突出煤层群井上下联合抽采防突模式与关键技术

张永将 ，邹全乐 ，杨慧明 ，陈子涵，曹建军，程志恒

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037；3.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400044；4.重庆大学 资源与安全学院,重庆 400044；5.华北科技学院 安全工程学院,河北 燕郊 065201)

煤炭是我国兜底能源，2011 年以来，煤炭占我国能源生产和消费总量比例始终保持第1。2021 年全国能源消费总量为52.40 亿t 标准煤，其中原煤消费占比达56.00%。煤炭作为兜底保障能源的主体地位短时间难以改变。同时，随着我国煤炭开采向深部延伸，埋深800 m 以上的煤层地应力、瓦斯压力和瓦斯含量相较于浅部煤层都呈现出不同程度的增加[1-2]，急需创新煤矿生产过程中的煤与瓦斯突出危险性综合治理方法[3]。为了解决煤与瓦斯动力灾害，诸多研究人员在实验室与煤矿现场开展了一系列深入的研究，提出了以地面井为核心的井上抽采防突措施与以钻孔为核心的井下抽采防突措施[4]。在实验室研究方面，邹全乐等[5]采用木质素磺酸钙优化地面井水泥材料力学性质，为维持卸压瓦斯地面井稳定性提供理论支撑。原德胜[6]基于低价煤结构特征及其和瓦斯之间的相互耦合作用机理，提出了适用于彬长矿区地面井瓦斯产能预测理论模型，获得地面井瓦斯抽采与井下瓦斯预抽优化控制方法。张朋[7]从煤岩体双重孔隙结构出发，构建煤体形变场、瓦斯扩散场和渗流场的气固耦合瓦斯抽采物理模型，进一步采用COMSOL 数值模拟方法模拟垂直井与U 型井瓦斯预抽效果，并以此优化地面井布孔间距。胡君[8]建立了采动区瓦斯地面井群抽采效果评估方法体系，并实现对地面井瓦斯抽采效果评估。汪漫等[9]通过实验室试验研究了煤样基质孔隙度、不同压力条件下煤样渗透率和不同温度下煤样的Langmuir 等温吸附-解吸特性，并采用双孔隙度单渗透率模型对现场试验井瓦斯抽采历史产量进行拟合分析，揭示了不同井距抽采时抽采井瓦斯产气速率、累计产量、储层压降以及储层瓦斯体积分数随时间的变化规律，确定了瓦斯矩形井网抽采时的最优井距。在现场试验中，井上瓦斯抽采防突取得了较好的效果，胡千庭等[10]对地面井的类型及特点进行了深入分析，将采动区地面井抽采技术细分为邻近层采动发展区地面井抽采、本煤层采动发展区地面井抽采和采动稳定区地面井抽采3 种类型，并提出了不同类型采动区地面井的逐级优化设计方法。刘应科等[11]采用远距离下保护层开采及钻井抽采消突技术在神华集团乌兰煤矿进行了工程试验，结果表明地面钻井抽采卸压瓦斯的消突效果十分显著。张江华等[12]提出了瓦斯地面钻井过采空区成套技术体系，并在山西晋城寺河矿井取得了较好的应用效果。在井下瓦斯抽采防突方面，赵旭生等[13]基于岩石水平长钻孔抽采邻近层瓦斯和顺层长钻孔抽采本煤层瓦斯的现场试验情况，提出了长钻孔综合抽采瓦斯新方法，为瓦斯灾害治理提供了新的技术途径。周建伟等[14]通过现场试验发现煤层顶底板羽状、梳状分支钻孔能够解决松软煤层长距离钻进过程中的塌孔、抱钻等问题，并进一步总结了煤层顶底板分支长钻孔区域预抽工艺在俯孔施工条件下的钻孔施工工艺流程。李泉新等[15]研发了中硬煤层超长孔定向钻进技术、碎软煤层气动定向钻进技术和复杂顶板岩层大直径定向钻进技术，利用定向钻孔轨迹精确可控、可沿目标地层长距离延伸的优势，在现场煤矿井下大区域范围内实现了“中硬煤层、碎软煤层、顶板岩层”全区域精准覆盖、“采前-采中-采后”全时段连续抽采。

