高瓦斯矿井区域瓦斯分级治理方法及其在潞安矿区的应用研究

方文会，廖 引

(1.中赟国际工程有限公司，河南 郑州 450007； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

随着我国煤炭开采水平不断向深部延伸，矿井地质条件更加复杂，高地应力、高瓦斯、低渗透的恶劣环境下煤炭安全开采挑战巨大，致使煤矿发生瓦斯灾害危险性不断增大[1-5]。由于矿井开采地质条件的复杂性以及防突等相关技术的局限性，目前矿山在及时、准确、有效地进行矿井瓦斯事故预测及防治等方面还存在诸多不足，瓦斯灾害仍严重制约着矿井安全高效生产[6-9]。因此，探寻矿井区域瓦斯潜在的分布规律，从而对区域瓦斯进行有效防治，对矿山安全生产具有重要的现实意义。

在高瓦斯矿井煤层瓦斯预测及治理方面，学者们做了诸多研究。李详林[10]从地质因素和煤体自身性质出发，分析了新义矿煤与瓦斯突出的控制因素，研究了煤层瓦斯地质赋存规律，建立了基于AHP—模糊概率综合评判法的瓦斯分级治理体系，并探讨了其治理效果。向真才[11]对高瓦斯矿井煤巷掘进工作面瓦斯进行了分级治理方法研究，将工作面原煤瓦斯含量按≥8 m3/t和<8 m3/t两个等级分别进行治理，并介绍了不同治理方法的区域防治措施和局部治理措施。王平虎[12]通过对寺河矿煤层瓦斯的赋存、涌出、抽采及利用情况等开展研究，针对不同区域的具体条件提出了一套不同区域瓦斯赋存特点的井上下分区分级多种瓦斯预抽技术。王志豪[13]根据瓦斯含量、压力和风排瓦斯量等参数将余吾煤矿掘进工作面划分为5个区域，综合采用迈步钻场边掘边抽、掘进面钻孔预抽、CO2气相致裂和掘进面释放孔等措施进行瓦斯治理。翟红[14]基于本煤层钻孔瓦斯抽采技术提出了“一个钻孔就是一项工程”的瓦斯治理理念，形成了适用于阳泉矿区地质条件下本煤层钻孔瓦斯治理技术和管路方法，有效提高了煤层瓦斯抽采效果。上述研究表明，不同矿区煤层地质赋存条件差异使煤层瓦斯分布规律不同，针对不同瓦斯含量的区域应采取相应的瓦斯防治措施。

潞安矿区主采煤层开采水平逐步向深部延伸，矿区内的低瓦斯矿井正向高瓦斯矿井、高瓦斯突出矿井转变，部分矿井煤与瓦斯突出预兆已经显现，加之矿区地质构造的影响，矿区内煤层瓦斯分布具有明显的区域特征。本文以潞安矿区为工程背景，开展矿区煤层瓦斯区域分布规律及其随埋深的变化关系研究，并将矿区按照煤层瓦斯含量W≥16m3/t、8≤W<16 m3/t和W<8 m3/t划分为3种等级，针对矿区不同煤层瓦斯突出危险程度采取不同区域瓦斯抽采措施进行分级治理，阐述该区域瓦斯分级治理理念和具体实施内容，且探讨主要瓦斯治理措施的防治效果。研究成果既能为潞安矿区高效、经济合理的防突工作打下坚定的基础，也能为类似矿山的防突工作提供借鉴。

1 工程概况

1.1 矿区地质构造概况

潞安矿区位于山西省东南部沁水煤田东翼，南北长74.6 km，东西宽63.1 km，面积3 044.65 km2。矿区主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，其中太原组厚度为68～150 m，含可采煤层7层(82号、9号、121号、14号、151号、152号和153号)，煤层较薄；山西组厚68～138 m，仅3号煤层可采，煤层厚度5.61～7.23 m，平均厚6.42 m。

矿区构造特征受区域构造的控制，其构造格局呈现东西分带、南北分段的规律；由东向西方向，矿区构造变形强度增加，南北方向上有几个较大的正断层，分别为文王山正断层、西魏正断层和二岗山正断层。矿区各地质单元分布与地勘钻孔位置如图1所示，这些正断层将潞安矿区由北向南划分为4个区域(第Ⅰ—Ⅳ地质单元)，不同区域内的地质构造具有不同的类型和特点，但在某一区域内地质构造具有类似性，从而导致不同区域煤层瓦斯含量及分布规律的差异。

