0 引 言
煤炭仍是我国现阶段的主要能源，瓦斯作为煤炭开采的伴生气体，威胁着矿井安全生产，同时瓦斯也是一种清洁资源，直接排放造成能源浪费和空气污染[1]。瓦斯灾害为煤矿生产的主要灾害之一，严重制约着煤矿的安全高效生产[2]。伴随高瓦斯矿井的开拓延深和开采强度的加大，瓦斯涌出量随之增加，实现煤与瓦斯共采是安全高效生产的必然趋势[3]。煤矿井下顺煤层定向钻孔具有轨迹精准可控、钻进深度大、瓦斯抽采效率高等优点，已成为国内外煤矿中硬煤层高效抽采的主要手段[4]。经过多年的研究与发展，从地面打钻孔预抽煤层气或抽取采动区的瓦斯已是我国煤层气开发及煤矿瓦斯灾害治理的一个重要发展方向[5]。针对现有的地面水平定向钻井开采煤层气及煤矿井下钻孔预抽煤层气受时间和空间限制的问题，提出了地面钻井和井下钻孔对接抽采瓦斯技术，并于2012年在沙曲煤矿成功应用[6]。随着开采技术的发展，从煤矿井下瓦斯防治的需要出发，将煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术与水力压裂增透强化抽采技术相结合引入到煤矿井下瓦斯防治领域，用来解决松软煤层透气性差、瓦斯抽采孔成孔性差、抽采距离短、抽采区域小等难题[7]。此外，高瓦斯回采工作面回风隅角和回风巷瓦斯极易超限，往往与采空区瓦斯涌出密切相关[8-9]。
随着矿井开采深度及强度的增加，实施井下煤层气大区域超前治理措施是高瓦斯矿井安全高效生产的发展趋势。近年来，瓦斯抽采工艺、抽采装备及钻进设备不断进步，地面钻孔、区域超长定向钻孔、穿层钻孔等区域瓦斯治理技术得到广泛的应用和推广, 为矿井实施超大区域瓦斯治理技术提供了基础条件。但受瓦斯地质条件影响，我国煤层透气性普遍较低，钻孔抽采衰减系数大，井下钻孔工程量大，抽采达标时间长，矿井抽-掘-采接续容易失调[10-11]。因此，实施超大区域瓦斯治理措施并确保其一定的抽采效果尚需试验研究。以往对高瓦斯矿井区域瓦斯治理技术研究范围一般仅限于1个区段或几个区段，而对于将走向长度大于3 000 m的盘区作为1个超大区域整体进行瓦斯治理的研究尚处于空白。因此，在超大区域瓦斯治理的理念下，研究多措并举的高效瓦斯治理技术，确保高瓦斯矿井在低瓦斯状态下回采，实现矿井安全高效生产，成为亟待解决的问题[12-14]。
1 矿井概况
1.1 基本情况
保德煤矿隶属于神东煤炭集团，位于山西省保德县境内，河东煤田北部。井田面积55.9 km2，含煤地层为石炭二叠系，可采煤层为8、10、11、13号煤层。现仅采8号煤层，属Ⅱ类自燃煤层，煤尘具有爆炸性。矿井采用“平硐+斜井+立井”综合开拓方式，井田划分为5个盘区，设计生产能力5.0 Mt/a。
1.2 瓦斯赋存情况
保德煤矿绝对瓦斯涌出量106.62 m3/min，相对瓦斯涌出量13.16 m3/t，为高瓦斯矿井。目前，8号煤层开采区域瓦斯含量为5～6 m3/t，深部区预测最大瓦斯含量8.02 m3/t，瓦斯含量梯度为2.82 m3/(t·hm)，常压下不可解吸瓦斯含量为0.72 m3/t，瓦斯压力梯度0.50 MPa/hm，煤层透气性系数0.17～0.8 m2/(MPa2·d)。
1.3 瓦斯治理存在的难题
保德煤矿8号煤游离瓦斯占比高、抽采浓度衰减快，有效预抽期短，抽采达标需要时间较长；矿井开采强度大，容易造成工作面瓦斯超限；矿井盘区大，工作面走向长度普遍超过3 000 m，常规钻孔效率低，易造成抽-掘-采失衡，矿井出现生产接续紧张的局面。为有效治理矿井瓦斯，实现安全高效生产，经多年探索，保德煤矿逐步形成了以“大范围区域预抽为主，局部治理为辅”的综合瓦斯防治技术体系。
2 超大区域瓦斯治理技术
2.1 超大区域瓦斯抽采方案
根据区域超前预抽时间和钻机钻进能力，保德煤矿制定了超大区域瓦斯治理方案。