随着煤与瓦斯突出等瓦斯动力灾害发生频率增加，单一的井上或井下抽采防突措施难以保障煤层群的消突效果。在诸多科研人员长时间的探索之后，我国已初步形成了“先区域、后局部”的2 个“四位一体”综合防突技术体系[16-17]，在一定程度上有效控制了煤层群煤与瓦斯突出事故。此外，各大矿区也依据不同的煤层地质条件分别构建了与之相适应的工程实践模式。淮南矿业集团提出了卸压开采、岩巷先行、立体抽采的突出防控模式，并总结了顶板抽采瓦斯技术、保护层开采综合治理瓦斯技术、突出煤层边抽边掘技术、穿层钻孔预抽瓦斯技术等一套适合淮南矿区的瓦斯治理技术[18-19]，煤与煤层气共采国家重点实验室在“十一五”、“十二五”研发的煤层气“三区联动”立体抽采模式基础上，创新研发了全矿区、全层位、全时段的煤矿区煤层气“四区(规划区、准备区、生产区、采空区)联动”井上下联合抽采模式(新晋城模式)和系列技术体系，在山西重点煤矿区得到广泛应用并取得了良好效果[19]。平煤神马集团提出了保护层开采、水力增透等多措并举、应抽尽抽的战略[20]，松藻煤电公司结合松藻矿区煤层地质条件，提出了“三区配套三超前增透抽采”模式[21]。然而，煤层间距不同会导致采动影响范围、瓦斯富集区域等发生较大变化，因此对于近、远距离煤层群，瓦斯抽采模式也会存在显著差异。华阳集团基于工程实践提出了中远距离煤层群煤与瓦斯协调开采模式，并在阳煤五矿成功进行示范应用[22]。华晋焦煤公司则通过建立瓦斯治理的时空坐标系，系统地分析了井上、井下抽采技术的时空分布特征及其约束条件，最终针对近距离煤层群提出了沙曲瓦斯综合治理模式与配套技术体系，并通过现场实践验证了推行“沙曲模式”可实现采掘工作面瓦斯零超限，保证矿井安全高效生产[23]。然而，受限于传统井上抽采与井下抽采2 项独立技术的局限性，少有研究针对井上下抽采时空转换机制及其关键技术进行深入系统的研究。同时，煤层间距也是决定井上下联合防突措施的关键之一，然而少有研究针对近、远距离煤层群各自的特点提出相应的典型防突模式。总体来看，我国在井上下联合抽采防突典型模式及其三区衔接方面仍存在一定的不足，并未完全实现井上措施与井下措施时空上的无缝对接。

基于此，笔者针对井上与井下瓦斯抽采技术作业特点，阐明了井上下联合防突“时空转换-优势互利”的内涵，基于近远距离煤层群特点，提出了近距离煤层群“孔群覆盖-协同抽采”井上下联合防突典型模式与远距离煤层群“强化增透-递进抽采”井上下联合防突典型模式，同时研发了近远距离煤层群井上下联合防突关键技术，相关理论与技术成果已在多个煤矿现场进行了推广应用并取得了显著的效果。

1 井上下联合防突“时空转换-优势互利”内涵

1.1 井上下联合抽采瓦斯防突

地面井抽采瓦斯是防治煤矿发生瓦斯灾害事故的重要措施之一[24]，但针对高瓦斯、高地应力的煤层进行预抽时，可能出现瓦斯抽采盲区，导致抽采效果不佳。回采作业时，覆岩变形损坏地面井井身结构，最终导致地面井无法抽采瓦斯。可见，单一的地面井抽采瓦斯难以短时间内将煤层瓦斯降到消突临界值以下。井下钻孔抽采是治理煤层区域瓦斯的有效方法之一[25]，但井下瓦斯抽采方式工程量大、周期长，进而导致煤矿防突接替紧张，难以短时间实现大范围区域消突[26]。

井上和井下瓦斯抽采构成的立体化联合抽采防突在结构形式上具有明显的优势(图1)。地面井具有覆盖瓦斯抽采区域广和长时间抽采瓦斯等优点，进而在煤矿煤层全区域进行瓦斯抽采，实现“井上时间换空间”；瓦斯抽采钻孔在目标煤层中进行瓦斯抽采，形成井下瓦斯抽采空间，具有抽采精度高、抽采压差大、降压速度快等优势，实现“井下空间换时间”。因此，将井上瓦斯抽采与井下瓦斯抽采相结合，形成井上下联合防突技术，不仅能够改善煤层的渗透性，还能对煤层群进行广域、深度、精准的快速消突，极大地缩短了瓦斯治理时间，提高了煤矿瓦斯治理能力。

1.2 地面井瓦斯抽采实现井上“时间换空间”

地面井瓦斯抽采(图2)不受井下煤炭开采空间约束，能够在地面对煤矿井下瓦斯进行预先抽采，在进行井下施工前能有效降低煤层瓦斯含量，实现煤层降突。地面井单井抽采瓦斯1 a 可使目标煤层瓦斯含量降低0.5～1.0 m3/t。因此，在井下煤炭开采作业前，需根据目标煤层瓦斯含量，提前5～10 a 布置地面井预先抽采瓦斯，直至目标煤层瓦斯含量降至井下作业标准。由此可知，地面井不受空间约束，通过在井下作业前长时间抽采瓦斯，为井下换取作业空间，最终实现井上“时间换空间”。

图2 地面井瓦斯抽采Fig.2 Ground well gas extraction

1.3 钻孔瓦斯抽采实现井下“空间换时间”

