高喜才，趙 程，范 凱，肖前昌，胡彬，王燦華

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.四川華鎣山龍灘煤電有限責任公司，四川 廣安 638020；3.四川華鎣山廣能(集團)有限責任公司，四川 廣安 638027)

近年來，煤與瓦斯突出事故極大威脅礦井的安全生產[1]，預抽煤層瓦斯是防治煤礦瓦斯災害的根本措施，也是保證煤礦工作面安全開采的重要手段之一，但我國95%以上的高瓦斯和突出礦井開采煤層透氣性差，存在瓦斯抽采困難的問題[2，3]。

為增強低滲透性煤層的瓦斯抽采效果，專家學者們研發(fā)了一系列提高煤層瓦斯?jié)B透性、強化預抽煤層瓦斯效果的技術。在治理工程量不增加、治理效果不降低的方針下，單一抽采技術可以很好地解決瓦斯突出問題。李小平等[4-6]采用了密集順層鉆孔和定向長鉆孔抽采技術有效降低了煤層瓦斯，極大地提高了生產效率；孫文忠[7]通過分析低滲煤層高能氣體預裂增透技術的卸壓增透機理，提出利用CO2高能氣體預裂增透技術，回采工作面預裂增透后，平均瓦斯抽采濃度、平均抽采純流量和平均百米鉆孔抽采純流量分別增加了0.8、1.0、1.5倍；林柏泉[8]提出了底板穿層鉆孔割縫網絡化增透技術，煤層平均透氣性系數(shù)提高了122倍；張永民[9]通過可控沖擊波增透煤層鉆孔，增透有效半徑可達40～60m，單孔日均瓦斯抽采量最高達到6.54倍，鉆孔工程量減少了82%～89%。

綜合治理技術方面，梁銀權[10]分析了深鉆孔超高壓水力割縫卸壓增透機理，采用深鉆孔與高壓水力割縫相結合增透技術，減少了抽采達標時間；高鑫浩[11]提出了水力壓裂—深孔預裂爆破復合增透技術，有效增加了煤巖層的透氣性；王迪[12]提出了普通鉆孔與水力沖孔鉆孔協(xié)同交叉布置的網絡化高效抽采技術，破除了普通鉆孔的“瓶塞效應”，實現(xiàn)了煤體整體均勻卸壓；曹文梁[13]基于水射流割縫和水力壓裂理論原理，在底抽巷實施了穿層鉆孔水力割縫(壓裂)綜合增透技術試驗，試驗組單孔平均抽采濃度提升2.95倍，單孔平均抽采純量提升3.82倍，單位面積抽采純量提升1.74倍；崔國宏[14]提出采取地面鉆井抽采先行、井下順層長鉆孔區(qū)域抽采為主及穿層鉆孔、采空區(qū)抽采為輔的防突綜合治理技術，實際應用表明，煤層瓦斯含量明顯降低，縮短了瓦斯抽采時間；劉軍[15]提出采用順層交叉鉆孔預抽、裂隙帶抽采、采空區(qū)埋管抽采相結合瓦斯治理技術，有效防止了工作面瓦斯超限的發(fā)生。

目前國內對不同條件下低透氣性煤層的瓦斯治理取得了良好的效果，但對于復雜地質條件煤層瓦斯治理仍需進一步研究。針對西南地區(qū)龍灘煤礦復雜地質條件突出煤層，提出了工作面完全區(qū)域消能和局部強化卸壓一體化綜合防突技術，大幅提高了瓦斯抽采效率，保證了智能化工作面的安全高效生產。

1 工程概況

西南地區(qū)煤層賦存條件普遍復雜，瓦斯問題突出，機械化、智能化開采裝備的能力不能得到充分發(fā)揮。作為川煤集團新建大型礦井，龍灘煤礦位于華鎣山中段煤田北部，現(xiàn)開采+310m水平，主采K1煤層，煤層厚度1.0～3.86m，平均厚度1.5m，厚度變化大；K1煤層瓦斯含量高，突出危險性大，地質條件復雜，給綜采工作面改造和智能化升級帶來較多難題。

1)煤層厚度變化大。K1煤層位于龍?zhí)督M一段中部，煤層厚度1.0～3.86m，平均厚度1.5m，厚度變化大，屬薄及中厚煤層，煤層傾角3°～7°，K0+685m至K1+145m段分布有厚約0.3m的軟煤層，煤層走向上北側煤層較南側厚，傾向上東翼煤層較西翼煤層厚，且賦存起伏變化大，給瓦斯抽采帶來較大困難。

