0 引 言
淮南矿区地处平原，埋藏深(300 ～1 500 m)，开采煤层多(10 ～19 层)，地压大(700 m 以下进入高地应力区)，瓦斯含量高(12 ～26 m3/t)、压力大(6.7 MPa)，煤体松软(坚固性系数0.2 ～0.8)、透气性差(渗透率0.001×10-3μm2)，是突出煤层群复杂开采条件的典型代表。 相对单一煤层，突出煤层群具有不同厚度、远近距离、突出危险等多样赋存特点，安全高效开采难度大。 随着开采深度增加，作为保护层开采的非突出煤层也升级为突出煤层，安全高效开采问题愈加突出。
针对突出煤层群安全高效开采，袁亮等[1-3]提出泄压开采抽采瓦斯理论，建立了煤与瓦斯共采技术体系，指出深部煤层应坚持地面和井下相结合的“两条腿走路”的煤与瓦斯共采模式；郝殿等[4]考察了未采动区地面钻井压裂增透范围及抽采效果；杜新锋等[5]提出了多煤层瓦斯分层控压合层排采技术，并研制了合层抽采泵、封隔器、排采监测设备等配套装备；张农等[6]研究了采空侧顶板预裂泄压机理，提出整体强化的沿空留巷结构控制原理；王国法等[7-8]提出支架适应围岩失稳的“三耦合”设计方法，研发出不同厚度煤层开采成套技术与装备；李国富等[9-10]创立了规划、准备、生产三区联动立体抽采瓦斯模式。 尽管如此，突出煤层群开采仍存在突出危险保护层工作面自身消突、近距离煤层群多源瓦斯治理、远距离被保护层瓦斯泄压、多煤层多头面生产组织等安全高效开采问题。 因此，通过总结淮南矿区开采实践，从瓦斯治理方法、开采关键技术和生产组织方式等方面形成突出煤层群安全开采技术体系，并针对深部开采面临的安全、技术、经济问题提出未来创新方向。
1 突出煤层群安全高效开采技术体系
1.1 煤与瓦斯共采模式
煤与瓦斯共采的核心是“无煤柱开采保护层，立体抽采瓦斯，泄压开采被保护层”，即：根据煤与瓦斯赋存条件，选择赋存相对稳定且厚度较薄的非突、弱突煤层作为保护层开采，采动使其邻近强突煤层所处的地应力得以释放，煤层透气性增强并释放出瓦斯，然后通过采动裂隙与抽采巷、钻孔、钻井等抽采瓦斯，大幅降低瓦斯含量、压力，消除突出危险，达到区域性治理瓦斯目的。
常规煤与瓦斯共采模式有开采下、上保护层2种。 其中：开采下保护层模式中，被保护层在保护层开采形成的裂隙带内，地面钻井(或高抽巷)直接抽采泄压瓦斯消突(图1a)；开采上保护层模式中，被保护层处于保护层开采形成的地应力降低区内、底板破坏带外，有一定厚度的完整岩层防止泄压瓦斯涌入保护层工作面，但需施工底抽巷及钻孔来抽采泄压瓦斯消突(图1b)。
图1 煤与瓦斯共采常规模式
Fig.1 Common mode of coal and gas simultaneous mining
然而，煤与瓦斯赋存条件千差万别，为满足不同条件安全开采需要，探索出重复开采下保护层远程泄压、近距离开采上保护层抽采、顺序向上(下)开采依次保护3 种改进模式。 其中：
1)重复开采下保护层远程泄压模式。 下保护层与上被保护层层间距过大，连续开采2 层或2 层以上下保护层，扩大采动影响区域，使弯曲下沉带发育至上被保护层，诱使瓦斯解吸并储存于离层形成的顺层张裂隙中，通过提前施工底抽巷和钻孔抽采泄压瓦斯[11]，并在被保护层开采时采取尾抽巷(或地面钻井)、上隅角埋管等方式抽采采空区瓦斯(图2a)。
2)近距离开采上保护层抽采模式。 相比常规的上保护层开采，由于上保护层与下被保护层层间距较小，底板裂隙发育至下被保护层，泄压瓦斯直接涌入上保护层，需要在下被保护层施工底抽巷和钻孔进行采前预抽被保护层瓦斯及采后抽采拦截泄压瓦斯，减少瓦斯涌入保护层工作面[12]，同时利用高抽巷(或地面钻井)、上隅角埋管等方式抽采涌入保护层工作面的瓦斯(图2b)。
