晉城礦區井上下聯合瓦斯抽采工藝及現場應用

高磊

（晉能控股裝備制造集團有限公司 寺河煤礦，山西 晉城 048200）

0 引 言

常見的礦井瓦斯抽采方法包括地面鉆井抽采、井下穿層鉆孔抽采、順層鉆孔抽采、高抽巷抽采、頂板裂隙帶鉆孔抽采、上隅角埋管抽采及采空區密閉墻埋管抽采等方法。井上下聯合瓦斯抽采是指一個礦井在采前、采中和采后的全抽采周期內選用包括地面鉆井抽采和多種井下抽采相結合的抽采方式[1-2]。

經過十多年的實踐，逐漸形成了以煤層群開采條件為背景的“兩淮”（兩淮指的是淮南、淮北）模式，和以單一煤層群開采為主的“晉城”模式[3]。“兩淮”模式也稱為保護層開采技術，是充分利用首采煤層開采過程中的巖層移動對頂底板內煤巖層的卸壓增透作用，實現對鄰近煤層的卸壓抽采，該技術在國內煤層群開采條件的礦區得到了廣泛應用?！皶x城”模式是基于晉城西區煤層瓦斯含量高、煤體硬度大、滲透率高等特點，在煤炭規劃區選用地面鉆井進行抽采，在開拓準備區采用礦井上下聯合抽采，在生產區以井下抽采為主的“三區”聯動瓦斯開發模式，建立了立體抽采工藝與配套技術，取得了非常好的瓦斯治理效果。

本文對煤礦區井上下聯合瓦斯抽采方法進行了介紹，以晉城西區煤層瓦斯條件為例，詳細闡述了單一煤層開采井上下聯合瓦斯抽采模式的現場應用。

1 晉城礦區井上下聯合瓦斯抽采現狀

晉城煤業集團是中國重要的優質無煙煤生產基地，現有礦井61 座，其中突出礦井5 座，高瓦斯礦井14 座，低瓦斯礦井42 座，礦井開采深度在100 ～800 m。晉城礦區位于沁水盆地的東南端，晉城—長治斷褶帶將礦區分為東、西2 個區，東區為老礦區，煤層瓦斯含量低，資源逐漸枯竭。西區為新礦區，煤層瓦斯含量高，目前主力礦井多位于西區。晉城西區包括樊莊、成莊、寺河、潘莊和大寧井田，為華北石炭—二疊紀含煤地層。含煤巖系平均厚度約142 m，含煤16 層，其中3 號煤、9 號煤和15 號煤全區基本可采。多數礦井為單一煤層開采，開采煤層為3 號煤層。

為解決晉煤集團礦井瓦斯問題，1992～1997年，原晉城礦務局與中煤能源公司合作在沁水盆地南部晉城礦區潘莊井田開展瓦斯勘探和試驗工作，施工了一個7 口井組成的井組。經壓裂、排采，瓦斯單井產量最高峰值達12 000 m3/d，后期穩定在1 000 ～3 000 m3/d。為全面啟動地面瓦斯抽采工作，晉煤集團在2003 年8 月成立了藍焰煤層氣公司，從事地面瓦斯抽采工作，其目標是通過地面瓦斯抽采降低煤層含氣量、解決煤礦瓦斯安全問題。為了執行“采煤采氣一體化”、“先采氣后采煤”的理念，經過多年的實踐和研究，晉煤集團提出了煤礦區煤層氣三區聯動立體抽采模式，進一步突出了煤炭開采和瓦斯開發統籌規劃，瓦斯地面抽采與井下抽采在時間和空間上必須與煤礦生產相結合，通過抽采為煤炭開采創造出安全開采的條件，真正做到“以采氣保采煤，以采煤促采氣”。截止2017 年底，藍焰煤層氣公司在井田范圍內施工了5 087 口地面鉆井。2017 年，晉煤集團抽采瓦斯28.53 億m3，其中地面井抽采14.33 億m3，井下抽采14.19 億m3。晉煤集團非常重視瓦斯的利用工作，2017 年地面井抽采的14.33 億m3瓦斯中，民用2.93 億m3，其他用7.97 億m3；井下鉆孔抽采的14.19 億m3瓦斯中，民用1.77 億m3，發電4.62 億m3，其他用1.1 億m3。

