我國煤礦瓦斯災害超前大區域精準防控技術體系及展望

劉 程，孫東玲，武文賓，李良偉，孫中光

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

中國是具有自己資源特色的礦產資源大國，伴隨新一輪科技革命的孕育興起，大數據、云計算、移動互聯網、遙感探測等前沿技術與采礦業交叉融合，采礦業發展的新動能日益強勁，為礦業轉型升級、創新發展帶來了革命性機遇。智能化是采礦業發展的必由之路，是提高煤礦企業核心競爭力、實現高質量發展的必然選擇[1-3]。瓦斯災害仍是我國煤礦開采的主要災害，礦井下瓦斯抽采對瓦斯災害治理、保障煤礦安全高效生產、促進煤層氣資源開發利用及減輕溫室氣體排放都具有重要意義[4]。煤礦瓦斯抽采效率及其超前范圍的突破性提升對瓦斯抽采地質條件的精細探測、大范圍區域抽采提出了新的技術需求[5-6]。

隨著礦井瓦斯防治技術研究及裝備水平的提升，我國煤礦瓦斯災害防治已完成了由局部治理向區域治理的演進[7-9]。煤礦井下定向鉆進技術具有鉆孔軌跡可控、孔深大、瓦斯抽采效率高等特點，已成為中硬煤層高效抽采的主要手段[10-12]；地面鉆井預抽煤層氣或抽采采動區瓦斯已是我國煤層氣開發及煤礦瓦斯災害治理的重要發展方向之一[13-14]；分段水力壓裂技術實現了大范圍煤層整體增滲的目的，提高了瓦斯抽采效率[15-17]；長距離密閉取心技術解決了無巷化的煤層參數測定及治理效果評價[18-20]。相對傳統巷道瓦斯抽采治理模式，上述分支技術在適宜礦區已體現出良好的技術優勢。筆者以“物探鉆探?區域防治?增滲抽采?預測預警”為技術主線，梳理出當前瓦斯治理先進技術，并對我國未來瓦斯災害超前大區域精準防控技術體系及發展方向進行展望。

1 我國煤礦瓦斯災害精準防治先進技術

1.1 大區域超前隨鉆地質勘探及物探預測技術

1.1.1 定向鉆孔超前地質探測技術

水平定向長鉆孔鉆進技術具有長距離和定向施工功能，結合隨鉆測量系統與側鉆分支技術，可精準探測煤層頂底板、煤層起伏、地質構造等；對于煤層厚度差異性系數較大的區域、構造區等，可劃定為防突重點區域，測定該區域的瓦斯含量以指導鉆孔優化設計。

礦用隨鉆測量系統已發展為有線[21]與無線[22]兩大技術系列(圖1)，有線隨鉆測量系統存在特制定向鉆具等問題；無線隨鉆測量系統則降低了對特制定向鉆具的要求，應用更加靈活，目前已形成泥漿脈沖、電磁波、聲波、智能鉆桿、光纖等5 種傳輸方式，其中煤礦井下以泥漿脈沖和電磁波兩種方式為主(圖1b)。

圖1 定向鉆孔超前地質探測技術原理Fig.1 Principle of directional borehole advanced geological exploration technology

1.1.2 鉆孔精細化物探新技術與裝備

隨著煤礦開采不斷向深部發展，礦井地質條件愈加復雜，對治理區域的構造和瓦斯富集區進行超前精準探測是實現復雜地質條件下瓦斯災害高效、精準防治的重要前提，而傳統鉆孔探測技術(鉆孔取心、鉆孔孔壁成像、常規地球物理測井等)在探測精度、準確度、探測距離等方面均難以滿足需求。針對上述問題，采用高頻電磁波作為“光源”，通過煤巖電性參數與衰減規律，研究孔巷電磁波成像技術和探測工藝，可在井下巷道、鉆孔內用CT 成像顯示工作面內部地質構造和瓦斯富集區，可有效指導井下瓦斯抽采工作[23-24](圖2)。

