基于瓦斯地质单元划分的矿井瓦斯精准抽采技术

张巨峰，施式亮，谢亚东，马德奇，苗在全，张建江

(1.陇东学院 能源工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；3.靖远煤电股份有限公司 魏家地煤矿，甘肃 白银 730913)

为了贯彻落实煤层瓦斯抽采“应抽尽抽”的原则，所有抽采措施能用尽用，无形中增加了煤炭生产成本，尤其是在煤炭产能过剩、市场萧条期间，给矿井安全生产带来了巨大压力，同时，因抽采技术措施设计和实施不当，可能造成采空区、煤柱等区域煤炭自然发火，甚至引发瓦斯爆炸事故等一系列安全问题[1-3]。为此，通过研究矿井瓦斯地质赋存条件，划分瓦斯地质单元，准确计算瓦斯含量，精准设计抽采方案，优选抽采技术及设备，精准施工抽采钻孔等手段，保障瓦斯可靠抽采，实现抽采达标的目标[4，5]，构建了一套依据煤层瓦斯地质单元的瓦斯梯级抽采模式，使瓦斯抽采有章可循，更加科学合理，实现煤层瓦斯精准抽采。

瓦斯地质单元划分最早是由原焦作工学院瓦斯地质研究所提出的，认为因地质因素制约，煤层瓦斯赋存与突出区域分布呈带型特点，存在不均衡性，为了研究其规律性，按一定标准综合划分不同等级的区域，即瓦斯地质单元划分[6]。此后，国内很多学者[7-10]通过对矿井煤田瓦斯地质单元进行了划分，分析煤层瓦斯赋存的受控因素及条件，进而研究矿井瓦斯地质规律，为矿井瓦斯治理提供了理论依据和技术支撑。但是，根据煤田瓦斯地质单元划分，确定工作面瓦斯等级，为实施矿井瓦斯精准抽采方面的梯级瓦斯抽采技术相关研究却很少，本文基于魏家地煤矿井田瓦斯地质单元划分，根据不同区域煤层瓦斯含量实施相应的瓦斯梯级抽采技术，探讨构建瓦斯精准抽采模式。

1 井田概况

魏家地煤矿井田属甘肃靖远矿区宝积山煤田的一部分，井田内中生代地层发育，有白垩系和侏罗系地层，其中，侏罗系分上和中下侏罗统，主要出露于宝积山向斜北翼和F1-2断层组的西南盘，中下侏罗统是含煤系，其煤系的基底为上三迭统。井田从西至东由宝积山向斜及其次生的1号背斜、2号向斜、3号背斜和4号向斜组成。井田的南侧受F1-2断层组的影响，使得西南翼煤层破坏较为严重，造成西南翼浅部构造较为复杂。井田中部主要受F3和F48断层的影响，其中F3断层由东北向西南推复压扭，断距可达28～65m；F48断层在F3以南，基本与F3平行，该断层由西南向东北推复，并与F3对冲，断距小于40m。井田北侧受深部F46断层的影响，且该断层为全隐蔽式高角度逆冲断层，在形成过程中经受过强大压扭应力的作用，断层破碎带达100m以上。

矿井井田含煤地层为中下侏罗系，可采煤层为一煤层、二煤层、三煤层，主采煤层为一煤层和三煤层，二煤层仅局部可采。一煤层瓦斯含量为0.13～10.22m3/t，平均3.04m3/t，在F3断层以南由浅至深，瓦斯含量为0.91～10.22m3/t；F3断层以北由浅至深，瓦斯含量为0.13～4.02m3/t，呈现由小到大的规律。三煤层瓦斯含量为0.12～4.79m3/t，平均2.31m3/t，F3断层以南瓦斯含量偏高，以北瓦斯含量偏低，由浅至深瓦斯含量呈现由小到大的规律。2号向斜轴部及靠近F3断层上下盘100～150m的区域瓦斯含量偏高。

2 矿井瓦斯地质单元划分

2.1 瓦斯地质单元划分原则

目前，瓦斯地质单元划分仍没有统一的划分指标、规范和模式，在瓦斯地质单元具体划分过程中仍主要依靠专家实践经验，因此，最终划分的结果也存在一定的差异性，不利于建立瓦斯地质划分原则，随着学者们对瓦斯地质的深入研究[8-10]，瓦斯地质单元划分原则也形成了一些共识：

