高瓦斯礦井區域瓦斯分級治理方法及其在潞安礦區的應用研究

方文會，廖 引

(1.中赟國際工程有限公司，河南 鄭州 450007； 2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著我國煤炭開采水平不斷向深部延伸，礦井地質條件更加復雜，高地應力、高瓦斯、低滲透的惡劣環境下煤炭安全開采挑戰巨大，致使煤礦發生瓦斯災害危險性不斷增大[1-5]。由于礦井開采地質條件的復雜性以及防突等相關技術的局限性，目前礦山在及時、準確、有效地進行礦井瓦斯事故預測及防治等方面還存在諸多不足，瓦斯災害仍嚴重制約著礦井安全高效生產[6-9]。因此，探尋礦井區域瓦斯潛在的分布規律，從而對區域瓦斯進行有效防治，對礦山安全生產具有重要的現實意義。

在高瓦斯礦井煤層瓦斯預測及治理方面，學者們做了諸多研究。李詳林[10]從地質因素和煤體自身性質出發，分析了新義礦煤與瓦斯突出的控制因素，研究了煤層瓦斯地質賦存規律，建立了基于AHP—模糊概率綜合評判法的瓦斯分級治理體系，并探討了其治理效果。向真才[11]對高瓦斯礦井煤巷掘進工作面瓦斯進行了分級治理方法研究，將工作面原煤瓦斯含量按≥8 m3/t和<8 m3/t兩個等級分別進行治理，并介紹了不同治理方法的區域防治措施和局部治理措施。王平虎[12]通過對寺河礦煤層瓦斯的賦存、涌出、抽采及利用情況等開展研究，針對不同區域的具體條件提出了一套不同區域瓦斯賦存特點的井上下分區分級多種瓦斯預抽技術。王志豪[13]根據瓦斯含量、壓力和風排瓦斯量等參數將余吾煤礦掘進工作面劃分為5個區域，綜合采用邁步鉆場邊掘邊抽、掘進面鉆孔預抽、CO2氣相致裂和掘進面釋放孔等措施進行瓦斯治理。翟紅[14]基于本煤層鉆孔瓦斯抽采技術提出了“一個鉆孔就是一項工程”的瓦斯治理理念，形成了適用于陽泉礦區地質條件下本煤層鉆孔瓦斯治理技術和管路方法，有效提高了煤層瓦斯抽采效果。上述研究表明，不同礦區煤層地質賦存條件差異使煤層瓦斯分布規律不同，針對不同瓦斯含量的區域應采取相應的瓦斯防治措施。

潞安礦區主采煤層開采水平逐步向深部延伸，礦區內的低瓦斯礦井正向高瓦斯礦井、高瓦斯突出礦井轉變，部分礦井煤與瓦斯突出預兆已經顯現，加之礦區地質構造的影響，礦區內煤層瓦斯分布具有明顯的區域特征。本文以潞安礦區為工程背景，開展礦區煤層瓦斯區域分布規律及其隨埋深的變化關系研究，并將礦區按照煤層瓦斯含量W≥16m3/t、8≤W<16 m3/t和W<8 m3/t劃分為3種等級，針對礦區不同煤層瓦斯突出危險程度采取不同區域瓦斯抽采措施進行分級治理，闡述該區域瓦斯分級治理理念和具體實施內容，且探討主要瓦斯治理措施的防治效果。研究成果既能為潞安礦區高效、經濟合理的防突工作打下堅定的基礎，也能為類似礦山的防突工作提供借鑒。

1 工程概況

1.1 礦區地質構造概況

潞安礦區位于山西省東南部沁水煤田東翼，南北長74.6 km，東西寬63.1 km，面積3 044.65 km2。礦區主要含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組，其中太原組厚度為68～150 m，含可采煤層7層(82號、9號、121號、14號、151號、152號和153號)，煤層較??；山西組厚68～138 m，僅3號煤層可采，煤層厚度5.61～7.23 m，平均厚6.42 m。

礦區構造特征受區域構造的控制，其構造格局呈現東西分帶、南北分段的規律；由東向西方向，礦區構造變形強度增加，南北方向上有幾個較大的正斷層，分別為文王山正斷層、西魏正斷層和二崗山正斷層。礦區各地質單元分布與地勘鉆孔位置如圖1所示，這些正斷層將潞安礦區由北向南劃分為4個區域(第Ⅰ—Ⅳ地質單元)，不同區域內的地質構造具有不同的類型和特點，但在某一區域內地質構造具有類似性，從而導致不同區域煤層瓦斯含量及分布規律的差異。

