“三化一工程”瓦斯抽采精细化管理

俞宏庆，郭艳飞，李学臣，王良金

（焦作煤业（集团）有限责任公司，河南 焦作454000）

2019 年全国原煤产量完成38.5 亿t，同比增长4.0%，煤炭消费量占能源消费总量的57.7%，与能源结构调整无法快速改变相对应的是长久以来制约煤矿安全生产的瓦斯灾害防治等重大难题。随着我国煤炭开采规模不断扩大，开采深度逐步增加，煤与瓦斯突出、冲击地压、水害、热害等灾害威胁日益严重，复合灾害加剧[1-3]，其中尤以瓦斯事故更为严重。我国煤矿瓦斯抽采技术由单一井下抽采，逐步向地面与井下联合抽采、地面预抽转变[4]，以“淮南模式”—煤群采动卸压瓦斯立体抽采[5-6]和“晋城模式”—煤矿区瓦斯三区联动立体抽采[7-8]为代表的地面钻井法煤与瓦斯共采技术已趋于成熟。然而，针对高瓦斯低透气性单一厚煤层，目前仍然主要依靠典型的井下巷道抽采模式，实现卸压区煤与瓦斯共采[4]。各矿区结合自身煤层赋存特征分别提出了“一孔两消技术”（淮南）[9-11]、递近掩护方式（盘江）、水力压裂技术（松藻）[12]、“7+3”瓦斯治理模式（阳煤），并取得了良好效果。焦作矿区自20 世纪50 年代开始尝试井下局部抽放，至2009 年进入抽采钻孔全掩护阶段，矿井安全形势得到有效改善，但在煤巷掘进过程中仍发生了3 起突出事故，瓦斯抽采由本煤层顺层钻孔抽采全面转为底抽巷穿层钻孔掩护。但矿井单产单进仍保持较低水平、抽-掘-采矛盾日益凸显、生产成本居高不下，究其原因，必须在加强煤矿安全生产工艺革新、技术装备升级的同时，创新精细化管理方式，进一步夯实、规范瓦斯抽采措施。基于此，以“三化一工程”建设为背景，介绍焦煤公司瓦斯抽采精细化管理举措及实施效果，为突出矿井底板岩巷穿层钻孔抽采模式下，进一步提高瓦斯治理效果、消除薄弱环节，实现安全高效开采提供借鉴。

1 焦作矿区瓦斯治理变革

1.1 焦作矿区概况

焦作矿区位于华北板块太行山断隆区南缘山前断裂带，为太行山背斜的东南翼[13]。煤系地层属石炭二叠系，主采煤层为山西组二1 煤层，煤层平均厚度6 m，倾角10°～15°，煤层瓦斯含量5～42 m3/t，煤层瓦斯压力0.1～3.05 MPa，透气性系数0.189 1～1.769 1 m2/（MPa2·d），钻孔瓦斯流量衰减系数0.026～0.030 1 d-1。矿区瓦斯含量高、压力大、煤层透气性差，瓦斯、水文地质条件复杂，是全国严重的煤与瓦斯突出矿区之一。

焦作煤矿自1898 年建矿以来已有120 余年历史，是全国主要无烟煤生产基地之一。自1955 年6月24 日李封矿天官区发生第1 次煤与瓦斯突出以来，至今共发生煤与瓦斯突出事故371 起。其中2011 年10 月27 日，九里山矿16031 回风巷掘进工作面发生的煤与瓦斯突出事故，是焦煤历史上突出煤量、瓦斯量最大的突出事故，突出煤量3 246 t，瓦斯量29.12 万m3；最近1 次煤与瓦斯突出事故发生在2018 年5 月14 日，中马村矿39061 切眼掘进工作面，突出煤量77.28 t，瓦斯量5 961 m3。焦煤公司历年瓦斯突出次数统计情况如图1。