1)通常在明确瓦斯地质单元划分级别的基础上按两个级别确定划分等级，首先进行瓦斯地质单元一级划分，然后在一级划分的基础上进行瓦斯地质单元二级划分，以尽量达到精细化。

2)瓦斯地质单元边界通过瓦斯区域边界控制线圈定。

3)同一区域内的瓦斯地质单元划分应遵循统一的划分标准。划分标准为单一指标(瓦斯或地质)或综合指标(瓦斯与地质)。

4)瓦斯地质单元划分与瓦斯地质图绘制一体化，并最终在瓦斯地质图上体现，为矿井生产实践提供依据和支撑。

2.2 魏家地煤矿瓦斯地质单元划分

魏家地煤矿井田煤变质程度沿煤层走向基本无变化，沿煤层倾向(煤层底板标高-1000m以浅)的变化也不明显；煤层展布均匀，厚度变化不大，顶板、底板较为致密，为瓦斯封存创造了良好条件；矿井全区处于同一个水文地质单元内，同时，水动力系统有利于整个区域瓦斯封存，因此，地质构造成为区别不同地质单元的关键因素，区域内大型断层(延展长度超过6000m)发育，可作为瓦斯地质单元的边界。根据矿井生产实际涌出瓦斯及煤层瓦斯含量测定的相关数据，运用瓦斯地质理论，研究矿井煤田区域瓦斯含量分布及瓦斯压力分布规律，并利用大型断层初步确定各个瓦斯地质单元边界控制线，然后继续细化探究各个地质单元内瓦斯赋存规律。瓦斯地质单元的合理划分有利于煤层瓦斯赋存规律研究，有利于瓦斯资源的勘探开发，有利于煤炭资源的安全高效开采。

根据瓦斯地质单元划分的原则和依据，结合魏家地煤矿煤层瓦斯含量、地质条件和生产实践经验，以F1-2断层组、F3断层和1号背斜为界划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3个一级瓦斯地质单元，以煤层瓦斯含量为6m3/t和10m3/t、煤层瓦斯压力0.74MPa为临界值，在一级瓦斯地质单元的基础上划分二级瓦斯地质单元，分别用Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3表示。瓦斯地质单元Ⅰ内瓦斯含量t<6m3/t、瓦斯压力P<0.74MPa的区域为二级瓦斯地质单元Ⅰ1；瓦斯含量6m3/t≤t<10m3/t、瓦斯压力P≥0.74MPa的区域为二级瓦斯地质单元Ⅰ2；瓦斯含量t≥10m3/t、瓦斯压力P≥0.74MPa的区域为二级瓦斯地质单元Ⅰ3；瓦斯地质单元Ⅱ和Ⅲ的二级瓦斯地质单元划分亦如此。矿井一煤层瓦斯含量等值线及地质单元划分如图1所示。

图1 魏家地煤矿一煤层瓦斯含量等值线及地质单元划分

1)瓦斯地质单元Ⅰ：由F1-2断层组、F3断层组与1号背斜形成边界控制线之间部分。F1-2是井田南部边缘的外来推覆体，由F1、F2和其中间的诸多断层组成，保持与井田走向一致的方向贯穿了整个井田，以疏缓的角度垂直井田走向方向推覆到井田中深部500～2000m的距离(水平断距)，几乎掩盖了大半个井田，它对下盘煤层破坏很严重，造成了井田南翼成为复杂的F1-2断层组构造影响带。F3断层位于井田中部1号背斜和2号向斜西段之间，为一被F1-2断层组覆盖的隐蔽逆断层，西起于Ⅹ线以东，以55°西向斜切1号背斜，在Ⅹ-Ⅴ线与加Ⅹ-Ⅴ线间消失，全长4100m。根据二级瓦斯地质单元划分标准，瓦斯地质单元Ⅰ又划分为瓦斯地质单元Ⅰ1、瓦斯地质单元Ⅰ2和瓦斯地质单元Ⅰ3。

