0 引言

随着矿井开采的加深，深部矿井普遍存在地应力较高、瓦斯容易积聚、煤层透气性系数较低而不易抽采等问题[1-2]，而这些问题在部分地应力集中的煤矿显得尤为突出。瓦斯积聚与地应力集中均是造成开采区域瓦斯含量较高的重要因素，同时，煤层透气性系数较低增加了瓦斯抽采的难度，当瓦斯积聚而又不易抽采时，就容易形成煤与瓦斯突出。因此，防治煤与瓦斯突出工作必须坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则[3-4]。区域防突措施是指突出煤层进行采掘前，对突出煤层较大范围采取增加瓦斯抽采量、降低瓦斯浓度的防突措施。区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯2类[5-6],其中预抽煤层瓦斯又可分为地面井预抽煤层瓦斯、井下穿层钻孔或顺层钻孔预抽煤层瓦斯、井下穿层钻孔预抽石门揭煤区域瓦斯等[7-8]。在井下预抽煤层瓦斯时，常应用水力冲孔进行局部应力释放。水力冲孔是在具有自喷能力的煤层中打钻孔，利用钻头切割和压力水冲刷煤体，激发喷孔排出碎煤和瓦斯，释放突出潜能，以减少和消除突出危险性的措施[9-11]。由于深部开采使煤层本身存在地应力集中、瓦斯压力较高等问题，水力冲孔可以起到区域煤层卸压的作用，消除高应力瓦斯积聚的突出危险性，同时，采用水力冲孔手段扩展煤体裂隙，释放煤层瓦斯内能，提高了煤层透气性。本文以平顶山天安煤业股份有限公司十二矿(以下简称平煤十二矿)为研究对象，针对平煤十二矿深部开采的特殊地质条件，为解决己15-17220煤层原始瓦斯压力大、瓦斯含量高、透气性差、开采保护层条件不具备等问题，提出了“穿层钻孔+水力冲孔”掩护煤巷掘进的区域瓦斯治理方案。治理效果证明了该方案的合理性。

1 区域瓦斯治理方案

1.1 己15-17220工作面概况

己15-17220工作面位于己七采区中部，东邻己七二期三条下山，南邻己15-17200工作面，西邻十矿和十二矿边界线，北部为未开采区域。工作面标高为-606～-568 m，垂深为758～886 m。工作面设计采长为150 m，可采长度为748 m，可采储量为51.8万t，煤层厚度为3.1～3.6 m(平均为3.5 m)，煤容重为1.31 t/m3，煤层倾角为10～20°(平均为12°)。工作面实测最大原始瓦斯含量为4.64～14.51 m3/t(最大值为测点与开口距离752 m处)，最大原始瓦斯压力为0.95～2.7 MPa(最大值为测点与开口距离405 m处)。工作面顶板为砂质泥岩和砂岩，底板均为砂质泥岩，构造简单，采用锚网索加“W”钢带联合支护。西翼第2瓦斯治理巷与己15-17220进风巷中心的水平距离为20 m，两巷垂直高度为17 m左右，沿L1灰岩层掘进，掩护己15-17220进风巷及开切眼掘进，并与西翼第1瓦斯治理巷贯通。己15煤层位于山西组中下部，上距己14煤层8～17 m，一般为11 m，煤层厚度为0.8～5.5 m，平均煤层厚度为3.4 m，一般厚度为3～3.7 m，简单结构，煤厚变异系数为10.3%～23.6%，属可采煤层。煤层间接顶板为浅灰、灰白色细、中粒砂岩，平均厚度为6.0 m，全区发育。具有自燃倾向性，自然发火期为3～6个月，矿井自燃危险等级为Ⅱ类自燃。煤尘爆炸指数为38.75%，具有爆炸危险性。

