玉溪煤矿煤与瓦斯共采模式探讨

吴锦旗，李 栋

（1.山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048214；2.山西兰花科技创业有限公司，山西 晋城 048000）

关健词：煤与瓦斯共采；模糊综合评价；开发模式；地面井；穿层钻孔；顺层钻孔

0 引言

煤与瓦斯是同源共生的2种能源，瓦斯既是煤矿开采过程中的一种灾害气体，也是一种优质的清洁能源。我国埋深2 000 m以浅的瓦斯地质资源储量约36.81×1 013 m3，与陆上常规天然气资源量相当（38×1 013 m3），其中，可采煤层气资源总量10×1 013 m3，占煤层气总储量的27.12%[1-2]。煤与瓦斯共采已经成为煤矿行业可持续发展的重要途径之一。目前，我国比较成熟的煤与瓦斯共采技术主要有3类：第1类是“先采气、后采煤、采煤采气一体化”的三区联动井上下联合抽采的晋城模式[3-9]。第2类是“保护层卸压开采”的淮南模式[1,10-18]。第3类是“以穿层钻孔抽采为主、顺层钻孔抽采和采空区抽采为辅”的松澡模式[19]。煤与瓦斯如何协调共采，不同地质条件、不同开采时期采用何种煤与瓦斯共采技术是目前困扰煤炭企业的主要技术问题。

1 玉溪煤矿概况

玉溪煤矿位于山西省高平市沁水县胡底乡，井田面积29.79 km2，矿井设计生产能力2.40 Mt/a，服务年限50.7a，采用斜井开拓方式，全井田布置主斜井、副斜井、进风立井和回风立井4个井筒。

玉溪煤矿为煤与瓦斯突出矿井，井田主采3号煤层，平均厚度5.85 m，顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为细粒砂岩，底板为泥岩；煤层结构简单，全区可采，为稳定型可采煤层，局部柱状图如图1所示。根据地勘及已揭露区域的测定结果，煤层坚固性系数在0.45～1.09之间，煤层透气性系数0.103 2～26.58 m2/MPa2.d，最大原始瓦斯含量25.59 m3/t，最高原始瓦斯压力2.90 MPa。除了局部区域煤层存在软煤分层外，整体而言，3号煤层具有煤质硬、瓦斯含量高、瓦斯压力大、煤层透气性高等特点。

图1 局部综合柱状图

2 煤与瓦斯共采方案

2.1 保护层开采

保护层开采[20,21]是煤与瓦斯共采技术措施中最简单、经济有效的方式，如图2所示。保护层开采措施的优点是防突效果均匀、安全可靠性高。其缺点为必须是煤层群开采，且具备保护层开采的条件，全国只有30%左右的矿区具备保护层开采的条件。

图2 保护层开采示意图

玉溪煤矿为单一厚煤层开采，在3号煤层有效保护垂距内不存在厚度0.5m及以上的煤层，不具备保护层开采条件。

朱涛等[32]通过室内试验分析了宽级配砾质土的压实特性，结果表明，宽级配砾质土击实时干密度和含水率关系曲线呈上凸的抛物线型，具有一个最优含水率。击实后的最大干密度随着砾石含量的增加先迅速增大，后又开始逐渐减小。随着砾石含量的增加，其最优含水率先逐渐减小，后基本趋于稳定状态。

2.2 地面井抽采

地面井技术[22-24]最初是作为煤层气规模开发技术，在美国获得了巨大成功。上世纪90年代，晋煤集团引进该技术率先在沁水盆地进行试验，并取得成功，如图3所示。地面井预抽煤层瓦斯区域防突措施的优点是：①服务周期长；②能实现一井多用，有效解决瓦斯抽采时空限制；③有助于提高井下顺层钻孔抽采效果。缺点为：①投资成本高，预抽降低煤层瓦斯含量相对较慢；②单井施工周期长。地面井预抽煤层瓦斯区域防突措施适用于煤层埋藏深度适中，井田地形地貌条件良好，煤层透气性好的地质条件。