井下钻孔抽采瓦斯(图3)是国内卸压瓦斯抽采普遍采用的方法。相较于地面井瓦斯抽采过程易出现盲区，井下钻孔钻进轨迹精确可控，具有沿目标区域延伸钻进的优势。此外，井下增透技术使抽采区域煤层产生变形，促进裂隙扩展，进而增大目标区域渗透性与瓦斯解吸流动性，因而能够实现井下煤层瓦斯精准、快速消突，使目标区域瓦斯含量降至安全作业标准。可见，井下钻孔在井下空间内精准抽采目标区域瓦斯，缩短目标区域消突时间，最终实现井下“空间换时间”。

图3 井下钻孔瓦斯抽采Fig.3 Underground drilling gas extraction

2 近、远距离煤层群井上下联合防突典型模式

2.1 近距离煤层群防突典型模式及其衔接过程

近距离煤层群层间距离较小，煤层间距在5～20 m[27-29]。在近距离煤层群中进行煤炭资源开采时具有显著相互影响作用，开采上保护层时会造成煤层群的连续卸压，煤层群开采过程本煤层及邻近层卸压瓦斯大量涌出[30]。因此，对于近距离煤层群煤与瓦斯突出的治理，需充分考虑采动的影响，即在治理时尽可能实现近距离煤层群同时规划、同时施工、同时治理，确保近距离煤层群整体消突。因此，基于近距离煤层群层间影响显著，易形成层间贯通裂隙，提出了近距离煤层群“孔群覆盖-协同抽采”井上下联合防突典型模式，实现了近距离煤层群突出治理的超前规划、提前施工、整体消突，其防突典型模式及方法如图4(a)所示。近距离煤层群防突的核心在于多煤层协同抽采，实现多煤层的协同消突。该模式的特点在于：在规划区利用多分支水平井、顶板L 型压裂井、底板梳状井等进行抽采，实现多煤层瓦斯的预抽降突。在准备区与生产区利用井下穿层、顺层、定向长钻孔进行瓦斯抽采消突。主要形成了“多分支水平井+定向长钻孔”、“梳状水平井+顺层钻孔”与“L 型井+顺层钻孔”3 种井上下联合抽采防突方法，如图4(b)～(d)所示。

图4 近距离煤层群井上下联合防突典型模式、方法及其衔接模式Fig.4 Gas outburst prevention typical model,method and articulation mode of joint ground and underground technology in close distance coal seams

多分支水平井+定向长钻孔联合抽采防突方法如图4(b)所示，即在地面依次施工多分支水平井至保护层与被保护层中进行预抽，然后在被保护层底板巷道中施工定向长钻孔群至保护层与被保护层进行抽采消突，并依据多分支水平井的预抽范围实现定向长钻孔群抽采全覆盖，实现井上下联合消突。其优势在于多分支井可以同时进行多个工作面的瓦斯预抽，定向长钻孔群可进行多个工作面的瓦斯抽采消突，可同时实现保护层与被保护层的快速消突。该方法适用于坚固性系数f>0.5、透气性系数λ>1 的煤层。

梳状水平井+顺层钻孔联合抽采防突方法如图4(c)所示，即在地面向被保护层底板施工梳状水平井，在梳状水平井水平段依次施工梳状分支钻孔至保护层与被保护层中进行预抽，然后在保护层中施工煤巷与顺层钻孔，利用顺层钻孔实现下一个工作面和煤巷条带消突，从而实现井上下联合消突。其优势在于梳状水平井可以在多分支水平井、L 型井等井上瓦斯抽采措施不适用的条件下进行施工，完成保护层与被保护层快速消突。适用于坚固性系数f<0.5、透气性系数λ<1 的煤层。

L 型井+顺层钻孔联合抽采防突方法如图4(d)所示，即在地面施工L 型井至保护层顶板进行水力压裂，压裂完成后进行保护层瓦斯预抽，预抽达标后在保护层施工煤巷与顺层钻孔，利用顺层钻孔实现下一个工作面和煤巷条带消突，从而实现井上下联合消突。其优势在于利用L 型井进行保护层顶板水力压裂，促进保护层瓦斯的快速解吸，提高了消突效率，大大降低了瓦斯治理时间。该方法适用于坚固性系数f<0.5、透气性系数λ<1 的煤层。

综上所述，近距离煤层群“孔群覆盖-协同抽采”井上下联合防突典型模式及方法能够实现“规划区超前抽采、准备区快速抽采、生产区补充抽采”的3 区顺畅衔接，最终实现近距离煤层群多煤层预抽空间全覆盖。近距离煤层群防突典型模式的衔接过程如图4(e)所示，主要有以下特点：①规划区，在规划区内利用地面井长期进行瓦斯预抽，实现煤层群降突；②准备区，在准备区利用定向长钻孔、顺层钻孔等补充措施，实现井上下联合抽采瓦斯；③生产区，在井上下联合抽采措施后，实现煤层群消突。