2)瓦斯地质单元Ⅱ：由F46断层与F3断层形成的边界控制线部分。F46位于井田北东边部，为整个井田的北东边界。东由Ⅹ-Ⅸ线179号孔处进入本井田，以N50°W向伸向NW，在加Ⅹ-Ⅲ-2线与Ⅹ-Ⅳ线间略转为N55°W一直穿过全井田。断层面倾向SW，倾角70°～75°，为SW盘(本井田)上升，NE盘下降的压扭性逆断层。F48断层：位于F3断层以南与F3断层大致平行，是一由SW向NE推覆的并与F3断层对冲的逆断层。断面倾角60°～70°，断距小于40m，由于两断层从其两侧对冲上升之故，致使中间煤层呈一倒楔形带状下降。根据二级瓦斯地质单元划分标准，瓦斯地质单元Ⅱ又划分为瓦斯地质单元Ⅱ1、瓦斯地质单元Ⅱ2和瓦斯地质单元Ⅱ3。

3)瓦斯地质单元Ⅲ：1号背斜与2号向斜之间部分，区域内F48断层为一由NE向SW推覆的压扭性逆断层，断面倾向NE，倾角55°～65°，断距小于F49，性质与F49相同，长约650m，为煤层瓦斯的储存提供了天然条件。根据二级瓦斯地质单元划分标准，瓦斯地质单元Ⅲ又划分为瓦斯地质单元Ⅲ1、瓦斯地质单元Ⅲ2和瓦斯地质单元Ⅲ3。

3 矿井瓦斯精准抽采模式

3.1 矿井瓦斯精准抽采步骤及方法

矿井瓦斯精准抽采是建立在时间和空间综合属性基础上的一种系统性抽采方法，以矿井煤田瓦斯地质、瓦斯含量为依据，在瓦斯地质单元划分的基础上，对采煤工作面瓦斯灾害进行等级划分，并进行瓦斯抽采半径测定，得出瓦斯钻孔布置间距与抽采时间关系，同时结合矿井“抽-掘-采”接续关系，根据矿井瓦斯治理“一区一策，一面一策，梯级抽采”的模式，从时空角度优化瓦斯抽采方式，形成一套基于瓦斯地质单元的矿井瓦斯精准抽采模式，矿井瓦斯精准抽采步骤路线如图2所示。

图2 矿井瓦斯精准抽采步骤路线

1)瓦斯地质资料收集，主要收集矿井瓦斯地质、煤层瓦斯含量和压力、“抽-掘-采”接续部署等情况。

2)通过现场测定煤层瓦斯参数(包括瓦斯含量、瓦斯压力等)开展不同区域瓦斯含量预测，绘制矿井瓦斯地质图，得出矿井煤田瓦斯地质规律。

3)根据矿井不同煤层地质条件和瓦斯赋存特征，将瓦斯地质特征相似的井田划分为若干个一级瓦斯地质单元。

4)在一级地质单元划分的基础上，根据井田煤层瓦斯含量、瓦斯压力和矿井生产实践经验，划分二级瓦斯地质单元，并将工作面瓦斯灾害与二级瓦斯地质单元对应，分为三个梯级(一级、二级、三级)。

5)根据矿井“抽-掘-采”整体布局，结合矿井钻孔瓦斯抽采有效半径和采煤工作面常用瓦斯抽采方法，提出了“一区一策，一面一策，梯级抽采”的瓦斯治理模式，避免了瓦斯抽采方法使用的随意性和盲目性，实现了瓦斯抽采技术有针对性、精准的目标。

3.2 矿井瓦斯梯级治理模式

根据魏家地煤矿煤层瓦斯赋存情况，井田瓦斯地质单元划分为3个一级单元和3个二级单元，按照“一区一策，一面一策，梯级抽采”的瓦斯治理理念，以煤层瓦斯地质单元、瓦斯地质因素和工作面瓦斯抽采方法为综合指标，将回采工作面瓦斯抽采等级确定为三个梯级，即：一级(Ⅰ1、Ⅱ1、Ⅲ1)，二级(Ⅰ2、Ⅱ2、Ⅲ2)，三级(Ⅰ3、Ⅱ3、Ⅲ3)。

3.3 瓦斯精准抽采模式

瓦斯抽采方案设计是矿井瓦斯治理整体规划和操作实施的关键环节，对瓦斯精准抽采具有重要影响。目前，矿井瓦斯抽采的主要方法包括：顺层钻孔瓦斯抽采、底板岩巷穿层钻孔瓦斯抽采、采空区上隅角埋管抽采、顶板岩石走向高位钻孔瓦斯抽采、上出口中位钻孔瓦斯抽采、地面钻井瓦斯抽采等[11-15]。为了避免矿井瓦斯抽采方法使用过程中的主观性和盲目性，合理实施抽采技术，减小施工成本，保证矿井瓦斯精准抽采，根据回采工作面瓦斯梯级治理等级，按三个级别对应实施瓦斯抽采技术。