1.2 矿区瓦斯赋存概况

在不同区域实施地勘钻孔，获取不同埋深处煤层瓦斯含量，并对区域内煤层瓦斯含量分布规律进行统计分析。如图2所示，4个地质单元内3号煤层的瓦斯含量均随煤层埋深的增加而增加，呈现出线性增长趋势，并统计拟合得出瓦斯含量预测公式(式(1))。线性增长的主要原因是煤层埋藏深度越深，地应力越高，使围岩的透气性降低，且瓦斯向地表运移的距离也增大，从而有利于封存瓦斯而不利于放散瓦斯[15-16]。此外，根据煤层瓦斯含量与埋深的拟合关系，参照煤层底板等高线图及井上下对照图，可计算得出井田内不同地点的煤层瓦斯含量，发现4个地质单元内3号煤层瓦斯含量分布总体上均呈东低西高的趋势。其中，第Ⅱ、第Ⅳ单元瓦斯分布也具有南低北高的分布特征。然而，虽然同一地质单元内煤层瓦斯分布较规律，但不同地质单元内断层与褶皱等地质构造差异较大，导致不同单元内煤层瓦斯含量变化程度不同。

图1 矿区各地质单元分布与地勘钻孔位置Fig.1 Distribution of geological units and location of ground investigation boreholes in mine area

图2 矿区各地质单元内3号煤层瓦斯含量与埋深的关系Fig.2 Relationship between gas content and burial depth of No.3 coal seam in various geological units in the mining area

W=a×H+b

(1)

式中，W为煤层瓦斯含量；H为煤层埋深；a、b为拟合系数，不同地质单元拟合系数不同。

1.3 矿区煤层突出危险性概况

根据《防治煤与瓦斯突出细则》，对各地质单元内主采煤层瓦斯参数和瓦斯动力现象进行统计，得出各单元3号煤层突出危险性单项指标值和瓦斯动力现象情况(表1)。由表1可知，基于4个地质单元内代表性矿井的突出危险性现状(如第Ⅰ地质单元内五阳煤矿煤层瓦斯压力基本在0.74 MPa以上，瓦斯含量最大值达23.32 m3/t，坚固性系数0.54，瓦斯放散初速度平均为12.69，煤的破坏类型为Ⅲ类)，目前各矿井开采范围均将进入突出危险区域，尤其随着采掘深度不断增加，主体矿井开采范围内煤层瓦斯压力将会进一步增高，使突出危险性加剧。因此，为有效控制矿区煤与瓦斯突出危险，需结合潞安矿区煤层赋存特点建立合理的防突体系。

表1 3号煤层突出危险性单项指标值及动力现象统计Tab.1 Statistical data of individual index values and dynamic phenomena of No.3 coal seam outburst hazard

2 矿井区域瓦斯分级治理方法与实践

2.1 矿井区域瓦斯分级治理方法

根据矿区主采煤层瓦斯含量与埋深的关系可知，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ地质单元煤层埋深分别达到451.4、462.5、211.6、277.9 m时，煤层瓦斯含量将超过临界值8 m3/t。此外，矿区主采煤层受地质构造影响区域的突出危险性亦较大。因此，潞安矿区主采煤层埋深大或受地质构造影响的区域为发生突出危险性区域，在进行采掘作业前应采取有效的区域性防突措施。按照《防治煤与瓦斯突出细则》要求，借鉴其他矿井瓦斯防治经验，综合确定以煤层瓦斯含量大小作为区域瓦斯治理分级的主要依据，分为瓦斯含量W≥16m3/t、8m3/t≤W<16m3/t和W<8 m3/t三个等级范围，同时考虑煤层埋深和煤层坚固性系数的影响，针对不同瓦斯含量区域的突出危险性程度采取区域瓦斯分级治理措施(图3)，即以地面井预抽、井下顺层定向钻孔预抽或底抽巷穿层钻孔预抽、采面本层预抽等地面井下联合抽采的区域防突措施，具体措施在后续介绍。

图3 不同瓦斯含量区域瓦斯分级治理措施Fig.3 Gas grading treatment measures in different gas content areas

