淮南矿区煤与瓦斯共采技术的创新与发展

李琰庆，唐永志，唐 彬，余 岩

（1.淮河能源控股集团 煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南232001；2.淮河能源控股集团 深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽 淮南232033；3.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南232001）

瓦斯治理是安全高效开采的前提和基础。针对瓦斯防治难题，周世宁[1]创建了“煤层瓦斯流动理论”体系，提出了“煤层瓦斯应力场”概念和“煤和瓦斯突出的流变假说”；袁亮[2-3]探索出卸压开采抽采瓦斯理论，建立了卸压开采煤与瓦斯共采技术体系，指出深部煤层应坚持地面和井下相结合的煤与瓦斯共采模式；程远平等[4]提出了煤体卸荷渗透率演化概念模型，建立了考虑有效应力和瓦斯吸附/解吸变形等因素的、以应变为变量的煤体卸荷损伤增透理论模型；胡千庭等[5]建立了预测预防煤与瓦斯突出灾害的理论技术体系，提出利用煤层采动卸压增透效应采用地面钻井充分抽采瓦斯；李强等[6]通过优化松软煤层顺层孔钻进和下筛管工艺，钻孔深度达到180 m；李平等[7]通过攻关顶板爬坡孔段和目标层段定向钻进、完孔等技术，形成顶板复杂地层高位定向钻孔施工工艺，实现钻孔替代顶抽巷。淮南矿区煤体松软、透气性差，矿区坚持高投入，全面推行卸压开采煤与瓦斯共采技术，2018 年杜绝了煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸事故，瓦斯超限次数控制到4 次。但是，随着向深部开采，瓦斯威胁程度和治理成本不断增加，为此，在卸压开采煤与瓦斯共采理论和技术体系基础上，创新煤与瓦斯共采新技术，以期破解深部瓦斯防治面临的安全与经济难题。

1 卸压开采煤与瓦斯共采理论和技术体系

1.1 卸压开采抽采瓦斯理论

20 世纪六七十年代，周世宁院士从突出事故中发现含瓦斯的软煤在地应力作用下有明显的流动效应，创造性地提出“煤和瓦斯突出的流变假说”[8]，并通过现场观测和实验室研究，建立了地应力与瓦斯压力、煤层透气性系数之间的关系公式[9]：

式中：p0、p 为煤层初始和采动后的瓦斯压力，MPa；λ0、λ 为煤层初始和采动后的透气性系数，m2/（MPa·d）；ρ 为煤层的密度，kg/m3；σ 为地应力，MPa；c、b 为待定常数。

21 世纪，袁亮院士开展了煤的瓦斯解吸研究，发现采动卸压能明显增加煤层透气性，煤中大量吸附瓦斯解吸为游离瓦斯，可抽采性大大增加，并打破传统自上而下开采煤层程序，系统研究了采动岩层移动规律及裂隙发育特征、瓦斯流动流动规律和瓦斯抽采方法，创立了卸压开采抽采瓦斯理论[2]，卸压开采抽采瓦斯防治煤与瓦斯突出原理如图1。

图1 卸压开采抽采瓦斯防治煤与瓦斯突出原理Fig.1 Principle of preventing coal and gas outburst by gas extraction in pressure relief mining

在煤层群中选择无突出危险或弱突出危险的煤层作为保护层首先开采，充分利用采动造成上下煤岩层膨胀变形和松动卸压，增加突出煤层的透气性，解吸出大量游离瓦斯，然后通过施工抽采巷、钻孔、钻井等集中抽采卸压瓦斯，消除（或降低）煤与瓦斯突出危险，达到区域治理瓦斯目的。并据此提出卸压开采抽采瓦斯技术模式[10]，卸压开采抽采瓦斯技术模式如图2。上被保护层在保护层开采形成的裂隙带内，利用顶抽巷直接抽采卸压瓦斯消突；下被保护层处于保护层开采形成的地应力降低区内、底板破坏带外，有一定厚度的完整岩层防止卸压瓦斯涌入保护层工作面，但需提前施工底抽巷和钻孔抽采卸压瓦斯消突。

图2 卸压开采抽采瓦斯技术模式Fig.2 Technical model of gas extraction in pressure relief mining

1.2 煤与瓦斯共采技术体系

“十五”“十一五”期间，淮南矿业集团联合高校和科研院所，针对淮南矿区不同的煤与瓦斯赋存条 件，经过工业性试验和抽采效果的考察与论证，形成不具备开采保护层的首采突出危险煤层消突技术、开采远程下保护层上向卸压抽采瓦斯技术、开采近距离上保护层抽采下被保护层瓦斯技术和依次向上（下）开采卸压抽采瓦斯技术，构建出一套完整的煤与瓦斯共采技术体系[11]。

