晋煤集团煤矿瓦斯灾害地面防治经验

何庆宏 赵祉友 张 蒙

(1.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 048000；2.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 048000；3.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 048000)

煤矿瓦斯是井下采掘的三大杀手之一，但瓦斯爆炸是可以预防的，瓦斯突出也是可以预测的，煤矿瓦斯灾害防治重要的是应该研究解决煤矿瓦斯的综合利用问题，变害为利，采煤之前先开采煤层气能有效地减少煤矿瓦斯。

山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司(以下简称“晋煤集团”)是全国最早工业化开采煤层气的企业，自20世纪90年代初开始煤层气勘探开发工作，经过多年的探索与实践，形成了以煤层气勘探、开发为龙头，集煤层气抽采、压缩、液化、输送、加注、民用、车用、发电等于一体的上下游完整产业链和商业模式，推动晋煤集团建成了地面开发、井下抽采、压缩、液化、发电等5项全国规模最大的示范基地。主要实施单位山西蓝焰煤层气集团有限责任公司(以下简称“蓝焰公司”)是晋煤集团下属专门从事煤矿瓦斯地面治理的企业，成立初衷就是为煤矿服务，通过现场试验和工程示范，已掌握了煤层气井设计、钻井、压裂、集输和利用等环节的系列技术。在煤矿瓦斯灾害防治和煤层气地面抽采取得一定成就，为煤矿安全提供保障，提供清洁能源。

为此，文章总结了30年来晋煤集团在煤矿瓦斯灾害防治和煤层气地面抽采方面的先进技术和经验，以期为国内外其他区块煤层气开发提供借鉴与思路。

1 概述

为保障煤矿安全生产，晋煤集团创新的提出了采煤采气一体化煤与煤层气共采技术体系，形成了瓦斯抽采“晋城模式”，实现了地面与井下联合抽采煤层气。针对煤矿规划区、准备区、生产区，分别实施采前抽、采中抽、采后抽，煤矿区煤层气地面抽采，切实降低了煤层瓦斯含量。同时加强煤炭和煤层气开发的沟通和协调，形成煤与煤层气共采的良好局面，对于提高煤层气抽采效率、解决矿井生产衔接紧张、促进煤层气与煤炭两种资源健康协调发展，具有十分重要的作用。根据煤矿采掘计划，按其针对的区域对象，可分为常规防治和重点防治，常规防治为煤矿采前地面预抽井技术和煤矿区采空井技术，重点防治包括煤矿区采动井技术、煤矿重点灾害区域防突井技术、煤矿立井快速揭煤中径向井压裂增透技术。

2 煤矿采前地面预抽井技术

对于煤矿瓦斯压力达到0.74MPa以上或瓦斯含量达到8m3/t以上的煤层，至少提前5年以上施工地面煤层气预抽井进行抽采，能大幅度的降低煤层瓦斯含量，达到地面煤层气预抽效果。蓝焰公司在晋煤集团施工的煤层气抽采效果测试评价结果可知，寺河煤矿区域抽采8年后，煤层瓦斯含量最高每年降低2m3/t；成庄煤矿区域抽采8年后，煤层瓦斯含量最高每年降低1m3/t。

近年来随着煤层气(煤矿瓦斯)抽采技术的发展，针对不同的地质条件，开发出连续油管压裂L型井抽采技术、煤层气工厂化L型井平台抽采模式、松软低渗煤层顶板钻井定向射孔分段压裂技术、过采空区抽采下组煤煤层气技术等多种地面预抽技术，抽采效果明显。结合山西省瓦斯抽采全覆盖工程，煤层气地面预抽技术已由晋城矿区推广至阳泉、西山、吕梁等多个地区的煤矿应用。2019年蓝焰公司煤层气抽采量为1.48×109m3。

