0 引 言
煤炭是我国的主体能源[1]，随着浅部资源逐渐枯竭[2]，越来越多矿井进入深部开采阶段[3]。深部开采煤层瓦斯含量增大、瓦斯涌出量大幅度增加，矿井瓦斯灾害威胁日益严重。防治煤矿瓦斯灾害的根本方法是瓦斯抽采，其中采动卸压瓦斯抽采方法是高效途径之一，该方法利用煤层开采后覆岩垮落形成瓦斯运储空间进行抽采，主要涉及瓦斯涌出量预测、运储空间圈定、抽采方法确定及施工工艺、抽采效果评判及管理等内容。多年来，国内外学者对深部开采卸压瓦斯抽采所涉及内容进行了大量深入研究。在矿井工作面瓦斯涌出量预测方面，预测方法经历了单因素预测法[4]、分源预测法[5]、多源预测法[6-9]的发展历程。随着影响因素由一元走向多元，算法关系由确定向模糊转变，算法迭代速度及预测精度不断提高。
在卸压瓦斯运储空间圈定方面，主要研究采动裂隙场演化，先后从力学角度提出压力拱、悬臂梁、砌体梁及关键层等理论[10-13]，认为煤层开采后覆岩存在3个不同移动带[14-15]，采动后覆岩裂隙具有“O”形圈[16]、高位环形裂隙区[17]、“回”形圈[18]、“椭抛带”[19]、“∩”形高帽状[20]等分布特征，从面至体对采动裂隙分布特征进行表征描述，并运用钻孔窥视[21-22]、微震监测[23-24]、示踪气体[25]等技术进行了采动裂隙场岩层破坏活动现场监测和裂隙区域测定。
在抽采方法确定及施工工艺方面，按照抽采方式的不同可归纳出巷道抽采法[26]、钻孔抽采法[27-28]和管路抽采法[29]等，其中定向长钻孔以定位精准、角度可调、轨迹可查等优势，伴随着澳钻的应用经验[30]与国产大功率定向钻机的广泛使用，正逐步成为卸压瓦斯抽采的主要方式[31-32]，同时高强度钻杆的投入使用不断刷新大直径钻孔的纪录，显著提高了“以孔代巷”的可行性与工程价值[33-34]。
在抽采效果评判及管控方面，融合新型信息技术的瓦斯抽采智能调控技术正成为当下研究热点[35]。基于无线网络实现抽采系统信息感知[36]；统计监测抽采管网瓦斯浓度、流量、抽采率等指标，运用多层次分析方法建立卸压瓦斯抽采效果综合评价体系[37]；实现了瓦斯抽采管路异常状态的全面诊断分析[38]，抽采参数的阀门控制调节[39-40]。
综上所述，众多学者在各研究领域取得了丰硕成果，然而随着人工智能、5G通信的高速发展，精准已成为卸压瓦斯抽采的必然趋势，但目前深部开采卸压瓦斯精准抽采整体框架却还未进行有效梳理与总结，未能完全构建一套采动卸压瓦斯抽采体系。笔者以国内外研究进展为基础，结合课题组多年研究成果，阐述了深部开采卸压瓦斯精准抽采内涵，构建出卸压瓦斯精准抽采体系框架，探讨了相应的关键科学问题，现场实践了卸压瓦斯精准抽采工程。
1 卸压瓦斯精准抽采体系内涵及框架
1.1 体系内涵
深部开采卸压瓦斯精准抽采借助大数据、云计算、区块链、人工智能、5G通信、物联网等新一代信息技术，融合地质勘探保障技术、协同抽采机制、多相多场耦合理论及灾害防控预警模型，应用互联网+现场监测监控、物理/数值模拟、基础试验、工程实践及理论分析的“五位一体”研究方法，实现瓦斯高效绿色安全抽采，满足新时代环境保护、资源需求、安全开采要求的煤与瓦斯共采模式。我国未来发展主题是推进社会各层次的高质量发展，由规模扩张的发展模式全面转向更加注重质量、效率、效益的发展。采动卸压瓦斯精准抽采从我国瓦斯抽采的基本现状出发，核心是“精准”，包含“精确度”“准确度”和“精细度”3个含义，分别从正确程度、误差程度和丰富程度来综合表征。“精确度”保障抽采体系各环节的正确性，“准确度”降低抽采体系各环节运行结果的离散性，而“精细度”体现抽采体系各环节内容的全面性和严密性。最终建立煤层瓦斯含量测定、瓦斯涌出量预测、瓦斯储运区辨识圈定、抽采方法确定、抽采参数设计、抽采工程施工、计量监测评价及调控等采动卸压瓦斯全环节抽采(图1)，针对卸压瓦斯抽采全域全流程，应实现技术、工艺及方法的精确、准确，管理过程的精细。