3)顺序向上(下)开采依次保护模式。 在突出煤层群的中间有一非突出煤层，将此煤层作为保护层优先开采，然后按顺序向上(下)逐层开采、依次保护，实现“中间来一刀，上下都解放”[13]，但开采每层煤时需治理邻近煤层瓦斯(图2c)。
1.2 开采关键技术
1)无煤柱开采技术。 为使保护层不留设区段煤柱或留设窄煤柱，提出巷旁充填留巷、原巷充填掘巷和留窄煤柱掘巷3 种无煤柱开采技术。 其中：巷旁充填留巷适用于完整顶板，要求充填体“快硬早强终高”，一般1 d 强度不低于3 MPa，最终强度不低于25 MPa[14]；留窄煤柱掘巷用于较完整顶板，要求煤柱宽度不大于8 m，既要确保煤柱具有一定厚度利于巷道维护，又要保证煤柱经历2 次采动破坏失去承载能力，避免对被保护层产生应力集中；原巷充填掘巷即对开采后的巷道进行充填，然后再沿充填体掘进巷道，新掘巷道处于较小压力状态下[15]，用于破碎顶板和深部高地应力巷道。
2)突出危险保护层消突技术。 突出危险保护层工作面分为掘进和开采两部分消突。 由于是无煤柱开采，因此掘进消突对象为非采空区侧煤巷，通过顶(底)板抽采巷对煤巷两侧15 m 范围施工条带穿层钻孔，实施区域消突后再掘进。 开采消突为工作面内煤层消突，利用回风巷、运输巷施工顺层钻孔进行全覆盖消突。
3)岩巷快速施工技术。 软岩巷道选用掘锚一体化钻机，硬岩巷道采用液压钻车配新型煤矿许用三级炸药(安全性能、爆破威力接近煤矿许用二级炸药)施工。 同时引入隧道、地铁施工装备，改进的煤矿硬岩盾构机在张集矿1415A 高抽巷最高月进尺560 m，比钻爆法提高5 倍；优化的煤矿软岩顶管机已完成井下首次试验，目前正在改进完善[16]。
图2 煤与瓦斯共采改进模式
Fig.2 Improved mode of coal and gas simultaneous mining
4)钻孔防喷及增透抽采技术。 研制突出煤层安全钻进防喷装置[17]，如图3 所示，通过封孔套管固定在钻孔尾部，钻机钻杆在套管内钻进，钻孔喷出瓦斯经顶部抽气管路进入抽采系统，喷出煤渣及少量气体经底部软管进入煤气分离装置后，其中的气体再由抽气管路进入抽采系统，煤渣沉积于煤气分离装置内，实现抽采系统主动抽取喷出的煤与瓦斯，从而消除喷孔危害。 实施水力压裂、水力割缝等水力化为主，钻孔掏穴、深孔预裂爆破等为辅的增透综合技术，提高松软、难抽采煤层的透气性；形成“钻到位、管到底、孔封严、水放通”抽采技术，即控制钻孔误差，全程下套管至孔底，注浆封堵钻孔外段围岩裂隙，排除钻孔、管路内积水，保证持续抽采高浓、稳定瓦斯。
图3 钻孔防喷装置
Fig.3 Borehole blowout prevention device
5)地面钻井施工技术。 为防止采动破坏钻井，根据岩层和采动破坏特征分段设计钻井结构，如图4 所示。 地表松散软弱层下双层套管，并深入到基岩坚硬岩层，套管外环间隙注G 级油井水泥固井；被保护煤层顶板10 m 以上下单层套管，并注G 级油井水泥固井；保护层冒落带至被保护顶板10 m 处为抽采泄压瓦斯通道，同时是采动破坏剧烈带，“掏穴”扩孔并下花管，预留破坏空间防止挤压堵塞钻井；保护层冒落带至煤层底板施工裸孔，钻井内积水通过冒落带裂隙渗出，保持抽采通道畅通。
图4 地面钻井结构
Fig.4 Surface drilling structure
6)薄煤层开采装备技术。 薄煤层保护层不同于传统的薄煤层开采，需要保证一定的采高产生采动破坏，因此选用切割能力强的MG2×150/700-WD型采煤机、适应能力好的ZY5000/8.5/17D 型掩护支架和运输能力大的SGZ800/2×400 刮板输送机。同时考虑建立“井下分选就地充填留巷”系统和“工作面分选→采区上(下)山→水平大巷→井筒→地面”相对独立、完整的排矸系统。
1.3 生产组织方式