1)井上井下联合抽采瓦斯技术。针对10年以上的超长开采周期区域，采用井上井下联合大区域预抽。借鉴煤层气开发经验，采用地面U型水平井对接开采技术，同时井下定向长钻孔与水平井实现远端对接，利用井下负压抽采，形成了井上井下联合超前大区域瓦斯治理技术。井上井下联合排采示意如图1所示。
图1 井上井下联合排采示意
Fig.1 Schematic of combined drainage and production
2)盘区超大区域预抽瓦斯技术。针对5～10年开采周期的区域，盘区大巷形成后，在大巷单侧或两侧施工超长定向钻孔，预抽整个盘区煤层赋存瓦斯，实现盘区内瓦斯超前防治。盘区走向长度3 300～3 350 m，单侧布置钻孔孔深约3 300 m，贯穿整个盘区。双侧布置钻孔孔深约1 800 m，预留200 m左右的重叠区域。盘区大区域超前预抽，钻孔预抽时间长，单孔利用率高。盘区超前大区域预抽钻孔布置如图2所示。
图2 盘区超前大区域预抽煤层气钻孔布置
Fig.2 Layout of the pre-drained coal seam gas boreholes in the large area ahead of the panel
3)主巷大区域超前预抽瓦斯技术。针对3～5年开采周期的区域，将上部已掘巷道作为预抽主巷，向下部煤巷待掘区域施工顺层定向多分支羽状钻孔，每150～200 m布置1个钻场，钻孔覆盖待掘煤巷下侧16 m，孔间距8 m，对煤巷待掘区域煤层气进行大范围超前预抽，掘前预抽期在6个月以上。钻孔布置如图3所示。
图3 巷道主巷下行多分支定向钻孔布置
Fig.3 Layout of multi-branch directional drilling downwardly in main roadway
4)综采工作面大区域递进式预抽瓦斯技术。针对2～3年开采周期的区域，在工作面辅助运输巷布置半扇型递进式超长定向钻孔，单孔长度1 500 m，钻孔终孔间距20 m，代替本煤层密集短钻孔，可有效减少工作面钻孔施工量，实现高效超前预抽。综采工作面大区域递进式钻孔布置如图4所示。
图4 综采工作面大区域递进式预抽钻孔布置
Fig.4 Layout of progressive pre-drainage boreholes in a large area of a fully-mechanized mining face
5)采空区平衡卸压技术。受采掘活动影响，采空区内积聚的高浓度瓦斯向采掘空间运移[15-16]，导致作业空间内瓦斯涌出异常。保德煤矿根据采空区顶板采动裂缝带高度，结合已采工作面采空区采动“O”形圈理论，在综采工作面运输巷布置大直径定向高位钻孔，每4个钻孔为1组，单孔长度600～700 m，覆盖3个已采工作面采空区，拦截采空区内涌出的瓦斯。已采工作面采空区平衡卸压高位钻孔布置如图5所示。
图5 已采工作面采空区高位钻孔布置示意
Fig.5 Schematic of layout of high-level drilling holes of mined face
2.2 超大区域瓦斯高效抽采技术
1)高效封孔技术。抽采钻孔封堵质量是影响抽采效果的决定性因素，良好的封孔质量不仅与抽采钻孔周围煤岩体力学状态密切相关，更取决于封孔材料以及封孔工艺参数[17-20]。根据抽采范围、钻孔长度和预抽时间，采用增大注浆压力和“两堵两注”的工艺方法进行封孔。超大区域预抽钻孔封孔长度大于30 m，钻孔封孔侯凝时间大于48 h。通过优化封孔工艺、加长封孔深度和封孔长度，可有效提高钻孔瓦斯抽采效果。
2)定向长钻孔控压排采技术。采用定向长钻孔预抽煤层气，煤层快速降压引起储层变化，加上钻孔煤粉堵塞，直接导致钻孔可抽采时间缩短、抽采量及抽采半径减小。为提高抽采的连续性、稳定性，在抽采初期，通过井下阀门控压技术，实行正压排采，均衡降压到合理的储层压力。