1）首采突出危险煤层消突技术。随着向深部开采，作为保护层开采的非突煤层升级为突出煤层，需要先消突再开采。通常采用巷旁充填留巷[12]、原巷充填掘巷[13]或留窄煤柱掘巷3 种无煤柱开采方法，沿采空区布置煤巷，确保在采动应力降低区无突出危险条件下掘巷；非采空区侧煤巷则通过顶（底）抽巷施工条带穿层钻孔，实施区域消突后掘进；然后利用工作面两巷施工煤层顺层钻孔进行全覆盖消突。如谢一矿15 煤为弱突出煤层，直接采用钻孔预抽瓦斯进行消突，5131（5）工作面回风巷留设6 m宽煤柱沿采空区布置，运输巷沿实体煤掘进，工作面掘进和回采时最大钻屑量为5.5 kg/m、钻屑瓦斯解吸指标为0.26 mL/（g·min1/2），瓦斯压力由0.9 MPa降为0.4 MPa，瓦斯含量由8.8 m3/t 降为5.3 m3/t，表明该工作面无煤与瓦斯突出危险性。

2）开采远程下保护层上向卸压抽采瓦斯技术。上被保护层处于下保护层开采的裂隙带外、弯曲下沉带内，确保其离层形成顺层张裂隙，产生瓦斯解吸和顺层流动，并通过提前施工的底抽巷和钻孔抽采存留在煤层中的卸压瓦斯[14]，使卸压层间距达到50 倍采高，突破了30 倍采高的传统理论。如潘三矿13 煤通过开采下伏66.7 m（35 倍采高）的11 煤实施卸压抽采瓦斯，2121（3）工作面13 煤瓦斯压力由4.4 MPa 降为0.5 MPa，瓦斯含量由13.2 m3/t 降为4.9 m3/t，煤层透气性系数由0.011 m2/（MPa2·d）增加到32.687 m2/（MPa2·d），增大2970 倍。开采远程下保护层上向卸压抽采瓦斯如图3。

图3 开采远程下保护层上向卸压抽采瓦斯Fig.3 Gas extraction from upper layer by mining remote lower protective layer

3）开采近距离上保护层抽采下被保护层瓦斯技术。开采近距离上保护层抽采下被保护层瓦斯如图4，由于上保护层与下被保护层层间距较小，底板裂隙发育至下被保护层，导致卸压瓦斯直接涌入上保护层，需要在下被保护层施工底抽巷和钻孔进行采前预抽瓦斯和采后抽采拦截卸压瓦斯，同时利用高抽巷、地面钻井等加强抽采拦截上隅角和采空区的卸压瓦斯[15]。如谢一矿开采15 煤保护下伏15 m 的13 煤，5121（5）工作面原始瓦斯压力0.7 MPa，含量6.1 m3/t，对应的13 煤原始瓦斯压力3.5 MPa，含量15. 9 m3/t，工作面绝对瓦斯涌出量50.85 m3/min，底板巷穿层钻孔抽采瓦斯21.70 m3/min，高抽巷等抽采瓦斯24.35 m3/min，累计抽采瓦斯46.05 m3/min，抽采率90.6%，配风2 000 m3/min，回风流瓦斯在0.24%左右，保护层实现安全开采的同时，被保护层也获得充分采动卸压。

图4 开采近距离上保护层抽采下被保护层瓦斯Fig.4 Gas extraction from lower layer by mining close upper protective layer

4）依次向上（下）开采卸压抽采瓦斯技术。突出煤层群的中间有一非突出煤层，将此煤层作为保护层优先开采，然后按顺序向上（下）逐层开采、依次卸压，实现“中间来一刀，上下都解放”。治理瓦斯技术为前述技术的组合。

2 井下钻孔技术实现煤与瓦斯共采新模式

虽然卸压开采煤与瓦斯共采技术成效显著，但为了根治瓦斯，瓦斯治理工程量大（开采保护层约300 万m2/a，施工瓦斯治理岩巷20 m/万t、抽采钻孔2 000 m/万t），周期长（从瓦斯治理工程准备到被保护层采完需要4.5 年），用工多（平均5 000 余人/矿），成本高（吨煤成本高达300 余元）。深部开采瓦斯灾害加剧、成本巨高，迫使依靠技术创新化危为安。2016 年煤炭行业产能过剩，生产经营困难情况下，与中煤科工西安研究院联合攻关《煤层顺层钻孔和顶板高位钻孔施工及抽采瓦斯技术》。

2.1 煤层顺层钻孔“一孔两消”抽采瓦斯技术

煤层顺层钻孔在工作面沿采空区侧回风巷内施工，钻孔顺煤层横穿工作面至另一侧待掘的运输巷轮廓线外15 m 以上，对工作面和运输巷一并消突，即“一孔两消”，为瓦斯治理赢得时间和空间，取代顶、底抽巷和穿层钻孔[16]。选用ZDY6000LD（F）型钻机和MLGF17/12.5-132G 型空气压缩机，采用空气马达和钻机双动力驱动高效钻井，研制φ103 mm 可开闭式钻头进行跟管钻进防治垮孔，并安装无线电磁波随钻测量纠偏装置实现定向钻进。

潘三矿17102(3)工作面原始瓦斯压力2.8 MPa、含量8.4 m3/t。通过回风巷施工煤层顺层钻孔，孔间距5 m，深度不低于220 m，抽采瓦斯浓度60%左右，百孔抽采纯量21.5 m3/min。抽采后实测最大残余瓦斯压力0.35 MPa、含量3.69 m3/t，抽采效果达标，省去了待掘运输巷条带穿层钻孔及相应的顶（底）抽巷，且工作面和待掘煤巷实现“一孔两消”。