由上述可知，己15-17220工作面顶底板稳定，且构造简单，距开采己15煤层25 m左右，穿层钻孔具有不易塌孔、施工简单、且不影响采掘面接替等优点，因此，可采用穿层钻孔预抽瓦斯。同时，由于己15煤层原始瓦斯压力较高，且属于深部开采，为避免应力集中造成煤与瓦斯突出的危险性，需对区域进行卸压处理，水力冲孔可通过冲刷煤体使区域内集中内能随喷出瓦斯与碎煤释放，从而达到消突的目的，适用于该矿区域瓦斯治理。通过结合穿层钻孔与水力冲孔，使区域防突措施既能满足预抽瓦斯的工作面接替，掩护煤巷掘进，又能解决深部开采带来的煤与瓦斯突出危险性的问题。

1.2 “穿层钻孔+水力冲孔”区域瓦斯治理方案

在己15-17220工作面低抽巷，采用“穿层钻孔+水力冲孔”掩护煤巷掘进的区域瓦斯治理方案，综合设计钻孔平面图如图1所示。钻孔布置为隔断掩护递进式施工方案，设计每组12个钻孔，组间距为6 m，所有钻孔中1号、2号、11号、12号为隔断孔，4号、6号、8号为掩护孔，3号、7号、10号为冲孔卸压孔,5号、9号为卸压瓦斯抽采孔。首先，施工1号、2号、4号、6号、8号、11号和12号钻孔：其中1号、2号隔断上帮瓦斯向巷道内侧运移富集，11号、12号隔断下帮瓦斯向巷道内侧运移富集；4号、6号、8号先期抽采部分瓦斯，降低瓦斯含量和压力，掩护水力冲孔，防止水力冲孔过程中发生喷孔。其次，施工3号、7号、10号钻孔，随之进行水力冲孔，7号孔出煤量为3～4 t，3号和10号孔出煤量为2～3 t，通过水力冲孔对巷道掘进区域卸压，降低地应力，并增加煤层透气性；最后，由于水力冲孔会使得周围煤体产生显著运移，可能会导致前期施工的部分钻孔被堵，因此,施工5号、9号钻孔时，对水力冲孔增透区域再次进行瓦斯抽采，进一步降低瓦斯压力和含量。西翼第2瓦斯治理巷共布置8台钻机施工穿层钻孔和水力冲孔，每隔5 m设计1组钻孔，每组钻孔为10个，其中穿层钻孔7个，水力冲孔3个。西翼第2瓦斯治理巷钻孔设计如图2、图3所示。

图1 综合设计钻孔平面图
Fig.1 Comprehensive design plan of boreholes

图2 西翼第2瓦斯治理巷穿层钻孔剖面图
Fig.2 Profile map of crossing boreholes in west wing second gas control roadway

图3 西翼第2瓦斯治理巷水力冲孔钻孔剖面图
Fig.3 Profile map of hydraulic flushing boreholes in west wing second gas control roadway

2 区域瓦斯治理效果分析

西翼第2瓦斯治理巷敷设2趟直径为300 mm的瓦斯抽采管路，分别服务于西翼第2瓦斯治理巷穿层钻孔和防喷系统。西翼第2瓦斯治理巷穿层钻孔抽出瓦斯82.07万m3，防喷抽采管抽采瓦斯1.4万m3，合计抽采83.47万m3，瓦斯抽采率为47.9%。

2.1 区域瓦斯治理效果检验

主要采用残余瓦斯含量和残余瓦斯压力作为区域瓦斯治理效果检验指标[12]。《河南省煤矿防治煤与瓦斯突出十项措施》规定，对预抽煤层瓦斯区域防突措施进行检验，从严确定突出煤层区域预测、效果检验的临界值，即煤层残余瓦斯压力大于0.6 MPa，或残余瓦斯含量大于6 m3/t的预抽区域必须采用开采保护层或利用底(顶)板岩巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯的区域防突措施。

对2个区域(90～360 m、360～660 m区域)进行了残余瓦斯参数测定，结果如图4、图5所示。从图4、图5可以看出，90～360 m区域：残余瓦斯含量为3.62～5.57 m3/t，残余瓦斯压力为0.24～0.40 MPa；360～660 m区域：残余瓦斯含量为3.52～4.84 m3/t，残余瓦斯压力为0.23～0.33 MPa。对比上述检验指标可知，残余瓦斯含量和残余瓦斯压力均低于防突规定的临界值，区域瓦斯治理效果检验未出现超标现象,达到了煤矿安全开采的防突标准。

