郭長(zhǎng)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(xiǎn)，為解決這些難題，提出了開(kāi)采保護(hù)層、區(qū)域預(yù)抽、優(yōu)化改造通風(fēng)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(xiàng)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(fēng)排瓦斯?jié)舛扔稍瓉?lái)的0.6%降低到現(xiàn)在的0.3%，從而保證了礦井通風(fēng)安全、安全效果及技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(shè)國(guó)家級(jí)瓦斯治理示范礦井，目前正實(shí)施“一礦變兩礦”改擴(kuò)建工程，沙曲一礦設(shè)計(jì)能力5Mt/a，沙曲二礦設(shè)計(jì)能力3Mt/a。沙曲井田走向長(zhǎng)22km，傾斜寬4.5～8km，面積 138.35km2，煤炭?jī)?chǔ)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?biāo)高為800～900m。

井田可采煤層 8 層，分別是山西組 2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)煤層和太原組 6 號(hào)、8 號(hào)、9 號(hào)、10 號(hào)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(chǔ)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(xiàng)治本之策

為有效治理瓦斯，華晉公司多年來(lái)對(duì)國(guó)內(nèi)瓦斯治理技術(shù)進(jìn)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(guó)內(nèi)外瓦斯治理的成功經(jīng)驗(yàn)，聘請(qǐng)國(guó)內(nèi)外知名專家、教授為沙曲礦瓦斯治理獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，并通過(guò)與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、河南理工大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院及沈陽(yáng)研究院等科研院所進(jìn)行科研合作，以煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心為平臺(tái)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、摸索、長(zhǎng)期實(shí)踐和研究，提出了開(kāi)采保護(hù)層、區(qū)域預(yù)抽、優(yōu)化改造通風(fēng)系統(tǒng)、提升瓦斯抽采系統(tǒng)能力、地面鉆孔抽采五項(xiàng)治本之策，得到了以袁亮院士為首的行業(yè)專家高度評(píng)價(jià)。該經(jīng)驗(yàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采有著重要的借鑒意義。

3.1 開(kāi)采保護(hù)層

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

沙曲礦北翼2號(hào)煤下距3+4號(hào)煤、沙曲礦南翼3號(hào)煤下距4號(hào)煤一般在8～12m之間，突出危險(xiǎn)性較小，煤層厚度0.7m以上的范圍達(dá)井田面積的60%以上，具備開(kāi)采保護(hù)層的條件。經(jīng)過(guò)調(diào)研和技術(shù)論證于2008年提出開(kāi)采沙曲礦北翼2號(hào)、沙曲礦南翼3號(hào)煤層，作為主采煤層4號(hào)、5號(hào)煤的上保護(hù)層，可明顯降低4號(hào)、5號(hào)煤層的瓦斯含量、壓力和地應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)下組層4號(hào)、5號(hào)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(dòng)局面。開(kāi)采上保護(hù)層將從根本上解決沙曲礦4號(hào)、5號(hào)煤的突出問(wèn)題，緩解了礦井抽掘采矛盾。

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

沙曲礦目前掘進(jìn)的2號(hào)、3號(hào)保護(hù)層，煤層厚度在0.6～1.3m之間。經(jīng)過(guò)調(diào)研論證，確定沙曲礦2號(hào)、3號(hào)煤層開(kāi)采方法采用小型綜合機(jī)械化采煤。依據(jù)沙曲礦2號(hào)、3號(hào)煤原始地質(zhì)賦存條件及礦井隊(duì)伍素質(zhì)和技術(shù)水平，開(kāi)采保護(hù)層綜采工作面采長(zhǎng)150～200m，走向長(zhǎng)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(fēng)系統(tǒng)采用如圖1所示的“Y”型通風(fēng)方式，配合布置底抽巷解決開(kāi)采保護(hù)層期間瓦斯大量涌出問(wèn)題。