3)钻孔精准对接技术。采用高精度磁定位点对点对接连通技术实现井下钻孔精准对接。该技术借助人工营造的磁场作为信标，通过测量磁场矢量参数，计算出钻孔轨迹，对钻头所处位置进行精确定位，提前预知方位及顶角误差，及时纠斜，达到一次中靶的目的。技术特点是在小范围内采用人工磁信标所构筑的人工磁场进行测距，其强度比天然磁场强数十倍至数百倍，强磁信号可穿透地层数十米，确保接受探管能捕获信号，测距范围可达40～45 m。
4)定向钻孔分段压裂增透技术。采用井下定向长钻孔分段压裂增透技术，并优化分段压裂工艺参数，大幅增加了抽采煤层的透气性，提高了定向长钻孔瓦斯抽采效果。通过对定向长钻孔分段压裂增透，增大瓦斯运移通道，并进一步加速瓦斯解吸，实现了高瓦斯矿井煤层气大区域超前高效抽采，从而减少瓦斯抽采钻孔工程量，减少瓦斯防治整体时间和工程的投入，有效保证了矿井正常的采掘接续。
5)定向钻场在线监测技术。为保证定向长钻孔的抽采效果，在抽采钻孔连接抽采主管处安设瓦斯抽采在线监测系统，实时监控定向长钻场的抽采浓度、流量等参数，实行智能化管控。抽采效果较差的钻孔进行排查，分析原因，必要时重新补打钻孔，保障了区域抽采效果。
3 瓦斯治理效果分析
3.1 井上下联合正压排采
保德煤矿在三盘区二回20联络巷钻场位置向“U”形井方位施工长距离定向钻孔，实现了定向钻孔和“U”形井的精准对接。通过控压排采，2019年10月—2020年1月统计瓦斯抽采浓度和纯瓦斯流量(图6)，确保瓦斯排采效率最大化。
图6 “U”形井对接钻孔抽采数据观测
Fig.6 Data observation of “U” type well docking hole drainage
分析可知，瓦斯抽采体积分数为70%～90%，钻孔纯瓦斯流量为1.9～3.6 m3/min，日产气量控制在2 700～3 300 m3，估算产期周期控制在10年。井上井下联合治理瓦斯技术实现了大区域煤层气超前预抽，减少了井下钻孔数量，降低了瓦斯治理成本。
3.2 超大区域预抽采效果分析
保德煤矿在五盘区大巷施工3组超长定向大直径长钻孔，钻孔孔径120 mm，主孔深度分别为2 311、2 570、3 353 m，对二盘区煤层气超前治理。其中3 353 m超长钻孔贯穿整个二盘区，钻孔施工轨迹如图7所示。经统计2019年8—12月3353 m超长定向钻孔抽采数据可知，标况下钻孔抽采瓦斯纯量最大为3.68 m3/min，日产气量3 500～5 000 m3，如图8所示。实践证明，长钻孔持续抽采时间长，日产气量大，钻孔衰减不明显。
图7 超长定向钻孔施工轨迹
Fig.7 Construction track of super long directional drilling
图8 3 353 m超长定向钻孔抽采数据观测
Fig.8 Data observation of 3 353 m super-long directional borehole drainage data
为进一步研究盘区贯穿钻孔抽采影响因素，保德煤矿对单侧抽采与两侧对抽效果进行分析，对2020年1—4月纯瓦斯流量进行观测(图9)。
图9 超长定向钻孔单双侧抽采对比
Fig.9 Comparison of single and double side drainage of super-long directional drilling
五盘区单侧抽采平均体积分数为67%，平均纯量为1.77 m3/min；三盘区单侧抽采平均体积分数为66%，平均纯瓦斯量为2.55 m3/min；两盘区同时对抽平均体积分数63.6%，平均瓦斯量为4.07 m3/min。研究表明，两侧对抽效果明显优于单侧抽采，对抽纯瓦斯量是单侧抽采之和的1.08 倍。
