by different experts

表3 評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[37]Table 3 Evaluation grading criteria[37]

圖10 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和專家打分方法相結(jié)合框架Fig.10 Framework diagram combining Bayesian network and expert scoring method

3.5 近距離煤層群井上下聯(lián)合防突關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

以沙曲一礦為例，沙曲一礦地形以寬緩的小型褶曲構(gòu)造為主，斷層稀少且延伸短、斷距小，地表未見陷落柱發(fā)育，為近水平近距離煤層群賦存。沙曲一礦工作區(qū)內(nèi)全部可采，煤層厚度3.99～4.91 m，平均厚度4.51 m，平均層間距為4.33 m，其中3+4 號(hào)煤層埋深為310～453 m，5 號(hào)煤層埋深為314～459 m。多分支水平井井上下對(duì)接鉆孔井下規(guī)?；椴晒苍O(shè)計(jì)SQN-0501-41、SQN-0501-42 和SQN-0501-5 三口地面多分支水平井，水平井進(jìn)入煤層后分別沿3+4 號(hào)及5 號(hào)煤層鉆進(jìn)。其中0501-41 及0501-42 井布置在3+4 號(hào)煤層中；0501-5 井布置于5 號(hào)煤層中。0501-41 井為單主支井，主要預(yù)抽4501 工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)區(qū)域的煤層瓦斯；0501-42 井設(shè)計(jì)主支和分支主支主要預(yù)抽4501 軌道巷掘進(jìn)區(qū)域煤層瓦斯，分支預(yù)抽工作面區(qū)域煤層瓦斯；0501-5 井設(shè)計(jì)主支和羽狀分支，主支距軌道巷10～45 m，分支長度為360～470 m，形成對(duì)工作面的控煤、控氣要求。主要抽采5501 與5502 工作面煤層瓦斯及上組煤層采動(dòng)時(shí)鄰近層卸壓瓦斯，沙曲一礦井上下聯(lián)合抽采防突地面井及井下鉆孔布置如圖11 所示。

圖11 沙曲一礦井上下聯(lián)合抽采防突模式Fig.11 Gas outburst prevention mode of joint ground and underground technology in Shaqu No.1 mine

沙曲一礦在規(guī)劃時(shí)間內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)3+4 號(hào)、5 號(hào)煤層協(xié)同消突，4501 工作面平均噸煤瓦斯含量由11.06 m3/t 下降至6.38 m3/t；5501 與5502 工作面平均瓦斯含量由10.79 m3/t 下降至8.57 m3/t。相較于4301 工作面僅采用井下順層鉆孔(其抽采體積分?jǐn)?shù)為15.4%～35.5%，單孔流量為0.24～0.41 m3/min)進(jìn)行瓦斯抽采，采取井上下聯(lián)合抽采防突模式與關(guān)鍵技術(shù)后最大單日抽采純量20 510.07 m3，平均抽采體積分?jǐn)?shù)為88.9%，瓦斯抽采純量增加44%，井下區(qū)域預(yù)抽鉆孔工程量減少40%以上；釋放抽采達(dá)標(biāo)煤量約80 萬t，高效抽采瓦斯量約420 萬m3。此外，基于前文所構(gòu)建的井上下聯(lián)合抽采防突銜接合理性評(píng)價(jià)模型對(duì)沙曲一礦井上下聯(lián)合抽采防突進(jìn)行時(shí)空銜接評(píng)價(jià)，如圖12 所示，最終得到系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)A出現(xiàn)“Yes”的概率為P(A=Yes |B1,B2)=0.751。此時(shí)該礦井防突接替的合理性級(jí)別為3 級(jí)。說明沙曲一礦現(xiàn)階段井上下聯(lián)合抽采防突銜接具有較好的合理性。經(jīng)沙曲一礦工程實(shí)踐表明，筆者研發(fā)的近距離煤層群井上下聯(lián)合防突關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用后，在近距離煤層首采層開采過程中使得被保護(hù)層產(chǎn)生貫通裂隙，并在煤層內(nèi)衍生大量次生裂隙，有利于實(shí)現(xiàn)近距離煤層快速、高效卸壓消突。

