淮南礦區煤與瓦斯共采技術的創新與發展

李琰慶，唐永志，唐 彬，余 巖

（1.淮河能源控股集團 煤炭開采國家工程技術研究院，安徽 淮南232001；2.淮河能源控股集團 深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南232033；3.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南232001）

瓦斯治理是安全高效開采的前提和基礎。針對瓦斯防治難題，周世寧[1]創建了“煤層瓦斯流動理論”體系，提出了“煤層瓦斯應力場”概念和“煤和瓦斯突出的流變假說”；袁亮[2-3]探索出卸壓開采抽采瓦斯理論，建立了卸壓開采煤與瓦斯共采技術體系，指出深部煤層應堅持地面和井下相結合的煤與瓦斯共采模式；程遠平等[4]提出了煤體卸荷滲透率演化概念模型，建立了考慮有效應力和瓦斯吸附/解吸變形等因素的、以應變為變量的煤體卸荷損傷增透理論模型；胡千庭等[5]建立了預測預防煤與瓦斯突出災害的理論技術體系，提出利用煤層采動卸壓增透效應采用地面鉆井充分抽采瓦斯；李強等[6]通過優化松軟煤層順層孔鉆進和下篩管工藝，鉆孔深度達到180 m；李平等[7]通過攻關頂板爬坡孔段和目標層段定向鉆進、完孔等技術，形成頂板復雜地層高位定向鉆孔施工工藝，實現鉆孔替代頂抽巷。淮南礦區煤體松軟、透氣性差，礦區堅持高投入，全面推行卸壓開采煤與瓦斯共采技術，2018 年杜絕了煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸事故，瓦斯超限次數控制到4 次。但是，隨著向深部開采，瓦斯威脅程度和治理成本不斷增加，為此，在卸壓開采煤與瓦斯共采理論和技術體系基礎上，創新煤與瓦斯共采新技術，以期破解深部瓦斯防治面臨的安全與經濟難題。

1 卸壓開采煤與瓦斯共采理論和技術體系

1.1 卸壓開采抽采瓦斯理論

20 世紀六七十年代，周世寧院士從突出事故中發現含瓦斯的軟煤在地應力作用下有明顯的流動效應，創造性地提出“煤和瓦斯突出的流變假說”[8]，并通過現場觀測和實驗室研究，建立了地應力與瓦斯壓力、煤層透氣性系數之間的關系公式[9]：

式中：p0、p 為煤層初始和采動后的瓦斯壓力，MPa；λ0、λ 為煤層初始和采動后的透氣性系數，m2/（MPa·d）；ρ 為煤層的密度，kg/m3；σ 為地應力，MPa；c、b 為待定常數。

21 世紀，袁亮院士開展了煤的瓦斯解吸研究，發現采動卸壓能明顯增加煤層透氣性，煤中大量吸附瓦斯解吸為游離瓦斯，可抽采性大大增加，并打破傳統自上而下開采煤層程序，系統研究了采動巖層移動規律及裂隙發育特征、瓦斯流動流動規律和瓦斯抽采方法，創立了卸壓開采抽采瓦斯理論[2]，卸壓開采抽采瓦斯防治煤與瓦斯突出原理如圖1。

圖1 卸壓開采抽采瓦斯防治煤與瓦斯突出原理Fig.1 Principle of preventing coal and gas outburst by gas extraction in pressure relief mining

在煤層群中選擇無突出危險或弱突出危險的煤層作為保護層首先開采，充分利用采動造成上下煤巖層膨脹變形和松動卸壓，增加突出煤層的透氣性，解吸出大量游離瓦斯，然后通過施工抽采巷、鉆孔、鉆井等集中抽采卸壓瓦斯，消除（或降低）煤與瓦斯突出危險，達到區域治理瓦斯目的。并據此提出卸壓開采抽采瓦斯技術模式[10]，卸壓開采抽采瓦斯技術模式如圖2。上被保護層在保護層開采形成的裂隙帶內，利用頂抽巷直接抽采卸壓瓦斯消突；下被保護層處于保護層開采形成的地應力降低區內、底板破壞帶外，有一定厚度的完整巖層防止卸壓瓦斯涌入保護層工作面，但需提前施工底抽巷和鉆孔抽采卸壓瓦斯消突。