突出煤层群开采包括保护层和被保护层工作面的瓦斯治理与开采，工程量大、周期长、用人多，需要从时间、空间上合理部署，做到安全、有序、高效生产。 淮南矿区经过多年的生产实践，形成“三区”生产格局，如图5 所示。
图5 突出煤层群生产组织方式
Fig.5 Production organization mode of outburst coal seam group
1)准备区：由保护层工作面准备、被保护层瓦斯预抽和泄压瓦斯治理工程3 个部分组成。 若保护层工作面有突出危险，掘进、开采前必须消突。 需要提前保护层工作面开采2 年准备。
2)治理区：保护层工作面开采分采前、采后瓦斯治理，其中采前主要是顶(底)抽巷施工网格穿层钻孔预抽被保护层瓦斯；采后网格穿层钻孔继续抽采拦截保护层泄压瓦斯，以及高抽巷、尾抽巷、上隅角埋管、地面钻井等综合措施抽采邻近煤层涌入保护层工作面的泄压瓦斯。 一个保护层工作面平均需要开采1.5 a。
3)开采区：主采强突煤层经过区域治理后转入低瓦斯状态，进入安全高效开采，1 a 内采完。
2 典型实例与实施效果
2.1 重复开采下保护层治理瓦斯实例
谢一矿4 煤为强突出煤层，平均厚4.3 m；下伏63.8 m、68.9 m 分别为 3 煤和 1 煤，平均厚 2.8 m 和2.0 m，均为无突出危险煤层。 选择首先开采3 煤，再开采1 煤，重复开采上保护4 煤。 42714 工作面上标高-600 m、下标高-660 m，工作面倾斜长165 m，走向长913 m，平均倾角20°。 回风巷留6 m小煤柱掘巷，实现无煤柱开采。 瓦斯治理巷道布置如图2a 所示，治理方法及效果为：①-660 m 底抽巷网格穿层钻孔，提前3 煤和1 煤开采前施工，沿走向每5 m 布置一组，每组11 个钻孔，孔径113 mm，穿过4 煤至顶板1 m，抽采瓦斯量39.53 m3/min，体积分数45.3%；②尾抽巷，工作面回风巷每隔300 m 左右施工1 条尾抽巷与-600 m 标高4 煤底板巷连接，尾抽巷内施工封闭墙，墙内埋设管路与抽采系统连接，待工作面回采过尾抽巷30 m 后开始抽采，抽采瓦斯量20.81 m3/min，体积分数18.2%；③上隅角埋管，回风巷内安装 ø325 mm 瓦斯管路，每5 m 留设ø250 mm 三通，抽采瓦斯量5.85 m3/min，体积分数5.8%。 工作面绝对瓦斯涌出量72.49 m3/min，抽采瓦斯量66.19 m3/min，抽采率92.7%，配风量2 000 m3/min，回风流瓦斯体积分数在0.31%左右。
2.2 开采近距离上保护层治理瓦斯实例
谢一矿15 煤为弱突出煤层，平均厚0.8 m；下伏15 m 为 13 煤，平均厚 6.5 m，为强突煤层。 选择开采15 煤下保护13 煤。 5131(5)工作面上标高-780 m、下标高-840 m，工作面倾斜长 165 m，走向长2 092 m，平均倾角20°。 运输巷实施原巷充填掘巷，实现无煤柱开采。 瓦斯治理巷道布置如图2b 所示，治理方法及效果为：①工作面两巷顺层消突钻孔，孔间距5 m，抽采瓦斯量1.67 m3/min，体积分数2.0%；②-840 m 底抽巷网格穿层钻孔，沿走向每5 m 布置一组，每组12 个钻孔，孔径113 mm，穿过13 煤至顶板1 m，抽采瓦斯量34.56 m3/min，体积分数42.1%；③-780 m 高抽巷，施工上区段工作面运输巷条带穿层钻孔的顶抽巷兼作本区段工作面的高抽巷，抽采瓦斯量10.15 m3/min，体积分数12.4%；④上隅角埋管，回风巷内安装 ø530 mm 瓦斯管路，每5 m 留设ø325 mm 三通，抽采瓦斯量5.50 m3/min，体积分数6.7%；⑤尾抽巷，布置在工作面开切眼处，工作面回采前施工封闭墙封闭，墙内埋设管路与抽采系统连接，初次来压后开始抽采，抽采瓦斯量 24.29 m3/min，体积分数29.6%。 工作面绝对瓦斯涌出量82.13 m3/min，抽采瓦斯量 76.17 m3/min，抽采率92.7%，配风2 400 m3/min，回风流瓦斯体积分数在0.25%左右。
