瓦斯治理五项治本之策的方法与研究

郭长亮

1.前言

华晋焦煤公司沙曲矿各煤层瓦斯压力大、含量高、煤层软、并有突出危险，为解决这些难题，提出了开采保护层、区域预抽、优化改造通风系统、提升瓦斯抽采系统能力、地面钻孔抽采等综合治理措施，明显提高了瓦斯治理效果和资源利用率，大幅度减少了瓦斯积聚超限的次数。采取五项治本之策后，消灭了煤与瓦斯突出、瓦斯超限次数由09年345次减少到16年的1次、矿井风排瓦斯浓度由原来的0.6%降低到现在的0.3%，从而保证了矿井通风安全、安全效果及技术经济效益非常显著。

2. 矿井概况

沙曲矿初期生产能力为3Mt/a，2012年确定建设国家级瓦斯治理示范矿井，目前正实施“一矿变两矿”改扩建工程，沙曲一矿设计能力5Mt/a，沙曲二矿设计能力3Mt/a。沙曲井田走向长22km，倾斜宽4.5～8km，面积 138.35km2，煤炭储量22.52亿吨。井田为一缓倾斜的单斜构造，地层走向自北向南由南北向渐变为北西向，地表标高为800～900m。

井田可采煤层 8 层，分别是山西组 2 号、3 号、4 号、5 号煤层和太原组 6 号、8 号、9 号、10 号煤层，煤层以焦煤为主，总厚度 15.4m。区内各煤层均处于瓦斯带内，瓦斯压力大、含量高，各煤层瓦斯基础参数如表1所示，2005年经抚顺煤科分院鉴定为煤与瓦斯突出矿井。

3. 沙曲矿瓦斯治理五项治本之策

为有效治理瓦斯，华晋公司多年来对国内瓦斯治理技术进行了充分的研究，结合沙曲矿瓦斯赋存规律和瓦斯治理战略，借鉴了国内外瓦斯治理的成功经验，聘请国内外知名专家、教授为沙曲矿瓦斯治理献计献策，并通过与中国矿业大学、河南理工大学、煤炭科学研究总院及沈阳研究院等科研院所进行科研合作，以煤矿瓦斯治理国家工程研究中心为平台，经过反复试验、摸索、长期实践和研究，提出了开采保护层、区域预抽、优化改造通风系统、提升瓦斯抽采系统能力、地面钻孔抽采五项治本之策，得到了以袁亮院士为首的行业专家高度评价。该经验对相似条件下近距离煤层群煤与瓦斯突出矿井的瓦斯综合治理，实现煤与瓦斯共采有着重要的借鉴意义。

3.1 开采保护层

近距离突出煤层群条件决定了沙曲矿具有“一层开采，多层卸压”的瓦斯涌出特点，为实现近距离突出煤层群条件下资源安全高效开采，矿井优先选择开采突出危险性较小的上保护层，从根本上治理瓦斯。

沙曲矿北翼2号煤下距3+4号煤、沙曲矿南翼3号煤下距4号煤一般在8～12m之间，突出危险性较小，煤层厚度0.7m以上的范围达井田面积的60%以上，具备开采保护层的条件。经过调研和技术论证于2008年提出开采沙曲矿北翼2号、沙曲矿南翼3号煤层，作为主采煤层4号、5号煤的上保护层，可明显降低4号、5号煤层的瓦斯含量、压力和地应力，实现下组层4号、5号煤层采掘工作面的区域消突，从根本上扭转矿井防突工作的被动局面。开采上保护层将从根本上解决沙曲矿4号、5号煤的突出问题，缓解了矿井抽掘采矛盾。

目前沙曲矿北翼2号煤安全回采第三个工作面（2203综采工作面）已经正常推进约800m。沙曲矿南翼3号煤第一、二个工作面于2017年10月底全部形成。

沙曲矿目前掘进的2号、3号保护层，煤层厚度在0.6～1.3m之间。经过调研论证，确定沙曲矿2号、3号煤层开采方法采用小型综合机械化采煤。依据沙曲矿2号、3号煤原始地质赋存条件及矿井队伍素质和技术水平，开采保护层综采工作面采长150～200m，走向长度1000～1600m，顺槽断面宽×高=3.6×2.4m，轨道巷采用沿空留巷的方法，通风系统采用如图1所示的“Y”型通风方式，配合布置底抽巷解决开采保護层期间瓦斯大量涌出问题。