2.2 远距离煤层群防突典型模式及其衔接过程

远距离煤层群煤层间距较大，一般认为煤层间距在50 m 以上[31-32]。因此，在远距离煤层群中进行煤炭资源开采时，煤层之间采动影响较小，导致裂隙难以贯通，保护层开采过程被保护层卸压不充分影响卸压瓦斯抽采效果[30]。因此传统的井上、井下抽采瓦斯技术难以解决远距离煤层群快速协同消突。对于远距离煤层群，下保护层开采具有普遍的适应性。因此，基于远距离煤层群层间影响较小，不易形成层间贯通裂隙，卸压范围较小等特点，提出了远距离煤层群“强化增透-递进抽采”井上下联合防突典型模式，实现了远距离煤层群煤与瓦斯突出治理的强化卸压、采动跟进、递进消突，其防突典型模式，如图5(a)所示。

图5 远距离煤层群井上下联合防突典型模式、方法及其衔接模式Fig.5 Gas outburst prevention typical model,method and articulation mode of joint ground and underground technology in long distance coal seams

远距离煤层群防突的核心在于保护层精准防突、被保护层有效联动，实现多煤层的递进消突。该模式的特点在于：利用水力压裂、水力切缝等措施实现首采层煤体卸压增透，进一步利用保护层开采实现被保护层卸压，同时配合井下补充措施进行瓦斯抽采消突。主要形成了“多分支水平井+顺层钻孔”、“地面直井+底抽巷+顺层钻孔”、“L 型井+顺层钻孔”3 种井上下联合抽采防突方法，如图5(b)～(d)所示。

多分支水平井+顺层钻孔联合抽采防突方法如图5(b)所示，即在地面施工多分支水平井至保护层中进行预抽，预抽达标后在保护层中施工煤巷与顺层钻孔，利用顺层钻孔“切缝-压裂”联合增透，实现下一个工作面和煤巷条带消突，同时在地面施工直井至被保护层中抽采被保护层卸压瓦斯，实现井上下联合消突。其优势在于多分支井可以同时进行多个工作面的瓦斯预抽，另外利用保护层开采对被保护层进行卸压，充分发挥了采动卸压的作用。该方法适用于坚固性系数f>0.5、透气性系数λ>1 的煤层。

L 型井+顺层钻孔联合抽采防突方法如图5(c)所示，在地面向被保护层底板施工梳状水平井，在梳状水平井水平段依次施工梳状分支钻孔至保护层与被保护层中进行预抽，然后在保护层中施工煤巷与顺层钻孔，利用顺层钻孔“切缝-压裂”联合增透，实现下一个工作面和煤巷条带消突，从而实现井上下联合消突。其优势在于梳状水平井可以在多分支水平井、L 型井等井上瓦斯抽采措施不适用的条件下进行施工，完成保护层与被保护层快速消突。适用于坚固性系数f<0.5、透气性系数λ<1 的煤层。

地面直井+底抽巷+顺层钻孔联合抽采防突方法如图5(d)所示，即在保护层底板施工底板巷，由底板巷施工穿层钻孔至保护层中进行瓦斯预抽，预抽达标后在保护层施工煤巷与顺层钻孔，利用顺层钻孔实现下一个工作面和煤巷条带消突，同时在地面施工直井至被保护层中抽采被保护层卸压瓦斯，实现井上下联合消突。其优势在于利用穿层钻孔、顺层钻孔实现保护层消突，另外利用保护层开采对被保护层进行卸压，充分发挥了采动卸压的作用，促进了被保护层瓦斯的快速解吸，提高了消突效率，降低了瓦斯治理时间。该方法适用于坚固性系数f<0.5、透气性系数λ<1的煤层。

综上所述，远距离煤层群“强化增透-递进抽采”井上下联合防突典型模式及方法能够实现保护层“网络增透、精准施策”，被保护层“上下联动、有效衔接”，最终实现远距离煤层群逐层递进消突。远距离煤层群保护层与被保护层3 区类型转换阈值与近距离煤层群3 区类型转换阈值相似，因此，远距离煤层群防突典型模式的衔接过程如图5(e)所示，主要有以下特点：①规划区，由于远距离煤层群煤矿多数情况下为下保护层开采，因此，被保护层规划区开始时间与保护层规划区开始时间相同；②准备区，当保护层进入生产区作业时，被保护层进入准备区，并通过井上瓦斯预抽与井下钻孔抽采降突。通过强化抽采，解决远距离煤层保护层开采卸压不充分、不及时等问题；③生产区，保护层生产作业完成后，被保护层进入生产区作业。在生产区中需结合现场情况实现煤层群消突。

3 近距离煤层群井上下联合防突关键技术及应用

为实现近距离煤层群多煤层立体区域协同消突，笔者基于煤、气共采不同阶段的时空条件和消突要求分区分级优选并集成了近距离煤层群井上下联合抽采防突关键技术。

3.1 煤层群多井型组合分区联抽技术

基于近距离煤层群煤与瓦斯突出分布规律，依据各煤层原始瓦斯含量W0的空间分布特征，结合瓦斯含量临界值W，按突出危险程度将煤层划分为3 区：Ⅰ区瓦斯含量满足W0≥W1>W，Ⅱ区瓦斯含量满足W0∈(W1，W2)，其中W2