2 煤層瓦斯賦存特征

晉城煤田3 號煤厚度在4.0 ～7.0 m，一般在4.5 ～6.5 m，總體上呈東部厚度稍大，西部稍薄的變化趨勢?，F場測定含氣量最低值為17.07 m3/t，最高值為28.66 m3/t，一般在18 m3/t 以上。晉煤集團幾個主力礦井瓦斯含量高，其中寺河礦最大實測瓦斯含量達25.8 m3/t，成莊礦最大實測瓦斯含量15.6 m3/t，長平礦最大實測瓦斯含量20 m3/t。井下實測煤層瓦斯壓力最高達到3.83 MPa。西部區域，如寺河、岳城等礦具有較好的可抽采性，煤層透氣性系數為0.44 ～4.25 874 mD；北部區域，如長平、趙莊等礦屬于軟硬復合型低透氣性煤層，抽采難度較大。

3 三區聯動立體瓦斯抽采

3.1 三區聯動立體抽采時空關系

基于煤炭開發時空接替規律，將煤礦區劃分為煤炭生產規劃區、煤炭開拓準備區與煤炭生產區3個區間。生產區即煤炭生產礦井現有生產區域，準備區是正在施工開拓、準備大巷的區域，一般3 ～8 a 即將進行回采，而規劃區的煤炭資源一般在8～10 a 甚至更長時間以后方進行采煤作業。

三區聯動立體瓦斯抽采模式在空間上體現為井上下聯合，即地面與井下瓦斯抽采相聯合，與煤礦開采銜接完全一致。在時間上體現為煤礦規劃區實施地面井預抽、煤礦準備區實施井上下聯合抽采、煤礦生產區實施井下瓦斯抽采。在方式上體現多種抽采方式相聯合，即地面井抽采、千米定向長鉆孔抽采、普通順層鉆孔抽采、裂隙帶鉆孔抽采、埋管抽采等方法相聯合。

3.2 各階段抽采方法及指標

每個階段的瓦斯抽采目的不同，抽采指標不同，其抽采方法亦不相同。每個采掘工作面煤體經過三個階段的接替抽采，可將高瓦斯突出煤層轉化為低瓦斯無突出煤層，實現煤層瓦斯抽采達標，保證工作面的安全作業，如圖1、圖2 所示。

圖1 三區聯動各階段瓦斯抽采方式Fig.1 Gas extraction methods in each stage of three-zone linkage

圖2 三區聯動各階段瓦斯抽采指標Fig.2 Gas extraction index of each stage of three-zone linkage

在煤炭生產規劃區，有充足的抽采時間，實施“先抽后建”，將瓦斯含量降至16 m3/t 以下。根據統計，地面井預抽每年可使影響區內的煤層瓦斯含量降低1 ～1.5 m3/t。

煤炭開拓準備區采用井上下聯合抽采技術，從井下巷道內采用千米定向鉆機施工定向順層長鉆孔，貫通已有的地面抽采井壓裂裂縫及其影響帶，形成壓裂裂縫與順層長鉆孔相結合的立體抽采網絡，將瓦斯含量降至8 m3/t 以下，為采掘巷道的施工提供安全保障。

在煤炭生產區，工作面開采前實施“先抽后采”。工作面回采期間，采取垂直采動井抽采、采動L 型井抽采、頂板裂隙千米定向鉆孔抽采、高位鉆場裂隙帶抽采、閉墻埋管抽采、煤柱鉆孔抽采等措施，確保工作面回采期間通風安全可靠，實現工作面安全高效開采?；夭晒ぷ髅骈_采結束后，封閉工作面采空區，利用閉墻埋管、井下穿層鉆孔、施工地面鉆井等方式，對老采空區及上方裂隙帶內的瓦斯進行瓦斯抽采，其目的是進一步減小采空區瓦斯涌出，提高礦井瓦斯抽采量和利用量。