1)梯级一：针对矿井煤层瓦斯地质单元Ⅰ1、瓦斯地质单元Ⅱ1和瓦斯地质单元Ⅲ1区域，在合理配风的基础上，通过实施上隅角埋管抽采和顺层钻孔瓦斯抽采、上出口中位钻孔瓦斯抽采技术措施解决工作面瓦斯超限问题，其中，上出口中位钻孔瓦斯抽采即在上出口处向采空区方向实施3～5个倾角为5°、孔径∅75mm的钻孔，主要进行采空区裂隙带内高浓度瓦斯抽采，解决上隅角瓦斯超限问题。

2)梯级二：煤层瓦斯地质单元Ⅰ2、瓦斯地质单元Ⅱ2和瓦斯地质单元Ⅲ2区域采用的通风稀释、上隅角埋管抽采、顺层钻孔瓦斯抽采等方法和上出口中位钻孔瓦斯抽采等方法仍无法解决工作面瓦斯超限问题，通过在回风巷上帮每隔100m施工倾斜向上穿过煤层顶板5m的高位钻场，施工孔径∅108mm、长度70～100m的大直径岩石钻孔，主要抽采采空区上部形成的裂隙带高浓度瓦斯，以解决采空区瓦斯涌出量大的问题。

3)梯级三：矿井瓦斯地质单元Ⅰ3、Ⅱ3、Ⅲ3区域常用的通风稀释、顺层钻孔瓦斯抽采、上隅角埋管瓦斯抽采、顶板岩石走向高位钻孔瓦斯抽采等方法不能满足安全生产需要，尤其是工作面回采过程中的顶板垮落、周期来压的情况，极易造成采空区大量瓦斯异常涌出。例如，东102综放工作面回采过程中，工作面初次来压造成瓦斯异常涌出量达240m3/min，矿井南风井瓦斯传感器浓度达0.8%，严重威胁矿井的安全生产，为此，东1102工作面实施了地面钻井采前预抽、采中卸压抽和采后重抽的瓦斯抽采措施，钻井抽采的瓦斯最高浓度达70%，最大纯瓦斯抽采量为20m3/min，很好地解决了回采过程中瓦斯异常涌出问题，为工作面的安全回采提供了有力保障。

4 瓦斯精准抽采现场应用

4.1 试验工作面概况

为了验证瓦斯精准抽采方法的可行性，在魏家地煤矿东102综放工作面进行了现场应用，东102工作面煤层厚度为5～39.55m，平均15.4m，煤层倾角0°～25°，平均13°，煤层原始瓦斯含量为4.68～10.17m3/t，瓦斯最大压力为1.88MPa，透气性系数为0.213m3/(MPa2·d)，坚固性系数f值为0.31。工作面走向长920m，倾向长135m，采用U形通风方式，综采放顶煤工艺开采，全部垮落法管理顶板。

4.2 煤层瓦斯参数分析

东102工作面煤层底板标高为1182～1245m，开采面积的3/4布置在F1-2断层组构造影响带内，受F1-2断层组的挤压和推覆，煤层厚度变化大，构造破坏严重，F1-2断层组构造影响带内的煤层具有煤与瓦斯突出危险性，瓦斯含量沿工作面走向呈现出减小的趋势。根据矿井瓦斯地质单元划分可知，东102工作面介于地质单元Ⅱ与地质单元Ⅲ之间，按照工作面瓦斯梯级抽采等级表将工作面与分为3个区域，如图3所示，图中，梯级三区域为工作面距切眼约400m范围，区域煤层瓦斯含量为10～10.17m3/t；梯级二区域为工作面距切眼400～800m范围，区域煤层瓦斯含量为6～9.86m3/t；梯级一区域为距工作面出口约150m范围内，区域煤层瓦斯含量为4.15～4.96m3/t。工作面区域煤层瓦斯含量如图4所示。