2.2 顶板高位钻孔替代顶抽巷抽采瓦斯技术

顶板高位钻孔在工作面回风巷内施工，布置在回风巷内侧顶板的岩层裂隙带内，抽采采空区卸压瓦斯，拦截瓦斯流向上隅角，取代顶抽巷，大幅度提高瓦斯治理工程施工进度[16]。选用ZDY12000LD 型钻机和BLY460/13 型泥浆泵车，泥浆泵输送高压水驱动孔底马达带动钻头的同时，钻机动力头通过钻杆带动钻头同向转动，实现双动力钻进，单孔深度可达1 500 m。首先采用φ120 mm 定向钻头和泥浆脉冲无线随钻测量纠偏装置施工定向先导孔，然后采用φ153 mm 和φ220 mm 钻头扩孔。

顾桥矿1123（3）工作面施工顶板高位钻孔10个，深度500 m 以上钻孔7 个，总进尺4 643 m，抽采瓦斯浓度为20%～30%，抽采瓦斯混合量达40 m3/min以上，抽采纯均达到10 m3/min 以上。顶板高位钻孔与顶抽巷的抽采瓦斯效果基本相当，实现替代作用。

2.3 井下钻孔实现煤与瓦斯共采新模式

在煤层顺层钻孔和顶板高位钻孔技术试验基础上，提出井下钻孔实现煤与瓦斯共采新模式。选择非突或弱突出危险煤层作为保护层首先开采，工作面无煤柱或留设窄小煤柱布置，沿采空区侧煤巷掘进后，施工煤层顺层钻孔对工作面和非采空区侧待掘煤巷消突，然后再掘进和回采。与此同时，对应的上、下被保护层工作面通过采空区侧煤巷施工顶板高位钻孔和煤层顺层钻孔抽采卸压瓦斯。该模式取消了顶、底抽巷，节省了穿层钻孔，降低瓦斯治理成本在30%以上。井下钻孔实现煤与瓦斯共采新模式如图5。

图5 井下钻孔实现煤与瓦斯共采新模式Fig.5 New mode of coal and gas mining by underground drilling

3 地面钻井技术实现煤与瓦斯共采新方案

3.1 地面钻井技术进展及抽采瓦斯应用

我国地面钻井技术成熟于石油行业，1990 年以来获得了突飞猛进发展，自主研制出了旋冲钻进、随钻测井、近钻头地质导向、连续下管、分段压裂等核心装备的万米钻机及配套装备，形成大位移水平井、三维多目标井、侧钻水平井、分支水平井等特殊钻井工艺[17-18]。煤炭行业从20 世纪70 年代开始开展地面钻井抽采瓦斯试验，截止1998 年施工地面钻井136 口，以垂直井为主，每口井平均长700～800 m。2006 年煤层气开发列入“十一五”国家能源发展规划，开始有计划地引入石油行业先进钻井技术，截止2016 年施工水平井607 口[19]。探索试验较成功的是2013 年华晋焦煤沙曲煤矿24307 工作面，采用多分支水平钻井与井下钻孔连通，辐射整个采煤工作面，抽采瓦斯18 000 m3/d，浓度达90%以上[20]。

3.2 地面特殊钻井技术治理瓦斯技术方案

根据石油工业钻井技术水平和煤炭行业探索试验情况，提出采用侧钻水平井和分支水平井治理瓦斯技术方案。恢复传统的自上而下开采煤层程序，采用侧钻水平井或分支水平井对单一和远距离突出煤层或突出煤层群首采煤层预抽瓦斯消突，并结合采动卸压影响情况对下邻近煤层采用分支水平井提前预抽和采后卸压抽采瓦斯，以及采用侧钻水平井代替顶抽巷加强抽采采后卸压瓦斯。该方案从地面进行区域超前治理瓦斯，不仅使职工远离井下危险源，保证强突煤层在安全状态下作业；而且省去了井下瓦斯治理巷道和钻孔工程，降低了安全生产成本；还做到地面超前治理瓦斯，破解了井下采、掘、抽接替矛盾。地面钻井实现煤与瓦斯共采新方案如图6。

图6 地面钻井实现煤与瓦斯共采新方案Fig.6 New scheme of coal and gas mining by ground special drilling

4 结 语

淮南矿区面对曾经频发的瓦斯事故，痛下决心治瓦斯，逐步探索认识到瓦斯灾害是瓦斯场、应力场、裂隙场等多场耦合作用的结果，并从应力这个灾害源头入手，创立了卸压开采煤与瓦斯共采理论，形成了瓦斯治理“淮南模式”。近年来，又攻关井下钻孔和地面钻井治理瓦斯技术，不断优化煤与瓦斯共采技术，取得了一定的成效，既解决了制约企业发展的瓶颈问题，也为行业安全状况好转作出了贡献。但是由于淮南矿区自然开采条件复杂，防治煤与瓦斯突出工作依然很艰巨，瓦斯综合防治工作始终在路上！