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

3.2區(qū)域性預(yù)抽

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

3.2.1 長(zhǎng)距離大直徑鉆機(jī)區(qū)域預(yù)抽煤層瓦斯

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

2）順層鉆孔：

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

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

3.2.2 底抽巷區(qū)域預(yù)抽

由于沙曲礦南翼東翼3號(hào)煤煤層與4號(hào)部分合并后分開(kāi)距較小，不適合保護(hù)層開(kāi)采，所以區(qū)域防突措施改用鉆孔預(yù)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(hù)層開(kāi)采條件的區(qū)域主要應(yīng)用底抽巷預(yù)抽進(jìn)行區(qū)域消突。對(duì)于沙曲礦近距離煤層群開(kāi)采，采用底抽巷+穿層鉆孔群進(jìn)行區(qū)域預(yù)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(jìn)巷道區(qū)域預(yù)抽：將底抽巷布置在L5灰?guī)r底板6號(hào)煤中，利用底抽巷超前施工2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)煤穿層孔，對(duì)上覆各煤層進(jìn)行區(qū)域性預(yù)抽和消突，掩護(hù)巷道掘進(jìn)。如沙曲礦北翼北二2號(hào)底抽巷施工穿層鉆孔掩護(hù)2205軌道巷掘進(jìn)，提前區(qū)域預(yù)抽，減少本巷道消突工程，提高突出煤層掘進(jìn)進(jìn)尺。

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

（3）采中抽采下鄰近層卸壓瓦斯：上保護(hù)層開(kāi)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(yù)抽正在回采2203采面下伏的4號(hào)、5號(hào)煤。

（4）采后抽采采空區(qū)瓦斯：煤層開(kāi)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(duì)上覆煤層瓦斯和采空區(qū)積水進(jìn)行抽排。

3.3 優(yōu)化改造通風(fēng)系統(tǒng)

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

（1）增加風(fēng)井，提高風(fēng)量。2009年沙曲礦在南翼增加了白家坡一對(duì)進(jìn)回風(fēng)立井，北翼增加了下龍花垣一對(duì)進(jìn)回風(fēng)井。目前，沙曲礦共有7個(gè)進(jìn)風(fēng)井，4個(gè)回風(fēng)井，其中白家坡回風(fēng)井與沙曲回風(fēng)斜井擔(dān)負(fù)南翼區(qū)域回風(fēng)；高家山回風(fēng)井與下龍花垣回風(fēng)井擔(dān)負(fù)北翼區(qū)域回風(fēng)。礦井南翼風(fēng)量由11000m3/min提高到23500m3/min，北翼風(fēng)量由16000m3/min提高到27000m3/min，總風(fēng)量從27000m3/min提高到50500m3/min。

（2）實(shí)現(xiàn)礦井和采區(qū)獨(dú)立通風(fēng)。對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，礦井南翼區(qū)域白家坡回風(fēng)井與沙曲回風(fēng)斜井實(shí)現(xiàn)獨(dú)立回風(fēng)，北翼區(qū)域高家山回風(fēng)井與下龍花垣回風(fēng)井實(shí)現(xiàn)獨(dú)立回風(fēng)。通風(fēng)能力的大幅度增加，使得礦井風(fēng)排瓦斯?jié)舛却蠓冉档?，由原?lái)的0.6%降低到現(xiàn)在的0.3%，從而保證了礦井通風(fēng)安全，為各個(gè)采掘工作面施工提供了足夠的風(fēng)量。沙曲礦對(duì)采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)通風(fēng)。

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(gè)方面進(jìn)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(kuò)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(guò)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(chǔ)上，進(jìn)行抽采系統(tǒng)擴(kuò)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(duì)井下瓦斯進(jìn)行預(yù)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(bǔ)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(kāi)采區(qū)的厚煤層區(qū)域，施工水平對(duì)接井；在靠近煤層開(kāi)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(kāi)發(fā)由四家單位實(shí)施，分別是華晉焦煤公司、中聯(lián)煤層氣、富地柳林燃?xì)夤尽⑶咚{(lán)焰煤層氣開(kāi)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(jìn)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(duì)4號(hào)主采煤層實(shí)施壓裂增透，然后封井，從井下巷道對(duì)目標(biāo)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(jìn)入排采期。