2.3 开采中间保护层治理瓦斯实例
新庄孜矿10 煤为无突出危险煤层，平均厚0.9 m；上覆30 m 为11 煤，平均厚4.1 m，强突出煤层；下伏35 m 为9 煤，平均厚1.8 m，中等突出煤层。 优先开采10 煤保护层，上保护11 煤，下保护9 煤；11煤泄压后开采，上保护13 煤；9 煤泄压后开采，向下依次开采保护 8、7、6 煤。 62210 工作面上标高-680 m、下标高-780 m，工作面倾斜长 220 m，走向长2 100 m，平均倾角25°。 回风巷进行巷旁充填留巷，实现无煤柱开采。 瓦斯治理巷道布置如图2c 所示，治理方法及效果为：①13 煤底抽巷网格穿层钻孔，走向每 10 m 布置一组，每组 15 个钻孔，孔径113 mm，穿过 11 煤底板，抽采瓦斯 量 32.36 m3/min，体积分数42.2%；②10 煤底抽巷网格穿层钻孔，走向每10 m 布置一组，每组12 个钻孔，孔径113 mm，穿过9 煤底板，抽采瓦斯量10.23 m3/min，体积分数13.4%；③回风巷留巷埋管，干管 ø530 mm，每隔20 m 向采空区内埋设 ø32.5 mm 支管，抽采瓦斯量28.18 m3/min，体积分数36.8%。 工作面绝对瓦斯涌出量76.58 m3/min，抽采瓦斯量70.77 m3/min，抽采率92.4%，配风量2 100 m3/min，回风流瓦斯体积分数在0.28%左右。
2.4 总体实施效果
1)做到“不掘突出头，不采突出面”，突出煤层在有效保护下掘进和回采。 2007 年以来，杜绝了煤与瓦斯突出、爆炸事故，瓦斯超限得到有效控制。2018 年瓦斯超限4 次，其中瓦斯体积分数≥3%高值超限1 次。
2)形成合理有序的“三区”生产格局。 淮南矿区建成张集、顾桥、谢桥3 座千万吨级煤与瓦斯突出井工煤矿，除潘北矿(生产能力240 万t/a)外，均为特大型矿井。 产能由2006 年的3 300 万t 提升至目前的7 000 万 t，提高112%。
3)实现煤与瓦斯共采。 年抽采瓦斯量6 亿m3，平均抽采率63%。 同时建立12 个瓦斯储气罐和8个低浓瓦斯发电站，体积分数大于30%的瓦斯储存供民用，服务6.5 万户居民；体积分数10%～30%的瓦斯用于发电，年发电量4.5 亿kWh。
4)建立技术研发与服务基地。 拥有煤炭开采国家工程技术研究院、煤矿瓦斯治理国家工程研究中心、深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室、煤矿生态环境保护国家工程实验室等4 个创新平台，已有18 项企业标准上升为国家标准，并成立技术服务公司，面向全国煤炭企业提供技术服务。
3 深部突出煤层群开采技术展望
虽然淮南矿区的瓦斯治理成效显著，但为了根治瓦斯，工程量大(开采保护层约300 万m2/a，施工瓦斯治理岩巷500 t/m、抽采钻孔0.5 万t/km)，周期长(从瓦斯治理工程准备到被保护层采完需要4.5 a)，用工多(平均约 5 000 人/矿)，投入大(吨煤成本300 余元，高于全国平均吨煤成本)。 安全和效益是煤炭企业生存之本，面对深部高瓦斯、高突出、高地压、高地温、高水压等日趋复杂的开采条件，迫切需要创新安全高效开采技术。
3.1 探索地面钻井治理灾害新技术
