張東亮

?

井巷揭煤地面預(yù)抽輔助消突技術(shù)

張東亮

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

井巷如何安全、高效揭穿突出煤層是防突工作不斷探索的課題，地面預(yù)抽煤層瓦斯輔助消突不失為一種有效的解決途徑?；诰锝颐和怀鰴C(jī)理和防突核心任務(wù)分析，研究了地面預(yù)抽輔助消突技術(shù)特點和適應(yīng)性。工程應(yīng)用表明，采用洞穴完井和水力壓裂強化預(yù)抽，可有效降低井巷揭煤區(qū)煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，使揭煤區(qū)應(yīng)力釋放或泄壓，破壞煤與瓦斯突出的物質(zhì)基礎(chǔ)和動力來源，從而變突出區(qū)域(煤層)為非突出區(qū)域(煤層)。地面預(yù)抽煤層瓦斯能夠有效降低井巷揭煤防突工作難度，提高揭煤效率，適合復(fù)雜地質(zhì)條件下石門、井筒揭煤防突工作。

井巷揭煤；煤與瓦斯突出；地面預(yù)抽；輔助消突

煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)和掘進(jìn)過程中引發(fā)的一種工程地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)和井下人員的生命安全[1]，防治煤與瓦斯突出是突出礦井生產(chǎn)建設(shè)的首要任務(wù)之一。由于巖石井巷揭煤的特殊性，發(fā)生煤與瓦斯突出的概率最大[2-3]，其突出的強度和造成的危害也較井下其他條件下的大[4]。井巷揭煤包括石門、豎井和斜井的揭煤。以往井巷揭穿突出煤層，主要采用“四位一體”的綜合防突措施[5-7]，采用的技術(shù)工藝有鉆孔抽排、預(yù)裂爆破、水力沖孔等[8-10]，這些方法和措施主要集中在井下，由于工作空間受限，防突工作存在工期長、工序復(fù)雜、安全系數(shù)低等問題。隨著礦井開采深度的不斷增加，地應(yīng)力、瓦斯含量和瓦斯壓力也隨之增大，井下防突工作的難度也不斷加大，井巷如何安全、高效揭穿突出煤層仍是煤礦安全領(lǐng)域不斷探索的課題。

實踐證明，地面預(yù)抽煤層瓦斯是礦井瓦斯治理的有效方式[11]。地面預(yù)抽輔助消突，其思路是在井巷揭煤前，通過地面鉆井和儲層強化預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯，降低甚至消除突出威脅，為井巷快速揭煤創(chuàng)造條件。與井下防突措施相比，地面預(yù)抽工程在地面完成，安全性高，幾乎不受時間和空間限制，在揭煤區(qū)域確定的情況下可提前數(shù)年開展抽采和消突工作，技術(shù)優(yōu)勢明顯。筆者將地面預(yù)抽技術(shù)與井巷揭煤消突工作相結(jié)合，通過鉆完井、儲層強化技術(shù)設(shè)計，開展石門、井筒揭煤輔助消突技術(shù)方法研究，以期為井巷揭煤防突工作提供借鑒。

1 井巷揭煤防突的核心任務(wù)

1.1 井巷揭煤突出機(jī)理

煤與瓦斯突出是煤層中儲存的瓦斯能和應(yīng)力能的失穩(wěn)釋放[3]，是一種復(fù)雜的地質(zhì)動力現(xiàn)象。一般認(rèn)為，煤與瓦斯突出受煤體性質(zhì)、瓦斯和地應(yīng)力3方面因素的控制[12-13]，含高壓瓦斯且受到嚴(yán)重破壞的構(gòu)造煤(主要是碎粒煤和糜棱煤)是突出發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，構(gòu)造作用，特別是地應(yīng)力是突出發(fā)生的動力基礎(chǔ)，構(gòu)造破壞帶和構(gòu)造應(yīng)力集中地帶是發(fā)生煤與瓦斯突出的主要位置和敏感區(qū)[13]，一切由震動產(chǎn)生的巖體裂隙和沖擊載荷是導(dǎo)致煤與瓦斯突出的激發(fā)條件[14]。