2号和3号煤层尽管开采条件较差，但其先行开采，使4号和5号突出煤层得到有效地安全保护，可实现4号和5号突出煤层的安全生产。另一方面，2号、3号煤层为优良主焦煤，采用小型综采可大幅度提升2号、3号煤层资源回收率，创造显著经济效益。2201、2202上保护层工作面现已安全回采收作，创造2亿多元经济效益。

3.2区域性预抽

为了提高区域预抽效率和扩大区域预抽面积，沙曲矿进口了德国DDR-1200型、澳大利亚VLD-1000型长距离大直径定向钻机，也购置了国产的ZDY-4000L型、ZYWL-6500LP型履带式钻机，钻孔施工工艺和钻进深度有显著提高。矿井主要采用大直径长距离钻孔立体式抽采、底抽巷+穿层钻孔群等多种方法开展规模性、综合性区域预抽措施。

3.2.1 长距离大直径钻机区域预抽煤层瓦斯

1）穿层钻孔：区域预抽采面邻近层瓦斯：利用现有巷道布置区域向预抽钻场，向下施工长距离、大孔径、大范围的区域性预抽钻孔，如在4307轨道巷向下施工穿层钻孔区域预抽下邻近5号煤瓦斯，如图2所示。

2）顺层钻孔：

（1）区域预抽掩护本巷道掘进：掘进工作面正前施工顺层钻孔，孔深100-500m，在巷道两侧施工钻孔，辐射巷道轮廓线两侧20m，如图3所示。

（2）区域预抽掩护邻近巷道掘进：利用现有巷道布置区域性预抽钻场，施工顺层钻孔区域预抽掩护邻近巷道掘进，如4208回风巷道施工顺层钻孔掩护4209轨道巷掘进，目前4209轨道巷位于被被护层卸压范围内，卸压瓦斯被预抽，日进尺大于10m，如图4所示。

（3）区域预抽本煤层：施工顺层钻孔区域预抽本煤层采面，如4305回风巷向4306工作面施工区域预抽钻孔，如图5所示。

3.2.2 底抽巷区域预抽

由于沙曲矿南翼东翼3号煤煤层与4号部分合并后分开距较小，不适合保护层开采，所以区域防突措施改用钻孔预抽煤层瓦斯，因此沙曲矿南翼三采区、五采区等不具备保护层开采条件的区域主要应用底抽巷预抽进行区域消突。对于沙曲矿近距离煤层群开采，采用底抽巷+穿层钻孔群进行区域预抽，底抽巷布置在上组煤L5灰岩底板，如图6所示。

（1）采前掘进巷道区域预抽：将底抽巷布置在L5灰岩底板6号煤中，利用底抽巷超前施工2号、3号、4号、5号煤穿层孔，对上覆各煤层进行区域性预抽和消突，掩护巷道掘进。如沙曲矿北翼北二2号底抽巷施工穿层钻孔掩护2205轨道巷掘进，提前区域预抽，减少本巷道消突工程，提高突出煤层掘进进尺。

（2）采前采面本煤层和邻近层区域预抽：利用底抽巷施工穿层钻孔对本煤层区域预抽，如沙曲矿南翼三采区1#和2#底抽巷对4301采面和4302采面以及4303采面区域预抽；南翼四采区1#底抽巷对4号、5号煤区域预抽。

（3）采中抽采下邻近层卸压瓦斯：上保护层开采后，抽采下邻近层卸压瓦斯。如北翼二采区2#底抽巷施工穿层钻孔区域预抽正在回采2203采面下伏的4号、5号煤。

（4）采后抽采采空区瓦斯：煤层开采后，本煤层和邻近层瓦斯涌向采空区，底抽巷穿层钻孔抽采采空区瓦斯，降低和利用采空区瓦斯。

（5）底抽巷布置在L5灰岩底板，施工穿层钻孔对上覆煤层瓦斯和采空区积水进行抽排。

3.3 优化改造通风系统

通风能力是瓦斯治理的基础，也是提升矿井生产能力的关键。

（1）增加风井，提高风量。2009年沙曲矿在南翼增加了白家坡一对进回风立井，北翼增加了下龙花垣一对进回风井。目前，沙曲矿共有7个进风井，4个回风井，其中白家坡回风井与沙曲回风斜井担负南翼区域回风；高家山回风井与下龙花垣回风井担负北翼区域回风。矿井南翼风量由11000m3/min提高到23500m3/min，北翼风量由16000m3/min提高到27000m3/min，总风量从27000m3/min提高到50500m3/min。