2.4.2 顺层长钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施

图3 地面井开采示意图

玉溪煤矿3号煤层埋藏深度400～600 m、瓦斯含量高、透气性较好，有利于进行地面井开采。

开采中期（5-10），实行井上下联合抽采，加速瓦斯抽采进程。充分发挥“地面压裂工艺”与“井下定向长钻孔”2种技术的优势叠加。根据晋城矿区的应用效果，抽采效果比单纯的地面抽采井，提高了4倍多；井下钻孔控制区域和地面压裂影响区域的预抽时间，缩短了一半以上。地面井布置按300 m×300 m井间距布置，煤层瓦斯含量每年降低1.5～2 m3/t。工作面采、掘之前，均需要进行突出危险性预测，当预测结果为无突出危险性时，可以根据《防治煤与瓦斯突出规定》、《煤矿安全规程》进行采、掘作业。当预测结果为有突出危险性时，应采用顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯区域消突措施。

图4 玉溪煤矿地面井区域防突钻井布置示意图

2.3 井下穿层钻孔抽采

穿层钻孔预抽瓦斯防突措施是在岩石巷道中向开采层施工钻孔穿透煤层全厚进行瓦斯预采，如图5所示[25]。

图5 穿层钻孔抽采示意图

穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施的优点是：①穿层钻孔施工灵活、方便，适应性强；②安全程度高、便于效果检验。缺点是：①岩巷掘进、钻孔施工进度慢；②抽采工程施工成本高。穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施的适用于无保护层开采、突出危险性高、地质构造复杂的地质条件。

由于玉溪煤矿3号煤层瓦斯压力和瓦斯含量均高，在开采初期，可考虑采用井下穿层钻孔抽采。

2.3.1 盘区大巷抽采技术

每一个人，当要过另一种生活时，必然也有另一种结局在等他。这是当时的货仓管理员上厕所时所料想不到的。而斩杀他的指鹿为马的赵高，亦逃不了“夷三族”的下场。

图6 盘区大巷工作面区域防突措施布置图

2.3.2 首采、准备工作面掘进巷道抽采技术

顺层钻孔预抽煤层瓦斯是通过在煤层巷道中施工顺层钻孔从而实现区域消突的预抽技术，如图8所示。顺层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施的优点为：①顺层钻孔均为煤孔，钻孔利用率高；②钻孔布孔均匀，可有效避免空白带；③抽采工程成本较低。④可以实现对邻近未掘区域的预抽。缺点为：①顺层钻孔均为煤孔，容易塌孔；②施工安全性低。顺层钻孔预抽煤层瓦斯措施主要适用于煤层赋存稳定、煤层透气性好的地质条件。

图7 首采、准备工作面顺槽区域防突措施布置图

2.4 井下顺层钻孔抽采

首采及准备工作面采用穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯措施进行东西两翼首采面顺槽、切眼的区域防突。在工作面顺槽掘进之前，在进风顺槽和回风顺槽下方20 m，外错35 m各布置1条底板抽采巷，在底板抽采巷中施工钻场，每个钻场覆盖一定的煤巷掘进范围。钻孔施工完毕必须全部穿透煤层；考虑大倾角钻孔施工影响，钻孔实际施工深度在30～120 m之间。钻孔布置方式如图7所示。

图8 顺层钻孔抽采示意图

玉溪煤矿煤层硬度高、透气性好，比较适合采用顺槽钻孔预抽煤层瓦斯。

针对非首采工作面掘进巷道，随着首采工作面顺槽的掘进，在顺槽后方具备条件时，采用定向钻机或全方位大功率液压钻井施工顺层钻孔实施接替工作面及接替工作面顺槽掘进巷道的瓦斯预抽。施工的顺层钻孔采用钻场扇型施工或巷道内平行钻孔施工，如图9所示。

