晋城矿区井上下联合瓦斯抽采工艺及现场应用

高磊

（晋能控股装备制造集团有限公司 寺河煤矿，山西 晋城 048200）

0 引 言

常见的矿井瓦斯抽采方法包括地面钻井抽采、井下穿层钻孔抽采、顺层钻孔抽采、高抽巷抽采、顶板裂隙带钻孔抽采、上隅角埋管抽采及采空区密闭墙埋管抽采等方法。井上下联合瓦斯抽采是指一个矿井在采前、采中和采后的全抽采周期内选用包括地面钻井抽采和多种井下抽采相结合的抽采方式[1-2]。

经过十多年的实践，逐渐形成了以煤层群开采条件为背景的“两淮”（两淮指的是淮南、淮北）模式，和以单一煤层群开采为主的“晋城”模式[3]。“两淮”模式也称为保护层开采技术，是充分利用首采煤层开采过程中的岩层移动对顶底板内煤岩层的卸压增透作用，实现对邻近煤层的卸压抽采，该技术在国内煤层群开采条件的矿区得到了广泛应用。“晋城”模式是基于晋城西区煤层瓦斯含量高、煤体硬度大、渗透率高等特点，在煤炭规划区选用地面钻井进行抽采，在开拓准备区采用矿井上下联合抽采，在生产区以井下抽采为主的“三区”联动瓦斯开发模式，建立了立体抽采工艺与配套技术，取得了非常好的瓦斯治理效果。

本文对煤矿区井上下联合瓦斯抽采方法进行了介绍，以晋城西区煤层瓦斯条件为例，详细阐述了单一煤层开采井上下联合瓦斯抽采模式的现场应用。

1 晋城矿区井上下联合瓦斯抽采现状

晋城煤业集团是中国重要的优质无烟煤生产基地，现有矿井61 座，其中突出矿井5 座，高瓦斯矿井14 座，低瓦斯矿井42 座，矿井开采深度在100 ～800 m。晋城矿区位于沁水盆地的东南端，晋城—长治断褶带将矿区分为东、西2 个区，东区为老矿区，煤层瓦斯含量低，资源逐渐枯竭。西区为新矿区，煤层瓦斯含量高，目前主力矿井多位于西区。晋城西区包括樊庄、成庄、寺河、潘庄和大宁井田，为华北石炭—二叠纪含煤地层。含煤岩系平均厚度约142 m，含煤16 层，其中3 号煤、9 号煤和15 号煤全区基本可采。多数矿井为单一煤层开采，开采煤层为3 号煤层。

为解决晋煤集团矿井瓦斯问题，1992～1997年，原晋城矿务局与中煤能源公司合作在沁水盆地南部晋城矿区潘庄井田开展瓦斯勘探和试验工作，施工了一个7 口井组成的井组。经压裂、排采，瓦斯单井产量最高峰值达12 000 m3/d，后期稳定在1 000 ～3 000 m3/d。为全面启动地面瓦斯抽采工作，晋煤集团在2003 年8 月成立了蓝焰煤层气公司，从事地面瓦斯抽采工作，其目标是通过地面瓦斯抽采降低煤层含气量、解决煤矿瓦斯安全问题。为了执行“采煤采气一体化”、“先采气后采煤”的理念，经过多年的实践和研究，晋煤集团提出了煤矿区煤层气三区联动立体抽采模式，进一步突出了煤炭开采和瓦斯开发统筹规划，瓦斯地面抽采与井下抽采在时间和空间上必须与煤矿生产相结合，通过抽采为煤炭开采创造出安全开采的条件，真正做到“以采气保采煤，以采煤促采气”。截止2017 年底，蓝焰煤层气公司在井田范围内施工了5 087 口地面钻井。2017 年，晋煤集团抽采瓦斯28.53 亿m3，其中地面井抽采14.33 亿m3，井下抽采14.19 亿m3。晋煤集团非常重视瓦斯的利用工作，2017 年地面井抽采的14.33 亿m3瓦斯中，民用2.93 亿m3，其他用7.97 亿m3；井下钻孔抽采的14.19 亿m3瓦斯中，民用1.77 亿m3，发电4.62 亿m3，其他用1.1 亿m3。