图1 采动卸压瓦斯精准抽采体系内涵
Fig.1 Connotation of accurate gas drainage system with mining pressure relief
1.2 体系框架
卸压瓦斯精准抽采的体系框架以瓦斯治理高质量发展作为指导，包括关键问题、主要内容、重点技术、方法手段、工程实践等5个层级，如图2所示。该框架以精准抽采关键问题为核心，包括瓦斯涌出量精准预测、高效抽采区域精准辨识、抽采工程精准设计施工、精准抽采调控等方面。
图2 深部开采卸压瓦斯精准抽采体系框架
Fig.2 Framework of accurate gas drainage system with deep mining-induced pressure relief
瓦斯涌出量精准预测为卸压瓦斯抽采工程提供设计基础，高效抽采区域精准辨识明确抽采目标靶心，抽采工程精准设计施工提高卸压瓦斯抽采的精确度和准确度，精准调控对整个卸压瓦斯抽采效果进行精细管控，四者相互衔接。主要内容作为整个框架基石，是对4个关键问题的深入延展，重点技术、手段与方法是实现精准抽采体系的依托和途径，工程实践体现整个体系应用效果验证。
2 卸压瓦斯精准抽采关键问题
2.1 卸压瓦斯涌出量精确预测
瓦斯涌出量预测作为矿井瓦斯抽采设计的基础与依据，预测的精度直接影响瓦斯抽采方法、抽采参数及抽采工程的可靠度和效果。
瓦斯涌出量预测方法可以总结为一个基本的箱体模型，如图3所示。模型输入端为瓦斯涌出量影响因素，箱体为算法，输出端为瓦斯涌出量预测结果。
图3 瓦斯涌出量预测箱体模型
Fig.3 Prediction box model of gas emission rate
最早广泛应用于矿井瓦斯涌出量预测的矿山统计法、瓦斯含量参数预测法，输入端分别为开采深度和煤层瓦斯含量，以数理统计为基础，通过统计瓦斯涌出量与开采深度、煤层瓦斯含量的变化规律，最终得到箱体系统的传递函数，用以计算新采区或工作面的瓦斯涌出量，此方法所需基础输入数据较少、易操作性强，但精度较低。
随着研究不断深入，瓦斯涌出量预测考虑了地质构造、采煤与顶板控制方法、生产工序、产量、通风方式等影响因素，预测模型由一元向多元发展，箱体算法也向多元回归进化。近年来，由于神经网络、遗传等深度学习算法的引入，将不同影响因素特征组合与不同深度学习算法融合，以进行瓦斯涌出量预测，预测结果精度不断提高。
从预测模型的基本结构可以看出，提高瓦斯涌出量的预测精度需要从输入端和箱体算法两方面入手。目前算法精度已取得明显进步，但输入基础数据的准确度及测量方法的研究却需要进一步提高，尤其是要强化研究深孔取样[40]、原位测量[41]等方面技术，以提高瓦斯含量、地质构造等影响因素数据的准确程度。
2.2 卸压瓦斯高效抽采区域精准辨识
工作面回采过后上覆岩层受采动影响垮落会形成裂隙带，研究表明采动裂隙带是卸压瓦斯主要的运移和存储区域，是一个不断动态变化的分域体，从三维构型看可视为椭圆抛物带(工程简化为梯台带)，全面掌握采动裂隙场的形态演化规律和精准判定裂隙带区域的物理边界，为抽采系统的准确高效布置提供了最根本的理论指导。