1.2 礦區瓦斯賦存概況

在不同區域實施地勘鉆孔，獲取不同埋深處煤層瓦斯含量，并對區域內煤層瓦斯含量分布規律進行統計分析。如圖2所示，4個地質單元內3號煤層的瓦斯含量均隨煤層埋深的增加而增加，呈現出線性增長趨勢，并統計擬合得出瓦斯含量預測公式(式(1))。線性增長的主要原因是煤層埋藏深度越深，地應力越高，使圍巖的透氣性降低，且瓦斯向地表運移的距離也增大，從而有利于封存瓦斯而不利于放散瓦斯[15-16]。此外，根據煤層瓦斯含量與埋深的擬合關系，參照煤層底板等高線圖及井上下對照圖，可計算得出井田內不同地點的煤層瓦斯含量，發現4個地質單元內3號煤層瓦斯含量分布總體上均呈東低西高的趨勢。其中，第Ⅱ、第Ⅳ單元瓦斯分布也具有南低北高的分布特征。然而，雖然同一地質單元內煤層瓦斯分布較規律，但不同地質單元內斷層與褶皺等地質構造差異較大，導致不同單元內煤層瓦斯含量變化程度不同。

圖1 礦區各地質單元分布與地勘鉆孔位置Fig.1 Distribution of geological units and location of ground investigation boreholes in mine area

圖2 礦區各地質單元內3號煤層瓦斯含量與埋深的關系Fig.2 Relationship between gas content and burial depth of No.3 coal seam in various geological units in the mining area

W=a×H+b

(1)

式中，W為煤層瓦斯含量；H為煤層埋深；a、b為擬合系數，不同地質單元擬合系數不同。

1.3 礦區煤層突出危險性概況

根據《防治煤與瓦斯突出細則》，對各地質單元內主采煤層瓦斯參數和瓦斯動力現象進行統計，得出各單元3號煤層突出危險性單項指標值和瓦斯動力現象情況(表1)。由表1可知，基于4個地質單元內代表性礦井的突出危險性現狀(如第Ⅰ地質單元內五陽煤礦煤層瓦斯壓力基本在0.74 MPa以上，瓦斯含量最大值達23.32 m3/t，堅固性系數0.54，瓦斯放散初速度平均為12.69，煤的破壞類型為Ⅲ類)，目前各礦井開采范圍均將進入突出危險區域，尤其隨著采掘深度不斷增加，主體礦井開采范圍內煤層瓦斯壓力將會進一步增高，使突出危險性加劇。因此，為有效控制礦區煤與瓦斯突出危險，需結合潞安礦區煤層賦存特點建立合理的防突體系。

表1 3號煤層突出危險性單項指標值及動力現象統計Tab.1 Statistical data of individual index values and dynamic phenomena of No.3 coal seam outburst hazard

2 礦井區域瓦斯分級治理方法與實踐

2.1 礦井區域瓦斯分級治理方法

根據礦區主采煤層瓦斯含量與埋深的關系可知，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ地質單元煤層埋深分別達到451.4、462.5、211.6、277.9 m時，煤層瓦斯含量將超過臨界值8 m3/t。此外，礦區主采煤層受地質構造影響區域的突出危險性亦較大。因此，潞安礦區主采煤層埋深大或受地質構造影響的區域為發生突出危險性區域，在進行采掘作業前應采取有效的區域性防突措施。按照《防治煤與瓦斯突出細則》要求，借鑒其他礦井瓦斯防治經驗，綜合確定以煤層瓦斯含量大小作為區域瓦斯治理分級的主要依據，分為瓦斯含量W≥16m3/t、8m3/t≤W<16m3/t和W<8 m3/t三個等級范圍，同時考慮煤層埋深和煤層堅固性系數的影響，針對不同瓦斯含量區域的突出危險性程度采取區域瓦斯分級治理措施(圖3)，即以地面井預抽、井下順層定向鉆孔預抽或底抽巷穿層鉆孔預抽、采面本層預抽等地面井下聯合抽采的區域防突措施，具體措施在后續介紹。

圖3 不同瓦斯含量區域瓦斯分級治理措施Fig.3 Gas grading treatment measures in different gas content areas