2)煤與瓦斯突出危險性高。K1煤層煤體松軟，瓦斯含量大，最大原始瓦斯含量為9.55m3/t，原始瓦斯壓力為1.05MPa，最大超過突出危險性臨近指標(W=8m3/t、P=0.74MPa)，煤層透氣性系數(shù)低，煤層瓦斯吸附常數(shù)a=33.39mL/(g.r)，b=0.365MPa-1，具有突出危險性，瓦斯治理工程量大、時間長，防突指標超標現(xiàn)象仍然存在，煤與瓦斯突出的潛在隱患仍未徹底消除，嚴重影響機械化綜采裝備性能發(fā)揮和智能化工作面安全生產。

3)工作面走向斷層發(fā)育。井田范圍調查發(fā)現(xiàn)斷層17條，揭露發(fā)現(xiàn)隱伏斷層3條，大部分斷層位于井田北端及龍王洞背斜西翼，部分出露于井田外圍。3124S工作面位于312采區(qū)南翼，機巷K0+940m至K1+160m范圍內共發(fā)育一組斷裂構造，3124SJ-1正斷層地層斷距0.2～2.8m，傾角30°～80°、傾向275°～285°，該斷層自3124S機巷K0+970m處進入工作面，K1+146m進入巷道內，切割工作面走向長度共計176m，如圖1所示。斷層影響帶內頂板破壞嚴重，回采時易冒落，斷層帶及上下盤50m范圍內煤層結構、硬度變化大，瓦斯含量及壓力顯著增大，嚴重威脅工作面安全高效生產。

圖1 走向斷層切割工作面及巷道

2 智能化綜采工作面一體化防突技術體系

針對龍灘煤礦單一突出煤層厚度變化大、煤與瓦斯突出危險性高和工作面走向斷層發(fā)育等復雜地質條件，為進一步降低煤層瓦斯含量，消除瓦斯突出危險，保障機械化綜采裝備性能發(fā)揮和智能化工作面安全生產，從區(qū)域卸荷消能和局部增透強化兩方面著手：首先對煤層施工高密集鉆孔，確保鉆孔抽采影響范圍完全覆蓋煤層，初步破碎煤體，增加煤層瓦斯涌出量，繼而通過較長時間抽采煤層內游離瓦斯，降低瓦斯壓力，消減瓦斯內能；進一步通過局部措施增加煤層透氣性，降低地應力，解吸煤層吸附瓦斯，強化瓦斯抽采效果，消除瓦斯抽采盲區(qū)，減少智能化工作面抽采達標時間。

根據(jù)以上防突技術原理，提出了完全區(qū)域-局部一體化防控技術體系，包括工作面順層長鉆孔、底板穿層鉆孔和底板網格化長鉆孔區(qū)域消能防突措施，配合深孔預裂爆破、水力壓裂和超前排放鉆孔局部卸壓增透措施。區(qū)域-局部一體化防突技術體系如圖2所示。

圖2 區(qū)域-局部一體化防突技術體系

2.1 完全區(qū)域消能防突技術

針對K1煤層厚度起伏大、煤層薄，為實現(xiàn)抽采有效影響范圍完全覆蓋煤層，消減瓦斯內能目的，結合“多措并舉、可保必保、應抽盡抽、效果達標”方針，在兩巷根據(jù)煤層走向設計順層鉆孔，煤巷底抽巷設計穿層鉆孔以及穿層網格化鉆孔預抽煤層瓦斯。

2.1.1 工作面順層鉆孔預抽

為大幅度降低煤層瓦斯，設計順層真傾角大直徑高密度預抽鉆孔，從工作面機巷和風巷內向開采區(qū)域施工上向和下向順層鉆孔。

根據(jù)煤層瓦斯流動理論[16]，為獲取極限抽采影響半徑，垂直巷道中線向新鮮暴露煤壁依次施工A、B、C三個抽放鉆孔，抽放125d和抽放164d時平行于A、B、C抽放孔一側間隔0.5m依次施工6個測試孔，孔徑94mm，終孔深度100m。A孔測得殘余瓦斯含量見表1。一般認為殘余瓦斯含量降于8m3/t為抽采影響臨界值，進行插值或外推計算，得出對抽放125d和抽放164d時有效抽采半徑為2.59m和3.13m，確定孔間距設計為1.5～2m，孔深100m，孔徑115mm，鉆孔設計如圖3所示。

表1 A孔不同位置測得的殘余瓦斯含量 m3/t

圖3 3124S工作面順層預抽鉆孔布置

2.1.2 底板穿層鉆孔預抽

為抽采煤層不同層理間的瓦斯，降低煤層積聚彈性能和瓦斯內能，在待采煤層下方開掘底板巖巷，對煤層施工穿層鉆孔卸壓。瓦斯底抽巷位置關系如圖4所示。

圖4 瓦斯底抽巷位置關系

1)穿層鉆孔有效抽采半徑的確定。在3124S機巷煤層下方底板巖層中布置3124機巷底板瓦斯抽放巷，在3124機巷底抽巷向K1煤層施工D、E、F三個平行抽放鉆孔，相鄰鉆孔間距10m、孔徑94mm，終孔位置穿入煤層頂板0.5m。于抽放114d和抽放153d時在D、E、F抽放孔一側間隔0.5m依次施工8個測試孔，孔徑94mm，終孔深度100m。D孔旁測試孔測得殘余瓦斯含量見表2。經計算，可得出抽放114d和抽放153d時，有效抽采半徑為2.69m和3.79m。