2.2 区域瓦斯分级治理措施

2.2.1 煤层瓦斯含量W≥16 m3/t区域

由于潞安矿区各地质单元煤层瓦斯含量大于16 m3/t的区域煤层埋深均超过500 m(第Ⅰ—Ⅳ地质单元煤层埋深对应为641.9、595.8、611.6、574.1 m)，且矿区主采煤层坚固性系数平均值小于0.5，根据《煤矿安全规程》，顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯不能作为该区域的防突措施[17]。为实施“先采气、后采煤”政策，潞安矿区煤层瓦斯含量W≥16 m3/t区域采取的区域防突措施为：首先进行地面井预抽煤层瓦斯，待煤层瓦斯含量降至16 m3/t以下，在煤层底板岩层中布置底抽巷，从底抽巷施工穿层钻孔预抽主采煤层巷道条带瓦斯，而在回采工作面利用顺层立体交叉钻孔预抽回采区域瓦斯。

(1)地面井预抽煤层瓦斯。地面井布置如图4所示，地面瓦斯抽采井间排距为300 m×300 m，按矩形布置，其预抽瓦斯时间为2～6年，具体时间依煤层瓦斯含量高低而不同。以高河矿为例，目前矿井井田范围内正在排采的瓦斯抽采井为43口，日累计产量1.68万m3。

图4 地面井布置示意Fig.4 Diagram of ground well layout

(2)底板岩巷穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。在距主采煤层垂距12 m、距巷道水平距离20 m的底板岩层中掘进断面为5.2 m×4.2 m的岩石巷道，通过底板岩巷向煤巷条带煤层施工穿层钻孔，钻孔控制煤巷两侧轮廓线外各15 m。

如图5所示，在底抽巷内每隔10 m布置1组9个穿层钻孔，钻孔开孔沿巷道走向方向成2排布置，排间距5 m，开孔高度1.2 m，开孔位置间距1.6 m；终孔分成2排，各排钻孔终孔位置在巷道走向方向和垂直于巷道走向方向距离均为5 m。以余吾矿N2203底抽巷为例，该底抽巷布置于N2203胶带巷与N2205回风巷之间，对上述巷道进行区域预抽，以掩护2条煤巷掘进，巷道全长1 657 m。预抽煤层原始瓦斯含量约11 m3/t，N2203底抽巷穿层钻孔预抽90 d后，煤层瓦斯含量降至8 m3/t以下，单孔平均抽采瓦斯量0.046 m3/min，掘进期间煤层实测残余可解吸瓦斯含量6.453 4～4.477 2 m3/t。

图5 底板岩巷穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯示意Fig.5 Schematic of strip gas in floor rock roadway through borehole pre-drainage coal roadway

(3)顺层立体交叉钻孔预抽回采工作面煤层瓦斯。通过本煤层顺层钻孔进行预抽，煤层瓦斯降至目标瓦斯含量后，回采期间结合边采边抽，进一步降低煤层瓦斯含量，减少工作面瓦斯涌出量。如图6所示，从回采工作面两侧巷道，分别向工作面方向施工双向顺层钻孔，不同向的两类钻孔在工作面中部重叠10 m，由于目前矿井回采工作面长度为200～300 m，故顺层钻孔长度设计为105～155 m。钻孔封孔材料及工艺参照文献[18]，采用水泥囊袋“两堵一注”封孔，封孔长度8～16 m。由于煤层厚度较厚，顺层钻孔分上下两排立体交叉布置，上排孔和下排孔分别与巷道的角度为85°和75°，排间距0.4 m，钻孔间距为2.5 m。

图6 顺层立体交叉钻孔预抽回采工作面瓦斯示意Fig.6 Schematic of gas in pre-drainage mining faceof the layered three-dimensional cross-drilling

2.2.2 煤层瓦斯含量8 m3/t≤W<16 m3/t区域

第Ⅰ—Ⅳ地质单元煤层埋深分别为451.4～641.9 m、462.5～595.8 m、211.6～611.6 m和277.9～574.1 m时，该区域煤层瓦斯含量在8～16 m3/t，加之矿区主采煤层坚固性系数平均值普遍小于0.5，根据《煤矿安全规程》，矿区埋深超过500 m或坚固性系数小于0.3的区域，不能将本巷道顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施。

(1)H>500 m或f<0.3时，煤巷掘进工作面若存在邻近已掘巷道，则通过在邻近巷道向掘进工作面侧施工顺层钻孔进行区段预抽。如图7所示，钻孔覆盖巷道轮廓线两侧不小于15 m范围煤体，以掩护巷道安全掘进。若无已掘邻近巷道，煤巷掘进工作面和回采工作面瓦斯治理措施均同煤层瓦斯含量W≥16 m3/t区域一样，在煤层底板岩层中布置底抽巷，从底抽巷施工穿层钻孔预抽主采煤层煤巷条带瓦斯(图5)，采用顺层立体交叉钻孔进行回采面预抽(图6)。