图6 多种地面井组合分区联抽防突[33]Fig.6 Multiple ground well combination zones combined pumping to outburst penetration[33]

3.2 煤层群多分支水平井关键参数优选技术

笔者以华晋焦煤集团沙曲一矿3+4 号煤层为研究对象，3+4号煤层的渗透率为0.045×10-15～0.095×10-15m2，煤层瓦斯含量为5.00～12.84 m3/t，透气性系数为1.780～3.785 m2/(MPa2·d)。根据其瓦斯赋存条件，建立不同抽采方案钻孔布置模型，采用数值模拟方法[34]对多分支水平井最优分支形态、长度等关键设计参数进行了数值计算研究，数值模拟结果如图7 所示。基于煤层瓦斯卸压程度-煤层消突面积角度-工程投入程度优选准则，确立了混合型最优分支形态，非对称性抽采效果佳；分支角度为35°～ 50°、分支长度300～500 m 为宜；分支数目与煤层厚度及抽采能力相关，一般取4～8 个为宜。对模拟结果进行评估发现，瓦斯抽采时间为240 d 时，各方案中距钻孔22 m 内的煤层瓦斯压力均降到0.74 MPa，且随着抽采时间增加，降压程度和范围均逐步扩大，但总体来看降压范围较小，由此可见，煤层群多分支水平井可以满足井上降突需求，可以通过优选煤层群多分支水平井参数有效增强近距离煤层群多分支水平井消除或降低煤层瓦斯含量，从而实现近距离煤层群防突。

图7 设计参数对多分支水平井抽采效果的影响Fig.7 Effect of design parameters on extraction effectiveness of multi-lateral horizontal wells

3.3 煤巷条带强化卸压防突技术

基于预掘底板岩巷穿层抽采钻孔卸压原理研究，竖直方向上将待掘煤巷布置在底板岩巷围岩卸压区范围内，降低待掘煤巷的顶底板岩层的地应力危害；水平方向上将上覆煤层划分为卸压区、应力集中区和原始煤层区，针对应力集中区、原始煤层区，采用水力化技术使煤层排出部分煤体，进一步降低地应力危害，其中软煤区域(煤的坚固性系数f≤0.5)采用水力冲孔技术、硬煤区域(煤的坚固性系数f>0.5)采用水力切缝技术；同时，联合采用穿层钻孔抽采煤巷条带瓦斯降低煤层的瓦斯危害，实现同时降低煤巷条带区域的地应力和瓦斯，如图8 所示。

图8 煤巷条带分段卸压防突技术示意Fig.8 Schematic diagram of pressure relief and outburst prevention technology of coal roadway strip

3.4 井上下联合抽采防突衔接合理性评价模型

基于煤层群矿井抽采防突特点及影响因素，进一步结合前文的井上下联合抽采防突的内涵及模式，总结并构建了井上下联合抽采防突时空衔接合理性评价指标体系，如图9(a)所示。

图9 井上下联合防突衔接合理性评价指标体系及模型Fig.9 Evaluation index system and model for the articulation rationalization of the gas outburst prevention mode of joint ground and underground technology

合理性评价指标体系主要由掘进超前指标和区域措施工程有效性指标构成，两大类指标集合能够有效反映井上下联合抽采防突接替合理性。此外，突出矿井生产条件复杂，不确定因素较多，极易造成生产安全事故的发生。因此，有必要对各影响因素进行定量分析，确定主要影响因素。而贝叶斯网络是将概率论与图论组合起来的定量分析方法，能够较为直观地辨识问题的主控因素，适用于井上下联合抽采防突时空衔接合理性的评价[33,35]。其中，指标体系可分为“井上下联合防突接替合理性A”、“掘进超前指标B1”、“区域措施工程有效性指标B2”。表1为C1～C11各类评价指标及计算规则。同时基于《防治煤与瓦斯突出细则》[36]，并结合贝叶斯理论，构建了井上下联合防突衔接合理性评价模型，如图9(b)所示。

表1 各类评价指标及计算规则Table 1 Types of indicators and grading standards

根据图10，采用贝叶斯网络和专家打分相结合的方法，通过调查多个矿井近5 a 的抽采防突相关资料和多组矿井领域内的专家意见(表2)，确定贝叶斯网络节点的边缘概率，进而计算得到井上下联合衔接合理性概率。表2 中P(Ci=Yes |Emn)为专家组Em认为指标Ci处于n状态下的部署合理性概率；其中，P为该指标的概率；E为专家；m为专家排序；n为评估等级n=(1)、(2)、(3)；Ci为第i个指标。通过与表3 对照，得出其合理性程度，其中A为代表矿井防突接替合理性的概率。若所评价矿井的P(A=Yes)小于0.5，则该突出矿井防突接替的合理性级别为1；若P(A=Yes)在0.5～0.7，则合理性级别为2；若P(A=Yes)在0.7～0.9，合理性级别为3；若P(A=Yes)大于0.9，则合理性级别为4。