2.2 區域瓦斯分級治理措施

2.2.1 煤層瓦斯含量W≥16 m3/t區域

由于潞安礦區各地質單元煤層瓦斯含量大于16 m3/t的區域煤層埋深均超過500 m(第Ⅰ—Ⅳ地質單元煤層埋深對應為641.9、595.8、611.6、574.1 m)，且礦區主采煤層堅固性系數平均值小于0.5，根據《煤礦安全規程》，順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯不能作為該區域的防突措施[17]。為實施“先采氣、后采煤”政策，潞安礦區煤層瓦斯含量W≥16 m3/t區域采取的區域防突措施為：首先進行地面井預抽煤層瓦斯，待煤層瓦斯含量降至16 m3/t以下，在煤層底板巖層中布置底抽巷，從底抽巷施工穿層鉆孔預抽主采煤層巷道條帶瓦斯，而在回采工作面利用順層立體交叉鉆孔預抽回采區域瓦斯。

(1)地面井預抽煤層瓦斯。地面井布置如圖4所示，地面瓦斯抽采井間排距為300 m×300 m，按矩形布置，其預抽瓦斯時間為2～6年，具體時間依煤層瓦斯含量高低而不同。以高河礦為例，目前礦井井田范圍內正在排采的瓦斯抽采井為43口，日累計產量1.68萬m3。

圖4 地面井布置示意Fig.4 Diagram of ground well layout

(2)底板巖巷穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯。在距主采煤層垂距12 m、距巷道水平距離20 m的底板巖層中掘進斷面為5.2 m×4.2 m的巖石巷道，通過底板巖巷向煤巷條帶煤層施工穿層鉆孔，鉆孔控制煤巷兩側輪廓線外各15 m。

如圖5所示，在底抽巷內每隔10 m布置1組9個穿層鉆孔，鉆孔開孔沿巷道走向方向成2排布置，排間距5 m，開孔高度1.2 m，開孔位置間距1.6 m；終孔分成2排，各排鉆孔終孔位置在巷道走向方向和垂直于巷道走向方向距離均為5 m。以余吾礦N2203底抽巷為例，該底抽巷布置于N2203膠帶巷與N2205回風巷之間，對上述巷道進行區域預抽，以掩護2條煤巷掘進，巷道全長1 657 m。預抽煤層原始瓦斯含量約11 m3/t，N2203底抽巷穿層鉆孔預抽90 d后，煤層瓦斯含量降至8 m3/t以下，單孔平均抽采瓦斯量0.046 m3/min，掘進期間煤層實測殘余可解吸瓦斯含量6.453 4～4.477 2 m3/t。

圖5 底板巖巷穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯示意Fig.5 Schematic of strip gas in floor rock roadway through borehole pre-drainage coal roadway

(3)順層立體交叉鉆孔預抽回采工作面煤層瓦斯。通過本煤層順層鉆孔進行預抽，煤層瓦斯降至目標瓦斯含量后，回采期間結合邊采邊抽，進一步降低煤層瓦斯含量，減少工作面瓦斯涌出量。如圖6所示，從回采工作面兩側巷道，分別向工作面方向施工雙向順層鉆孔，不同向的兩類鉆孔在工作面中部重疊10 m，由于目前礦井回采工作面長度為200～300 m，故順層鉆孔長度設計為105～155 m。鉆孔封孔材料及工藝參照文獻[18]，采用水泥囊袋“兩堵一注”封孔，封孔長度8～16 m。由于煤層厚度較厚，順層鉆孔分上下兩排立體交叉布置，上排孔和下排孔分別與巷道的角度為85°和75°，排間距0.4 m，鉆孔間距為2.5 m。

圖6 順層立體交叉鉆孔預抽回采工作面瓦斯示意Fig.6 Schematic of gas in pre-drainage mining faceof the layered three-dimensional cross-drilling

2.2.2 煤層瓦斯含量8 m3/t≤W<16 m3/t區域

第Ⅰ—Ⅳ地質單元煤層埋深分別為451.4～641.9 m、462.5～595.8 m、211.6～611.6 m和277.9～574.1 m時，該區域煤層瓦斯含量在8～16 m3/t，加之礦區主采煤層堅固性系數平均值普遍小于0.5，根據《煤礦安全規程》，礦區埋深超過500 m或堅固性系數小于0.3的區域，不能將本巷道順煤層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯作為區域防突措施。

(1)H>500 m或f<0.3時，煤巷掘進工作面若存在鄰近已掘巷道，則通過在鄰近巷道向掘進工作面側施工順層鉆孔進行區段預抽。如圖7所示，鉆孔覆蓋巷道輪廓線兩側不小于15 m范圍煤體，以掩護巷道安全掘進。若無已掘鄰近巷道，煤巷掘進工作面和回采工作面瓦斯治理措施均同煤層瓦斯含量W≥16 m3/t區域一樣，在煤層底板巖層中布置底抽巷，從底抽巷施工穿層鉆孔預抽主采煤層煤巷條帶瓦斯(圖5)，采用順層立體交叉鉆孔進行回采面預抽(圖6)。