图7 邻近巷道顺层钻孔预抽区段示意Fig.7 Schematic of bedding pre-drainage section of adjacent roadway

(2)H≤500 m时，煤巷掘进工作面采用顺层钻孔进行条带预抽，如煤层钻孔成孔较好，则采用千米钻机施工定向长钻孔对煤巷条带瓦斯进行预抽，消除突出危险，提高掘进效率，如图8所示。

图8 定向长钻孔条带预抽和回采工作面立体交叉钻孔预抽示意Fig.8 Schematic diagram of directional long drilling strip pre-drainage and three-dimensional cross-drilling pre-drainage in the working face

以高河矿E2307进风巷施工定向钻孔预抽E2308煤巷瓦斯为例，E2308煤巷煤层原始瓦斯含量为11 m3/t，在E2307进风巷每隔300 m设置1个千米钻机钻场，每个钻场布置10个孔，孔深500 m，预抽时间约2年，平均单孔抽采量约0.25 m3/min。回采工作面区域防突措施仍同煤层瓦斯含量W≥16 m3/t区域一样，采用顺层立体交叉钻孔进行回采面预抽。

2.2.3 煤层瓦斯含量W<8 m3/t区域

根据前面分析可预测，煤层瓦斯含量小于8 m3/t的区域煤层埋深均小于500 m。基于《煤矿安全规程》，煤体坚固性系数大于0.3的区域，可采用顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施，而煤层坚固性系数小于0.3的区域，不能将本巷道顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施。

(1)f≥0.3时，煤巷掘进工作面采用顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯。如图9所示，在掘进工作面施工上下2排掘进面钻孔，上排4个、下排5个，钻孔长度为150～160 m，2排钻孔开口位置距底板高度分别为1.4、2.2 m，左右两边第1、2个钻孔与巷道中线夹角分别为2°和1°，其余中间钻孔垂直巷道断面施工，所有钻孔仰角均为“煤层倾角1°～2°”，钻孔直径为φ94 mm。在巷道两帮呈迈步式布置钻场，单侧钻场间距100 m，两侧钻场间距50 m，钻场施工完毕后立即施工钻孔，每个钻场布置6个钻孔，即在钻场内向巷道掘进方向呈双排“三花”布置钻孔，两排钻孔开口位置距底板高度分别为1.4 m和2.2 m，钻孔仰角为“煤层倾角1°～2°”，钻孔长度同掘进面钻孔相同，控制巷道两帮外侧15 m范围。

图9 煤巷掘进工作面顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯示意Fig.9 Schematic of strip gas in coal roadway with pre-drainage boreholes along bedding in coal roadway driving face

(2)f<0.3时，煤巷掘进工作面若存在邻近已掘巷道，则通过在邻近巷道向掘进工作面侧施工顺层钻孔进行区段预抽(图7)；若不存在上述已掘邻近巷道，则采用底抽巷穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯(图5)。回采工作面区域防突措施同样采用顺层立体交叉钻孔进行回采区域预抽(图6)。

2.2.4 突出危险区域或钻孔施工困难区域

针对地质构造影响的突出区域或钻孔施工困难区域，具体措施与煤层瓦斯含量W≥16 m3/t区域的区域防突措施相同，煤巷掘进工作面应采用底抽巷穿层钻孔条带预抽(图5)，回采工作面应采用顺层立体交叉钻孔进行煤层预抽。对不具备按要求实施区域防突措施条件的区域，不得进行开采活动，并划定禁采区和限采区。

2.3 区域瓦斯分级治理效果检验及验证

2.3.1 区域瓦斯分级治理效果检验

根据《防治煤与瓦斯突出细则》，矿井瓦斯治理效果检验应当以预抽区域煤层残余瓦斯压力或残余瓦斯含量作为主要指标，结合潞安矿区区域瓦斯分级治理措施，不同措施进行瓦斯治理效果检验要求如下。