4 單一煤層開采井上下聯合瓦斯抽采實踐

4.1 試驗工作面概況

以晉城礦區寺河礦為例開展實踐，試驗工作面W2303 工作面地面標高606—768 m，工作面標高251—288 m，工作面走向長1 257 m，傾向寬度276 ～295 m，煤層平均厚度6.3 m，平均傾角5°。偽頂為0.4 m 的炭質泥巖，直接頂為2.15 m 的粉砂巖，老頂為6.5 m 的細粒砂巖。直接底為2.66 m 的細粒砂巖，老底為4.8 m 的粉砂質泥巖。根據實測結果，西二盤區3 號煤層瓦斯壓力為1.15 ～1.83 MPa，瓦斯含量19.33 ～21.8 m3/t。工作面煤層無爆炸性、無自燃傾向性。

4.2 工作面瓦斯抽采方法

（1） 地面鉆井瓦斯抽采。

在礦井巷道開拓開采之前，施工地面鉆井抽采3 號煤層瓦斯，降低煤層瓦斯含量。工作面內共布置了5 個地面直井預抽鉆孔，鉆井間距在正常區域為300 m×300 m，在地質構造帶間距為150 m×150 m。由于受到地面施工現場條件限制，鉆井間距無法嚴格按照設計執行，地面鉆井施工位置如圖3 所示。

圖3 工作面地面鉆井布置示意Fig.3 Ground drilling layout of working face

YH-086、YH-024 和YH-085 號3 個鉆井抽采量高，抽采量700.8 ～1 138.8 萬m3，YH-083 和YH-084 號2 個鉆井抽采量較低，抽采量僅為263萬m3，分析原因是這2 個鉆井受到附近斷層影響、瓦斯提前大量釋放所致。地面井瓦斯抽采總量為3 232.6 萬m3。根據反算，通過地面鉆井抽采，工作面內瓦斯含量可下降7 ～8 m3/t，可確保將煤層瓦斯含量降至16 m3/t 以下的抽采目的。

表1 地面鉆井瓦斯抽采數據統計Table 1 Statistics of surface drilling gas extraction data

（2） 千米定向鉆機扇形水平羽狀鉆孔。

從W23031 巷和W23022 巷的千米鉆場中施工了約70 個水平羽狀鉆孔，施工工程量約21.6 萬m，鉆孔覆蓋回采工作面煤體及另一側巷道條帶煤體，瓦斯抽采時間為1.5 ～2 a，如圖4 所示。

圖4 工作面順層鉆孔布置Fig.4 Bedding drilling layout of working face

圖5 頂板走向高位千米鉆孔布置Fig.5 Roof strike high kilometer drilling layout

圖6 采空區橫川閉墻插管抽采示意Fig.6 Gob Hengchuan closed wall intubation extraction schematic

圖7 工作面瓦斯涌出量Fig.7 Gas emission in working face

（3） 普通順層鉆孔瓦斯抽采。

采用千米定向鉆機施工扇形水平羽狀鉆孔后，在鉆場一側形成了三角形的抽采空白帶，該區域無鉆孔覆蓋，為此還需要施工大量普通順層鉆孔進行補充抽采。在W23031 巷和W23033 巷掘進過程中便開始補充施工普通順層鉆孔。

W23031 巷從工作面切眼口開始由東向西依次施工，鉆孔傾角4°～7°，相鄰鉆孔設計傾角不同，確保鉆孔覆蓋全煤厚，設計鉆孔長度最深150 m，間距3 ～6 m，該巷道共施工372 個。W23033巷順層鉆孔重點在8 ～11 號、18 ～19 號橫川施工，鉆孔由西向東依次施工，傾角-2°～-4°，相鄰鉆孔傾角不同，保證鉆孔覆蓋全煤厚，設計鉆孔長度最深200 m，間距3 m，共施工299 個。鉆孔工程總量約11.8 萬m，如圖8 所示。根據統計，該工作面噸煤鉆孔率達0.102 7 m。