井巷揭煤突出是含高壓瓦斯的構(gòu)造煤在特定構(gòu)造和應(yīng)力場環(huán)境下發(fā)生的動力災(zāi)害。在石門或井筒揭露突出煤層時，在有利的約束條件(工作面前方巖柱)下，瓦斯突出煤體內(nèi)地應(yīng)力和瓦斯壓力梯度增大，形成應(yīng)力集中并集聚很大的變形能，在爆破或掘進(jìn)等作業(yè)因素誘導(dǎo)下，地應(yīng)力狀態(tài)的突然改變導(dǎo)致極限應(yīng)力狀態(tài)的煤體突然破壞并發(fā)生突出，煤體破碎剝離瞬間解吸的大量吸附瓦斯形成“瓦斯風(fēng)暴”流參與突出，從而在極短時間內(nèi)將大量煤巖和瓦斯拋向工作空間[3]。其中，地應(yīng)力和瓦斯壓力分別為突出的發(fā)生和發(fā)展提供了動力，煤的破碎程度、瓦斯含量和解吸量、瓦斯放散初速度等對“瓦斯風(fēng)暴”的形成起決定作用。

1.2 防突的核心任務(wù)

在井巷揭煤過程中，嚴(yán)重破壞的構(gòu)造煤體、應(yīng)力場環(huán)境、瓦斯賦存狀態(tài)(瓦斯含量和瓦斯壓力)是控制突出發(fā)生的核心要素。在這些控制要素中，可以通過人為方式改變構(gòu)造煤體所處的突出應(yīng)力場環(huán)境和瓦斯賦存狀態(tài)，變突出區(qū)域(煤層)為非突出區(qū)域(煤層)，從而達(dá)到消突的目的。

a.改變突出的應(yīng)力場環(huán)境 利用煤巖體較為軟弱的特性(高泊松比和低彈性模量)，通過一定的完井措施，使煤巖體在地應(yīng)力作用下發(fā)生形變和破壞，應(yīng)力釋放，減小揭煤區(qū)域因應(yīng)力集中而聚集的變形能，消除突出的動力基礎(chǔ)。

b. 改變突出瓦斯的賦存狀態(tài) 通過儲層強化和抽采泄壓等措施，降低瓦斯壓力和瓦斯含量，使之滿足非突出賦存狀態(tài)要求(殘余瓦斯壓力低于0.74 MPa或殘余瓦斯含量小于8 m3/t)[7]。

2 地面預(yù)抽輔助消突技術(shù)

地面預(yù)抽輔助消突就是通過儲層強化(包括洞穴完井、水力壓裂等)和預(yù)抽措施，改變構(gòu)造煤體所處的突出應(yīng)力場環(huán)境和瓦斯賦存狀態(tài)，在一定程度上消除煤與瓦斯突出的物質(zhì)基礎(chǔ)和動力來源。

2.1 洞穴完井輔助消突技術(shù)

洞穴完井是在裸眼完井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要的煤層氣完井方式和儲層強化措施。該技術(shù)通過人工動力、機(jī)械擴(kuò)孔和高壓水射流等[15]措施在裸眼煤層段造穴，洞穴周圍形成應(yīng)力集中，使作用于煤層的應(yīng)力場重新分布，應(yīng)力集中導(dǎo)致煤體在單項負(fù)荷作用下向洞穴移動(垮塌)，并隨著應(yīng)力釋放向深部擴(kuò)展，其影響半徑范圍可達(dá)數(shù)十米[16-17]，由此產(chǎn)生的剪切裂隙、引張裂隙等與煤層中原有的內(nèi)外生裂隙溝通(圖1)，從而提高近井地帶滲透性，達(dá)到儲層強化的目的。

圖1 裸眼洞穴周圍應(yīng)力分區(qū)和裂隙發(fā)育概念圖(據(jù)蘇現(xiàn)波等[16]，王成明等[18]，修改)