圖12 沙曲一礦防突接替合理性貝葉斯網(wǎng)絡(luò)Fig.12 Bayesian network for the articulation rationalization of outburst prevention in Shaqu No.1 Mine

4 遠(yuǎn)距離煤層群井上下聯(lián)合防突關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離煤層群強(qiáng)化卸壓、遞進(jìn)消突，筆者基于遠(yuǎn)距離煤層群煤炭開采作業(yè)特點(diǎn)優(yōu)選并集成了遠(yuǎn)距離煤層群井上下聯(lián)合抽采防突關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 地面井井群“單井區(qū)域-全區(qū)密集”布井方式優(yōu)化技術(shù)

根據(jù)已有研究，地面采動(dòng)井抽采影響范圍、有效防突半徑呈橢圓形分布；其中，沿工作面推進(jìn)方向的影響半徑明顯大于垂直工作面推進(jìn)方向。因此，基于遠(yuǎn)距離煤層群賦存特點(diǎn)，結(jié)合工作面布置參數(shù)，分別從沿工作面走向或工作面傾向如何發(fā)揮最優(yōu)抽采效能考慮，進(jìn)行采動(dòng)井井群布置；最終，構(gòu)建了地面井單井區(qū)域最大化、全區(qū)密集型2 種井群布井方式，如圖13 所示。

圖13 構(gòu)建的2 種井群布井方式優(yōu)化技術(shù)Fig.13 Optimization techniques for two types of well group layout

單井區(qū)域最大化布井方式采用大間距地面井布置，實(shí)現(xiàn)單井控制區(qū)域最大化，對(duì)未控制區(qū)域補(bǔ)充井下抽采鉆孔，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域高效防突。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)[38-39]，超前保護(hù)層工作面60 m 范圍內(nèi)的被保護(hù)層位于保護(hù)層開采的應(yīng)力集中區(qū)，滯后保護(hù)層工作面30 m 范圍為卸壓影響區(qū)。當(dāng)被保護(hù)層底板巷位于保護(hù)層工作面內(nèi)部時(shí)，為避免影響保護(hù)層工作面的回采，應(yīng)超前保護(hù)層工作面60 m 施工井下預(yù)抽鉆孔；若位于底板巷保護(hù)層外部時(shí)，則滯后保護(hù)層工作面0～30 m 內(nèi)施工井下鉆孔。

與單井區(qū)域最大化井群布置方式不同，全區(qū)密集型井群布置方式依據(jù)單井沿工作面傾向控制范圍，通過減小采動(dòng)井沿工作面走向布置間距，實(shí)現(xiàn)采動(dòng)井對(duì)整個(gè)工作面范圍的區(qū)域控制，進(jìn)而取消井下補(bǔ)充抽采鉆孔。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，地面采動(dòng)井間距可取200 m，為確保軟巖開采期間瓦斯涌出峰值時(shí)的抽采能力，地面采動(dòng)井走向間距為110 m，井徑為245 mm。

4.2 井上下聯(lián)合卸壓抽采防突與井孔空間布置技術(shù)