表2 不同专家对部分影响因素的评价准则Table 2 Guidelines for the evaluation of selected impact factors by different experts

表3 评价分级标准[37]Table 3 Evaluation grading criteria[37]

图10 贝叶斯网络和专家打分方法相结合框架Fig.10 Framework diagram combining Bayesian network and expert scoring method

3.5 近距离煤层群井上下联合防突关键技术应用

以沙曲一矿为例，沙曲一矿地形以宽缓的小型褶曲构造为主，断层稀少且延伸短、断距小，地表未见陷落柱发育，为近水平近距离煤层群赋存。沙曲一矿工作区内全部可采，煤层厚度3.99～4.91 m，平均厚度4.51 m，平均层间距为4.33 m，其中3+4 号煤层埋深为310～453 m，5 号煤层埋深为314～459 m。多分支水平井井上下对接钻孔井下规模化抽采共设计SQN-0501-41、SQN-0501-42 和SQN-0501-5 三口地面多分支水平井，水平井进入煤层后分别沿3+4 号及5 号煤层钻进。其中0501-41 及0501-42 井布置在3+4 号煤层中；0501-5 井布置于5 号煤层中。0501-41 井为单主支井，主要预抽4501 工作面运输巷掘进区域的煤层瓦斯；0501-42 井设计主支和分支主支主要预抽4501 轨道巷掘进区域煤层瓦斯，分支预抽工作面区域煤层瓦斯；0501-5 井设计主支和羽状分支，主支距轨道巷10～45 m，分支长度为360～470 m，形成对工作面的控煤、控气要求。主要抽采5501 与5502 工作面煤层瓦斯及上组煤层采动时邻近层卸压瓦斯，沙曲一矿井上下联合抽采防突地面井及井下钻孔布置如图11 所示。

图11 沙曲一矿井上下联合抽采防突模式Fig.11 Gas outburst prevention mode of joint ground and underground technology in Shaqu No.1 mine

沙曲一矿在规划时间内基本实现3+4 号、5 号煤层协同消突，4501 工作面平均吨煤瓦斯含量由11.06 m3/t 下降至6.38 m3/t；5501 与5502 工作面平均瓦斯含量由10.79 m3/t 下降至8.57 m3/t。相较于4301 工作面仅采用井下顺层钻孔(其抽采体积分数为15.4%～35.5%，单孔流量为0.24～0.41 m3/min)进行瓦斯抽采，采取井上下联合抽采防突模式与关键技术后最大单日抽采纯量20 510.07 m3，平均抽采体积分数为88.9%，瓦斯抽采纯量增加44%，井下区域预抽钻孔工程量减少40%以上；释放抽采达标煤量约80 万t，高效抽采瓦斯量约420 万m3。此外，基于前文所构建的井上下联合抽采防突衔接合理性评价模型对沙曲一矿井上下联合抽采防突进行时空衔接评价，如图12 所示，最终得到系统节点A出现“Yes”的概率为P(A=Yes |B1,B2)=0.751。此时该矿井防突接替的合理性级别为3 级。说明沙曲一矿现阶段井上下联合抽采防突衔接具有较好的合理性。经沙曲一矿工程实践表明，笔者研发的近距离煤层群井上下联合防突关键技术应用后，在近距离煤层首采层开采过程中使得被保护层产生贯通裂隙，并在煤层内衍生大量次生裂隙，有利于实现近距离煤层快速、高效卸压消突。

图12 沙曲一矿防突接替合理性贝叶斯网络Fig.12 Bayesian network for the articulation rationalization of outburst prevention in Shaqu No.1 Mine

4 远距离煤层群井上下联合防突关键技术及应用

为实现远距离煤层群强化卸压、递进消突，笔者基于远距离煤层群煤炭开采作业特点优选并集成了远距离煤层群井上下联合抽采防突关键技术。

4.1 地面井井群“单井区域-全区密集”布井方式优化技术

根据已有研究，地面采动井抽采影响范围、有效防突半径呈椭圆形分布；其中，沿工作面推进方向的影响半径明显大于垂直工作面推进方向。因此，基于远距离煤层群赋存特点，结合工作面布置参数，分别从沿工作面走向或工作面倾向如何发挥最优抽采效能考虑，进行采动井井群布置；最终，构建了地面井单井区域最大化、全区密集型2 种井群布井方式，如图13 所示。

图13 构建的2 种井群布井方式优化技术Fig.13 Optimization techniques for two types of well group layout

单井区域最大化布井方式采用大间距地面井布置，实现单井控制区域最大化，对未控制区域补充井下抽采钻孔，实现了区域高效防突。根据已有经验[38-39]，超前保护层工作面60 m 范围内的被保护层位于保护层开采的应力集中区，滞后保护层工作面30 m 范围为卸压影响区。当被保护层底板巷位于保护层工作面内部时，为避免影响保护层工作面的回采，应超前保护层工作面60 m 施工井下预抽钻孔；若位于底板巷保护层外部时，则滞后保护层工作面0～30 m 内施工井下钻孔。

