“三化一工程”瓦斯抽采精細化管理

俞宏慶，郭艷飛，李學臣，王良金

（焦作煤業（集團）有限責任公司，河南 焦作454000）

2019 年全國原煤產量完成38.5 億t，同比增長4.0%，煤炭消費量占能源消費總量的57.7%，與能源結構調整無法快速改變相對應的是長久以來制約煤礦安全生產的瓦斯災害防治等重大難題。隨著我國煤炭開采規模不斷擴大，開采深度逐步增加，煤與瓦斯突出、沖擊地壓、水害、熱害等災害威脅日益嚴重，復合災害加劇[1-3]，其中尤以瓦斯事故更為嚴重。我國煤礦瓦斯抽采技術由單一井下抽采，逐步向地面與井下聯合抽采、地面預抽轉變[4]，以“淮南模式”—煤群采動卸壓瓦斯立體抽采[5-6]和“晉城模式”—煤礦區瓦斯三區聯動立體抽采[7-8]為代表的地面鉆井法煤與瓦斯共采技術已趨于成熟。然而，針對高瓦斯低透氣性單一厚煤層，目前仍然主要依靠典型的井下巷道抽采模式，實現卸壓區煤與瓦斯共采[4]。各礦區結合自身煤層賦存特征分別提出了“一孔兩消技術”（淮南）[9-11]、遞近掩護方式（盤江）、水力壓裂技術（松藻）[12]、“7+3”瓦斯治理模式（陽煤），并取得了良好效果。焦作礦區自20 世紀50 年代開始嘗試井下局部抽放，至2009 年進入抽采鉆孔全掩護階段，礦井安全形勢得到有效改善，但在煤巷掘進過程中仍發生了3 起突出事故，瓦斯抽采由本煤層順層鉆孔抽采全面轉為底抽巷穿層鉆孔掩護。但礦井單產單進仍保持較低水平、抽-掘-采矛盾日益凸顯、生產成本居高不下，究其原因，必須在加強煤礦安全生產工藝革新、技術裝備升級的同時，創新精細化管理方式，進一步夯實、規范瓦斯抽采措施。基于此，以“三化一工程”建設為背景，介紹焦煤公司瓦斯抽采精細化管理舉措及實施效果，為突出礦井底板巖巷穿層鉆孔抽采模式下，進一步提高瓦斯治理效果、消除薄弱環節，實現安全高效開采提供借鑒。

1 焦作礦區瓦斯治理變革

1.1 焦作礦區概況

焦作礦區位于華北板塊太行山斷隆區南緣山前斷裂帶，為太行山背斜的東南翼[13]。煤系地層屬石炭二疊系，主采煤層為山西組二1 煤層，煤層平均厚度6 m，傾角10°～15°，煤層瓦斯含量5～42 m3/t，煤層瓦斯壓力0.1～3.05 MPa，透氣性系數0.189 1～1.769 1 m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯流量衰減系數0.026～0.030 1 d-1。礦區瓦斯含量高、壓力大、煤層透氣性差，瓦斯、水文地質條件復雜，是全國嚴重的煤與瓦斯突出礦區之一。

焦作煤礦自1898 年建礦以來已有120 余年歷史，是全國主要無煙煤生產基地之一。自1955 年6月24 日李封礦天官區發生第1 次煤與瓦斯突出以來，至今共發生煤與瓦斯突出事故371 起。其中2011 年10 月27 日，九里山礦16031 回風巷掘進工作面發生的煤與瓦斯突出事故，是焦煤歷史上突出煤量、瓦斯量最大的突出事故，突出煤量3 246 t，瓦斯量29.12 萬m3；最近1 次煤與瓦斯突出事故發生在2018 年5 月14 日，中馬村礦39061 切眼掘進工作面，突出煤量77.28 t，瓦斯量5 961 m3。焦煤公司歷年瓦斯突出次數統計情況如圖1。

圖1 焦煤公司歷年瓦斯突出次數統計情況Fig.1 Statistics on the number of gas outburst per year in Jiaozuo Coal Company