在煤層中造穴打破了原巖應(yīng)力平衡，形成泄壓區(qū)和應(yīng)力集中帶，應(yīng)力集中導(dǎo)致煤巖體自洞穴周邊向深部發(fā)生一系列彈塑性變形，圍繞洞穴形成極限平衡區(qū)(包括破碎帶、塑性應(yīng)力區(qū))、彈性應(yīng)力區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[18]。極限平衡區(qū)內(nèi)的煤巖體由非穩(wěn)定狀態(tài)向平衡穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化，使圍巖不斷沿薄弱面和破壞面發(fā)生錯動和剪切，新的破壞面不斷產(chǎn)生(包括周緣裂隙和引張裂隙)，應(yīng)力不斷釋放，并大量消耗因應(yīng)力集中聚集的變形能。極限平衡區(qū)外邊界應(yīng)是應(yīng)力集中導(dǎo)致煤巖體塑性變形向深部發(fā)展的極限位置，超過極限位置，煤巖體又處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，因此，極限平衡區(qū)外邊界與應(yīng)力集中帶外邊界一致。應(yīng)力集中帶范圍可根據(jù)洞穴圍巖受力狀態(tài)建立的極限平衡方程推導(dǎo)獲得，其外邊界到洞穴壁的距離[17]為：

式中為煤層厚度；為層面間的摩擦系數(shù)，一般取0.3；為煤體內(nèi)摩擦角；0為煤體殘余強度，可在實驗室測定；為上覆巖層巖體密度；為煤層埋深；為調(diào)整系數(shù)。

從式(1)可知，應(yīng)力極限平衡區(qū)范圍大小主要受煤厚、埋深和煤的機(jī)械性能等因素影響。煤層越厚越利于形成大的洞穴和較長的誘導(dǎo)裂隙[16]，從而擴(kuò)大應(yīng)力釋放范圍；機(jī)械強度較低的碎軟煤層由于內(nèi)摩擦角較小、內(nèi)聚力較低，更易垮落形成洞穴，有利于應(yīng)力釋放區(qū)向深部擴(kuò)展；埋深越大，應(yīng)力極限平衡區(qū)范圍也相應(yīng)增大[19]。理論上，洞穴周圍的應(yīng)力釋放能夠使圍巖產(chǎn)生大量裂隙，從而提高煤層透氣性，煤層越厚、洞穴規(guī)模越大，越有利于擴(kuò)大泄壓范圍。

對于埋藏深、厚度大的碎軟突出煤層，洞穴完井一般可以取得更大的應(yīng)力釋放范圍。通過科學(xué)布井、洞穴完井和預(yù)抽，使應(yīng)力釋放區(qū)有效覆蓋井巷揭煤區(qū)域，改變井巷揭煤區(qū)域突出應(yīng)力場環(huán)境和瓦斯賦存狀態(tài)，可達(dá)到降低突出危險性的目的。

2.2 水力壓裂預(yù)抽輔助消突技術(shù)

水力壓裂作為一種有效的儲層增產(chǎn)措施在煤層氣開發(fā)領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。其原理是利用地面高壓泵車(組)通過井筒向煤層段擠注具有特定性能的壓裂液和支撐劑，在煤儲層中留下一條或多條支撐裂縫，從而有效地連接井筒和天然裂隙，在排水采氣時更廣泛地分配井孔附近的壓降，提升產(chǎn)能[20-21]。

