玉溪煤礦煤與瓦斯共采模式探討

吳錦旗，李 棟

（1.山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214；2.山西蘭花科技創業有限公司，山西 晉城 048000）

關健詞：煤與瓦斯共采；模糊綜合評價；開發模式；地面井；穿層鉆孔；順層鉆孔

0 引言

煤與瓦斯是同源共生的2種能源，瓦斯既是煤礦開采過程中的一種災害氣體，也是一種優質的清潔能源。我國埋深2 000 m以淺的瓦斯地質資源儲量約36.81×1 013 m3，與陸上常規天然氣資源量相當（38×1 013 m3），其中，可采煤層氣資源總量10×1 013 m3，占煤層氣總儲量的27.12%[1-2]。煤與瓦斯共采已經成為煤礦行業可持續發展的重要途徑之一。目前，我國比較成熟的煤與瓦斯共采技術主要有3類：第1類是“先采氣、后采煤、采煤采氣一體化”的三區聯動井上下聯合抽采的晉城模式[3-9]。第2類是“保護層卸壓開采”的淮南模式[1,10-18]。第3類是“以穿層鉆孔抽采為主、順層鉆孔抽采和采空區抽采為輔”的松澡模式[19]。煤與瓦斯如何協調共采，不同地質條件、不同開采時期采用何種煤與瓦斯共采技術是目前困擾煤炭企業的主要技術問題。

1 玉溪煤礦概況

玉溪煤礦位于山西省高平市沁水縣胡底鄉，井田面積29.79 km2，礦井設計生產能力2.40 Mt/a，服務年限50.7a，采用斜井開拓方式，全井田布置主斜井、副斜井、進風立井和回風立井4個井筒。

玉溪煤礦為煤與瓦斯突出礦井，井田主采3號煤層，平均厚度5.85 m，頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為細粒砂巖，底板為泥巖；煤層結構簡單，全區可采，為穩定型可采煤層，局部柱狀圖如圖1所示。根據地勘及已揭露區域的測定結果，煤層堅固性系數在0.45～1.09之間，煤層透氣性系數0.103 2～26.58 m2/MPa2.d，最大原始瓦斯含量25.59 m3/t，最高原始瓦斯壓力2.90 MPa。除了局部區域煤層存在軟煤分層外，整體而言，3號煤層具有煤質硬、瓦斯含量高、瓦斯壓力大、煤層透氣性高等特點。

圖1 局部綜合柱狀圖

2 煤與瓦斯共采方案

2.1 保護層開采

保護層開采[20,21]是煤與瓦斯共采技術措施中最簡單、經濟有效的方式，如圖2所示。保護層開采措施的優點是防突效果均勻、安全可靠性高。其缺點為必須是煤層群開采，且具備保護層開采的條件，全國只有30%左右的礦區具備保護層開采的條件。

圖2 保護層開采示意圖

玉溪煤礦為單一厚煤層開采，在3號煤層有效保護垂距內不存在厚度0.5m及以上的煤層，不具備保護層開采條件。

朱濤等[32]通過室內試驗分析了寬級配礫質土的壓實特性，結果表明，寬級配礫質土擊實時干密度和含水率關系曲線呈上凸的拋物線型，具有一個最優含水率。擊實后的最大干密度隨著礫石含量的增加先迅速增大，后又開始逐漸減小。隨著礫石含量的增加，其最優含水率先逐漸減小，后基本趨于穩定狀態。

2.2 地面井抽采

地面井技術[22-24]最初是作為煤層氣規模開發技術，在美國獲得了巨大成功。上世紀90年代，晉煤集團引進該技術率先在沁水盆地進行試驗，并取得成功，如圖3所示。地面井預抽煤層瓦斯區域防突措施的優點是：①服務周期長；②能實現一井多用，有效解決瓦斯抽采時空限制；③有助于提高井下順層鉆孔抽采效果。缺點為：①投資成本高，預抽降低煤層瓦斯含量相對較慢；②單井施工周期長。地面井預抽煤層瓦斯區域防突措施適用于煤層埋藏深度適中，井田地形地貌條件良好，煤層透氣性好的地質條件。