圖7 鄰近巷道順層鉆孔預抽區段示意Fig.7 Schematic of bedding pre-drainage section of adjacent roadway

(2)H≤500 m時，煤巷掘進工作面采用順層鉆孔進行條帶預抽，如煤層鉆孔成孔較好，則采用千米鉆機施工定向長鉆孔對煤巷條帶瓦斯進行預抽，消除突出危險，提高掘進效率，如圖8所示。

圖8 定向長鉆孔條帶預抽和回采工作面立體交叉鉆孔預抽示意Fig.8 Schematic diagram of directional long drilling strip pre-drainage and three-dimensional cross-drilling pre-drainage in the working face

以高河礦E2307進風巷施工定向鉆孔預抽E2308煤巷瓦斯為例，E2308煤巷煤層原始瓦斯含量為11 m3/t，在E2307進風巷每隔300 m設置1個千米鉆機鉆場，每個鉆場布置10個孔，孔深500 m，預抽時間約2年，平均單孔抽采量約0.25 m3/min?；夭晒ぷ髅鎱^域防突措施仍同煤層瓦斯含量W≥16 m3/t區域一樣，采用順層立體交叉鉆孔進行回采面預抽。

2.2.3 煤層瓦斯含量W<8 m3/t區域

根據前面分析可預測，煤層瓦斯含量小于8 m3/t的區域煤層埋深均小于500 m。基于《煤礦安全規程》，煤體堅固性系數大于0.3的區域，可采用順煤層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯作為區域防突措施，而煤層堅固性系數小于0.3的區域，不能將本巷道順煤層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯作為區域防突措施。

(1)f≥0.3時，煤巷掘進工作面采用順層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯。如圖9所示，在掘進工作面施工上下2排掘進面鉆孔，上排4個、下排5個，鉆孔長度為150～160 m，2排鉆孔開口位置距底板高度分別為1.4、2.2 m，左右兩邊第1、2個鉆孔與巷道中線夾角分別為2°和1°，其余中間鉆孔垂直巷道斷面施工，所有鉆孔仰角均為“煤層傾角1°～2°”，鉆孔直徑為φ94 mm。在巷道兩幫呈邁步式布置鉆場，單側鉆場間距100 m，兩側鉆場間距50 m，鉆場施工完畢后立即施工鉆孔，每個鉆場布置6個鉆孔，即在鉆場內向巷道掘進方向呈雙排“三花”布置鉆孔，兩排鉆孔開口位置距底板高度分別為1.4 m和2.2 m，鉆孔仰角為“煤層傾角1°～2°”，鉆孔長度同掘進面鉆孔相同，控制巷道兩幫外側15 m范圍。

圖9 煤巷掘進工作面順層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯示意Fig.9 Schematic of strip gas in coal roadway with pre-drainage boreholes along bedding in coal roadway driving face

(2)f<0.3時，煤巷掘進工作面若存在鄰近已掘巷道，則通過在鄰近巷道向掘進工作面側施工順層鉆孔進行區段預抽(圖7)；若不存在上述已掘鄰近巷道，則采用底抽巷穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯(圖5)。回采工作面區域防突措施同樣采用順層立體交叉鉆孔進行回采區域預抽(圖6)。

2.2.4 突出危險區域或鉆孔施工困難區域

針對地質構造影響的突出區域或鉆孔施工困難區域，具體措施與煤層瓦斯含量W≥16 m3/t區域的區域防突措施相同，煤巷掘進工作面應采用底抽巷穿層鉆孔條帶預抽(圖5)，回采工作面應采用順層立體交叉鉆孔進行煤層預抽。對不具備按要求實施區域防突措施條件的區域，不得進行開采活動，并劃定禁采區和限采區。

2.3 區域瓦斯分級治理效果檢驗及驗證

2.3.1 區域瓦斯分級治理效果檢驗

根據《防治煤與瓦斯突出細則》，礦井瓦斯治理效果檢驗應當以預抽區域煤層殘余瓦斯壓力或殘余瓦斯含量作為主要指標，結合潞安礦區區域瓦斯分級治理措施，不同措施進行瓦斯治理效果檢驗要求如下。