圖2 鉆孔電磁波透視原理及裝備Fig.2 Drilling electromagnetic wave perspective principle and equipment

煤礦井下瓦斯富集區與地質構造帶、構造煤等具有較高的重合度，瓦斯富集區與正常區域煤體的物性參數、電性參數有較大的差異，地震彈性波法可對這一動態差異進行有效判識。地震彈性波法(圖3)通過探測前方每個波阻抗變化的界面，如在地層面、煤巖界面、斷層面、應力集中帶等可產生反射波，可查明瓦斯富集區[25]。

圖3 礦井巷道地震波反射超前探測及實際工程判識Fig.3 Mine roadway seismic wave reflection advanced detection and actual engineering identification

1.1.3 瓦斯含量長距離取心技術及裝備

煤層瓦斯含量是進行突出危險性預測、抽采設計、瓦斯治理效果評判的重要基礎參數。多年來，煤礦井下和地面瓦斯(煤層氣)含量均采用解吸法進行測定，其測定的氣含量包括損失氣、解吸氣和殘余氣3 部分。由于取心過程中一定量的氣體逸散，業界普遍認為采用目前的測試方法測試得到的煤層瓦斯(煤層氣)含量結果偏低。經過國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”科技攻關，研發出煤礦地面及井下煤層密閉取心裝置和測試技術，使得地面瓦斯解吸可測定時間大幅向前推移，極大地縮短了取樣過程中煤樣暴露時間，可有效提高煤層氣含量測試結果的準確性。

地面密閉取心的技術原理是通過空壓機將壓縮空氣經雙壁鉆桿內外管環隙輸送到孔底鉆頭，利用鉆頭的導流性，使壓縮空氣攜帶煤樣向鉆頭的內通道成反方向進入雙壁鉆桿的內管，直至返出地面，并將煤樣進行收集裝入密封罐(圖4)。經過“大型油氣田及煤層氣開發”項目攻關，構建了地面井反循環取樣瓦斯損失量補償模型，研發了一種孔底控樣粒度并快速促成反循環效應結構鉆頭、煤樣低碰撞穩態快速上返結構雙壁鉆桿等反循環取樣裝置[26]，該項技術適用于常見地層1 000 m 以淺的地面井取樣測定瓦斯含量。

圖4 地面密閉取心裝置Fig.4 Ground closed coring device

井下定向長鉆孔密閉取心技術[27-28]是指在取樣過程中，盡可能保持煤樣的原始狀態，減少瓦斯解吸造成的含量損失。工程應用表明，密閉取心裝置(圖5)可以避免煤心的暴露時間，減少取心過程中的瓦斯逸散損失，簡化瓦斯含量測試過程，提高測試精度。目前該技術取樣深度已超500 m，最高密閉壓力達到11.5 MPa，技術成果已在山西晉城、安徽淮南等地成功應用[20,29-30]。

圖5 井下取心裝置[27]Fig.5 Coring device in underground coal mine coring device[27]

1.2 大區域瓦斯抽采技術

高可靠性的大區域瓦斯抽采技術是實現超前精準治理的核心手段。目前大區域瓦斯抽采技術分為地面抽采技術及井下抽采技術，如圖6 所示，包括：新建礦井及井下規劃區優先選擇地面抽采瓦斯，實現“先抽后建”[31-32]或“先抽后開拓”；厚硬煤的礦區準備區域可以選擇地面井聯合井下順煤層長鉆孔預抽煤層瓦斯[33]；頂板長鉆孔群抽采卸壓等。

圖6 大區域地面及井上下聯合瓦斯抽采技術[32]Fig.6 Large area surface and underground gas drainage technology[32]

1.2.1 井下定向長鉆孔大區域瓦斯治理技術

定向鉆進技術可通過孔底螺桿馬達控制鉆孔軌跡，避免產生瓦斯治理盲區，實現瓦斯治理的精準化，現已形成了一套成熟的基于定向長鉆孔的井下瓦斯治理模式。當前鉆孔深度最高記錄為3 353 m[34]，為實現煤礦井下大區域超前瓦斯防治提供了有力支撐。回采期間，還可借助頂板大直徑定向鉆孔進行采動區和采空區瓦斯抽采，為治理鄰近層瓦斯涌出、上隅角瓦斯和解決回風流瓦斯濃度超限等問題提供了新途徑。