大量职工集中在狭小的巷道里面对危险源作业，稍有疏忽极易造成重大事故，因此煤矿灾害治理必须远离危险源，最好在地面治理。 地面多分支水平定向钻井技术已应用于石油、天然气等地下资源开采，但在煤炭行业刚开始试验。 如2013 年，华晋焦煤沙曲煤矿24307 工作面实施地面多分支水平钻井(2 个主支，4 个侧分支)与井下钻孔连通，辐射整个采煤工作面，抽采瓦斯约18 000 m3/d，体积分数达90%以上[18]；2016 年，冀中能源集团邢东矿采用羽状多分支水平钻井(1 个地面主孔，2 个分支水平主孔、22 个近水平羽状分支孔)封堵奥灰岩溶裂隙，注水泥约3 000 t，治理面积2.6 km2，解放煤炭770万t[19]；近年来，淮南矿业集团在顾北矿采用地面J型分支钻井注浆加固顶板、谢一矿试验地面分支钻孔掏煤辅助揭煤等取得一定效果，为地面钻井远程治理煤矿灾害指明了方向，如图6 所示，地面钻井施工4 组水平分支孔，其中2 组为煤层顺层消突钻孔和“以孔代巷”治理保护层瓦斯，另2 组治理其底板灰岩水；被保护层仍采用开采保护层泄压和常规钻井抽采治理瓦斯技术。
图6 地面钻井远程治理煤矿灾害技术
Fig.6 Remote control technology of coal mine disaster by surface drilling
3.2 推广无煤柱无巷采煤新工法
文献[20-21]以其提出的“切顶短臂梁”理论为指导，形成切顶泄压沿空自留成巷无煤柱开采技术，实现开采一个工作面，只掘一条区段平巷，取消区段煤柱。 且无煤柱无巷采煤模式，不仅取消采煤工作面煤巷，缓解采掘接替紧张，提高煤炭资源采出率，还消除煤柱应力集中，解除巷道高应力环境威胁。但该工法不适用于《煤矿安全规程》第九十七条规定的高瓦斯、突出、容易自燃或者自燃煤层的矿井。面临高瓦斯(突出)煤层条件下炸药爆破切顶成巷和易自燃(自燃)煤层条件下沿空成巷防火问题，需要攻关水力切割或CO2致裂等切顶成巷技术，以及切落巷道的喷注隔离等防火技术，以便推广应用。
3.3 研发智能化无人开采新装备
根据2018 年全国煤矿安全基础建设推进大会介绍，全国煤矿采掘机械化程度分别达到78.5%、60.4%，已建成70 多个智能化采煤工作面。 智能化开采尚限于采掘工作面，距智能化煤矿存在很大差距。 因此，需要研发应用采煤、掘进、支护、注浆、打钻、巡检等岗位自动化装备(机器人)，同时融合物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网等技术，形成自我感知、学习、分析、预测、决策、控制的智能系统[22]，然后从采、掘工作面和各个安全生产系统开始，再到采区、水平，最后整个煤矿实现智能化无人开采。
4 结 论
1)提出的重复开采下保护层远程泄压、开采近距离上保护层抽采瓦斯、顺序向上(下)开采依次保护的煤与瓦斯共采改进模式，形成“采前、采中、采后”、“本煤层、邻近层、采空区”、“井下、井上”立体抽采瓦斯技术，适用于不同煤与瓦斯赋存条件下的突出煤层群开采，扩大了开采保护层防治煤与瓦斯突出技术的使用范围。
2)从煤与瓦斯共采模式、配套关键技术和生产组织方式3 个方面构建了突出煤层群安全高效开采技术体系。 经过淮南矿区10 余年的实践检验，做到了“不掘突出头，不采突出面”，突出煤层在有效保护下掘进和回采，瓦斯超限得到有效控制和根本治理，建成张集、顾桥、谢桥3 座千万吨级煤与瓦斯突出井工煤矿，多座特大型煤与瓦斯突出井工矿井，具有典型的示范作用。
3)给出了地面多分支水平定向钻井治理井下瓦斯与水害的技术思路，破解职工直面灾害、矿井接替紧张、用工多等问题；攻关水力切割或CO2致裂等替代炸药爆破切顶成巷技术和切落自成巷道的防火技术，推广无煤柱无巷采煤应用范围，革新采煤方法；以及研发岗位机器人建立采煤、掘进、钻孔自动化作业线，融合网络信息等技术建立安全生产智能系统的智能煤矿建设设想，为深部突出煤层群煤矿少人(无人)开采指明了创新方向。
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