1.2 瓦斯防治技術發展過程

1）第1 階段：排放鉆孔+局部抽放。1955—1988年，自焦作礦區發生第1 次煤與瓦斯突出事故后，開始探索防突技術，由于當時國內突出礦井較少，國家沒有正規的防突技術路線和規定，沒有標準可依，僅采取簡單的排放鉆孔（1965 年開始安裝抽放泵進行抽放，1987 年開始瓦斯民用）。

2）第2 階段：綜合局部措施+全面抽采。1988—2009 年（1988 年4 月第1 部《防治煤與瓦斯突出細則》發布實施，1995 年5 月1 日第2 部《防治煤與瓦斯突出細則》原煤炭工業部煤安字［1995］30 號發布實施），按照《防治煤與瓦斯突出細則》（1988 年版、1995 年版）要求，煤巷掘進采取排放鉆孔、松動爆破等局部防突措施，揭煤、回采工作面采取抽放措施。（2008 開始瓦斯發電）

3）第3 階段：順層鉆孔全掩護。2009—2011 年（2009 年8 月1 日《防治煤與瓦斯突出規定》發布實施），按照《防治煤與瓦斯突出規定》要求并結合焦作礦區實際，采取“順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯+順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯”區域防突措施。

4）第4 階段：穿層條帶+順層回采區域。2012—2018 年（九里山礦2011 年“10·27”煤與瓦斯突出事故后），嚴格按照《防治煤與瓦斯突出規定》采取“穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯+順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯”區域防突措施。

5）第5 階段：穿層鉆孔全掩護。2019 年至今（中馬村礦2018 年“5·14”煤與瓦斯突出事故后），嚴格按照河南省瓦斯防治“雙十條”及“登封會議32 條”要求，采取“穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯+穿層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯”區域防突措施，即穿層鉆孔全掩護。

1.3 現階段瓦斯防治工作存在的問題

雖然焦煤公司瓦斯治理技術經歷了5 個階段的發展和提升，認識也由最初的對付、應付、消極被動治理轉變為現在的積極主動治理。先后采取立體化抽采、水力化增透[14-18]、定向長鉆孔抽采[19-20]等措施，但在采取“穿層鉆孔全掩護”區域防突措施的過程中，仍存在著一些管理上的不足：鉆孔施工、封孔等關鍵環節監督不到位，治理效果沒有達到預期目標；瓦斯抽采量分區段計量、單孔沖煤計量不精準，難以保證煤層區域整體、均勻治理。因此，必須在加強瓦斯治理關鍵技術研究的同時，進一步提升管理舉措，確保區域措施執行到位、瓦斯治理效果達標。

2 瓦斯抽采“三化一工程”

2.1 瓦斯抽采“三化一工程”建設

“三化一工程”理念是在結合“7+3”瓦斯治理陽泉模式以及“一個鉆孔就是一項工程”的先進經驗的基礎上提出的，即抽采標準化、打鉆視頻化、計量精準化、一個鉆孔就是一項工程，進一步細化瓦斯抽采管理，提升區域瓦斯治理效果。

1）抽采標準化。規范底抽巷瓦斯抽采系統設計，細化封孔聯網抽采工藝。主抽采管路、分單元管路、分源抽采管路從上到下依次固定，管路統一編號。單孔采取“兩堵一注”或“兩堵兩注”帶壓封孔工藝，配合“通管直聯”技術聯入各分單元管路。現場抽采管路鋪設及連孔標準化效果如圖2。

圖2 現場抽采管路鋪設及連孔標準化效果圖Fig.2 Effect diagram of standardization of pipeline laying and connecting holes

2）打鉆視頻化。將鉆孔施工自穩設鉆機至通過直連抽采劃分為12 道工序，全程采用分辨率不低于720 P 的高清攝像頭實時監控，并對鉆孔定位、沖孔、沖煤計量驗收、撤鉆、封孔、鉆孔參數驗收6 個環節實行舉牌確認。按照工作面、巷道、組孔、單孔建立分級視頻影像資料管理，確保鉆孔臺賬、鉆孔視頻臺賬和井下原始記錄三對照。實現治理過程的安全管理和質量管控，做到質量可靠、過程可溯。