遠(yuǎn)距離煤層群一般采用下保護(hù)層開采模式，且保護(hù)層開采后卸壓效果存在明顯的時(shí)間效應(yīng)，對(duì)被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采應(yīng)在保護(hù)層采動(dòng)后覆巖應(yīng)力恢復(fù)之前盡早進(jìn)行，地面井施工不受井下開拓工程限制，能夠及時(shí)進(jìn)行被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采。因此，被保護(hù)層卸壓瓦斯應(yīng)當(dāng)采用地面井卸壓抽采為主、井下補(bǔ)充抽排為輔的井上下聯(lián)合抽采方法?？紤]影響遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采卸壓效果的關(guān)鍵主控因素演化規(guī)律，結(jié)合“首采煤層保護(hù)-最小采高控制-遠(yuǎn)程應(yīng)力卸壓”的遠(yuǎn)距離煤層群首采層優(yōu)選體系，構(gòu)建了遠(yuǎn)距離煤層群“保護(hù)層井下-被保護(hù)層地面”的卸壓抽采聯(lián)合防突技術(shù)，如圖14(a)所示。對(duì)于突出下保護(hù)層，瓦斯預(yù)抽技術(shù)主要包括底板穿層鉆孔和順層鉆孔大面積預(yù)抽；對(duì)于上覆突出被保護(hù)層，瓦斯卸壓抽采技術(shù)主要包括地面井和井下穿層鉆孔。為減少礦井巖巷掘進(jìn)工程量，突出下保護(hù)層工作面采用“一面三巷”布置方式，其中“三巷”分別為回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷和瓦斯綜合治理巷，如圖14(b)所示，其適用于遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采過程中的被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采。其適用的工程條件為：緩傾斜和傾斜煤層相對(duì)層間距(層間距與保護(hù)層采高之比)25～40 倍采高，急傾斜煤層層間距不大于80 m?；茨系V區(qū)顧橋、丁集、張集、朱集東、潘三等礦井11-2 煤層與上覆13-1 煤層平均層間距70 m，11-2 煤層的突出危險(xiǎn)性小于13-1 煤層。因此，采用下保護(hù)層開采卸壓瓦斯抽采模式，首采11-2 煤層使得上覆13-1煤層卸壓，同時(shí)抽采13-1 煤層卸壓瓦斯，可以有效消除13-1 煤層的突出危險(xiǎn)性。

圖14 井上下聯(lián)合抽采防突及其井孔空間布置技術(shù)Fig.14 Gas outburst prevention mode of joint ground and underground technology and its well-borehole space arrangement technology

4.3 “切縫-壓裂”聯(lián)合增透、精準(zhǔn)消突工藝技術(shù)

基于切縫、壓裂優(yōu)缺點(diǎn)以及遠(yuǎn)距離煤層群井下增透消突需求，提出煤層切縫、壓裂聯(lián)合方案，通過將水力切縫、水力壓裂技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，結(jié)合2 者優(yōu)勢(shì)，對(duì)煤層進(jìn)行有效改造，擴(kuò)大水力化技術(shù)的適用范圍，提高卸壓防突效果。煤層切縫、壓裂聯(lián)合模式，如圖15 所示。

圖15 2 種水力切縫、壓裂聯(lián)合工藝技術(shù)模式Fig.15 Two combined hydraulic slitting and fracturing process technology models

(1)先切后壓聯(lián)合模式(圖15(a))。通過預(yù)先在煤體進(jìn)行水力切縫形成縫槽，能夠在一定程度上擴(kuò)大單孔有效影響范圍，破壞煤體原有應(yīng)力平衡，促使切縫孔周圍煤體向縫槽空間運(yùn)移，煤層發(fā)生卸壓、變形和膨脹，進(jìn)一步產(chǎn)生更多裂縫，擴(kuò)大切縫孔附近煤體塑性區(qū)范圍。該模式既解決了水力壓裂裂紋方向不易控制、壓裂區(qū)裂紋擴(kuò)展不均勻、容易形成高應(yīng)力集中區(qū)、存在壓裂“盲區(qū)”的問題，又增加了壓裂影響范圍，相較于普通鉆孔節(jié)約了大量鉆孔工程量，提高了卸壓防突效率。同時(shí)，對(duì)個(gè)別區(qū)域存在的卸壓不均勻和應(yīng)力集中問題，再進(jìn)行補(bǔ)充定點(diǎn)水力切縫，以達(dá)到均勻、高效防突目的。先切后壓聯(lián)合主要針對(duì)鉆孔工程量大、采掘接替緊張的突出煤層。