實踐證明，水力壓裂主裂縫半長可達(dá)數(shù)十米甚至上百米[21]。煤層氣井水力壓裂后，經(jīng)過不斷排水降壓，煤儲層壓力持續(xù)下降，當(dāng)儲層壓力低于臨界解吸壓力時，瓦斯開始解吸并經(jīng)裂縫隨水流進(jìn)入井筒，隨著抽采的持續(xù)，最終在以井筒為中心的煤儲層段形成一個不斷擴(kuò)大的壓降漏斗區(qū)[22]，大量的瓦斯解吸并產(chǎn)出井口。研究表明，水力壓裂強化的煤層氣井經(jīng)過一段時間的抽采，可有效降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，在一定范圍內(nèi)可以達(dá)到消突的目的，預(yù)抽消突時間與單井日產(chǎn)量之間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系增長[23]，單井抽采量越高，預(yù)抽消突時間越短。而瓦斯抽采的強度一般隨距井眼距離的增加而降低，近井地帶(井眼周圍0~40 m半徑范圍)，由于裂縫寬度最大，導(dǎo)流能力強(水力壓裂的支撐劑顆粒一般都沉積在近井地帶[24])，煤層瓦斯解吸和抽采最為充分，是最早實現(xiàn)消突的區(qū)域。

實際上，井巷揭煤區(qū)范圍較小，在揭煤區(qū)域確定的情況下，可以通過合理的鉆井軌跡設(shè)計和水力壓裂，對揭煤區(qū)提前進(jìn)行1~3 a甚至更長時間抽采覆蓋，變突出區(qū)域為非突出區(qū)域。

3 工程應(yīng)用

3.1 謝一礦石門揭煤洞穴完井輔助消突實踐

淮南礦區(qū)謝一礦為典型的煤與瓦斯突出礦井，瓦斯含量13~18 m3/t，瓦斯壓力2.0~6.8 MPa；井下實測最大主應(yīng)力值31.2 MPa[25]；加之碎軟煤層發(fā)育，煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重，已發(fā)生中–特大型突出事故十余起。由于地應(yīng)力高，瓦斯含量和壓力高，井下鉆孔施工難度大，“噴孔”嚴(yán)重，抽采效果不佳，石門揭煤突出危險系數(shù)大，井下措施已不能完全滿足防突需要。為了降低消突工作難度，縮短揭煤工期，對–960 m軌道石門揭B11煤層區(qū)域(煤厚約6.4 m)采用地面洞穴完井輔助消突。

在石門揭煤區(qū)域設(shè)計布置2口定向井(T01和T02)和1口多分支水平對接井(T03)(圖2)。其中，兩口定向井為洞穴井，落點位于石門揭煤點的兩側(cè)，相距約15 m；多分支水平井落點位于–960 m軌道石門上方的巷道中線上，并在B11煤層中側(cè)鉆形成兩個分支，分別與T01和T02井對接。鉆井和固井結(jié)束后，采用機(jī)械擴(kuò)孔、高壓水射流沖刷和空氣動力3種方法相結(jié)合的方式，分別對T01和T02井B11煤層段進(jìn)行造穴作業(yè)，其中機(jī)械擴(kuò)孔最大孔直徑為500 mm，空氣動力最大放噴壓力8 MPa。T01井造穴出煤粉量約171 m3，T02井造穴出煤粉量約131 m3，經(jīng)粗略估算，相當(dāng)于分別形成了半徑為3.0 m和2.5 m的圓柱形洞穴。造穴完成后，對T01和T02井分別進(jìn)行瓦斯抽采，共計抽采瓦斯量4.75萬m3。

由于洞穴井距離近(約15 m)，造穴作業(yè)過程中井間相互溝通，加之與T03井對接和瓦斯抽采，使石門揭煤區(qū)域應(yīng)力得到釋放，泄壓明顯。井下鉆孔測試顯示，經(jīng)過洞穴完井和預(yù)抽，瓦斯壓力由原始的6.8 MPa下降到0.2~4.5 MPa，瓦斯含量由18 m3/t下降至13 m3/t[26]，井下鉆孔未再次出現(xiàn)嚴(yán)重噴孔現(xiàn)象，有效降低了井下揭煤防突難度，提高了揭煤效率。