3）計量精準化。將底抽巷每200 m 區段劃分為1 個評價單元，安裝分單元自動計量裝置，建立基于煤層原始瓦斯含量、抽采單元內瓦斯儲量、分單元抽采累計量和抽采趨勢等參數的抽采達標預測模型，實現對分單元區域的瓦斯抽采效果智能監測。同時，為了實現沖煤精準計量、確保沖孔均勻卸壓，實行“一鉆一篩一計量”，組孔煤段沖煤總量不低于0.6 t/m。

4）一鉆孔一工程。每個鉆孔做到“五有、兩分析”，“五有”即每個鉆孔有設計、有視頻、有施工及沖孔臺賬、有抽采臺賬、有竣工剖面，“兩分析”即及時對鉆孔竣工剖面及抽采情況進行分析，特別是對當日鉆孔施工、抽采異常信息進行收集、分析，查找問題原因，制定預防、整改措施。

2.2 “三化一工程”實施保障措施

1）考察鉆孔有效抽采半徑，為設計提供充分依據。考察不同含量、不同沖孔煤量、不同抽采時間鉆孔有效抽采半徑，為瓦斯抽采提供詳實、準確的設計依據，使抽采設計更合理、更優化、更符合實際。

2）考察穿層鉆孔偏斜規律，制定針對性措施。考察分析鉆孔測斜數據，針對焦作礦區穿層鉆孔偏斜規律，制定針對性措施：傾角≥60°、孔深≤30 m的鉆孔軌跡與設計基本保持一致，按照設計施工；傾角20°～60°、孔深30～70 m 鉆孔軌跡較設計發生一定偏斜，但終孔位置在設計允許誤差內，相鄰鉆孔之間不存在抽采空白帶，提高鉆孔測斜比例，特別是孔深大于60 m 的鉆孔全部測斜，根據測斜結果采取針對性措施；傾角＜20°、孔深＞70 m 鉆孔部分軌跡偏斜超出設計誤差范圍、存在抽采空白帶，以定向鉆機施工為主，或控制底抽巷間距≤75 m、設計鉆孔深度≤70 m。

3）研制鉆孔施工作業防護系統，解決瓦斯超限難題。針對穿層鉆孔水力沖孔增透期間，大量的瓦斯及煤渣在高壓水流的作用下瞬間噴出鉆孔，引起孔口附近短時間瓦斯超限，研制鉆孔施工作業密封緩沖防超限防護系統，集合孔口的擠壓膨脹密封、煤水自動排放密封、高壓瓦斯減壓緩沖功能，顯著降低鉆孔施工期間瓦斯超限次數，為安全施工提供保障。鉆孔施工作業密封緩沖防超限防護系統如圖3。

圖3 鉆孔施工作業密封緩沖防超限防護系統Fig.3 Protection system of gas over-limit by sealing and buffer function in drilling operation

3 瓦斯抽采“三化一工程”實施效果

3.1 煤巷掘進效果對比

實施底板巖巷穿層鉆孔強化抽采之后，煤巷瓦斯抽采治理效果明顯。對比古漢山礦目前正在施工的1606 運輸巷與16031 運輸巷、回風巷掘進期間相關數據：16031 運輸巷抽采達標期15 個月，掘進期間采取每循環實施超前排放鉆孔強化措施控制瓦斯超限，絕對瓦斯涌出量平均為1.03 m3/min，掘進速度平均為76 m/月，區域驗證指標出現6 次超標現象，風流最大瓦斯濃度為0.78%；16031 回風巷抽采達標期50 個月，掘進期間采取每循環實施超前排放鉆孔強化措施控制瓦斯超限，絕對瓦斯涌出量平均為0.8 m3/min，掘進速度平均為81 m/月，區域驗證指標出現3 次超標現象，風流最大瓦斯濃度為0.69%。