1)煤巷條帶定向長鉆孔預抽煤層瓦斯技術

傳統的煤巷條帶穿層密集鉆孔消突技術存在措施巖巷及穿層孔工程量大、治理成本高，鉆機搬運頻繁、效率低，穿層孔有效見煤段短、利用率低，鉆孔軌跡不可控，易產生瓦斯治理盲區等諸多問題。定向長鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯技術是通過在煤層中施工定向長鉆孔及分支鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯(圖7)，可有效替代“穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯技術”，實現無巷化的瓦斯治理[35-37]。

圖7 定向長鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯技術Fig.7 Coal seam gas technology of directional long borehole predrainage roadway strip

2)定向長鉆孔遞進式瓦斯抽采技術

順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯可實現對整個回采區域、兩側回采巷道及外側一定范圍煤層的控制。常規回轉鉆進技術無法保障鉆孔軌跡，因此常用定向鉆機施工預抽區段煤層瓦斯鉆孔，實現對控制區域的精準治理，通過遞進式抽采方式還可覆蓋至下一個工作面的回采區域及回采巷道，實現瓦斯的超前治理(圖8)。該項技術是當前滿足智能化開采前瓦斯高效快速治理的有效手段[38-39]。

圖8 遞進式抽采Fig.8 Progressive extraction

3)定向長鉆孔卸壓瓦斯抽采技術

工作面回采過程中，采空區遺煤和鄰近層卸壓瓦斯在工作面采空區及頂板采動裂縫內聚集，容易造成工作面上隅角和回風流瓦斯超限。頂板高位巖石定向長鉆孔是治理頂板采動卸壓瓦斯的有效手段，相對高位巷，具有抽采效果穩定、布置靈活、抽采范圍廣、綜合成本低等優點(圖9)。ZYWL23000DS 型定向鉆機作為“十三五”國家科技重大專項的最新科研成果[40]，已實現200 mm 直徑鉆孔的一次開孔。

圖9 頂板定向長鉆孔卸壓瓦斯抽采技術Fig.9 Drainage and gas relief technology from long boreholes in roof direction

1.2.2 地面井瓦斯治理技術

地面井瓦斯治理模式主要分為地面井預抽煤層瓦斯技術及地面井卸壓瓦斯抽采技術兩大類。

《防治煤與瓦斯突出細則》(2019 版)[41]規定：“應當對首采區內評估有突出危險且瓦斯含量大于等于12 m3/t的煤層進行地面井預抽煤層瓦斯，預抽采率應當達到30%以上”。地面井預抽煤層瓦斯技術是通過在地面施工鉆井至煤層或鄰近煤層位置，再通過水力壓裂增滲技術[42-44]，實現瓦斯的抽采。根據井身結構的不同，又分為地面直井、L 型水平井、U 型水平井、叢式井等。目前，該技術在沁水盆地、鄂爾多斯盆地等中硬煤礦區已有廣泛應用。

地面井抽采卸壓瓦斯技術是通過在地面施工鉆井至開采煤層上覆巖層中的裂隙帶內，抽采因煤層開采卸壓過程中的鄰近煤層瓦斯、采空區瓦斯及采動區瓦斯。相對高位巷及高位定向長鉆孔而言，地面井抽采卸壓瓦斯技術具有控制范圍大、抽采量大、施工技術成熟度高、不受井下采掘工程影響等優點。為降低瓦斯治理成本，“十三五”期間還發明了地面預抽井改造采動井技術，并在晉城礦區推廣應用中，真正地實現了“一井多用”[45-47]。其中，山西晉城礦區寺河礦采動區L 型井連續運行1 年5 個月，平均瓦斯抽采量1.88 萬m3/d，平均甲烷體積分數62.2%，累計抽采量650 萬m3，采煤工作面甲烷體積分數平均降低55%[32](圖10)。山西晉城礦區岳城礦采動區地面直井連續運行4 年多，實現了采動區與采空區的聯動抽采，平均抽采瓦斯純量0.85 萬m3/d，平均甲烷體積分數48.3%，累計抽采瓦斯純量1 000 萬m3以上，保障了采煤工作面安全生產。