（2）实现矿井和采区独立通风。对矿井通风系统进行优化，矿井南翼区域白家坡回风井与沙曲回风斜井实现独立回风，北翼区域高家山回风井与下龙花垣回风井实现独立回风。通风能力的大幅度增加，使得矿井风排瓦斯浓度大幅度降低，由原来的0.6%降低到现在的0.3%，从而保证了矿井通风安全，为各个采掘工作面施工提供了足够的风量。沙曲矿对采区通风系统的调整，实现了分区通风。

3.4 提升瓦斯抽采系统能力

瓦斯抽采系统决定了矿井瓦斯抽采的效果，为了保证瓦斯抽采效果从三个方面进行矿井抽采系统改造。

（1）增大瓦斯抽采能力。沙曲矿抽采泵站增加大功率泵站，改造扩容后，抽采能力得到大幅度提高。

（2）优化布置大直径抽采管路。增加布置大直径抽采管路，增大抽采能力。矿井布置三趟DN800mm大直径抽采管路，一般采掘面都采用DN320mm抽采管路。

（3）合理分配抽采能力。采用分源分压抽采管路，一般布置一趟抽采裂隙带和本煤层钻孔瓦斯，另外一趟抽采采空区和埋管抽采瓦斯。

经过多年优化改造，提高抽采系统能力，在2008年抽采系统改造的基础上，进行抽采系统扩能。矿井的瓦斯抽采能力得到大幅度提高，瓦斯抽采能力由2009年的950m3/min提高到2016年的6050m3/min；矿井瓦斯抽采率由2009年的64.1%提高到2016年的67.54%；瓦斯抽采量由2009年的0.95亿m3提高到2016年的1.94亿m3，从根本上减少了瓦斯涌出。

3.5地面钻井抽采

地面井瓦斯抽采主要在沙曲井田施工不同类型的地面煤层气钻井对井下瓦斯进行预抽。在沙曲矿北翼煤层较厚的区域以施工水平井为主，辅以压裂直井补充水平井之间的盲区；在沙曲矿南翼煤层较薄的区域施工地面抽采井；在靠近煤层开采区的厚煤层区域，施工水平对接井；在靠近煤层开采区的薄煤层区域，施工防突井。目前沙曲矿区煤层气开发由四家单位实施，分别是华晋焦煤公司、中联煤层气、富地柳林燃气公司、沁水蓝焰煤层气开发公司。

沙曲矿井田范围内共施工各类钻井359口。其中沙曲矿北翼共施工地面抽采井53口，其中水平井16口，地面抽采直井37口；沙曲矿南翼共施工地面抽采井306口，其中防突井12口，地面抽采直井239口，定向井55口。目前部分钻井进入稳产采气及利用阶段。

（1）地面抽采直井：防突井，地面抽采直井的一种，即在沙曲矿5年规划区以内布置，对4号主采煤层实施压裂增透，然后封井，从井下巷道对目标区域施工抽采钻孔，目前已施工12口防突井（其中3口已压裂），井下单孔日采气量约1000m3（0.6-0.7m3/min），产气效果良好。另外还施工了346口抽采直井，其中沙曲矿北翼53口，沙曲矿南翼143口井已进入排采期。

（2）多分支水平对接井：华晋公司与宁夏煤田地质局矿井灾害治理研究院合作开展“地面多分支水平井与煤矿井下钻孔对接抽采煤层瓦斯技术研究”项目，现已成功施工一口多分支水平对接井（24307水平井），从2012年12月17日至2017年6月18日累计产气量1559万m3，平均浓度86.1%，抽采效果良好。