圖2 淮南謝一礦石門揭煤洞穴完井輔助消突示意圖

3.2 官寨煤礦井筒揭煤輔助消突預(yù)測

貴州官寨煤礦屬于籌建礦井，煤層發(fā)育具有“層數(shù)多、總厚度大”的特點，共含可采煤層10層，各層平均煤厚0.9~2.6 m。受井田大型斷層帶影響，各煤層均遭受不同程度的構(gòu)造破壞，碎軟低滲煤層(特別是碎粒煤和糜棱煤)較為發(fā)育，可采煤層試井平均滲透率低于0.10×10-3μm2。各煤層均為無煙煤，吸附能力強，瓦斯含量高，埋深超過200 m，瓦斯含量一般超過8 m3/t，最大達(dá)24.90 m3/t，瓦斯壓力0.80~2.25 MPa。由于瓦斯含量高、壓力大，加之煤質(zhì)碎軟，各煤層均具有突出危險性。

官寨煤礦采用“斜井+立井”聯(lián)合開拓，主斜井、副立井所在的大型斷層帶(F2和F14斷層帶)是突出的危險地帶(圖3)，井筒揭露具有突出危險性煤層時，在前方巖柱的有利約束下，工作面前方會形成應(yīng)力集中和能量聚集，在措施不到位的情況下，極易發(fā)生突出事故。為了降低未來井筒揭煤防突工作難度，提高揭煤效率，對副立井和主斜井分別設(shè)計采用洞穴完井和水力壓裂預(yù)抽技術(shù)進(jìn)行輔助消突。

3.2.1 副立井揭煤洞穴完井輔助消突

副立井位于南二盤區(qū)F14、F13和Fx斷層切割的斷塊位置，設(shè)計深度546 m，截面寬約4 m，揭穿煤系與茅口灰?guī)r大巷貫通。井檢孔資料顯示，井筒揭穿厚度較大、具有突出危險性的煤層8層，煤厚0.80~4.99 m，瓦斯含量8.98~16.31 m3/t(表1)，瓦斯壓力1.06~1.78 MPa，受斷層影響，各可采煤層以碎粒煤和糜棱煤為主。

圖3 貴州官寨煤礦井主斜井、副立井位置示意圖

表1 貴州官寨煤礦副立井井筒揭煤參數(shù)表

在副立井揭煤區(qū)兩側(cè)同一直線上設(shè)計布置2口垂直井，2井距井筒法線距離均為10 m(圖4a)，垂直井揭穿所有煤層后繼續(xù)施工50 m口袋。鉆井和套管完成后，分別采用“機(jī)械擴(kuò)孔+高壓水射流+空氣動力”組合方式對兩口井揭露的具有突出危險性的2、4、6、10、11、12和15號等煤層進(jìn)行洞穴完井。

造穴過程中，盡可能擴(kuò)大洞穴的規(guī)模并使井間同一煤層洞穴溝通，使應(yīng)力釋放，再通過抽采擴(kuò)大卸壓區(qū)范圍并覆蓋揭煤區(qū)域；原則上，煤厚0.8~2.0 m的煤層，洞穴直徑不小于2.0 m，煤厚3 m以上的煤層洞穴直徑不小于4 m。單井多層煤的洞穴完井，采用自下而上的順序進(jìn)行，下部煤層造穴完成后，在洞穴中填滿粗砂，在上、下煤層之間下入可鉆式橋塞封隔；下部井?dāng)嘣煅ㄍ瓿珊?，開始上部煤層的造穴作業(yè)，直至所有突出煤層全部完成造穴作業(yè)，形成一個由井眼相連的“串珠”狀洞穴；造穴作業(yè)全部完成后，下鉆掃除可鉆橋塞，通井后，在井口安裝抽油機(jī)進(jìn)行瓦斯合層抽采(圖4a)。

圖4 貴州官寨煤礦副立井洞穴完井及抽采效果預(yù)測圖

采用CBM-SIM數(shù)值模擬軟件，對洞穴完井后各煤層抽采效果進(jìn)行預(yù)測，經(jīng)過330 d抽采，抽采總量達(dá)10.82萬m3，揭煤區(qū)域卸壓，殘余瓦斯含量降至7.16~12.00 m3/t，突出危險性大大降低(表2，圖4b)。