卸压瓦斯高效抽采区域精准辨识由理论推导、试验模拟和现场反演3个部分构成，其流程如图4所示。首先根据工作面煤层赋存及开采参数，根据经验公式、理论模型计算确定煤层采动覆岩垮落带、裂隙带范围。其次，开展大型三维物理相似模拟试验或全尺度数值模拟，研究覆岩应力分布、位移、裂隙发育演化规律，基于分形理论和断裂力学等精细表征裂隙场形态，提出卸压瓦斯运移储集区域判定准则，确定卸压瓦斯高效抽采区域边界。再次，通过钻孔窥视、微震监测或钻孔抽采规律对工作面回采期间的覆岩移动破坏进行监测，真实反演采场覆岩裂隙演化过程及定量化参数。最终，对比分析3种手段得到的最终结果，依据每种方法的误差范围及精准程度完成加权计算，获得采动卸压瓦斯运移储集空间区域，实现卸压瓦斯高效抽采区域的精准辨识。
图4 卸压瓦斯高效抽采区域精准辨识
Fig.4 Accurate identification of pressure relief gas efficient extraction area
卸压瓦斯高效抽采区域精准辨识受覆岩岩性、厚度、采高、推进速度、风量等多种因素影响，核心是明确三维空间高温、高应力、高渗透压等因素影响下采动应力场、裂隙场、瓦斯场、渗流场等多场耦合规律，从而准确定量瓦斯抽采参数。
2.3 卸压瓦斯抽采工程精准设计施工
卸压瓦斯抽采方式主要包括钻孔抽采及巷道抽采，设计施工包括合理层位、巷道/钻孔参数、施工参数、密闭/封孔参数、抽采参数、管路参数等内容，如图5所示。
图5 卸压瓦斯抽采工程精准施工设计
Fig.5 Accurate design and construction of pressure relief gas drainage engineering
合理层位是瓦斯抽采工程设计需要确定的首要参数，由钻孔/巷道距离煤层的垂距和至回风巷的平距组成。钻孔/巷道的布置层位要处于第2.2节确定的瓦斯高效抽采区内，具体空间位置可采用Fluent、COMSOL数值模拟结果分析计算得出。
钻孔抽采工程主要包括孔径、长度、搭接距离、倾角/方位角、数量等参数，巷道抽采工程主要包括断面尺寸、长度等参数。钻孔搭接距离主要考虑钻孔长度、有效抽采距离等，在前组钻孔进入衰退期后至失效期前本组钻孔开始抽采，以保证抽采效果的连续性；巷道长度要求抽采范围覆盖整个工作面，以满足瓦斯治理需求。钻孔孔径、数量以及抽采巷道断面面积根据卸压瓦斯涌出量的预测进行抽采能力核定来计算，以控制隅角、工作面及回风巷等瓦斯浓度。
目前施工卸压钻孔主要有普通钻机和定向钻机，前者施工的常规高位钻孔存在有效抽采段小、层位定位不准、抽采效果不稳定等问题；后者施工高位长钻孔来抽采卸压瓦斯，可控制钻孔轨迹、提高钻孔利用率，是今后发展的主要方向。抽采巷道的支护方式则要考虑所在层位围岩性质。钻孔合理封孔深度、封孔方式以及抽采巷道密闭方式的选择需要参考钻孔及巷道周围煤岩体松动圈的分析计算结果。
钻孔或巷道的抽采流量和负压的设计需要在满足相关规程规定的基础上，尽可能选用高性能抽采泵以提高瓦斯抽采浓度和安全性。整个抽采网路的管径、材质和连接方式的选择则要从满足防爆要求和减小抽采阻力角度出发。
卸压瓦斯精准抽采工程未来的主要发展方向和手段是大直径定向钻孔，因此长钻孔动态密封及钻进护孔技术等研究方向仍需深入探究，以延长抽采周期，保证抽采效果。
2.4 卸压瓦斯抽采精准调控
卸压瓦斯抽采钻孔精准调控对提高矿井瓦斯抽采系统的效率和能力至关重要，主要由抽采数据动态感知、抽采效果评价及抽采系统决策与调控等部分组成。
抽采数据动态感知是结合5G技术在矿井抽采系统的深度融合与应用，开发高精度监测传感器，利用其低延时、高传输速率的特点实时获取抽采管网瓦斯流量、瓦斯体积分数、CO体积分数、温度、负压、阀门开度等管路抽采状态参数，实现抽采钻孔、管网节点以及整个矿井抽采系统信息的动态感知。
抽采效果评价及管网优化基于实时监控数据和地质基础数据建立瓦斯抽采系统数据库，通过海量数据的训练使机器学习算法不断迭代升级，从而构建瓦斯抽采综合评价模型，运用瓦斯监测调控云平台模块换算抽采评判效能。旨在通过内嵌自迭代评判模型提取瓦斯动态参数的异常特征，综合各工作面监测点瓦斯浓度数据实现抽采系统的工况参数实时匹配最佳目标的要求。