基于24307多分支水平井的良好抽采效果，公司选定在沙曲矿北翼北五采区首采工作面施工一口多分支水平井井上下对接井下抽采井，该项目为《“多分支水平井井上下对接钻孔井下规模化抽采技术示范（基于仿生瓦斯抽采理论的地面多分支水平井井下对接抽采关键技术研究）”》，此项目仍采用地面多分支水平井与井下抽采钻孔对接技术，井下采用3+4号及5号煤层同时进行瓦斯抽采的新方式。

4 五项治本之策的应用效果

沙曲矿2009年至2016年矿井瓦斯涌出量、风排瓦斯量、抽采瓦斯量统计结果如表2和图7所示。

表2和图7为沙曲矿2009年至2016年矿井瓦斯涌出量、风排瓦斯量、抽采瓦斯量统计结果。统计数据表明沙曲煤矿在产量基本稳定条件下，随着开拓规模和煤层揭露面积的逐年扩大，风排瓦斯量与瓦斯涌出量呈逐年递减趋势，從2016年数据统计较2009年分别减少了66.94%、61.57%。这表明沙曲煤矿瓦斯综合治理技术水平逐年在改善和提高。

图8为沙曲矿8年内瓦斯超限统计结果，从图中也可以看到瓦斯积聚超限的次数从19年345次降到16年的1次，逐年瓦斯超限次数大幅度下降，表明沙曲煤矿瓦斯综合治理水平的提高。

沙曲矿主采煤层瓦斯含量高、涌出量大、抽采难度较困难，煤层普遍具有突出危险性，瓦斯综合治理任务异常艰巨，管理难度较大。但是经过多年的实践，矿井已经逐渐摸索出一套适合沙曲煤矿瓦斯综合治理技术措施和综合利用途径，使瓦斯灾害威胁程度逐年降低，保证了矿井采掘工作面正常回采。

6 五项治本之策发展方向

通过五项治本之策的实施，在沙曲矿瓦斯治理工作方面取得了巨大的进展，其研究和发展方向不仅是五项治本之策成为煤矿瓦斯治理基本之策、防突与瓦斯治理技术核心和关键，还要成为煤与瓦斯共同采的技术核心和关键，成为煤矿安全生产、经济效益保障，但是由于客观条件限制，目前还存在以下问题需要在实践中逐步解决：

（1）调整采场布局，实施区域性瓦斯治理措施采取后，采场向2号、3号薄煤层转移，保护层巷道掘进煤层薄、起伏大，超前预抽钻孔施工难度大，钻孔深度浅，预抽距离短，抽、掘不平衡，影响保护层投产工期，借鉴压风排渣无芯保径导向钻进技术施工钻孔。

（2）合理设计瓦斯治理工程，超前预抽主采突出煤层，工程量大，预抽时间长，采掘接替紧张，巷道开拓和煤炭生产的矛盾需要协调和处理。实施动态调整三区联动，提前布局瓦斯治理工程。

（3）瓦斯综合治理系统统环节多，管理难度大，需进一步提高各级人员管理水平。

（4）进一步加强低浓度瓦斯的综合利用，如何保证环境和社会效益的同时，提高综合经济效益。

7 结束语

为了更好开展瓦斯治理工作，对瓦斯治理模式深入分析探索。扎实开展井下保护层开采、超前钻孔掩护煤巷掘进、顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯治理模式，裂隙带高位钻孔、倾向高位瓦斯抽采巷、大孔径钻孔代替高抽巷、底板瓦斯抽采巷上向网格式穿层钻孔抽采开采层和邻近层瓦斯治理模式；采煤工作面采空区压管抽采、密闭老空区压管抽采、地面井抽采的采空区瓦斯治理模式；地面直井压裂瓦斯抽采、地面多分支水平钻井与千米钻孔对接抽采等地面钻井瓦斯治理模式，优选与集成出近距离煤层群条件井上下联合立体式抽采的瓦斯综合治理技术体系，取得了良好的瓦斯治理效果，标志着沙曲矿瓦斯治理取得了突破性的进展、对相似条件下近距离煤层群煤与瓦斯突出矿井的瓦斯綜合治理，实现煤与瓦斯共采有着重要的借鉴意义。