圖2 卸壓開采抽采瓦斯技術模式Fig.2 Technical model of gas extraction in pressure relief mining

1.2 煤與瓦斯共采技術體系

“十五”“十一五”期間，淮南礦業集團聯合高校和科研院所，針對淮南礦區不同的煤與瓦斯賦存條 件，經過工業性試驗和抽采效果的考察與論證，形成不具備開采保護層的首采突出危險煤層消突技術、開采遠程下保護層上向卸壓抽采瓦斯技術、開采近距離上保護層抽采下被保護層瓦斯技術和依次向上（下）開采卸壓抽采瓦斯技術，構建出一套完整的煤與瓦斯共采技術體系[11]。

1）首采突出危險煤層消突技術。隨著向深部開采，作為保護層開采的非突煤層升級為突出煤層，需要先消突再開采。通常采用巷旁充填留巷[12]、原巷充填掘巷[13]或留窄煤柱掘巷3 種無煤柱開采方法，沿采空區布置煤巷，確保在采動應力降低區無突出危險條件下掘巷；非采空區側煤巷則通過頂（底）抽巷施工條帶穿層鉆孔，實施區域消突后掘進；然后利用工作面兩巷施工煤層順層鉆孔進行全覆蓋消突。如謝一礦15 煤為弱突出煤層，直接采用鉆孔預抽瓦斯進行消突，5131（5）工作面回風巷留設6 m寬煤柱沿采空區布置，運輸巷沿實體煤掘進，工作面掘進和回采時最大鉆屑量為5.5 kg/m、鉆屑瓦斯解吸指標為0.26 mL/（g·min1/2），瓦斯壓力由0.9 MPa降為0.4 MPa，瓦斯含量由8.8 m3/t 降為5.3 m3/t，表明該工作面無煤與瓦斯突出危險性。

2）開采遠程下保護層上向卸壓抽采瓦斯技術。上被保護層處于下保護層開采的裂隙帶外、彎曲下沉帶內，確保其離層形成順層張裂隙，產生瓦斯解吸和順層流動，并通過提前施工的底抽巷和鉆孔抽采存留在煤層中的卸壓瓦斯[14]，使卸壓層間距達到50 倍采高，突破了30 倍采高的傳統理論。如潘三礦13 煤通過開采下伏66.7 m（35 倍采高）的11 煤實施卸壓抽采瓦斯，2121（3）工作面13 煤瓦斯壓力由4.4 MPa 降為0.5 MPa，瓦斯含量由13.2 m3/t 降為4.9 m3/t，煤層透氣性系數由0.011 m2/（MPa2·d）增加到32.687 m2/（MPa2·d），增大2970 倍。開采遠程下保護層上向卸壓抽采瓦斯如圖3。

圖3 開采遠程下保護層上向卸壓抽采瓦斯Fig.3 Gas extraction from upper layer by mining remote lower protective layer

3）開采近距離上保護層抽采下被保護層瓦斯技術。開采近距離上保護層抽采下被保護層瓦斯如圖4，由于上保護層與下被保護層層間距較小，底板裂隙發育至下被保護層，導致卸壓瓦斯直接涌入上保護層，需要在下被保護層施工底抽巷和鉆孔進行采前預抽瓦斯和采后抽采攔截卸壓瓦斯，同時利用高抽巷、地面鉆井等加強抽采攔截上隅角和采空區的卸壓瓦斯[15]。如謝一礦開采15 煤保護下伏15 m 的13 煤，5121（5）工作面原始瓦斯壓力0.7 MPa，含量6.1 m3/t，對應的13 煤原始瓦斯壓力3.5 MPa，含量15. 9 m3/t，工作面絕對瓦斯涌出量50.85 m3/min，底板巷穿層鉆孔抽采瓦斯21.70 m3/min，高抽巷等抽采瓦斯24.35 m3/min，累計抽采瓦斯46.05 m3/min，抽采率90.6%，配風2 000 m3/min，回風流瓦斯在0.24%左右，保護層實現安全開采的同時，被保護層也獲得充分采動卸壓。