（2）多分支水平對(duì)接井：華晉公司與寧夏煤田地質(zhì)局礦井災(zāi)害治理研究院合作開(kāi)展“地面多分支水平井與煤礦井下鉆孔對(duì)接抽采煤層瓦斯技術(shù)研究”項(xiàng)目，現(xiàn)已成功施工一口多分支水平對(duì)接井（24307水平井），從2012年12月17日至2017年6月18日累計(jì)產(chǎn)氣量1559萬(wàn)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(duì)接井下抽采井，該項(xiàng)目為《“多分支水平井井上下對(duì)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(duì)接抽采關(guān)鍵技術(shù)研究）”》，此項(xiàng)目仍采用地面多分支水平井與井下抽采鉆孔對(duì)接技術(shù)，井下采用3+4號(hào)及5號(hào)煤層同時(shí)進(jìn)行瓦斯抽采的新方式。

4 五項(xiàng)治本之策的應(yīng)用效果

沙曲礦2009年至2016年礦井瓦斯涌出量、風(fēng)排瓦斯量、抽采瓦斯量統(tǒng)計(jì)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(fēng)排瓦斯量、抽采瓦斯量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。統(tǒng)計(jì)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(kāi)拓規(guī)模和煤層揭露面積的逐年擴(kuò)大，風(fēng)排瓦斯量與瓦斯涌出量呈逐年遞減趨勢(shì)，從2016年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jì)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(xiǎn)性，瓦斯綜合治理任務(wù)異常艱巨，管理難度較大。但是經(jīng)過(guò)多年的實(shí)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(zāi)害威脅程度逐年降低，保證了礦井采掘工作面正常回采。

6 五項(xiàng)治本之策發(fā)展方向

通過(guò)五項(xiàng)治本之策的實(shí)施，在沙曲礦瓦斯治理工作方面取得了巨大的進(jìn)展，其研究和發(fā)展方向不僅是五項(xiàng)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(jì)效益保障，但是由于客觀條件限制，目前還存在以下問(wèn)題需要在實(shí)踐中逐步解決：

（1）調(diào)整采場(chǎng)布局，實(shí)施區(qū)域性瓦斯治理措施采取后，采場(chǎng)向2號(hào)、3號(hào)薄煤層轉(zhuǎn)移，保護(hù)層巷道掘進(jìn)煤層薄、起伏大，超前預(yù)抽鉆孔施工難度大，鉆孔深度淺，預(yù)抽距離短，抽、掘不平衡，影響保護(hù)層投產(chǎn)工期，借鑒壓風(fēng)排渣無(wú)芯保徑導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)施工鉆孔。

（2）合理設(shè)計(jì)瓦斯治理工程，超前預(yù)抽主采突出煤層，工程量大，預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)，采掘接替緊張，巷道開(kāi)拓和煤炭生產(chǎn)的矛盾需要協(xié)調(diào)和處理。實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整三區(qū)聯(lián)動(dòng)，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(jìn)一步提高各級(jí)人員管理水平。

（4）進(jìn)一步加強(qiáng)低濃度瓦斯的綜合利用，如何保證環(huán)境和社會(huì)效益的同時(shí)，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)束語(yǔ)

為了更好開(kāi)展瓦斯治理工作，對(duì)瓦斯治理模式深入分析探索。扎實(shí)開(kāi)展井下保護(hù)層開(kāi)采、超前鉆孔掩護(hù)煤巷掘進(jìn)、順層鉆孔預(yù)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(kāi)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(duì)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(biāo)志著沙曲礦瓦斯治理取得了突破性的進(jìn)展、對(duì)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(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采有著重要的借鑒意義。