3 煤矿采空区井技术

寺河煤矿周边多小煤窑，自从关停之后，存在许多采空区，为避免采空区瓦斯涌入寺河采掘区域，蓝焰公司在地面施工了部分采空区井，目前一般采用裸眼完井工艺(目标段无套管或为筛管)，其关键是为保障钻井成功，在直井过采空区时，钻进至3号煤层顶板以上30m位置将循环介质更换为氮气，直至二开结束。后利用地面真空抽采设备抽采，此项技术在补充地面煤层气气源的同时，降低煤矿瓦斯灾害风险。此技术已在晋城矿区岳城、晋圣、侯村等煤矿应用，并推广至阳泉矿区、西山矿区。

JSCK-02井，日均产气量3700m3/d，井口压力-11kPa，甲烷浓度85%，累计利用量超5.5×106m3；YCCK-11井，日均产气量3500m3/d，井口压力9kPa，甲烷浓度95%，累计利用量超4.5×106m3。

4 煤矿区采动井技术

利用煤矿开采过程中的扰动对地下渗透性的积极影响，利用前期地面预抽井改造或后期施工采动井(包括垂直井、顶板L型井等)，尽可能多的抽采煤矿工作面采煤过程中释放的煤矿瓦斯，确保上隅角瓦斯不超限。该技术已在晋城矿区取得良好效果，其技术要点是采动井位布置，通过理论分析及现场实践，采动井以布置在回风巷侧40～80m 为宜。因采煤方式所决定，大采高工作面的采动井特点为短暂而快速，瓦斯抽采量相比预抽井而言，工作面采完则采动井抽完，抽采量相当，但安全效益明显。此技术已在晋城矿区寺河、成庄、岳城等煤矿应用，并推广至大同矿区、阳泉矿区、西山矿区。

在寺河煤矿3313工作面顶板裂隙带施工的一口定向L型井，运行10个月，平均抽采瓦斯纯量2.2×104m3/d，总抽采量6.5×106m3，抽采浓度最高达96%，平均80%，抽采纯量最高达3.16×104m3/d。

岳城煤矿为分层开采，瓦斯来源充足，在岳城矿1303(下)工作面距切眼700m施工的YCCD-02井，投运后日均抽采瓦斯量1.54×104m3/d，平均抽采浓度达55.3%。工作面推至井位处时，抽采瓦斯最大纯量3.79×104m3/d。该井自2013年开始抽采至今，累计抽采瓦斯量3.10×107m3。

5 煤矿重点灾害区域防突井技术

针对煤矿准备区，因煤矿采掘所至地面未布置煤层气井，为尽快降低煤层气瓦斯含量，防止煤矿瓦斯灾害发生，保证煤矿采掘安全，其主要可采取三种方式消突：①可在此先施工煤层气井，确保井下安全的同时采用大规模体积压裂技术，再施工井下千米钻孔进行抽采；②先施工井下千米钻孔至煤层气井压裂影响区域，再进行煤层气井地面压裂；③利用地面原有煤层气井，从井下施工定向千米钻孔与该井对接，利用地面大规模压裂井下钻孔，尽可能扩大裂缝影响范围，提前释放煤层瓦斯压力，提高煤层渗透性，能大幅度提高井下瓦斯抽采量，并缩短抽采时间。此技术已在寺河、成庄、赵庄等煤矿应用。

(1)先施工井下钻孔后压裂直井联合抽采技术

采用“先布孔、后压裂”的联合方式，提前向压裂裂缝带120～180m区域内施工定向钻孔，在保证钻孔不被压穿的前提下，及时抽采压裂过程中被驱替出的瓦斯。

2012年，在赵庄矿1308准备工作面进行了“先布孔、后压裂”联合抽采示范，抽采效果明显提高，百米钻孔流量提高7倍，累计瓦斯抽采量提高8.5倍，抽采达标时间缩短57%，突出危险性大幅减小。

(2)先压裂直井后施工井下钻孔联合抽采技术

采用“先压裂、后布孔”的联合方式，在预测裂缝层位的基础上，通过施工煤层顶(底)板梳状钻孔、顺煤层分支孔，绕开裂隙破碎区，在裂缝系统重新闭合前及时抽采裂缝中大量瓦斯。