图1 焦煤公司历年瓦斯突出次数统计情况Fig.1 Statistics on the number of gas outburst per year in Jiaozuo Coal Company

1.2 瓦斯防治技术发展过程

1）第1 阶段：排放钻孔+局部抽放。1955—1988年，自焦作矿区发生第1 次煤与瓦斯突出事故后，开始探索防突技术，由于当时国内突出矿井较少，国家没有正规的防突技术路线和规定，没有标准可依，仅采取简单的排放钻孔（1965 年开始安装抽放泵进行抽放，1987 年开始瓦斯民用）。

2）第2 阶段：综合局部措施+全面抽采。1988—2009 年（1988 年4 月第1 部《防治煤与瓦斯突出细则》发布实施，1995 年5 月1 日第2 部《防治煤与瓦斯突出细则》原煤炭工业部煤安字［1995］30 号发布实施），按照《防治煤与瓦斯突出细则》（1988 年版、1995 年版）要求，煤巷掘进采取排放钻孔、松动爆破等局部防突措施，揭煤、回采工作面采取抽放措施。（2008 开始瓦斯发电）

3）第3 阶段：顺层钻孔全掩护。2009—2011 年（2009 年8 月1 日《防治煤与瓦斯突出规定》发布实施），按照《防治煤与瓦斯突出规定》要求并结合焦作矿区实际，采取“顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯+顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯”区域防突措施。

4）第4 阶段：穿层条带+顺层回采区域。2012—2018 年（九里山矿2011 年“10·27”煤与瓦斯突出事故后），严格按照《防治煤与瓦斯突出规定》采取“穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯+顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯”区域防突措施。

5）第5 阶段：穿层钻孔全掩护。2019 年至今（中马村矿2018 年“5·14”煤与瓦斯突出事故后），严格按照河南省瓦斯防治“双十条”及“登封会议32 条”要求，采取“穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯+穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯”区域防突措施，即穿层钻孔全掩护。

1.3 现阶段瓦斯防治工作存在的问题

虽然焦煤公司瓦斯治理技术经历了5 个阶段的发展和提升，认识也由最初的对付、应付、消极被动治理转变为现在的积极主动治理。先后采取立体化抽采、水力化增透[14-18]、定向长钻孔抽采[19-20]等措施，但在采取“穿层钻孔全掩护”区域防突措施的过程中，仍存在着一些管理上的不足：钻孔施工、封孔等关键环节监督不到位，治理效果没有达到预期目标；瓦斯抽采量分区段计量、单孔冲煤计量不精准，难以保证煤层区域整体、均匀治理。因此，必须在加强瓦斯治理关键技术研究的同时，进一步提升管理举措，确保区域措施执行到位、瓦斯治理效果达标。

2 瓦斯抽采“三化一工程”

2.1 瓦斯抽采“三化一工程”建设

“三化一工程”理念是在结合“7+3”瓦斯治理阳泉模式以及“一个钻孔就是一项工程”的先进经验的基础上提出的，即抽采标准化、打钻视频化、计量精准化、一个钻孔就是一项工程，进一步细化瓦斯抽采管理，提升区域瓦斯治理效果。

1）抽采标准化。规范底抽巷瓦斯抽采系统设计，细化封孔联网抽采工艺。主抽采管路、分单元管路、分源抽采管路从上到下依次固定，管路统一编号。单孔采取“两堵一注”或“两堵两注”带压封孔工艺，配合“通管直联”技术联入各分单元管路。现场抽采管路铺设及连孔标准化效果如图2。

图2 现场抽采管路铺设及连孔标准化效果图Fig.2 Effect diagram of standardization of pipeline laying and connecting holes

2）打钻视频化。将钻孔施工自稳设钻机至通过直连抽采划分为12 道工序，全程采用分辨率不低于720 P 的高清摄像头实时监控，并对钻孔定位、冲孔、冲煤计量验收、撤钻、封孔、钻孔参数验收6 个环节实行举牌确认。按照工作面、巷道、组孔、单孔建立分级视频影像资料管理，确保钻孔台账、钻孔视频台账和井下原始记录三对照。实现治理过程的安全管理和质量管控，做到质量可靠、过程可溯。