圖10 晉城礦區寺河礦L 型地面井卸壓瓦斯抽采技術Fig.10 L-shaped surface well pressure relief gas drainage in Sihe mine，Jincheng coal mine

1.3 水力壓裂增滲技術

定向長鉆孔或地面井從形式上解決了精準鉆井或者以孔代巷的目的。國內高突礦井中低透氣性煤層的比例超過90%，普遍存在“打得進、抽不出”的現狀，若要實現高效抽采，還需實施一定的增滲措施。水力壓裂廣泛應用于油氣、煤層氣等開發，但對松軟煤層提高瓦斯抽采效果的成功率極低，普遍認為不適于軟煤增滲，其主要問題是軟煤壓裂機理不清、工藝技術與配套裝備不適宜。因此形成了松軟煤層頂板長鉆孔穿層壓裂或頂板長鉆孔分支鉆孔水力壓裂技術和松軟煤層直接壓裂塑性固化技術。其中，松軟煤層頂板L 型井穿層壓裂或頂板長鉆孔梳狀鉆孔水力壓裂技術以安徽淮北、陜西韓城礦區為代表[48-51]，主要通過地面L 型井頂板水平段分段水力壓裂或頂板長鉆孔梳狀鉆孔壓裂來解決松軟煤層內鉆孔施工難、壓裂封孔難、壓裂后易塌孔的問題。

針對水力壓裂不適用于軟煤的普遍認識以及軟煤缺乏有效直接卸壓增滲技術手段的難題，突破水力壓裂脆性致裂的局限，業內提出了松軟煤層水力壓裂“微縫網循環延展塑性固化”增滲機理[52-54]，構建了以煤層物理力學參數及地應力為核心的壓裂關鍵工藝參數和壓裂效果參數計算方法，基于分段扶正壓裂封隔器工具串(圖11)，形成了適用于不同地質條件的4 種壓裂工藝：順煤層單封整體壓裂、跨式雙封整體壓裂、拖動分段壓裂、協同分段壓裂，經大量現場工業性試驗驗證，上述技術可有效解決松軟低滲煤層分段水力壓裂增滲工藝技術難題。山西陽泉寺家莊礦實現了200 m 范圍的整體卸壓與增滲，透氣性系數提高10～26 倍，瓦斯抽采效果平均提高3 倍以上，如圖12所示，在工程量、治理成本、達標時間三方面均取得顯著效益。

圖11 分段壓裂封隔器工具串Fig.11 Staged fracturing packer

圖12 陽泉寺家莊礦水力壓裂抽采效益Fig.12 The benefits of hydraulic fracturing in Sijiazhuang,Yangquan

1.4 非接觸式連續預測及智能預報警技術

傳統災害預測方法基本上以點預測為主，預測范圍小，無法全面、客觀反映工作面前方危險性大小，耗時較長，預測鉆孔施工質量的穩定性無法驗證，受人為因素影響較大，不能實現連續、動態、智能化的準確預測，接觸式的非連續預測已不適應當前智能化礦井建設發展的需求，嚴重制約了智能掘進及智能開采等先進生產力的釋放。通過研究采掘過程中的應力變化規律、瓦斯涌出數據，結合瓦斯地質動態分析等技術，形成了基于聲發射的動力災害在線連續預測技術及基于瓦斯地質與瓦斯涌出量智能動態預測預報技術。

1.4.1 基于聲發射的煤巖動力災害預測技術

聲發射技術是一種動態無損檢測技術，可實現連續動態的實時監測、減少工程成本及人為測量誤差，提高災害預測準確性，是一種極具應用前景的煤礦動力災害非接觸式連續預測技術[55]。