图3 工作面瓦斯分布及抽采措施布置

图4 东102工作面瓦斯含量分布规律

4.3 梯级区域瓦斯抽采措施

根据东102工作面瓦斯含量划分的瓦斯梯级区域，距工作面切眼400m范围内布置两口地面瓦斯抽采钻井进行煤层采前预抽和采后采空区抽采，同时，并辅以顺层钻孔瓦斯抽采、上隅角埋管抽采、中位钻孔抽采、高位钻孔或高位瓦斯抽采巷抽采，并配备瓦斯分源抽采系统；距工作面切眼400～800m范围区域则通过实施顺层钻孔瓦斯抽采、上隅角埋管抽采、中位钻孔抽采、高位钻孔或高位瓦斯抽采巷抽采等措施解决工作面瓦斯问题；距工作面出口150m范围区域进行顺层钻孔瓦斯抽采、上隅角埋管抽采、中位钻孔抽采等措施。工作面瓦斯抽采措施布置如图3所示。

5 瓦斯抽采效果考察

5.1 抽采达标标准

“抽采达标”是我国煤矿瓦斯治理十六字方针“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的关键所在，是矿井瓦斯抽采设计和实施的检验，是“瓦斯精准抽采”的重要内容[16，17]。根据《煤矿瓦斯抽采基本指标》和《靖远煤业集团“一通三防”技术规范》可知，魏家地煤矿东102综放工作面瓦斯抽采达标应满足以下标准：

1)瓦斯预抽率η≥40%。

2)工作面煤层残余瓦斯含量WCY≤6m3/t，残余瓦斯压力PCY≤0.74MPa，瓦斯钻孔施工时无卡钻、顶钻、喷孔等瓦斯异常现象。

3)东102工作面风排瓦斯量不高于8m3/min，回风流瓦斯浓度不高于0.4%。

4)工作面相对瓦斯涌出量不高于3.5m3/t。

5.2 抽采效果评价

1)东102工作面通过实施地面与井下相结合的立体式瓦斯抽采措施，最长预抽时间390d，最短预抽时间370d，现场测试抽采前后的瓦斯含量结果见表1。由表1可知，工作面通过瓦斯梯级治理，预先抽煤层瓦斯抽采率为41.31%～49.54%，平均瓦斯抽采率为45.43%，大于瓦斯预抽率临界值，满足抽采标准的要求。

表1 工作面不同区域煤层瓦斯含量对比

2)根据现场测定可知，工作面煤层残余瓦斯含量为2.06～5.86m3/t，低于6m3/t；现场测定残余瓦斯压力为0.08～0.58MPa，低于0.74MPa，满足抽采达标的要求。

3)东102工作面最大配风量为2000m3/min，回风流瓦斯浓度基本控制在0.2%～0.3%，最大风排瓦斯量为6m3/min，低于工作面风排瓦斯量8m3/min的标准，满足抽采达标的要求。

4)根据瓦斯等级鉴定测定的相对瓦斯涌出量为2.42m3/t，满足瓦斯抽采达标的要求。

综上，东102综放工作面通过一年多时间的预抽，工作面三个梯级区域均实现瓦斯抽采达标。

5.3 经济效益考察

魏家地煤矿于2015年开始进行瓦斯精准抽采技术的实施，以解决瓦斯盲目抽采导致的成本增加问题。以2019年和2015年为例进行经济效益考察分析，通过实施基于瓦斯地质单元划分的瓦斯梯级精准抽采后，年增加瓦斯纯抽采量6.59×106m3，每0.5m3纯瓦斯可以发一度电，每度电按0.5元计算，则可产生直接经济效益约659万元；节约瓦斯抽采钻孔施工成本约316万元，则间接经济效益约316万元，因此，年经济效益约975万元。

6 结 论

1) 根据魏家地煤矿煤层瓦斯含量、地质条件和生产实践经验，运用瓦斯地质理论，井田划分为3个一级瓦斯地质单元；并以煤层瓦斯含量为6m3/t和10m3/t、煤层瓦斯压力为0.74MPa为临界值，在一级瓦斯地质单元的基础上划分为3个二级瓦斯地质单元。

2)综合考虑井田瓦斯地质单元及采煤工作面生产情况，矿井建立了采煤工作面三个等级的瓦斯梯级抽采制度，在魏家地煤矿东102工作面试验，工作面三个梯级区域有针对性地精准实施了不同的瓦斯抽采措施，均实现了瓦斯抽采达标。

3)结合矿井瓦斯地质单元划分和采煤工作面瓦斯梯级治理等级，形成了“一区一策，一面一策，梯级抽采”的瓦斯治理模式，矿井实现了瓦斯精准抽采，保障了安全生产。