3）计量精准化。将底抽巷每200 m 区段划分为1 个评价单元，安装分单元自动计量装置，建立基于煤层原始瓦斯含量、抽采单元内瓦斯储量、分单元抽采累计量和抽采趋势等参数的抽采达标预测模型，实现对分单元区域的瓦斯抽采效果智能监测。同时，为了实现冲煤精准计量、确保冲孔均匀卸压，实行“一钻一筛一计量”，组孔煤段冲煤总量不低于0.6 t/m。

4）一钻孔一工程。每个钻孔做到“五有、两分析”，“五有”即每个钻孔有设计、有视频、有施工及冲孔台账、有抽采台账、有竣工剖面，“两分析”即及时对钻孔竣工剖面及抽采情况进行分析，特别是对当日钻孔施工、抽采异常信息进行收集、分析，查找问题原因，制定预防、整改措施。

2.2 “三化一工程”实施保障措施

1）考察钻孔有效抽采半径，为设计提供充分依据。考察不同含量、不同冲孔煤量、不同抽采时间钻孔有效抽采半径，为瓦斯抽采提供详实、准确的设计依据，使抽采设计更合理、更优化、更符合实际。

2）考察穿层钻孔偏斜规律，制定针对性措施。考察分析钻孔测斜数据，针对焦作矿区穿层钻孔偏斜规律，制定针对性措施：倾角≥60°、孔深≤30 m的钻孔轨迹与设计基本保持一致，按照设计施工；倾角20°～60°、孔深30～70 m 钻孔轨迹较设计发生一定偏斜，但终孔位置在设计允许误差内，相邻钻孔之间不存在抽采空白带，提高钻孔测斜比例，特别是孔深大于60 m 的钻孔全部测斜，根据测斜结果采取针对性措施；倾角＜20°、孔深＞70 m 钻孔部分轨迹偏斜超出设计误差范围、存在抽采空白带，以定向钻机施工为主，或控制底抽巷间距≤75 m、设计钻孔深度≤70 m。

3）研制钻孔施工作业防护系统，解决瓦斯超限难题。针对穿层钻孔水力冲孔增透期间，大量的瓦斯及煤渣在高压水流的作用下瞬间喷出钻孔，引起孔口附近短时间瓦斯超限，研制钻孔施工作业密封缓冲防超限防护系统，集合孔口的挤压膨胀密封、煤水自动排放密封、高压瓦斯减压缓冲功能，显著降低钻孔施工期间瓦斯超限次数，为安全施工提供保障。钻孔施工作业密封缓冲防超限防护系统如图3。

图3 钻孔施工作业密封缓冲防超限防护系统Fig.3 Protection system of gas over-limit by sealing and buffer function in drilling operation

3 瓦斯抽采“三化一工程”实施效果

3.1 煤巷掘进效果对比

实施底板岩巷穿层钻孔强化抽采之后，煤巷瓦斯抽采治理效果明显。对比古汉山矿目前正在施工的1606 运输巷与16031 运输巷、回风巷掘进期间相关数据：16031 运输巷抽采达标期15 个月，掘进期间采取每循环实施超前排放钻孔强化措施控制瓦斯超限，绝对瓦斯涌出量平均为1.03 m3/min，掘进速度平均为76 m/月，区域验证指标出现6 次超标现象，风流最大瓦斯浓度为0.78%；16031 回风巷抽采达标期50 个月，掘进期间采取每循环实施超前排放钻孔强化措施控制瓦斯超限，绝对瓦斯涌出量平均为0.8 m3/min，掘进速度平均为81 m/月，区域验证指标出现3 次超标现象，风流最大瓦斯浓度为0.69%。