2.4.2 順層長鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施

圖3 地面井開采示意圖

玉溪煤礦3號煤層埋藏深度400～600 m、瓦斯含量高、透氣性較好，有利于進行地面井開采。

開采中期（5-10），實行井上下聯合抽采，加速瓦斯抽采進程。充分發揮“地面壓裂工藝”與“井下定向長鉆孔”2種技術的優勢疊加。根據晉城礦區的應用效果，抽采效果比單純的地面抽采井，提高了4倍多；井下鉆孔控制區域和地面壓裂影響區域的預抽時間，縮短了一半以上。地面井布置按300 m×300 m井間距布置，煤層瓦斯含量每年降低1.5～2 m3/t。工作面采、掘之前，均需要進行突出危險性預測，當預測結果為無突出危險性時，可以根據《防治煤與瓦斯突出規定》、《煤礦安全規程》進行采、掘作業。當預測結果為有突出危險性時，應采用順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯區域消突措施。

圖4 玉溪煤礦地面井區域防突鉆井布置示意圖

2.3 井下穿層鉆孔抽采

穿層鉆孔預抽瓦斯防突措施是在巖石巷道中向開采層施工鉆孔穿透煤層全厚進行瓦斯預采，如圖5所示[25]。

圖5 穿層鉆孔抽采示意圖

穿層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施的優點是：①穿層鉆孔施工靈活、方便，適應性強；②安全程度高、便于效果檢驗。缺點是：①巖巷掘進、鉆孔施工進度慢；②抽采工程施工成本高。穿層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施的適用于無保護層開采、突出危險性高、地質構造復雜的地質條件。

由于玉溪煤礦3號煤層瓦斯壓力和瓦斯含量均高，在開采初期，可考慮采用井下穿層鉆孔抽采。

2.3.1 盤區大巷抽采技術

每一個人，當要過另一種生活時，必然也有另一種結局在等他。這是當時的貨倉管理員上廁所時所料想不到的。而斬殺他的指鹿為馬的趙高，亦逃不了“夷三族”的下場。

圖6 盤區大巷工作面區域防突措施布置圖

2.3.2 首采、準備工作面掘進巷道抽采技術

順層鉆孔預抽煤層瓦斯是通過在煤層巷道中施工順層鉆孔從而實現區域消突的預抽技術，如圖8所示。順層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施的優點為：①順層鉆孔均為煤孔，鉆孔利用率高；②鉆孔布孔均勻，可有效避免空白帶；③抽采工程成本較低。④可以實現對鄰近未掘區域的預抽。缺點為：①順層鉆孔均為煤孔，容易塌孔；②施工安全性低。順層鉆孔預抽煤層瓦斯措施主要適用于煤層賦存穩定、煤層透氣性好的地質條件。

圖7 首采、準備工作面順槽區域防突措施布置圖

2.4 井下順層鉆孔抽采

首采及準備工作面采用穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯措施進行東西兩翼首采面順槽、切眼的區域防突。在工作面順槽掘進之前，在進風順槽和回風順槽下方20 m，外錯35 m各布置1條底板抽采巷，在底板抽采巷中施工鉆場，每個鉆場覆蓋一定的煤巷掘進范圍。鉆孔施工完畢必須全部穿透煤層；考慮大傾角鉆孔施工影響，鉆孔實際施工深度在30～120 m之間。鉆孔布置方式如圖7所示。

圖8 順層鉆孔抽采示意圖

玉溪煤礦煤層硬度高、透氣性好，比較適合采用順槽鉆孔預抽煤層瓦斯。

針對非首采工作面掘進巷道，隨著首采工作面順槽的掘進，在順槽后方具備條件時，采用定向鉆機或全方位大功率液壓鉆井施工順層鉆孔實施接替工作面及接替工作面順槽掘進巷道的瓦斯預抽。施工的順層鉆孔采用鉆場扇型施工或巷道內平行鉆孔施工，如圖9所示。

2.4.1 非首采工作面掘進巷道抽采

步態選擇方面，選取穩定性高的三角步態作為四足機器人在斜面上的運動步態，并采用LF-RH-RF-LH的腿部運動順序以獲得最優的穩定裕度[6]。本文的運動步態時序圖如圖3所示。其中，黑色矩形表示腿部處于支撐相，白色矩形表示腿部處于擺動相。