圖4 開采近距離上保護層抽采下被保護層瓦斯Fig.4 Gas extraction from lower layer by mining close upper protective layer

4）依次向上（下）開采卸壓抽采瓦斯技術。突出煤層群的中間有一非突出煤層，將此煤層作為保護層優先開采，然后按順序向上（下）逐層開采、依次卸壓，實現“中間來一刀，上下都解放”。治理瓦斯技術為前述技術的組合。

2 井下鉆孔技術實現煤與瓦斯共采新模式

雖然卸壓開采煤與瓦斯共采技術成效顯著，但為了根治瓦斯，瓦斯治理工程量大（開采保護層約300 萬m2/a，施工瓦斯治理巖巷20 m/萬t、抽采鉆孔2 000 m/萬t），周期長（從瓦斯治理工程準備到被保護層采完需要4.5 年），用工多（平均5 000 余人/礦），成本高（噸煤成本高達300 余元）。深部開采瓦斯災害加劇、成本巨高，迫使依靠技術創新化危為安。2016 年煤炭行業產能過剩，生產經營困難情況下，與中煤科工西安研究院聯合攻關《煤層順層鉆孔和頂板高位鉆孔施工及抽采瓦斯技術》。

2.1 煤層順層鉆孔“一孔兩消”抽采瓦斯技術

煤層順層鉆孔在工作面沿采空區側回風巷內施工，鉆孔順煤層橫穿工作面至另一側待掘的運輸巷輪廓線外15 m 以上，對工作面和運輸巷一并消突，即“一孔兩消”，為瓦斯治理贏得時間和空間，取代頂、底抽巷和穿層鉆孔[16]。選用ZDY6000LD（F）型鉆機和MLGF17/12.5-132G 型空氣壓縮機，采用空氣馬達和鉆機雙動力驅動高效鉆井，研制φ103 mm 可開閉式鉆頭進行跟管鉆進防治垮孔，并安裝無線電磁波隨鉆測量糾偏裝置實現定向鉆進。

潘三礦17102(3)工作面原始瓦斯壓力2.8 MPa、含量8.4 m3/t。通過回風巷施工煤層順層鉆孔，孔間距5 m，深度不低于220 m，抽采瓦斯濃度60%左右，百孔抽采純量21.5 m3/min。抽采后實測最大殘余瓦斯壓力0.35 MPa、含量3.69 m3/t，抽采效果達標，省去了待掘運輸巷條帶穿層鉆孔及相應的頂（底）抽巷，且工作面和待掘煤巷實現“一孔兩消”。

2.2 頂板高位鉆孔替代頂抽巷抽采瓦斯技術

頂板高位鉆孔在工作面回風巷內施工，布置在回風巷內側頂板的巖層裂隙帶內，抽采采空區卸壓瓦斯，攔截瓦斯流向上隅角，取代頂抽巷，大幅度提高瓦斯治理工程施工進度[16]。選用ZDY12000LD 型鉆機和BLY460/13 型泥漿泵車，泥漿泵輸送高壓水驅動孔底馬達帶動鉆頭的同時，鉆機動力頭通過鉆桿帶動鉆頭同向轉動，實現雙動力鉆進，單孔深度可達1 500 m。首先采用φ120 mm 定向鉆頭和泥漿脈沖無線隨鉆測量糾偏裝置施工定向先導孔，然后采用φ153 mm 和φ220 mm 鉆頭擴孔。

顧橋礦1123（3）工作面施工頂板高位鉆孔10個，深度500 m 以上鉆孔7 個，總進尺4 643 m，抽采瓦斯濃度為20%～30%，抽采瓦斯混合量達40 m3/min以上，抽采純均達到10 m3/min 以上。頂板高位鉆孔與頂抽巷的抽采瓦斯效果基本相當，實現替代作用。