3.3 大区域超前预抽采对巷道掘进的影响
保德煤矿81309工作面运输巷约590 m未实施大区域预抽瓦斯措施，仅采用常规短钻孔掘前超前预抽措施，掘进期间回风流中最大瓦斯体积分数分布情况如图10所示。在超大区域预抽范围掘进时回风瓦斯体积分数较常规预抽措施下有了大幅下降，回风最大瓦斯体积分数在0.5%以下，瓦斯治理效果显著，保障了煤巷安全高效掘进。
图10 掘进期间回风流中最大瓦斯体积分数分布
Fig.10 Distribution of maximum gas volume fraction in return air flow during excavation
3.4 综采工作面大区域超前抽采效果分析
保德煤矿采用ZDY-12000LD型定向钻机在81311辅助运输巷19联络巷布置钻场，施工6个主孔、7个分支孔，单孔长度为1 500 m，共计钻孔长度19 500 m，代替本煤层预抽钻孔，对81311工作面煤层气超前预抽。2019年4月至2020年3月期间的钻孔纯瓦斯流量如图11所示。
图11 区域预抽钻孔抽采纯瓦斯量随时间的变化关系
Fig.11 Relationship between the pure gas drainage of regional pre-drainage boreholes and time changes
抽采初期，定向长钻纯瓦斯流量相对较低，随着抽采时间的延长，钻孔纯瓦斯流量逐渐增大，抽采8个月后达到最大值2.66 m3/min，然后逐渐趋于稳定。进行1年的观测，钻孔累计产气量约101万m3，本煤层预抽率为12.3%，节省常规密集钻孔4万m，节约了抽采成本。
3.5 采空区大区域高位钻孔抽采效果分析
采用长距离定向高位钻孔大区域抽采已采工作面采空区内瓦斯，抽采瓦斯体积分数13%～17%，持续时间约6个月以上。实施采空区大区域平衡卸压抽采后，工作面回风侧的瓦斯体积分数明显降低，回风隅角体积分数小于1%，已采工作面采空区向邻近采区及工作面涌出瓦斯量大幅度减少。
3.6 超大区域瓦斯综合治理效果
实施井下大区域超前预抽和采空区平衡卸压抽采综合瓦斯治理措施后，瓦斯预抽率大于30%，工作面回采前煤层可解吸瓦斯含量在4 m3/t以下，采掘前工作面均实现了瓦斯抽采达标；工作面回采期间瓦斯抽采率在70%以上，矿井瓦斯抽采率50%以上，杜绝了瓦斯超限现象；采掘工作面最高月产量达80万t，掘进工作面单进提高到560 m/月，彻底解决了抽-掘-采紧张局面，实现了高瓦斯矿井长周期安全高效生产。
4 结 论
1)保德煤矿开辟了高瓦斯矿井超大区域瓦斯治理模式，形成了多措并举的瓦斯治理新途径。根据待抽区域范围大小及预抽时间不同，形成了井上井下联合抽采、盘区超大区域预抽、掘前母巷预抽和采前工作面递进式预抽的高瓦斯矿井大区域超前瓦斯治理和采空区平衡卸压抽采工艺技术。其中，超长抽采时间大于10年，超大区域范围最大走向长度3 350 m。
2)超大区域瓦斯治理技术措施确保了矿井安全高效生产。实施大区域瓦斯治理技术措施为煤层气预抽提供了充裕的时间空间，煤层气预抽率大于30%，工作面采掘前预抽煤层气达标；采掘工作面月产量达80万t，掘进工作面月单进尺560 m以上，彻底解决了抽-掘-采紧张局面；采空区大范围平衡卸压抽采能有效拦截采空区瓦斯涌入采掘空间，杜绝了瓦斯超限现象，实现了矿井生产全过程瓦斯抽采达标。
3)超大区域瓦斯治理技术具有显著的安全保障和经济效益，可为同类矿井提供有益借鉴，并为今后相关技术的不断完善提供基础参考。为超大区域瓦斯治理技术实施提供基础支撑的定向长钻孔抽采关键参数以及分段压裂增透技术优化等将是今后深入研究的方向。
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