2 煤层瓦斯赋存特征

晋城煤田3 号煤厚度在4.0 ～7.0 m，一般在4.5 ～6.5 m，总体上呈东部厚度稍大，西部稍薄的变化趋势。现场测定含气量最低值为17.07 m3/t，最高值为28.66 m3/t，一般在18 m3/t 以上。晋煤集团几个主力矿井瓦斯含量高，其中寺河矿最大实测瓦斯含量达25.8 m3/t，成庄矿最大实测瓦斯含量15.6 m3/t，长平矿最大实测瓦斯含量20 m3/t。井下实测煤层瓦斯压力最高达到3.83 MPa。西部区域，如寺河、岳城等矿具有较好的可抽采性，煤层透气性系数为0.44 ～4.25 874 mD；北部区域，如长平、赵庄等矿属于软硬复合型低透气性煤层，抽采难度较大。

3 三区联动立体瓦斯抽采

3.1 三区联动立体抽采时空关系

基于煤炭开发时空接替规律，将煤矿区划分为煤炭生产规划区、煤炭开拓准备区与煤炭生产区3个区间。生产区即煤炭生产矿井现有生产区域，准备区是正在施工开拓、准备大巷的区域，一般3 ～8 a 即将进行回采，而规划区的煤炭资源一般在8～10 a 甚至更长时间以后方进行采煤作业。

三区联动立体瓦斯抽采模式在空间上体现为井上下联合，即地面与井下瓦斯抽采相联合，与煤矿开采衔接完全一致。在时间上体现为煤矿规划区实施地面井预抽、煤矿准备区实施井上下联合抽采、煤矿生产区实施井下瓦斯抽采。在方式上体现多种抽采方式相联合，即地面井抽采、千米定向长钻孔抽采、普通顺层钻孔抽采、裂隙带钻孔抽采、埋管抽采等方法相联合。

3.2 各阶段抽采方法及指标

每个阶段的瓦斯抽采目的不同，抽采指标不同，其抽采方法亦不相同。每个采掘工作面煤体经过三个阶段的接替抽采，可将高瓦斯突出煤层转化为低瓦斯无突出煤层，实现煤层瓦斯抽采达标，保证工作面的安全作业，如图1、图2 所示。

图1 三区联动各阶段瓦斯抽采方式Fig.1 Gas extraction methods in each stage of three-zone linkage

图2 三区联动各阶段瓦斯抽采指标Fig.2 Gas extraction index of each stage of three-zone linkage

在煤炭生产规划区，有充足的抽采时间，实施“先抽后建”，将瓦斯含量降至16 m3/t 以下。根据统计，地面井预抽每年可使影响区内的煤层瓦斯含量降低1 ～1.5 m3/t。

煤炭开拓准备区采用井上下联合抽采技术，从井下巷道内采用千米定向钻机施工定向顺层长钻孔，贯通已有的地面抽采井压裂裂缝及其影响带，形成压裂裂缝与顺层长钻孔相结合的立体抽采网络，将瓦斯含量降至8 m3/t 以下，为采掘巷道的施工提供安全保障。

在煤炭生产区，工作面开采前实施“先抽后采”。工作面回采期间，采取垂直采动井抽采、采动L 型井抽采、顶板裂隙千米定向钻孔抽采、高位钻场裂隙带抽采、闭墙埋管抽采、煤柱钻孔抽采等措施，确保工作面回采期间通风安全可靠，实现工作面安全高效开采。回采工作面开采结束后，封闭工作面采空区，利用闭墙埋管、井下穿层钻孔、施工地面钻井等方式，对老采空区及上方裂隙带内的瓦斯进行瓦斯抽采，其目的是进一步减小采空区瓦斯涌出，提高矿井瓦斯抽采量和利用量。