1606 运输巷区域煤层厚度5～7.01 m，平均厚度5.6 m，煤层原始瓦斯含量28.04 m3/t，原始瓦斯压力1.3 MPa。通过实施穿层钻孔强化抽采，抽采达标期24 个月，掘进期间未采取任何局部强化措施，区域验证指标未出现异常现象，风流最大瓦斯浓度为0.52%，绝对瓦斯涌出量平均为0.63 m3/min，实施大断面一次成巷，掘进速度达到118 m/月以上，平均正常日进尺达到5 m，初步实现了高效快速掘进。

3.2 回采工作面效果对比

对比分析采取全区段穿层抽采掩护的回采工作面与以往回采工作面的瓦斯治理效果，选取古汉山矿1604 综放工作面和16031 分层综采工作面为例。16031 工作面走向长690～770 m，平均走向长730 m，倾向长157 m，煤层厚度5.0～5.5 m，平均煤厚5.2 m。原始瓦斯含量25.08 m3/t，原始瓦斯压力1.11 MPa。在1603 一号底抽巷施工条带穿层钻孔掩护16031 回风巷掘进，1603 二号底抽巷施工条带穿层钻孔和中深孔掩护16031 运输巷掘进，在16031回风巷、运输巷施工顺层钻孔抽采16031 工作面瓦斯。抽采达标评判前共抽出瓦斯量3 190.4 万m3，实测煤层残余瓦斯含量最大值为5.64 m3/t，计算残余瓦斯压力0.237 MPa，采取分层综合机械化开采方式。回采期间，16031 工作面每天检修班必须施工强化超前排放钻孔防止瓦斯超限，但仍有瓦斯超限现象发生；区域验证指标△h2最大值达到156.8 Pa，钻屑量最大值3.8 kg/m、瓦斯涌出初速度最大值2.0 L/min；工作面产能平均仅达到4.5 万t/月，平均绝对瓦斯涌出量为3.90 m3/min。

1604 工作面走向长975.6～1 008.4 m，倾向长152 m，煤层厚4.8～5.5 m，平均厚5.2 m。原始瓦斯含量28.04 m3/t，原始瓦斯压力1.11 MPa。通过1604运输、切眼底抽巷对1604 工作面采取底板岩巷穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯区域防突措施；利用6条倾向底抽巷对工作面中部施工穿层钻孔进行抽采；在1604 走向中间底抽巷施工穿层钻孔，对工作面中上部进行强化抽采，实现穿层钻孔对工作面全覆盖。抽采达标评判前共抽出瓦斯量3 927.2 万m3，实测煤层残余瓦斯含量最大值为5.84 m3/t，计算残余瓦斯压力0.27 MPa，采取综合机械化放顶煤开采工艺。截至目前，1604 工作面已安全回采610 m，回采期间未发生瓦斯超限、区域验证超标、顶钻、喷孔等现象，平均月产量8.33 万t，工作面产能可达到12 万t/月，平均绝对瓦斯涌出量为2.92 m3/min。

4 结 语

焦作矿区瓦斯地质条件复杂，煤与瓦斯突出事故多发，瓦斯防治技术先后经历了排放钻孔+局部抽放、综合局部措施+全面抽采、顺层钻孔全掩护、穿层条带+顺层回采区域抽采、穿层钻孔全掩护5个阶段发展。在加强煤矿安全生产工艺革新、技术装备升级的同时，实施“三化一工程”建设，创新穿层钻孔施工“钻、冲、筛、计、运、监”精细化管理模式，借助先进的设备及完善的制度，实现瓦斯抽采标准化、视频化、精准化，进一步规范瓦斯抽采措施，确保全煤层整体均匀卸压消突。通过在古汉山矿16采区实施验证，单产单进水平大幅提升，确定了突出矿井底板岩巷穿层钻孔抽采精细化管理的“焦作模式”，为实现安全高效开采提供借鉴。