图4 区域残余瓦斯含量
Fig.4 Region residual gas content

图5 区域残余瓦斯压力
Fig.5 Region residual gas pressure

同时，对己15-17220回风巷测点(深度为23 m)距终采线向里不同位置处实施区域消突措施前后的残余瓦斯含量分别进行检验，结果如图6所示。从图6可看出，己15-17220回风巷在区域消突措施实施前的残余瓦斯含量在3.01～7.37 m3/t之间；实施区域消突措施后，其残余瓦斯含量的检验结果为2.26～5.43 m3/t，按照《河南省煤矿防治煤与瓦斯突出十项措施》的要求，矿井确定的瓦斯含量不得大于6 m3/t，其检验结果均小于临界值。因此，外段700 m开采区域实现了区域消突。

图6 己15-17220回风巷实施区域消突措施前后的残余瓦斯含量对比
Fig.6 Comparison of residual gas content in area of the 15-17220 return airway before and after using outburst eliminating measure

2.2 瓦斯治理情况

2.2.1 验证指标分析

最大区域瓦斯治理效果检验指标变化曲线如图7所示，从图7可看出，己15-17220进风巷共执行了70个验证循环(即每次执行一次防突措施作业循环，包括措施、措施效果检验和回采作业后再进行工作面验证，如验证为无突出危险，仍需采取防突措施)，钻孔瓦斯涌出初速度为0.19～2.18 L/min，平均为0.59 L/min；钻屑量为1.9～3.5 kg/m，平均为2.79 kg/m。依据《防治煤与瓦斯突出规定》，钻屑指标临界值为6 kg/m，钻孔瓦斯涌出初速度临界值与煤的挥发份Vdaf有关，其对应的临界值为5.0 L/min，由此可验证，指标均未出现超标现象，瓦斯抽采起到显著效果。

图7 最大区域瓦斯治理效果检验指标变化曲线
Fig.7 Maximum test index change curve of region gas control effect

2.2.2 掘进期间瓦斯涌出情况

己15-17220进风巷掘进期间，每班进尺两排(1.4 m)，炮眼深度为1.5 m，一次全断面起爆，炮后最大瓦斯体积分数为0.17%～0.54%，平均为0.24%，超过0.4%的仅有3次，未出现瓦斯涌出异常情况。

2.2.3 进尺情况

共计统计3个月进尺数据，累计进尺311 m，连续3个月进尺分别为100 m、101 m和110 m，具备月进110 m水平。由统计数据可知，在区域瓦斯治理情况下，采掘工作面接替紧张问题得到有效缓解，生产效率显著提高。

2.3 存在的问题

水力冲孔期间和水力冲孔后仍存在喷孔现象，尤其是水力冲孔完成后的喷孔，仍是一个防治重点。并且，存在压裂泵不能满足多台钻机同时冲孔、冲孔参数需要进一步优化等问题。

3 结论

(1) 通过分析平煤十二矿深部开采区域瓦斯治理存在的问题，确定了己15-17220工作面低抽巷区域瓦斯治理的方案，并对区域瓦斯治理的效果进行了分析。残余瓦斯含量和残余瓦斯压力分别降低至5.57 m3/t和0.40 MPa以下，均低于《河南省煤矿防治煤与瓦斯突出十项措施》规定的防突规定的临界值，达到了煤矿安全开采的防突标准；同时钻屑量与钻孔瓦斯涌出初速度分别降至3.5 kg/m和2.18 L/min以下，各项检验指标均未出现异常，并且煤巷月进尺提高了10%，有效缓解了工作面接替紧张，为煤巷安全、快速掘进提供了保障，验证了“穿层钻孔+水力冲孔”的区域瓦斯治理方案的合理性。

(2) 水力冲孔能显著降低区域残余瓦斯含量，尤其对深部矿井低透气煤层的消突作用显著，具有较好的应用前景。

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