(1)順層鉆孔預抽回采區和區段煤層瓦斯。礦區主體礦井采煤工作面長度均大于120 m，則回采區預抽效果檢驗時，應沿采煤工作面推進方向每間隔30～50 m至少布置3個檢驗點，且檢驗點距離回采巷道兩幫大于20 m。此外，主體礦井相鄰回采巷道間距約為50 m，由于是近水平煤層，回采巷道外側控制范圍為15 m，因此兩側回采巷道間距加回采巷道外側控制范圍未超過120 m，則區段預抽效果檢驗時，應沿采煤工作面推進方向每間隔30～50 m至少布置2個檢驗測試點。

(2)順層鉆孔、穿層鉆孔和定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯。順層鉆孔預抽瓦斯效果檢驗時，應沿煤巷條帶每間隔20～30 m至少布置1個檢驗點，且每個檢驗區域不得少于5個檢驗點。穿層鉆孔預抽瓦斯效果檢驗時，應沿煤巷條帶每間隔30～50 m至少布置1個檢驗點。定向長鉆孔預抽瓦斯效果檢驗時，應沿煤巷條帶每隔20～30 m至少布置1個檢驗點，也可以分段檢驗，但每段檢驗的煤巷條帶長度不得小于80 m，且每段不得少于5個檢驗點。

各檢驗點應布置于所在鉆孔密度較小、孔間距較大、預抽時間較短的位置，并盡可能遠離各預抽鉆孔或盡可能與周圍預抽鉆孔保持等距離，避開采掘巷道的排放范圍和工作面的預抽超前距，且在地質構造復雜區域應適當增加檢驗點。當所測煤層殘余瓦斯含量值均小于8 m3/t且滿足抽采達標要求，則預抽區域措施有效；若所測煤層殘余瓦斯含量值中有一個大于8 m3/t時，表明預抽措施無效，需繼續抽采。若在檢驗期間發生瓦斯突出動力現象時，發生明顯突出預兆的位置或測試點周圍半徑100 m內的預抽區域判定為瓦斯治理無效，所在區域煤層仍屬突出危險區，必須繼續進行或補充實施區域防突措施。

2.3.2 區域瓦斯分級治理效果驗證

區域瓦斯治理效果檢驗后，在開采前應對無突出危險區進行區域驗證，采用鉆屑指標法、復合指標法和R值指標法驗證煤巷掘進工作面和回采工作面的突出危險性，若所測指標小于臨界值且未發生異常情況，則區域瓦斯措施有效，可采取安全防護措施后進行采掘作業。對采掘工作面的首次區域驗證時，采掘前還應當保留足夠的突出預測超前距。若有一次區域驗證為有突出危險，則該區域以后的采掘作業前須采取區域或局部綜合防突措施。

3 結論

隨著主采煤層開采水平逐步向深部延伸，潞安礦區煤層瓦斯突出危險性日益嚴峻。本文根據地質構造情況將潞安礦區劃分為4個地質單元，通過鉆取得到礦區各區域不同埋深煤層瓦斯含量，獲得了礦區煤層瓦斯分布規律及其與埋深的關系；根據煤層瓦斯含量和煤體堅固性系數等，將礦區煤層防突劃分為三種等級，并針對不同煤層瓦斯突出危險程度采取不同區域瓦斯抽采措施進行分級治理，研究了區域瓦斯分級治理措施及效果。

(1)文王山正斷層、西魏正斷層和二崗山正斷層將潞安礦區在南北方向上劃分為Ⅰ—Ⅳ地質單元，4個地質單元內主采煤層的瓦斯含量均隨煤層埋深的增加呈現出線性增長趨勢，且各單元煤層瓦斯含量總體上均呈東低西高分布，其中第Ⅱ、第Ⅳ地質單元煤層瓦斯分布也具有南低北高特征。

(2)根據煤層瓦斯含量W≥16 m3/t、8≤W<16 m3/t和W<8 m3/t三種等級范圍，綜合考慮埋深和煤體堅固系數的影響，提出了區域瓦斯分級治理模式：①煤層瓦斯含量W≥16 m3/t時，率先利用地面井預抽煤層瓦斯至含量降至16 m3/t以下，然后通過底板巖巷穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯，回采工作面采用順層立體交叉鉆孔進行預抽。②8≤W<16 m3/t時，當H>500 m或f<0.3，存在鄰近巷道時應采用鄰近巷道順層鉆孔預抽區段瓦斯，否則采用底板巖巷穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯；當H≤500 m，采用順層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯，成孔較好的區域應采用定向長鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯，而回采工作面均采用立體交叉鉆孔預抽。③W<8 m3/t時，當f<0.3，應同8≤W<16 m3/t等級范圍中H>500 m或f<0.3的措施相同；當f≥0.3，采用順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯，回采工作面采用立體交叉鉆孔預抽。

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