YSFS(A)型煤巖瓦斯動力災害聲發射實時在線監測系統(圖13)，通過采集掘進及回采過程中聲發射信號，捕捉開采過程中動力現象或災害發生的前兆信息，對工作面的煤巖瓦斯動力現象或災害進行實時、動態、超前判識預警。在河南平煤十礦應用以來，成功超前監測預警了多次以地應力為主導的煤體片幫造成的瓦斯超限事故，可在事故發生前6～10 h 發出災害預警，為礦井防突工作提供了明確直觀的預警信號。

圖13 煤巖瓦斯動力災害聲發射實時在線監測與預警系統Fig.13 Real-time online acoustic emission monitoring and warning system for coal and rock gas dynamic disaster

1.4.2 基于瓦斯地質與瓦斯涌出量智能動態預測預報技術

在瓦斯地質參數數字化的基礎上，結合鉆探、物探技術，通過瓦斯地質智能分析技術自動分析礦井到工作面的瓦斯賦存主控因素及瓦斯地質規律；通過自動收集采掘過程中的各類瓦斯涌出量，動態分析瓦斯解吸、瓦斯含量、瓦斯涌出量波動及瓦斯涌出量趨勢指標，在智能算法綜合判斷的基礎上自動判識突出危險區，實現實時動態預測。瓦斯地質動態分析及預警系統和KJA 瓦斯涌出動態特征突出預警系統在全國14 次突出事故預報中，實現了空間上提前5～15 m，時間上提前2～6 個作業班次[56-58]，圖14 為瓦斯地質動態分析效果。

圖14 某礦瓦斯地質與瓦斯涌出智能動態預測Fig.14 Gas geology and intelligent dynamic prediction of gas emission

2 大區域瓦斯精準防控技術體系展望

2.1 深孔隨鉆測試技術

大區域瓦斯治理技術的前提是詳細掌握治理區域的瓦斯基礎參數和地質特征。當前瓦斯基礎參數測試技術存在測試周期長、過程繁瑣、隨鉆測定參數較少等諸多問題，以信息化、智能化為特征的精準快速測定技術與裝備的發展已迫在眉睫。目前，煤層瓦斯基礎參數及地質特征的隨鉆測試技術有隨鉆取樣及隨鉆流體分析兩大技術系列[59]，隨鉆流體分析主要通過核磁探測、伽馬、雷達等方式可以實現煤巖及地質異常體識別、瓦斯壓力、瓦斯含量、鉆孔放散初速度及煤層滲透率等參數測定功能，通過隨鉆測量的方式，在施工鉆孔的同時，實現對煤層瓦斯基礎參數及地質特征的“同步測、超前測、精準測”，滿足大型高產礦井智能快速采掘對瓦斯抽采的地質條件精細探測需求[60]。

2.2 地面與井上下聯合高效開發技術與裝備

瓦斯災害快速治理根本是瓦斯抽采的快速增量上產，以提升探測精度、鉆井長度、壓裂規模、抽采評價為抓手，以提升裝備智能化、提高增滲效率和范圍為手段，通過研究井上下聯合壓裂長鉆孔高效抽采瓦斯技術及裝備、地面水平井體積壓裂高效開發技術(圖15)、地面井生產動態診斷與改造增產技術及裝備、地面井抽排一體化關鍵技術及裝備，可實現煤礦區煤層氣區域化高效開發及快速增產。

圖15 地面精準壓裂技術Fig.15 Surface precision fracturing technology

2.3 煤礦井下區域化增滲抽采技術

隨著開采深度的增加，煤礦井下區域化增滲強化抽采將是關鍵舉措。相較于地面增滲抽采，煤礦井下實施區域化增滲具有抽采效率高、成本低、布置靈活，尤其是分段壓裂技術增加了增滲均勻性。基于煤層堅固性系數分為軟煤區域化增滲和中硬煤層區域化增滲兩種場景。未來針對松軟煤層定向鉆進難、遇水易塌孔的問題，需要攻克近煤層頂底板定向長鉆孔定向射孔分段壓裂壓穿煤層技術、梳狀鉆孔隨鉆壓裂技術，而在中硬煤層中需攻克超深孔多分段協同壓裂增滲技術。