(2)先壓后切聯(lián)合模式(圖15(b))。針對(duì)構(gòu)造應(yīng)力高、透氣性系數(shù)低、瓦斯抽采效果差的突出煤層，根據(jù)水力壓裂與水力切縫特點(diǎn)，提出先壓后切精準(zhǔn)防突模式，即通過水力壓裂作業(yè)迅速提高該區(qū)域煤層的滲透性以及瓦斯抽采效果，水力壓裂施工完成后，對(duì)卸壓效果欠佳的區(qū)域作為水力壓裂“盲區(qū)”，使用水力切縫精準(zhǔn)增透強(qiáng)化抽采，在地應(yīng)力作用下，壓裂裂縫與切縫破裂區(qū)連通，形成整體卸壓區(qū)，降低應(yīng)力集中程度，有效提高煤層透氣性。該模式有效結(jié)合了壓裂與切縫的優(yōu)點(diǎn)，解決了壓裂區(qū)域應(yīng)力集中和壓裂不均勻的問題，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)防突。該模式主要針對(duì)煤層透氣性差、一般治理措施工程量大、時(shí)間長、效果差的突出煤層。

以中煤新集公司新集二礦煤層瓦斯地質(zhì)、采掘部署實(shí)際情況[40]，確定切壓聯(lián)合關(guān)鍵工藝參數(shù)。水力切縫技術(shù)參數(shù)包括切縫壓力、切縫間距、切縫旋轉(zhuǎn)速度與切縫時(shí)間。根據(jù)新集二礦超高壓水力切縫實(shí)際情況，選取切縫壓力90～100 MPa、切縫間距5 m、切縫旋轉(zhuǎn)速度60 r/min、切縫時(shí)間7 min。水力壓裂主要參數(shù)包括起裂壓力、注水量等。煤層起裂壓力臨界值計(jì)算公式如式(1)所示，理論壓入水量的確定依據(jù)公式如式(2)所示。根據(jù)實(shí)際情況，確定煤層起裂壓力約18 MPa；壓裂孔煤層注水量為160～240 m3；試驗(yàn)鉆孔每次壓裂時(shí)間不低于1.5 h，間隔0.5～1.0 h，進(jìn)行多次壓裂。

式中，P0為起裂壓力；k為地層系數(shù)；γ為煤層上覆巖層的平均容重；α、β、θ分別為裂隙壁面與x、y、z軸之間的夾角；λ1、λ2分別為x、y方向上的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)；H為煤層埋深；Cw為煤層受水浸潤后的黏聚力；P1為滲透水壓力。

式中，VW為理論壓入水量，m3；VV為影響體體積，m3；K為影響體孔隙率，%；a為影響體長度，m；b為影響體寬度，m；h為影響體高度，m。

4.4 遠(yuǎn)距離煤層群井上下聯(lián)合防突關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

以中安聯(lián)合朱集西礦為例，朱集西礦地面主采11-2、13-1 煤層，煤層埋深為960～1 070 m，平均厚度分別為3.8 m 和1.6 m，平均層間距為75 m，為近水平遠(yuǎn)距離煤層群賦存。11-2、13-1 煤層實(shí)測最大瓦斯壓力分別為1.2 和1.36 MPa，最大瓦斯含量分別為8.39 和8.48 m3/t。結(jié)合朱集西礦11-2、13-1 煤巖層賦存及開采條件，選擇11-2 煤層作為保護(hù)層，被保護(hù)的13-1 煤層為被保護(hù)層。11-2 煤層回采期間采用被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采措施，實(shí)現(xiàn)13-1 煤層消突。并進(jìn)一步根據(jù)11-2 和13-1 煤層的賦存特征，采用“保護(hù)層井下-被保護(hù)層地面”的井上下聯(lián)合抽采區(qū)域防突模式，如圖16 所示。朱集西礦針對(duì)保護(hù)層11-2 煤層采用分區(qū)分級(jí)精準(zhǔn)防突的瓦斯治理方法，與僅采用井下防突措施相比，實(shí)際施工鉆孔工程量14.2 萬m，節(jié)省鉆孔工程量20.9 萬m，井下鉆孔工程量減少約60%；抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間由原來420 d 縮短至255 d，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短約40%。被保護(hù)層采用地面井抽采為主、井下鉆孔抽采為輔的聯(lián)合抽采方式，與僅采用井下防突措施，即井下穿層鉆孔相比，瓦斯抽采的工程量減少約80%，地面鉆井在保護(hù)層工作面巷道開拓期間提前施工，避免了巷道掘進(jìn)對(duì)抽采鉆井施工的影響，大幅度地縮短了準(zhǔn)備區(qū)巷道掘進(jìn)時(shí)間和瓦斯抽采時(shí)間，顯著地解放了開拓煤量和被保護(hù)層有效煤量。同時(shí)，筆者所提出的遠(yuǎn)距離煤層群井上下聯(lián)合防突關(guān)鍵技術(shù)與單一煤層瓦斯抽采相比，其鉆孔數(shù)、工程量和消突時(shí)間分別降低48.9%、46.4%和43.8%。