表2 D孔不同深度位置測得的殘余瓦斯含量 m3/t

2)鉆孔布置。鉆孔于3124S機巷底抽巷巷道頂部及幫部開孔，孔深以穿透K1煤層進入頂板巖層0.5m為準，孔徑94mm，鉆孔抽采半徑為3.79m，為加強治災效果，鉆孔孔底間距按5m×5m進行布置(巷道中間再施工一個鉆孔)，鉆孔布置如圖5所示。穿層鉆孔有效抽采3124S機巷及兩幫各15m以上區(qū)域瓦斯。

圖5 3124S機巷穿層預抽鉆孔布置(m)

3)底板網格化長鉆孔預抽。為強化鉆孔影響覆蓋區(qū)域，在3124S機巷底抽巷和風巷底抽巷向煤層交替打孔，孔深以穿透K1煤層進入頂板巖層0.5m為準。鉆孔抽采有效影響范圍與底板穿層鉆孔相同，鉆孔孔底均按5m×5m布置，機巷底抽巷鉆孔與風巷底抽巷鉆孔間距5m，鉆孔布置如圖6所示。

圖6 3124S工作面底板網格化長鉆孔布置(m)

2.2 局部卸壓增透防突技術

工作面斷層帶附近瓦斯因斷層構造帶的影響治理十分困難，易形成抽采盲區(qū)，以往工作面斷層附近瓦斯治理均采用局部防突措施，且不能完全保證安全作業(yè)，本次3124S工作面地質構造區(qū)域先不直接實施排放孔措施，結合3124S工作面斷層處周邊巷道分布情況，特選取多種技術方法對地質構造帶抽采盲區(qū)進行綜合瓦斯治理，以達到安全回采、瓦斯不超限的目標。

2.2.1 斷層鉆孔-深孔爆破復合增透消突

1)斷層上、下盤煤體鉆孔消能。斷層上盤至3124S機巷巷道最大距離17.78m，斷層面兩盤20m范圍內為瓦斯積聚區(qū)，游離瓦斯含量較大，在回采時將可能造成瓦斯超限事故。在3124S底板放水大巷和3124S機巷底抽巷向斷層上盤及斷層面與下盤20m范圍內施工穿層抽放鉆孔，鉆孔孔底按5m×5m布置，共計施工鉆孔33組，128個穿層鉆孔，鉆孔布置如圖7所示[17]。斷層面上、下盤附近穿層鉆孔的實施減小了瓦斯內能，消除了斷層附近瓦斯突出危險。

圖7 3124S工作面斷層下盤穿層預抽鉆孔布置

2)斷層上盤煤體鉆孔消突。在機巷向斷層上盤施工短距離順層抽放鉆孔，鉆孔孔間距1.5m，孔深均40m，以達到對斷層上盤煤層區(qū)域的消突作用。煤巷進行改造后，巷道整體上移，拆除不具備抽采條件的短鉆孔抽采裝置，改為自然排放，達到斷層上盤煤體瓦斯持續(xù)涌出，減少煤體瓦斯含量的效果。

3)深孔預裂爆破促抽。針對312采區(qū)走向斷層切割工作面情況，在斷層附近煤層及頂板破碎帶提前注漿加固，同時對該段巷道進行挑頂改造。在前期施工高密度順層預抽鉆孔的基礎上，為提高工作面地質構造帶區(qū)域煤層透氣性，在3124S工作面機巷側J-1正斷層處順層抽放鉆孔中間實施深孔爆破措施。根據(jù)文獻[18]結合煤層實際情況設計工作面爆破半徑15m，沿走向30～40m布置1個預裂爆破孔，在3124S工作面機巷側J-1正斷層處共布置有5個爆破孔。

預裂爆破孔深90m，封孔深度30m，裝藥深度60m，單孔裝藥量6～12kg。在炸藥前端布置2條水炮泥并用0.3m的底泥封堵；在炸藥后端先布置3條水炮泥，再依次布置1.5m的黃泥和2.0m的黃泥封堵，如圖8所示，保證炸藥沿煤層走向爆破，擴寬煤層裂隙，增大煤層透氣性。

圖8 爆破鉆孔裝藥結構

工作面地質構造帶區(qū)域補充深孔爆破措施后，該區(qū)域順層抽放單孔流量提高了約1/3，單孔抽放流量平均5L/min提高到了8L/min，抽放效果顯著，消除了地質構造帶瓦斯抽采盲區(qū)。