煤礦井下區域化增滲裝備方面，區域化超大流量變頻調壓壓裂泵組的研發可保障井下增滲作業強度、增加增滲范圍和效率。此外，井下大流量智能化壓裂集群工廠需重點研究具備壓裂參數自動計算與輸出、壓裂參數自動控制執行、模塊化泵組調用等功能的大流量集群系統，實現壓裂過程手機APP 監控、智能化一鍵壓裂、地層壓裂液濾失和地質異常判定，實時智能調控壓裂參數。井下小體積裸眼長鉆孔連續油管分段射孔壓裂一體化技術與裝備，重點解決定向長鉆孔分段壓裂利用鉆機鉆桿不連續和操作復雜的缺點，實現定向長鉆孔，分段數據一鍵輸入智能式連續回退不停機壓裂工藝。尤其適合鄰近煤層頂底板定向射孔壓裂一體化作業的高效實施，還可在未增透的定向鉆孔進行補壓裂或二次壓裂增透。

2.4 區域精準預測及智能預報警技術

瓦斯超限預警技術有待在高精度瓦斯信息監測設備、瓦斯前兆信息分析理論方面突破。首先基于多源信息融合的預警偏差修正模型，以瓦斯涌出量、瓦斯解吸量、瓦斯涌出參數動態趨勢等突出危險性的瓦斯特征指標綜合分析模型，融合應力、隨鉆探測等結果形成真正多源信息融合區域化精準預測預警技術。瓦斯復合動態災害風險監測識別與預警技術應基于傳統方法與先進技術相結合、靜態預測與實時動態預警、鉆屑法多指標綜合檢測技術與煤溫、電荷、聲發射、微震、電磁輻射等連續監測技術。主要識別煤與瓦斯復合動力災害發生過程中煤巖裂縫與氣流多參數(應力、地聲、微震、電磁感應)耦合的前兆特征。利用人工智能和深度學習技術，發展煤與瓦斯復合動力災害多參數前兆特征智能識別方法。深入研究瓦斯復合動力災害遠程監測預警云平臺架構，構建基于大數據和云計算的瓦斯復合動力災害時空多參數信息自動識別預警理論和技術體系，形成從風險信息感知、數據挖掘、監測預警到遠程云平臺共享的一體化有機框架，從而全面提高我國煤礦瓦斯災害風險隱患管控能力和瓦斯治理水平。

3 結 論

a.目前已基本構建了基于隨鉆地質勘探及預測技術、地面及井下區域化增滲抽采技術、瓦斯防治效果評價、煤巖動力災害預測預警等關鍵技術組成的煤礦大區域瓦斯治理技術體系，各分支技術已在特定地質條件礦區取得良好效果，為煤礦瓦斯災害超前大區域精準防控奠定了基礎。

b.為實現真正的超前、精準、高效及可靠的煤礦大區域超前瓦斯治理技術，仍需在地面及井下瓦斯壓力精準測定、頂底板長鉆孔分段射孔壓裂增滲、分支鉆孔壓裂增滲、區域化煤巖瓦斯運移規律、瓦斯超限預警等方面開展技術攻關，以完善大區域瓦斯精準治理技術體系。

c.針對新形勢下煤礦安全發展新要求，以信息化、智能化為特征的瓦斯基礎參數精準快速測定技術與裝備、地面與井上下聯合高效開發技術與裝備，將是今后重點攻關研究的方向，為實現煤礦區煤層氣區域化高效開發及快速增產提供有力的技術與裝備支撐。

“十四五”及未來更長一段時間內，煤礦瓦斯災害防治將以信息化、智能化為引導，以“物探鉆探?區域防治?增滲抽采?預測預警”為主線重點攻關，形成成熟的超前大區域精準防控技術體系，支撐煤炭工業轉型升級和高質量發展。