张兆一，硕士，助理研究员，主要从事煤岩瓦斯动力灾害防治、瓦斯智能防控预警、矿山压力与岩层控制等方面的研究，参与国家“十三五”、“十四五”重点研发、国家级安全准入分析验证实验室等项目10余项。发表sci及科技论文10余篇，申请发明专利30余项；先后荣获煤炭工业协会等省部级一等奖2项、二等奖2项、三等奖1项。

主要内容

新景矿是典型的突出煤层群开采，综合运用多种瓦斯治理模式，探索新景矿以保护层开采为主，地面井预抽、穿层钻孔预抽为辅的井上下联合抽采瓦斯区域治理模式，以实现瓦斯多源协同抽采，为阳泉矿区突出煤层群开采瓦斯综合治理提供一种行之有效的思路和实践方案。

1.  保护层开采机理

图  1  保护层开采及抽采方式示意图

2.   多源瓦斯协同抽采关系

1) 地面井预抽目标煤层

图  2  地面井采前预抽保护层煤层瓦斯

2) 地面井抽采与井下多源协同抽采

图  3  地面井联合抽采保护层及被保护层卸压瓦斯

2.   多源瓦斯抽采概况

3.1   煤层赋存情况

表  1  佛洼分区厚度大于0.3 m煤层赋存情况

3.2   瓦斯赋存状况

表  2  新景矿可采煤层瓦斯基础参数

4.   新景矿保护层开采与瓦斯协同抽采

4.1   保护层开采及卸压瓦斯抽采

由于佛洼分区15号煤层是突出危险性最弱的煤层，故选择该煤层作为下保护层开采。开采15号煤层作为下保护层可以依次保护到上部3、8、9号煤层，确定开采顺序为15煤组→3煤组→8/9煤组。

 佛洼分区地面压裂井实施地点在佛洼分区15号煤15132工作面。先利用地面压裂井压裂预抽，累计产气量410万m3。单井压裂水量达2 000 m3以上，压砂量为40 m3以上，属于采前预抽。地面井压裂影响区域巷道掘进期间实拍图如图 4所示。

图  4  地面井压裂影响区域巷道掘进期间实拍图

在工作面回采过程中，15号煤层作为保护层开采，上覆被保护层充分卸压，同时利用地面井作为被保护层卸压瓦斯抽采方式，实现被保护层的卸压瓦斯抽采。

4.2   保护层瓦斯抽采

佛洼分区选取15号煤层作为下保护层开采，其他煤层均未开采。对于15号煤层主要通过穿层钻孔及造穴增透进行消突工作。

佛洼分区15号煤层顶、底(板)岩巷穿层钻孔造穴增透预抽措施如图 5所示，本煤层钻孔抽采回采工作面顺层预抽钻孔措施如图 6所示。进风巷采用底抽巷穿层钻孔造穴增透条带预抽措施；回风巷采用低位抽采巷下向穿层钻孔造穴增透条带预抽措施[22-25]，要求穿层钻孔预抽始终超前煤巷掘进300 m以上，实现连续掘进。

图  5  15号煤层顶、底(板)岩巷穿层钻孔造穴增透预抽措施图

图  6  15号煤层回采工作面顺层预抽钻孔措施图

佛洼分区首采工作面为15121工作面，在佛洼15121回风底抽巷采用穿层钻孔预抽措施超前保护掘进巷道，共施工完成311组，累计施工2 177个钻孔，钻孔工程量为6.8万m，总抽采量316.05万m3。巷道已顺利施工完毕，掘进期间未出现瓦斯异常及动力现象。

在佛洼15124低位抽采巷施工下向穿层造穴钻孔，作为15124回风巷掘进期间区域防突措施。设计钻孔570组，现已施工231组。抽采支管瓦斯浓度(甲烷体积分数，下同)为28%，混合流量为15.10 m3/min，纯流量为4.23 m3/min，日抽采量为6 091.20 m3，累计抽采量254.95万m3。对比造穴前抽采支管纯流量1.86 m3/min，瓦斯抽采量变为原来的2.27倍。

目前15124回风巷已掘进866 m，掘进工作面穿层钻孔144组，穿层钻孔超前回风巷掘进巷道440 m。掘进期间未出现瓦斯异常及动力现象。

图  7  下向穿层造穴钻孔施工现场及抽采设备实物图

图  8  回采工作面顶板低位抽采巷抽采示意图

图  9  回采工作面顶板高位抽采巷布置示意图

在回采期间，顶板低位抽采巷抽采瓦斯纯流量达12.13 m3/min，顶板高位抽采巷回采期间抽采瓦斯纯流量达78.71 m3/min。回采期间未出现瓦斯异常现象。保护层开采前后地面井卸压瓦斯抽采数据对比如图 10所示

图  10  保护层开采前后地面井瓦斯抽采数据对比

由图 10可知，开采保护层后地面井卸压瓦斯纯流量得到大幅度提高。保护层开采前，地面井平均抽采瓦斯纯流量为851 m3/d，保护层开采后地面井平均抽采瓦斯纯流量为1 576 m3/d，保护层开采后抽采瓦斯纯流量是保护层开采前的1.85倍。

5. 结论

1) 新景矿采用“地面井预抽+高(低)位抽采巷”等大区域综合协同瓦斯抽采治理措施，同时采用地面井压裂、机械造穴等增透措施提高抽采效率，瓦斯抽采量达到原来的2.27倍。能够解决佛洼分区大区域突出煤层群瓦斯治理问题。

2) 新景矿通过地面井对保护层超前预抽，结合回采期间通过保护层创造新生裂隙，利用地面井对被保护层进行协同抽采，卸压瓦斯的平均纯流量是保护层开采前的1.85倍。在回采期间利用高、低位抽采巷对本煤层及邻近层涌出瓦斯进行统筹抽采，实现了安全高效回采。