1606 運輸巷區域煤層厚度5～7.01 m，平均厚度5.6 m，煤層原始瓦斯含量28.04 m3/t，原始瓦斯壓力1.3 MPa。通過實施穿層鉆孔強化抽采，抽采達標期24 個月，掘進期間未采取任何局部強化措施，區域驗證指標未出現異常現象，風流最大瓦斯濃度為0.52%，絕對瓦斯涌出量平均為0.63 m3/min，實施大斷面一次成巷，掘進速度達到118 m/月以上，平均正常日進尺達到5 m，初步實現了高效快速掘進。

3.2 回采工作面效果對比

對比分析采取全區段穿層抽采掩護的回采工作面與以往回采工作面的瓦斯治理效果，選取古漢山礦1604 綜放工作面和16031 分層綜采工作面為例。16031 工作面走向長690～770 m，平均走向長730 m，傾向長157 m，煤層厚度5.0～5.5 m，平均煤厚5.2 m。原始瓦斯含量25.08 m3/t，原始瓦斯壓力1.11 MPa。在1603 一號底抽巷施工條帶穿層鉆孔掩護16031 回風巷掘進，1603 二號底抽巷施工條帶穿層鉆孔和中深孔掩護16031 運輸巷掘進，在16031回風巷、運輸巷施工順層鉆孔抽采16031 工作面瓦斯。抽采達標評判前共抽出瓦斯量3 190.4 萬m3，實測煤層殘余瓦斯含量最大值為5.64 m3/t，計算殘余瓦斯壓力0.237 MPa，采取分層綜合機械化開采方式。回采期間，16031 工作面每天檢修班必須施工強化超前排放鉆孔防止瓦斯超限，但仍有瓦斯超限現象發生；區域驗證指標△h2最大值達到156.8 Pa，鉆屑量最大值3.8 kg/m、瓦斯涌出初速度最大值2.0 L/min；工作面產能平均僅達到4.5 萬t/月，平均絕對瓦斯涌出量為3.90 m3/min。

1604 工作面走向長975.6～1 008.4 m，傾向長152 m，煤層厚4.8～5.5 m，平均厚5.2 m。原始瓦斯含量28.04 m3/t，原始瓦斯壓力1.11 MPa。通過1604運輸、切眼底抽巷對1604 工作面采取底板巖巷穿層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯區域防突措施；利用6條傾向底抽巷對工作面中部施工穿層鉆孔進行抽采；在1604 走向中間底抽巷施工穿層鉆孔，對工作面中上部進行強化抽采，實現穿層鉆孔對工作面全覆蓋。抽采達標評判前共抽出瓦斯量3 927.2 萬m3，實測煤層殘余瓦斯含量最大值為5.84 m3/t，計算殘余瓦斯壓力0.27 MPa，采取綜合機械化放頂煤開采工藝。截至目前，1604 工作面已安全回采610 m，回采期間未發生瓦斯超限、區域驗證超標、頂鉆、噴孔等現象，平均月產量8.33 萬t，工作面產能可達到12 萬t/月，平均絕對瓦斯涌出量為2.92 m3/min。

4 結 語

焦作礦區瓦斯地質條件復雜，煤與瓦斯突出事故多發，瓦斯防治技術先后經歷了排放鉆孔+局部抽放、綜合局部措施+全面抽采、順層鉆孔全掩護、穿層條帶+順層回采區域抽采、穿層鉆孔全掩護5個階段發展。在加強煤礦安全生產工藝革新、技術裝備升級的同時，實施“三化一工程”建設，創新穿層鉆孔施工“鉆、沖、篩、計、運、監”精細化管理模式，借助先進的設備及完善的制度，實現瓦斯抽采標準化、視頻化、精準化，進一步規范瓦斯抽采措施，確保全煤層整體均勻卸壓消突。通過在古漢山礦16采區實施驗證，單產單進水平大幅提升，確定了突出礦井底板巖巷穿層鉆孔抽采精細化管理的“焦作模式”，為實現安全高效開采提供借鑒。