4 单一煤层开采井上下联合瓦斯抽采实践

4.1 试验工作面概况

以晋城矿区寺河矿为例开展实践，试验工作面W2303 工作面地面标高606—768 m，工作面标高251—288 m，工作面走向长1 257 m，倾向宽度276 ～295 m，煤层平均厚度6.3 m，平均倾角5°。伪顶为0.4 m 的炭质泥岩，直接顶为2.15 m 的粉砂岩，老顶为6.5 m 的细粒砂岩。直接底为2.66 m 的细粒砂岩，老底为4.8 m 的粉砂质泥岩。根据实测结果，西二盘区3 号煤层瓦斯压力为1.15 ～1.83 MPa，瓦斯含量19.33 ～21.8 m3/t。工作面煤层无爆炸性、无自燃倾向性。

4.2 工作面瓦斯抽采方法

（1） 地面钻井瓦斯抽采。

在矿井巷道开拓开采之前，施工地面钻井抽采3 号煤层瓦斯，降低煤层瓦斯含量。工作面内共布置了5 个地面直井预抽钻孔，钻井间距在正常区域为300 m×300 m，在地质构造带间距为150 m×150 m。由于受到地面施工现场条件限制，钻井间距无法严格按照设计执行，地面钻井施工位置如图3 所示。

图3 工作面地面钻井布置示意Fig.3 Ground drilling layout of working face

YH-086、YH-024 和YH-085 号3 个钻井抽采量高，抽采量700.8 ～1 138.8 万m3，YH-083 和YH-084 号2 个钻井抽采量较低，抽采量仅为263万m3，分析原因是这2 个钻井受到附近断层影响、瓦斯提前大量释放所致。地面井瓦斯抽采总量为3 232.6 万m3。根据反算，通过地面钻井抽采，工作面内瓦斯含量可下降7 ～8 m3/t，可确保将煤层瓦斯含量降至16 m3/t 以下的抽采目的。

表1 地面钻井瓦斯抽采数据统计Table 1 Statistics of surface drilling gas extraction data

（2） 千米定向钻机扇形水平羽状钻孔。

从W23031 巷和W23022 巷的千米钻场中施工了约70 个水平羽状钻孔，施工工程量约21.6 万m，钻孔覆盖回采工作面煤体及另一侧巷道条带煤体，瓦斯抽采时间为1.5 ～2 a，如图4 所示。

图4 工作面顺层钻孔布置Fig.4 Bedding drilling layout of working face

图5 顶板走向高位千米钻孔布置Fig.5 Roof strike high kilometer drilling layout

图6 采空区横川闭墙插管抽采示意Fig.6 Gob Hengchuan closed wall intubation extraction schematic

图7 工作面瓦斯涌出量Fig.7 Gas emission in working face

（3） 普通顺层钻孔瓦斯抽采。

采用千米定向钻机施工扇形水平羽状钻孔后，在钻场一侧形成了三角形的抽采空白带，该区域无钻孔覆盖，为此还需要施工大量普通顺层钻孔进行补充抽采。在W23031 巷和W23033 巷掘进过程中便开始补充施工普通顺层钻孔。

W23031 巷从工作面切眼口开始由东向西依次施工，钻孔倾角4°～7°，相邻钻孔设计倾角不同，确保钻孔覆盖全煤厚，设计钻孔长度最深150 m，间距3 ～6 m，该巷道共施工372 个。W23033巷顺层钻孔重点在8 ～11 号、18 ～19 号横川施工，钻孔由西向东依次施工，倾角-2°～-4°，相邻钻孔倾角不同，保证钻孔覆盖全煤厚，设计钻孔长度最深200 m，间距3 m，共施工299 个。钻孔工程总量约11.8 万m，如图8 所示。根据统计，该工作面吨煤钻孔率达0.102 7 m。