抽采系统决策与调控的主要功能是反馈控制抽采系统节点、调节终端完成抽采参数修正，开发基于物联网的管道调节控制阀门，实现动态分配抽采单元钻孔负压和控制钻孔集水器及时排水，保障瓦斯抽采系统始终运行在安全、高效、能耗最优的状态，如图6所示。
图6 卸压瓦斯抽采精准系统调控
Fig.6 Accurate control diagram of pressure relief gas drainage system
2.5 卸压瓦斯精准抽采管控云平台
卸压瓦斯精准抽采云平台分为感知层、网络层、平台层、应用层4个层级，利用高清红外监控、高精度测控仪表、无线传输终端、智能控制设备等，搭建矿井低延时、大数据流、动态反馈的数据感知系统。充分发挥基于WiFi6和5G技术的组合优势，将瓦斯地质数据、采空区探测数据、钻孔巷道施工数据、瓦斯抽采数据等多源、多空间、多维度海量数据上传至云端数据库，进行深度挖掘。
通过融合互联网、大数据、智能分析、仿真建模等前沿技术，内嵌瓦斯精准预测模型、施工质量评价管理模型、瓦斯抽采高能评价模型、智能动态调控模型，建立聚合实时监控、预报预警、进度管理、可视化展示、动态更新等功能为一体的卸压瓦斯精准抽采云平台。借助AR、VR、多媒体大屏、手机App，实现瓦斯地质透明显示及预警、采空区瓦斯高效抽采区动态演化三维显示、钻孔施工过程实时监测与施工质量评价、瓦斯抽采效果动态更新(图7)，最终完成全面全方位监控、智能运维、辅助决策、全链条追溯与监管、可视化运营管理，促进瓦斯治理与管理高质量发展。
图7 卸压瓦斯精准抽采云平台
Fig.7 Accurate cloud drainage platform for pressure relief gas
卸压瓦斯精准抽采管控云平台作为卸压瓦斯精准抽采的控制中枢，目前各类设备硬件的发展已逐步成熟与完善，亟需软件生态系统的开发与构建。
3 工程实践
3.1 工作面概况
山西某矿试验工作面主采石炭系上统太原组下段15号煤层，煤层平均倾角7°，平均煤厚5.2 m，采高4 m，采用走向长壁后退式机械化采煤法沿顶板一次采全高。煤层直接顶为泥岩，直接底为铝质泥岩，基本顶为K2石灰岩，基本底为泥岩。工作面走向长度2 081 m，倾向长度180 m，采用U型通风，设置进风巷、回风巷及高抽巷3条巷道。工作面相对瓦斯涌出量7.8 m3/t，瓦斯压力0.45 MPa。
3.2 卸压瓦斯精准抽采体系应用
1)根据工作面瓦斯地质数据，利用BP神经网络与卡尔曼滤波融合的瓦斯涌出量模型[42]预测了日产量3 500～5 500 t时工作面绝对瓦斯涌出量范围为69.35～90.16 m3/min。
2)基于采动裂隙椭抛带理论模型和瓦斯卸压运移“三带”理论[43]，结合物理相似模拟试验、现场微震监测与微震监测反演结果，确定该试验工作面距煤层顶板垂向12～35 m处的椭抛带范围为卸压瓦斯高效抽采区域。
3)由矿井抽采能力核定计算确定采用走向高抽巷和顶板定向长钻孔协同进行采空区卸压瓦斯抽采。高抽巷布置于椭抛带上部，与煤层顶板垂距30 m，与回风巷平距25 m。定向钻孔布置于椭抛带下部，与煤层顶板垂距12～25 m，与回风巷平距8～20 m(图8)。
图8 定向长钻孔施工设计效果
Fig.8 Design effect of directional drilling long hole
4)采用Fluent数值模拟试验，建立高抽巷与长钻孔协同抽采数值模型(图9)，模拟不同抽采负压条件下高抽巷及定向长钻孔的抽采效果，最终确定两者协同作用条件下高抽巷及定向长钻孔合理抽采负压分别为2 kPa和20 kPa，工作面合理配风量为2 600 m3/min。