与单井区域最大化井群布置方式不同，全区密集型井群布置方式依据单井沿工作面倾向控制范围，通过减小采动井沿工作面走向布置间距，实现采动井对整个工作面范围的区域控制，进而取消井下补充抽采钻孔。根据已有经验，地面采动井间距可取200 m，为确保软岩开采期间瓦斯涌出峰值时的抽采能力，地面采动井走向间距为110 m，井径为245 mm。

4.2 井上下联合卸压抽采防突与井孔空间布置技术

远距离煤层群一般采用下保护层开采模式，且保护层开采后卸压效果存在明显的时间效应，对被保护层卸压瓦斯抽采应在保护层采动后覆岩应力恢复之前尽早进行，地面井施工不受井下开拓工程限制，能够及时进行被保护层卸压瓦斯抽采。因此，被保护层卸压瓦斯应当采用地面井卸压抽采为主、井下补充抽排为辅的井上下联合抽采方法。考虑影响远距离下保护层开采卸压效果的关键主控因素演化规律，结合“首采煤层保护-最小采高控制-远程应力卸压”的远距离煤层群首采层优选体系，构建了远距离煤层群“保护层井下-被保护层地面”的卸压抽采联合防突技术，如图14(a)所示。对于突出下保护层，瓦斯预抽技术主要包括底板穿层钻孔和顺层钻孔大面积预抽；对于上覆突出被保护层，瓦斯卸压抽采技术主要包括地面井和井下穿层钻孔。为减少矿井岩巷掘进工程量，突出下保护层工作面采用“一面三巷”布置方式，其中“三巷”分别为回风巷、运输巷和瓦斯综合治理巷，如图14(b)所示，其适用于远距离下保护层开采过程中的被保护层卸压瓦斯抽采。其适用的工程条件为：缓倾斜和倾斜煤层相对层间距(层间距与保护层采高之比)25～40 倍采高，急倾斜煤层层间距不大于80 m。淮南矿区顾桥、丁集、张集、朱集东、潘三等矿井11-2 煤层与上覆13-1 煤层平均层间距70 m，11-2 煤层的突出危险性小于13-1 煤层。因此，采用下保护层开采卸压瓦斯抽采模式，首采11-2 煤层使得上覆13-1煤层卸压，同时抽采13-1 煤层卸压瓦斯，可以有效消除13-1 煤层的突出危险性。

图14 井上下联合抽采防突及其井孔空间布置技术Fig.14 Gas outburst prevention mode of joint ground and underground technology and its well-borehole space arrangement technology

4.3 “切缝-压裂”联合增透、精准消突工艺技术

基于切缝、压裂优缺点以及远距离煤层群井下增透消突需求，提出煤层切缝、压裂联合方案，通过将水力切缝、水力压裂技术进行优化组合，结合2 者优势，对煤层进行有效改造，扩大水力化技术的适用范围，提高卸压防突效果。煤层切缝、压裂联合模式，如图15 所示。

图15 2 种水力切缝、压裂联合工艺技术模式Fig.15 Two combined hydraulic slitting and fracturing process technology models

(1)先切后压联合模式(图15(a))。通过预先在煤体进行水力切缝形成缝槽，能够在一定程度上扩大单孔有效影响范围，破坏煤体原有应力平衡，促使切缝孔周围煤体向缝槽空间运移，煤层发生卸压、变形和膨胀，进一步产生更多裂缝，扩大切缝孔附近煤体塑性区范围。该模式既解决了水力压裂裂纹方向不易控制、压裂区裂纹扩展不均匀、容易形成高应力集中区、存在压裂“盲区”的问题，又增加了压裂影响范围，相较于普通钻孔节约了大量钻孔工程量，提高了卸压防突效率。同时，对个别区域存在的卸压不均匀和应力集中问题，再进行补充定点水力切缝，以达到均匀、高效防突目的。先切后压联合主要针对钻孔工程量大、采掘接替紧张的突出煤层。

(2)先压后切联合模式(图15(b))。针对构造应力高、透气性系数低、瓦斯抽采效果差的突出煤层，根据水力压裂与水力切缝特点，提出先压后切精准防突模式，即通过水力压裂作业迅速提高该区域煤层的渗透性以及瓦斯抽采效果，水力压裂施工完成后，对卸压效果欠佳的区域作为水力压裂“盲区”，使用水力切缝精准增透强化抽采，在地应力作用下，压裂裂缝与切缝破裂区连通，形成整体卸压区，降低应力集中程度，有效提高煤层透气性。该模式有效结合了压裂与切缝的优点，解决了压裂区域应力集中和压裂不均匀的问题，实现了精准防突。该模式主要针对煤层透气性差、一般治理措施工程量大、时间长、效果差的突出煤层。