2014年，在成庄矿四盘区采用“先压裂、后布孔”的方式进行联合抽采示范，分别滞后不同时间对压裂区域施工钻孔。综合比较得出，压裂后2～4个月内施工井下抽采钻孔，成孔率达81%，抽采流量平均提高2倍，最高增加近20倍，效果最佳。

(3)通过地面井实施井下长钻孔压裂抽采技术

采用“地面直接压裂井下钻孔”的联合方式，利用地面压裂装备优势和井下定向布孔优势，通过优化高压油管连接和井下封孔技术，实现对井下定向钻孔的大规模压裂和高效抽采。

2014年，在寺河矿三盘区进行“地面直接压裂井下钻孔”联合抽采示范，压裂孔最高抽采量8.8 m3/min，平均5.2m3/min，提高了5倍，最高抽采浓度92%，平均抽采浓度为72.5%，累计抽采时间9个月，抽采瓦斯纯量达到2.05×106m3。

6 煤矿立井快速揭煤中径向井压裂增透技术

采用径向井引导压裂技术，针对地层裂缝的分布，应力走向，进行方向可控、可选择性的多层位、多方位、多分支的水力喷射钻孔，然后实施压裂作业，对压裂作业起到一个引导作用，极大程度的提高了压裂的效果，通过压裂将储层中大面积的裂缝沟通，生成多条大裂缝通道，形成大面积相联通的裂缝网络，可大幅度提高独立径向钻井和压裂作业的效果。

2014年，赵庄煤矿南苏进风立井揭煤时受瓦斯压力和瓦斯含量影响，煤层气透气性较低，传统的揭煤工艺中瓦斯治理环节抽采钻孔施工数量多、时间长，瓦斯抽采达标时间长，立井揭煤速度较慢，此时利用附近的煤层气井，采用径向钻井导向压裂技术，对立井区域煤层进行增透，通过现场试验发现，径向钻井导向压裂能增加裂缝延伸范围，大幅提高煤层透气性，缩短揭煤周期，保证安全、高效的揭开煤层。整个揭煤过程由原定的约7个月时间缩短至40天，加快了揭煤进度，既安全又高效，对于简化工序、减少隐患、提高效率具有积极的作用。

7 存在问题和未来工作重点

煤矿瓦斯治理与煤层气开发是从安全与资源角度出发的两个不同说法，从安全角度出发是煤矿瓦斯治理，煤矿采掘速度倒逼瓦斯抽采技术发展；从资源角度出发是煤层气开发，能源急需补充推动煤层气抽采技术发展。

(1)相对煤矿采掘速度而言，煤层气(煤矿瓦斯)抽采是一个缓慢的过程，往往需要提前数年进行，地面瓦斯治理投入成本较高，煤矿区煤层气地面抽采安全效益大于经济效益，如何寻求安全与资源的平衡点，是目前面临的问题。

(2)另外部分煤矿的渗透性不佳，不论是地面还是井下的瓦斯抽采效果均不好，无法满足煤矿采掘速度，煤矿瓦斯治理技术亟待突破。

根据国家煤矿安全监察局发布的《煤矿安全生产“十三五”规划》，“深化瓦斯灾害治理”，推进煤与瓦斯突出和高瓦斯矿井先抽后建、先抽后掘、先抽后采，预抽达标。“灾害治理工程”，实施煤层气(煤矿瓦斯)抽采工程，大力推进煤与瓦斯突出矿井先抽后建、先抽后掘、先抽后采。实施致灾因素普查及治理工程，建设一批瓦斯综合治理示范工程。

煤层气抽采利用，降低煤矿瓦斯灾害，提高煤矿采掘安全，补充我国能源缺口，双重效果突出明显。

(1)调动煤层气开发企业、煤矿生产单位的行业联动积极性；

(2)发挥科研平台作用，研究、示范、推广一体化产业实施；

(3)设立重点研究方向、重点攻关课题，鼓励并推广成熟技术。