(1)顺层钻孔预抽回采区和区段煤层瓦斯。矿区主体矿井采煤工作面长度均大于120 m，则回采区预抽效果检验时，应沿采煤工作面推进方向每间隔30～50 m至少布置3个检验点，且检验点距离回采巷道两帮大于20 m。此外，主体矿井相邻回采巷道间距约为50 m，由于是近水平煤层，回采巷道外侧控制范围为15 m，因此两侧回采巷道间距加回采巷道外侧控制范围未超过120 m，则区段预抽效果检验时，应沿采煤工作面推进方向每间隔30～50 m至少布置2个检验测试点。

(2)顺层钻孔、穿层钻孔和定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。顺层钻孔预抽瓦斯效果检验时，应沿煤巷条带每间隔20～30 m至少布置1个检验点，且每个检验区域不得少于5个检验点。穿层钻孔预抽瓦斯效果检验时，应沿煤巷条带每间隔30～50 m至少布置1个检验点。定向长钻孔预抽瓦斯效果检验时，应沿煤巷条带每隔20～30 m至少布置1个检验点，也可以分段检验，但每段检验的煤巷条带长度不得小于80 m，且每段不得少于5个检验点。

各检验点应布置于所在钻孔密度较小、孔间距较大、预抽时间较短的位置，并尽可能远离各预抽钻孔或尽可能与周围预抽钻孔保持等距离，避开采掘巷道的排放范围和工作面的预抽超前距，且在地质构造复杂区域应适当增加检验点。当所测煤层残余瓦斯含量值均小于8 m3/t且满足抽采达标要求，则预抽区域措施有效；若所测煤层残余瓦斯含量值中有一个大于8 m3/t时，表明预抽措施无效，需继续抽采。若在检验期间发生瓦斯突出动力现象时，发生明显突出预兆的位置或测试点周围半径100 m内的预抽区域判定为瓦斯治理无效，所在区域煤层仍属突出危险区，必须继续进行或补充实施区域防突措施。

2.3.2 区域瓦斯分级治理效果验证

区域瓦斯治理效果检验后，在开采前应对无突出危险区进行区域验证，采用钻屑指标法、复合指标法和R值指标法验证煤巷掘进工作面和回采工作面的突出危险性，若所测指标小于临界值且未发生异常情况，则区域瓦斯措施有效，可采取安全防护措施后进行采掘作业。对采掘工作面的首次区域验证时，采掘前还应当保留足够的突出预测超前距。若有一次区域验证为有突出危险，则该区域以后的采掘作业前须采取区域或局部综合防突措施。

3 结论

随着主采煤层开采水平逐步向深部延伸，潞安矿区煤层瓦斯突出危险性日益严峻。本文根据地质构造情况将潞安矿区划分为4个地质单元，通过钻取得到矿区各区域不同埋深煤层瓦斯含量，获得了矿区煤层瓦斯分布规律及其与埋深的关系；根据煤层瓦斯含量和煤体坚固性系数等，将矿区煤层防突划分为三种等级，并针对不同煤层瓦斯突出危险程度采取不同区域瓦斯抽采措施进行分级治理，研究了区域瓦斯分级治理措施及效果。

(1)文王山正断层、西魏正断层和二岗山正断层将潞安矿区在南北方向上划分为Ⅰ—Ⅳ地质单元，4个地质单元内主采煤层的瓦斯含量均随煤层埋深的增加呈现出线性增长趋势，且各单元煤层瓦斯含量总体上均呈东低西高分布，其中第Ⅱ、第Ⅳ地质单元煤层瓦斯分布也具有南低北高特征。

(2)根据煤层瓦斯含量W≥16 m3/t、8≤W<16 m3/t和W<8 m3/t三种等级范围，综合考虑埋深和煤体坚固系数的影响，提出了区域瓦斯分级治理模式：①煤层瓦斯含量W≥16 m3/t时，率先利用地面井预抽煤层瓦斯至含量降至16 m3/t以下，然后通过底板岩巷穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯，回采工作面采用顺层立体交叉钻孔进行预抽。②8≤W<16 m3/t时，当H>500 m或f<0.3，存在邻近巷道时应采用邻近巷道顺层钻孔预抽区段瓦斯，否则采用底板岩巷穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯；当H≤500 m，采用顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯，成孔较好的区域应采用定向长钻孔预抽煤巷条带瓦斯，而回采工作面均采用立体交叉钻孔预抽。③W<8 m3/t时，当f<0.3，应同8≤W<16 m3/t等级范围中H>500 m或f<0.3的措施相同；当f≥0.3，采用顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯，回采工作面采用立体交叉钻孔预抽。

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