圖16 朱集西礦井上下聯(lián)合抽采防突模式Fig.16 Gas outburst prevention mode of joint ground and underground technology in Zhuji West Mine

此外，基于前文所構(gòu)建的井上下聯(lián)合抽采防突銜接合理性評(píng)價(jià)模型對(duì)朱集西礦井上下聯(lián)合抽采防突時(shí)空銜接進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖17 所示，最終得到系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)A出現(xiàn)：“Yes”的概率為P(A=Yes |B1,B2)=0.534。此時(shí)該礦井防突接替的合理性性級(jí)別為2 級(jí)。說明朱集西礦現(xiàn)階段井上下聯(lián)合抽采防突銜接具有較好的合理性。經(jīng)朱集西礦工程實(shí)踐表明，本文所述遠(yuǎn)距離煤層群井上下聯(lián)合防突關(guān)鍵技術(shù)在遠(yuǎn)距離煤層群瓦斯高效抽采消突過程中具有良好的應(yīng)用性。

5 結(jié)論

(1)闡明了井上下聯(lián)合防突“時(shí)空轉(zhuǎn)換-優(yōu)勢(shì)互利”的內(nèi)涵。地面井不受空間約束能在井下作業(yè)前長時(shí)間抽采瓦斯實(shí)現(xiàn)煤層降突，為井下?lián)Q取作業(yè)空間，實(shí)現(xiàn)井上“時(shí)間換空間”；井下鉆孔在井下空間精準(zhǔn)抽采目標(biāo)區(qū)域瓦斯實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域快速消突，縮短目標(biāo)區(qū)域消突時(shí)間，實(shí)現(xiàn)井下“空間換時(shí)間”。

(2)構(gòu)建了近遠(yuǎn)距離煤層群井上下聯(lián)合防突適配模式。近距離煤層群“孔群覆蓋-協(xié)同抽采”井上下聯(lián)合防突典型模式，實(shí)現(xiàn)近距離煤層群突出治理的超前規(guī)劃、提前施工、整體消突。遠(yuǎn)距離煤層群“強(qiáng)化增透-遞進(jìn)抽采”井上下聯(lián)合防突典型模式，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離煤層群煤與瓦斯突出治理的強(qiáng)化卸壓、采動(dòng)跟進(jìn)、遞進(jìn)消突。

(3)研發(fā)了近遠(yuǎn)距離煤層群井上下聯(lián)合防突關(guān)鍵技術(shù)。所研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步提升了近遠(yuǎn)距離煤層群井上下聯(lián)合防突效果，并在沙曲一礦與朱集西礦中取得顯著的應(yīng)用效果。實(shí)現(xiàn)沙曲一礦釋放抽采達(dá)標(biāo)煤量約80 萬t，高效抽采瓦斯量約420 萬m3；朱集西礦井下鉆孔工程量減少約60%，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短約40%。