1.5 統計學分析 運用SPSS 24.0 軟件對數據進行統計學分析，計量資料以表示，數據比較采用t檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

圖9 非首采工作面區域防突措施布置示意圖

記者從廣東省海上搜救中心獲悉，11月17日，一艘汕頭籍貨輪“鴻泰16”航經粵東惠來海域遭遇寒潮大風貨艙進水沉沒，船上11名船員全部成功獲救。

順層鉆孔預抽煤層瓦斯是通過在煤層巷道中施工順層鉆孔從而實現區域消突的預抽技術，近年來，隨著千米鉆機的開發，長距離定向鉆孔預抽煤層瓦斯技術得到了推廣應用，玉溪煤礦在盤區東西瓦斯抽放巷道內施工順層長鉆孔對非首采面順槽進行區段消突，以便縮短達標時間，如圖10所示。

綜上所述，刀盤形狀和刀片形狀對割草機工作過程中流場及扭矩等有重要影響，刀尾一側以一定角度上揚的異形刀片在節能提效上有較明顯優勢，在實際割草機節能優化工作中可優先考慮。

圖10 非首采工作面掘進巷道區域防突方案布置示意圖

2.5 順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯

礦井東西兩翼首采工作面分別為首采、準備工作面，以首采工作面為例，工作面長200 m，平均采高5.85 m，采用順層鉆孔作為區域防突措施，即在首采工作面進風順槽和回風順槽布置順層鉆孔，鉆孔要覆蓋回采工作面全部區域及煤層全厚，不留空白帶，遇到地質構造帶，應適當增加鉆孔密度。如圖11所示。

盤區巷道掘進前，根據盤區巷道與中央大巷的相對關系，設計利用煤層底板下20 m位置已施工完成的中央大巷布置鉆場，鉆場內施工穿透煤層全厚的穿層鉆孔。實際抽采中，投產前可縮短鉆孔間距通過增加鉆孔密度以縮短抽放時間，投產后有充足抽采時間時可適當擴大鉆孔間距以減少鉆孔工程量。鉆孔布置方式如圖6所示。

圖11 順層鉆孔預抽回采區域防突方案布置示意圖

3 開采中、后期煤與瓦斯共采模式

受“兩權分立”影響，玉溪井田范圍內采氣權歸中國石油天然氣股份有限公司，并由其分公司負責地面煤層氣開發，截止目前玉溪井田范圍內由中石油施工地面井共計122口，包括直井、叢式井、水平分支井、斜井均有分布，如圖4所示。

唐山地處環渤海灣中心地帶，西部和南部分別與北京和天津兩大直轄市毗鄰，聯接華北、東北兩大地區，唐山是從清末洋務運動走來的具有百年歷史的沿海工業重鎮。

開采后期（10年以后），全面實施地面井抽采，有計劃地推進高突礦井向瓦斯礦井轉化。實現地面井在“消除突出、獲取地質勘探資料、采前抽、采動抽、采后抽”中的“一井五用”。按照300 m×300 m的井間距布置，能夠實現煤與瓦斯突出區域全面消突。

4 結論

通過分析玉溪煤礦煤層賦存情況，采用模糊綜合評價法對幾種方案進行對比，得出如下結論：

1）在玉溪煤礦開采前期（5年以內）采用井下穿層鉆孔結合順層鉆孔的煤與瓦斯共采模式。

程式化社會技能訓練模式方便、易操作，重復性好，對不同訓練者來說，也較統一規范，有較強的可操作性。對精神分裂癥住院綜合征患者開展系統、規范的程式化社會技能訓練，能有效改善患者的臨床癥狀，減少復發，提高患者的社會功能，對促進患者的康復及早日回歸社會起到了積極有效的作用。

2）開采中期（5-10年）采用地面井與井下順層鉆孔抽采相結合的煤與瓦斯共采模式。

3）開采后期（10年以后）全面實施地面井抽采，有計劃地推進高突礦井向瓦斯礦井轉化。