2.4.1 非首采工作面掘进巷道抽采

步态选择方面，选取稳定性高的三角步态作为四足机器人在斜面上的运动步态，并采用LF-RH-RF-LH的腿部运动顺序以获得最优的稳定裕度[6]。本文的运动步态时序图如图3所示。其中，黑色矩形表示腿部处于支撑相，白色矩形表示腿部处于摆动相。

1.5 统计学分析 运用SPSS 24.0 软件对数据进行统计学分析，计量资料以表示，数据比较采用t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

图9 非首采工作面区域防突措施布置示意图

记者从广东省海上搜救中心获悉，11月17日，一艘汕头籍货轮“鸿泰16”航经粤东惠来海域遭遇寒潮大风货舱进水沉没，船上11名船员全部成功获救。

顺层钻孔预抽煤层瓦斯是通过在煤层巷道中施工顺层钻孔从而实现区域消突的预抽技术，近年来，随着千米钻机的开发，长距离定向钻孔预抽煤层瓦斯技术得到了推广应用，玉溪煤矿在盘区东西瓦斯抽放巷道内施工顺层长钻孔对非首采面顺槽进行区段消突，以便缩短达标时间，如图10所示。

综上所述，刀盘形状和刀片形状对割草机工作过程中流场及扭矩等有重要影响，刀尾一侧以一定角度上扬的异形刀片在节能提效上有较明显优势，在实际割草机节能优化工作中可优先考虑。

图10 非首采工作面掘进巷道区域防突方案布置示意图

2.5 顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯

矿井东西两翼首采工作面分别为首采、准备工作面，以首采工作面为例，工作面长200 m，平均采高5.85 m，采用顺层钻孔作为区域防突措施，即在首采工作面进风顺槽和回风顺槽布置顺层钻孔，钻孔要覆盖回采工作面全部区域及煤层全厚，不留空白带，遇到地质构造带，应适当增加钻孔密度。如图11所示。

盘区巷道掘进前，根据盘区巷道与中央大巷的相对关系，设计利用煤层底板下20 m位置已施工完成的中央大巷布置钻场，钻场内施工穿透煤层全厚的穿层钻孔。实际抽采中，投产前可缩短钻孔间距通过增加钻孔密度以缩短抽放时间，投产后有充足抽采时间时可适当扩大钻孔间距以减少钻孔工程量。钻孔布置方式如图6所示。

图11 顺层钻孔预抽回采区域防突方案布置示意图

3 开采中、后期煤与瓦斯共采模式

受“两权分立”影响，玉溪井田范围内采气权归中国石油天然气股份有限公司，并由其分公司负责地面煤层气开发，截止目前玉溪井田范围内由中石油施工地面井共计122口，包括直井、丛式井、水平分支井、斜井均有分布，如图4所示。

唐山地处环渤海湾中心地带，西部和南部分别与北京和天津两大直辖市毗邻，联接华北、东北两大地区，唐山是从清末洋务运动走来的具有百年历史的沿海工业重镇。

开采后期（10年以后），全面实施地面井抽采，有计划地推进高突矿井向瓦斯矿井转化。实现地面井在“消除突出、获取地质勘探资料、采前抽、采动抽、采后抽”中的“一井五用”。按照300 m×300 m的井间距布置，能够实现煤与瓦斯突出区域全面消突。

4 结论

通过分析玉溪煤矿煤层赋存情况，采用模糊综合评价法对几种方案进行对比，得出如下结论：

1）在玉溪煤矿开采前期（5年以内）采用井下穿层钻孔结合顺层钻孔的煤与瓦斯共采模式。

程式化社会技能训练模式方便、易操作，重复性好，对不同训练者来说，也较统一规范，有较强的可操作性。对精神分裂症住院综合征患者开展系统、规范的程式化社会技能训练，能有效改善患者的临床症状，减少复发，提高患者的社会功能，对促进患者的康复及早日回归社会起到了积极有效的作用。

2）开采中期（5-10年）采用地面井与井下顺层钻孔抽采相结合的煤与瓦斯共采模式。

3）开采后期（10年以后）全面实施地面井抽采，有计划地推进高突矿井向瓦斯矿井转化。