2.2.2 盲區(qū)水力壓裂增透

針對煤巷掘進條帶內存在局部抽采盲區(qū)的問題，利用高壓注水泵向鉆孔內進行煤層注水壓裂，導通或擴大原始煤體裂隙，使煤體裂隙暢通。3124S機巷穿層補充水力壓裂鉆孔布置在3124S機巷底抽巷，設計終孔位置位于3124S機巷巷道中間位置。因水力壓裂鉆孔滯后于穿層抽放鉆孔施工且布置在預抽孔范圍內，周圍原始煤體均被破壞，因此壓裂半徑按5m考慮，孔間距按10m設計布置。鉆孔布置如圖9所示。

圖9 3124S機巷底抽巷穿層補充水力壓裂鉆孔布置(m)

注水壓裂管選用6分白鐵管，鉆孔深度大于32m的封孔深度不小于30m，鉆孔深度小于32m的封孔深度為見煤深度，封孔完成后至少養(yǎng)護15d以上，確保鉆孔封堵嚴密不漏氣后進行水力壓裂。由于本次3124S機巷實施穿層補充壓裂，針對水力壓裂鉆孔周圍存在高密度預抽鉆孔且構造裂隙發(fā)育，壓裂時升壓、保壓較難的問題，設置初始注水壓力為20MPa，單孔注水時間控制在15min以上，最大限度地壓裂煤層。

在煤巷掘進條帶內補充水力壓裂增透措施后，有效提高了煤層透氣性，消除了煤巷掘進條帶內抽放盲區(qū)，強化了瓦斯治理效果。

2.2.3 工作面排放鉆孔補抽

在工作面實施補充區(qū)域防突措施效果檢驗時，對檢驗結果較大或有超標處補充區(qū)域防突措施鉆孔或者待采煤工作面回采至該區(qū)域時直接實施排放孔補抽。排放鉆孔沿工作面推進方向布置，鉆孔應盡量均勻地布置在煤層軟分層中，無軟分層時布置在煤層中部。根據(jù)煤層賦存條件、地質構造和瓦斯情況確定鉆孔直徑為75～120mm，鉆孔孔徑76mm，有效孔深為8～10m，孔間距為1.5m，鉆孔布置如圖10所示。排放鉆孔消除了工作面回采過程中瓦斯突出危險。

圖10 排放鉆孔布置

3 智能化綜采工作面瓦斯治理效果

現(xiàn)場監(jiān)測結果表明，智能化綜采工作面完全區(qū)域-局部一體化防突技術實施后，工作面切眼段前500m瓦斯抽采純量由3.408m3/min提高至4.501m3/min，提升了1.32倍；工作面整體抽采純量由7.467m3/min提高至9.447m3/min，提升了1.27倍，持續(xù)抽采時間四個月后，工作面整體及工作面切眼段前500m抽采純量然仍穩(wěn)定在6.45m3/min、4.152m3/min左右，瓦斯抽采效果提高顯著。

煤層平均瓦斯含量為9.02m3/t，抽采后最大殘余瓦斯含量為4.89m3/t，均小于5m3/t，瓦斯抽采率46%以上，有效降低了煤層瓦斯含量。鉆孔預抽時間差異系數(shù)小于30%，工作面較預期提前2個月實現(xiàn)瓦斯抽采達標。

3124S智能化綜采工作面在每日推進10～15刀的速度下，未發(fā)生一次瓦斯超限事故，實現(xiàn)了回采工作面瓦斯“零超限”，保障了突出單一薄煤層智能化綜采工作面安全高效生產。

4 結 論

1)針對龍灘煤礦煤層厚度變化大，突出危險性高和工作面斷層發(fā)育等問題，為降低智能化綜采工作面突出危險，從完全區(qū)域化消能防突和特殊局部強化增透兩方面著手，提出了工作面順層鉆孔、煤巷底板穿層鉆孔、網格化鉆孔預抽采完全區(qū)域消能和構造帶深孔爆破、水力壓裂等局部強化卸壓一體化防控技術體系。

2)龍灘煤礦K1煤層3124S智能化綜采工作面切眼段前500m瓦斯抽采純量由3.408m3/min提高至4.501m3/min，相較提升了1.32倍；工作面整體抽采純量由7.467m3/min提高至9.447m3/min，相較提升了1.27倍；煤層原始瓦斯含量為9.02m3/t，抽采后煤層殘余瓦斯含量平均控制在5m3/t以下，瓦斯抽采率達到46%以上，取得了良好的防突效果。

3)3124S智能化綜采工作面實現(xiàn)日進10～15刀，最高日推進8.5m，月最高產量6.39萬t，龍灘煤礦智能化工作面安全快速推進的實現(xiàn)，對西南地區(qū)突出煤層智能化工作面的瓦斯防治具有借鑒意義。