2.3 井下鉆孔實現煤與瓦斯共采新模式

在煤層順層鉆孔和頂板高位鉆孔技術試驗基礎上，提出井下鉆孔實現煤與瓦斯共采新模式。選擇非突或弱突出危險煤層作為保護層首先開采，工作面無煤柱或留設窄小煤柱布置，沿采空區側煤巷掘進后，施工煤層順層鉆孔對工作面和非采空區側待掘煤巷消突，然后再掘進和回采。與此同時，對應的上、下被保護層工作面通過采空區側煤巷施工頂板高位鉆孔和煤層順層鉆孔抽采卸壓瓦斯。該模式取消了頂、底抽巷，節省了穿層鉆孔，降低瓦斯治理成本在30%以上。井下鉆孔實現煤與瓦斯共采新模式如圖5。

圖5 井下鉆孔實現煤與瓦斯共采新模式Fig.5 New mode of coal and gas mining by underground drilling

3 地面鉆井技術實現煤與瓦斯共采新方案

3.1 地面鉆井技術進展及抽采瓦斯應用

我國地面鉆井技術成熟于石油行業，1990 年以來獲得了突飛猛進發展，自主研制出了旋沖鉆進、隨鉆測井、近鉆頭地質導向、連續下管、分段壓裂等核心裝備的萬米鉆機及配套裝備，形成大位移水平井、三維多目標井、側鉆水平井、分支水平井等特殊鉆井工藝[17-18]。煤炭行業從20 世紀70 年代開始開展地面鉆井抽采瓦斯試驗，截止1998 年施工地面鉆井136 口，以垂直井為主，每口井平均長700～800 m。2006 年煤層氣開發列入“十一五”國家能源發展規劃，開始有計劃地引入石油行業先進鉆井技術，截止2016 年施工水平井607 口[19]。探索試驗較成功的是2013 年華晉焦煤沙曲煤礦24307 工作面，采用多分支水平鉆井與井下鉆孔連通，輻射整個采煤工作面，抽采瓦斯18 000 m3/d，濃度達90%以上[20]。

3.2 地面特殊鉆井技術治理瓦斯技術方案

根據石油工業鉆井技術水平和煤炭行業探索試驗情況，提出采用側鉆水平井和分支水平井治理瓦斯技術方案。恢復傳統的自上而下開采煤層程序，采用側鉆水平井或分支水平井對單一和遠距離突出煤層或突出煤層群首采煤層預抽瓦斯消突，并結合采動卸壓影響情況對下鄰近煤層采用分支水平井提前預抽和采后卸壓抽采瓦斯，以及采用側鉆水平井代替頂抽巷加強抽采采后卸壓瓦斯。該方案從地面進行區域超前治理瓦斯，不僅使職工遠離井下危險源，保證強突煤層在安全狀態下作業；而且省去了井下瓦斯治理巷道和鉆孔工程，降低了安全生產成本；還做到地面超前治理瓦斯，破解了井下采、掘、抽接替矛盾。地面鉆井實現煤與瓦斯共采新方案如圖6。

圖6 地面鉆井實現煤與瓦斯共采新方案Fig.6 New scheme of coal and gas mining by ground special drilling

4 結 語

淮南礦區面對曾經頻發的瓦斯事故，痛下決心治瓦斯，逐步探索認識到瓦斯災害是瓦斯場、應力場、裂隙場等多場耦合作用的結果，并從應力這個災害源頭入手，創立了卸壓開采煤與瓦斯共采理論，形成了瓦斯治理“淮南模式”。近年來，又攻關井下鉆孔和地面鉆井治理瓦斯技術，不斷優化煤與瓦斯共采技術，取得了一定的成效，既解決了制約企業發展的瓶頸問題，也為行業安全狀況好轉作出了貢獻。但是由于淮南礦區自然開采條件復雜，防治煤與瓦斯突出工作依然很艱巨，瓦斯綜合防治工作始終在路上！