圖8 工作面瓦斯抽采量Fig.8 Gas extraction in working face

4.3 回采工作面預抽瓦斯效果

該工作面采取了井上下聯合瓦斯抽采方法，包括地面鉆井抽采、千米鉆機井下羽狀鉆孔抽采和普通順層鉆孔抽采。地面鉆井抽采8 ～9 a，井下順層鉆孔抽采1.5 ～2 a，取得了良好的瓦斯抽采效果。

根據瓦斯抽采量核算，煤層瓦斯含量由21.8 m3/t 下降至7.52 m3/t。根據現場殘余瓦斯含量測定，測定值為6.42 ～7.39 m3/t，平均6.96 m3/t。均小于《抽采指標》 《防突細則》和《抽采達標暫行規定》給定的參考臨界值8 m3/t；該工作面不可解吸量為3.52 m3/t，則可解吸瓦斯量為2.90 ～3.87 m3/t，均低于4 m3/t，且滿足《抽采指標》第二十七條規定。因此可以判定，經過長時間的區域預抽后，W2303 工作面瓦斯預抽效果達標。

5 工作面開采期間瓦斯抽采及涌出情況

5.1 工作面開采期間瓦斯抽采方案

W2303 工作面開采過程中，采取頂板走向高位千米鉆孔抽采、采空區橫川閉墻插管抽采等措施。千米高位鉆孔從西二北進15 號橫川鉆場、W23033/34 巷5 號、11 號、15 號橫川鉆場開口施工，抽采裂隙帶瓦斯，共施工4 組高位千米鉆孔，每組設計4 ～5 個鉆孔，鉆孔長度400 ～500 m，鉆孔層位控制在煤層頂板35 ～55 m，鉆孔布置如圖5所示。

采空區橫川閉墻插管抽采也是抽采采空區瓦斯的重要方法之一，在W23034/33 巷橫川封閉后預埋φ400 mm 管路用于抽采瓦斯，采空區埋管如圖6 所示。另外，為了解決初采期間的瓦斯問題，在W2303 尾巷內向采空區方向施工了低位、中位、高位和穿透鉆孔。

5.2 工作面回采期間瓦斯涌出及產量情況

通過上述措施的瓦斯抽采，取得了良好的瓦斯抽采效果，確保了工作面的安全生產。正常生產時工作面供風量7 600 m3/min，工作面回采初期回風瓦斯濃度較高，為0.3%～0.5%，風排瓦斯量為20 ～35 m3/min，后期工作面進入正常后回風瓦斯濃度基本穩定在0.1% ～0.25%，風排瓦斯量為20 ～35 m3/min?；夭善陂g工作面抽采瓦斯量變化加大，為10 ～30 m3/min，其中頂板走向高位千米鉆孔抽采量開采初期受到裂隙發育不充分等因素影響較低，抽采量為5 ～10 m3/min，后期抽采量逐漸加大，穩定在10 ～20 m3/min。密閉插管瓦斯抽采明顯低于高位千米鉆孔瓦斯抽采，抽采量穩定在5 ～10 m3/min。

通過風排和抽采相結合的方式，實現了該工作面的安全高效開采，工作面正常日產量為8 000 ～12 000 t，最大日產量達14 000 t，獲得了顯著的經濟、社會效益。

6 結 論

（1） 晉城井上下聯合抽采模式體現在采前、采中和采空區抽采，采前主要采用地面井、采中主要是地面井卸壓抽采和鉆孔聯合抽采，而采后主要是鉆孔抽采。

（2） 通過采用措施的瓦斯抽采，取得了良好的瓦斯抽采效果，確保了工作面的安全生產?；夭善陂g工作面抽采瓦斯量變化加大，10 ～30 m3/min。密閉插管瓦斯抽采明顯低于高位千米鉆孔瓦斯抽采，抽采量穩定在5 ～10 m3/min。