图8 工作面瓦斯抽采量Fig.8 Gas extraction in working face

4.3 回采工作面预抽瓦斯效果

该工作面采取了井上下联合瓦斯抽采方法，包括地面钻井抽采、千米钻机井下羽状钻孔抽采和普通顺层钻孔抽采。地面钻井抽采8 ～9 a，井下顺层钻孔抽采1.5 ～2 a，取得了良好的瓦斯抽采效果。

根据瓦斯抽采量核算，煤层瓦斯含量由21.8 m3/t 下降至7.52 m3/t。根据现场残余瓦斯含量测定，测定值为6.42 ～7.39 m3/t，平均6.96 m3/t。均小于《抽采指标》 《防突细则》和《抽采达标暂行规定》给定的参考临界值8 m3/t；该工作面不可解吸量为3.52 m3/t，则可解吸瓦斯量为2.90 ～3.87 m3/t，均低于4 m3/t，且满足《抽采指标》第二十七条规定。因此可以判定，经过长时间的区域预抽后，W2303 工作面瓦斯预抽效果达标。

5 工作面开采期间瓦斯抽采及涌出情况

5.1 工作面开采期间瓦斯抽采方案

W2303 工作面开采过程中，采取顶板走向高位千米钻孔抽采、采空区横川闭墙插管抽采等措施。千米高位钻孔从西二北进15 号横川钻场、W23033/34 巷5 号、11 号、15 号横川钻场开口施工，抽采裂隙带瓦斯，共施工4 组高位千米钻孔，每组设计4 ～5 个钻孔，钻孔长度400 ～500 m，钻孔层位控制在煤层顶板35 ～55 m，钻孔布置如图5所示。

采空区横川闭墙插管抽采也是抽采采空区瓦斯的重要方法之一，在W23034/33 巷横川封闭后预埋φ400 mm 管路用于抽采瓦斯，采空区埋管如图6 所示。另外，为了解决初采期间的瓦斯问题，在W2303 尾巷内向采空区方向施工了低位、中位、高位和穿透钻孔。

5.2 工作面回采期间瓦斯涌出及产量情况

通过上述措施的瓦斯抽采，取得了良好的瓦斯抽采效果，确保了工作面的安全生产。正常生产时工作面供风量7 600 m3/min，工作面回采初期回风瓦斯浓度较高，为0.3%～0.5%，风排瓦斯量为20 ～35 m3/min，后期工作面进入正常后回风瓦斯浓度基本稳定在0.1% ～0.25%，风排瓦斯量为20 ～35 m3/min。回采期间工作面抽采瓦斯量变化加大，为10 ～30 m3/min，其中顶板走向高位千米钻孔抽采量开采初期受到裂隙发育不充分等因素影响较低，抽采量为5 ～10 m3/min，后期抽采量逐渐加大，稳定在10 ～20 m3/min。密闭插管瓦斯抽采明显低于高位千米钻孔瓦斯抽采，抽采量稳定在5 ～10 m3/min。

通过风排和抽采相结合的方式，实现了该工作面的安全高效开采，工作面正常日产量为8 000 ～12 000 t，最大日产量达14 000 t，获得了显著的经济、社会效益。

6 结 论

（1） 晋城井上下联合抽采模式体现在采前、采中和采空区抽采，采前主要采用地面井、采中主要是地面井卸压抽采和钻孔联合抽采，而采后主要是钻孔抽采。

（2） 通过采用措施的瓦斯抽采，取得了良好的瓦斯抽采效果，确保了工作面的安全生产。回采期间工作面抽采瓦斯量变化加大，10 ～30 m3/min。密闭插管瓦斯抽采明显低于高位千米钻孔瓦斯抽采，抽采量稳定在5 ～10 m3/min。