以中煤新集公司新集二矿煤层瓦斯地质、采掘部署实际情况[40]，确定切压联合关键工艺参数。水力切缝技术参数包括切缝压力、切缝间距、切缝旋转速度与切缝时间。根据新集二矿超高压水力切缝实际情况，选取切缝压力90～100 MPa、切缝间距5 m、切缝旋转速度60 r/min、切缝时间7 min。水力压裂主要参数包括起裂压力、注水量等。煤层起裂压力临界值计算公式如式(1)所示，理论压入水量的确定依据公式如式(2)所示。根据实际情况，确定煤层起裂压力约18 MPa；压裂孔煤层注水量为160～240 m3；试验钻孔每次压裂时间不低于1.5 h，间隔0.5～1.0 h，进行多次压裂。

式中，P0为起裂压力；k为地层系数；γ为煤层上覆岩层的平均容重；α、β、θ分别为裂隙壁面与x、y、z轴之间的夹角；λ1、λ2分别为x、y方向上的侧向应力系数；H为煤层埋深；Cw为煤层受水浸润后的黏聚力；P1为渗透水压力。

式中，VW为理论压入水量，m3；VV为影响体体积，m3；K为影响体孔隙率，%；a为影响体长度，m；b为影响体宽度，m；h为影响体高度，m。

4.4 远距离煤层群井上下联合防突关键技术应用

以中安联合朱集西矿为例，朱集西矿地面主采11-2、13-1 煤层，煤层埋深为960～1 070 m，平均厚度分别为3.8 m 和1.6 m，平均层间距为75 m，为近水平远距离煤层群赋存。11-2、13-1 煤层实测最大瓦斯压力分别为1.2 和1.36 MPa，最大瓦斯含量分别为8.39 和8.48 m3/t。结合朱集西矿11-2、13-1 煤岩层赋存及开采条件，选择11-2 煤层作为保护层，被保护的13-1 煤层为被保护层。11-2 煤层回采期间采用被保护层卸压瓦斯抽采措施，实现13-1 煤层消突。并进一步根据11-2 和13-1 煤层的赋存特征，采用“保护层井下-被保护层地面”的井上下联合抽采区域防突模式，如图16 所示。朱集西矿针对保护层11-2 煤层采用分区分级精准防突的瓦斯治理方法，与仅采用井下防突措施相比，实际施工钻孔工程量14.2 万m，节省钻孔工程量20.9 万m，井下钻孔工程量减少约60%；抽采达标时间由原来420 d 缩短至255 d，抽采达标时间缩短约40%。被保护层采用地面井抽采为主、井下钻孔抽采为辅的联合抽采方式，与仅采用井下防突措施，即井下穿层钻孔相比，瓦斯抽采的工程量减少约80%，地面钻井在保护层工作面巷道开拓期间提前施工，避免了巷道掘进对抽采钻井施工的影响，大幅度地缩短了准备区巷道掘进时间和瓦斯抽采时间，显著地解放了开拓煤量和被保护层有效煤量。同时，笔者所提出的远距离煤层群井上下联合防突关键技术与单一煤层瓦斯抽采相比，其钻孔数、工程量和消突时间分别降低48.9%、46.4%和43.8%。

图16 朱集西矿井上下联合抽采防突模式Fig.16 Gas outburst prevention mode of joint ground and underground technology in Zhuji West Mine

此外，基于前文所构建的井上下联合抽采防突衔接合理性评价模型对朱集西矿井上下联合抽采防突时空衔接进行评价，如图17 所示，最终得到系统节点A出现：“Yes”的概率为P(A=Yes |B1,B2)=0.534。此时该矿井防突接替的合理性性级别为2 级。说明朱集西矿现阶段井上下联合抽采防突衔接具有较好的合理性。经朱集西矿工程实践表明，本文所述远距离煤层群井上下联合防突关键技术在远距离煤层群瓦斯高效抽采消突过程中具有良好的应用性。

5 结论

(1)阐明了井上下联合防突“时空转换-优势互利”的内涵。地面井不受空间约束能在井下作业前长时间抽采瓦斯实现煤层降突，为井下换取作业空间，实现井上“时间换空间”；井下钻孔在井下空间精准抽采目标区域瓦斯实现目标区域快速消突，缩短目标区域消突时间，实现井下“空间换时间”。

(2)构建了近远距离煤层群井上下联合防突适配模式。近距离煤层群“孔群覆盖-协同抽采”井上下联合防突典型模式，实现近距离煤层群突出治理的超前规划、提前施工、整体消突。远距离煤层群“强化增透-递进抽采”井上下联合防突典型模式，实现了远距离煤层群煤与瓦斯突出治理的强化卸压、采动跟进、递进消突。

(3)研发了近远距离煤层群井上下联合防突关键技术。所研发的关键技术进一步提升了近远距离煤层群井上下联合防突效果，并在沙曲一矿与朱集西矿中取得显著的应用效果。实现沙曲一矿释放抽采达标煤量约80 万t，高效抽采瓦斯量约420 万m3；朱集西矿井下钻孔工程量减少约60%，抽采达标时间缩短约40%。