图9 高抽巷与长钻孔精准抽采数值模型
Fig.9 Numerical model of high drainage roadway and long borehole accurate drainage
5)综合考虑试验工作面地质条件与钻机爬坡角度，设计每个钻场间距400 m，钻孔搭接距离50 m，设置5个钻场即可满足整个工作面全生命周期的瓦斯抽采需求。施工完成后，经过对比分析钻孔设计与施工轨迹，得到钻孔实测偏移量在2 m以内(图10)，实现了钻孔的精准设计与施工。
图10 定向钻孔施工轨迹偏移量
Fig.10 Offset of the construction track of directional drilling
6)利用矿井瓦斯信息监控平台持续对1号钻场各定向钻孔抽采浓度进行持续监测计量，得到随着工作面推进各钻孔瓦斯抽采浓度与钻孔垂距呈正相关关系(图11)，即垂直层距越大其抽采瓦斯浓度越高。单孔抽采生命周期分为前200 m高位振荡和后100 m连续衰减区2个时期。终孔垂距前200 m范围内，1号钻孔垂距平均为17.92 m，瓦斯抽采体积分数为30.56%～54.00%；3号钻孔垂距平均为15.04 m，瓦斯抽采体积分数为11.55%～40.06%。
图11 1、3号钻孔全生命周期瓦斯抽采浓度变化规律
Fig.11 Variation law of gas drainage concentration of No.1 and No.3 boreholes during the whole life cycle
3.3 抽采效果考察
高抽巷平均瓦斯抽采体积分数30%以上，抽采纯量50.28～75.15 m3/min。长钻孔全生命周期内平均瓦斯抽采体积分数23%以上，平均抽采纯量4.49 m3/min(图12)。
图12 卸压瓦斯抽采效果考察
Fig.12 Effect of pressure relief gas drainage
通过应用走向长钻孔与高抽巷协同抽采技术、采取了有效的瓦斯控制技术措施，保证工作面、上隅角、回风巷最大瓦斯体积分数均控制在1%以内(图13)，保障了高瓦斯大采高煤层工作面安全高效生产，为高瓦斯大采高煤层开采卸压瓦斯安全智能精准抽采奠定了基础。
图13 上隅角及回风巷瓦斯浓度
Fig.13 Gas concentration in upper corner and return air way
4 结 论
1)采动卸压瓦斯精准抽采包含“精确度”、“准确度”和“精细度”3个含义，围绕卸压瓦斯抽采全域全流程，从正确程度、误差程度来综合表征技术、工艺及方法，从丰富程度来表征管理过程。
2)构建了包括深部采动卸压瓦斯抽采关键问题、主要内容、重点技术、方法手段、工程实践5个层级的精准抽采体系。
3)明确了卸压瓦斯涌出量精准预测、高效抽采区域精准辨识、精准抽采工程精准设计施工、精准调控及管控等关键问题的主要内容、现状及发展趋势，并在试验工作面实践了采动卸压瓦斯精准抽采瓦斯技术，确定了走向长钻孔与高抽巷的关键抽采参数，取得了良好抽采效果。
致谢：衷心感谢中国工程院院士钱鸣高教授对研究工作的指导；感谢国家自然科学基金重点项目“深部开采采空区覆岩卸压瓦斯精准抽采基础研究”项目组研究团队成员：河南理工大学高建良教授、杨明教授、刘佳佳副教授；西安科技大学潘红宇教授、刘超教授、肖鹏教授、丁洋老师、双海清副教授、孔祥国副教授、张超副教授、严敏副教授等所做的工作和支持；感谢西安科技大学薛俊华教授、张天军教授等对论文提出的宝贵意见。
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