表2 貴州官寨煤礦副立井洞穴完井預(yù)抽效果預(yù)測表

3.2.2 主斜井揭煤水力壓裂輔助消突

主斜井揭煤區(qū)位于北二盤區(qū)F2正斷層下盤(圖3)，井筒傾角21.5°，斜長1 380 m，斷面寬約4 m，揭穿煤系與茅口灰?guī)r中的大巷貫通。井檢孔資料顯示，揭露的2號、5號、9號和11號煤層為構(gòu)造煤，瓦斯含量9.64~17.21 m3/t，瓦斯壓力0.79~1.27 MPa(表3)。

設(shè)計在井筒揭煤區(qū)布置“U”型井組，由1口定向井和1口直井對接，其中，定向井井眼軌跡位于主斜井井筒軌跡下方5~10 m，與主斜井井筒揭煤段軌跡平行(圖5)。首先施工垂直井(兼做參數(shù)井)，再施工定向井與垂直井對接。鉆完井結(jié)束后，在定向井段采用泵注橋塞電纜射孔壓裂聯(lián)合作業(yè)技術(shù)[27]對2號、5號、9號、11號煤層進(jìn)行射孔和分段壓裂。壓裂完成后，對揭露的其他煤層全部射孔打開，在直井井口安裝抽油機(jī)進(jìn)行抽采(圖5a)。

表3 貴州官寨煤礦主斜井揭穿煤層參數(shù)

2015年，官寨井田實施了地面瓦斯抽采試驗(GZ-01井)，獲取了儲層基礎(chǔ)參數(shù)和氣井生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)這些生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行歷史擬合獲取的煤儲層滲透率、儲層壓力等參數(shù)，更加真實地反映官寨井田的儲層地質(zhì)條件，這些參數(shù)可以用來對主斜井抽采效果進(jìn)行預(yù)測。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，主斜井采用定向井水力壓裂方式進(jìn)行瓦斯抽采1 a，近井地帶(井眼周圍30 m范圍)瓦斯含量降至5.6~7.4 m3/t，滿足主斜井開挖20 m范圍內(nèi)瓦斯含量低于8 m3/t的要求[28]，主斜井揭煤突出危險性大大降低(圖5b)。

圖5 主斜井揭煤水力壓裂及抽采效果預(yù)測圖

4 結(jié)論

a. 防突工作的核心任務(wù)是通過工程技術(shù)措施改變構(gòu)造煤體所處的突出應(yīng)力場環(huán)境和瓦斯賦存狀態(tài)，消除突出發(fā)生的動力來源和物質(zhì)基礎(chǔ)，變突出區(qū)域(煤層)為非突出區(qū)域(煤層)。

b.在煤層中造穴，可以改變構(gòu)造煤體所處的突出應(yīng)力場環(huán)境，減小因應(yīng)力集中而聚集的變形能，使洞穴周圍一定范圍內(nèi)應(yīng)力釋放并卸壓，從而減小突出發(fā)生的動力來源；煤層越厚、洞穴規(guī)模越大越利于取得大范圍的應(yīng)力釋放和卸壓。煤層氣井近井地帶(0~30 m半徑)水力壓裂形成的支撐裂縫寬度最大，導(dǎo)流能力最強，煤層瓦斯解吸和抽采最為充分，是最易實現(xiàn)消突的區(qū)域。工程實踐表明，將洞穴完井或水力壓裂預(yù)抽形成的應(yīng)力釋放區(qū)或壓降范圍有效地覆蓋井巷揭煤區(qū)域，經(jīng)過一段時間的抽采，降低了煤層瓦斯含量和瓦斯壓力，在一定程度上可降低突出危險性甚至達(dá)到消突的目的。

c.地面預(yù)抽輔助消突技術(shù)安全性高，可有效降低井巷揭煤防突工作難度，提高揭煤效率，是井下防突措施的重要補充，適合構(gòu)造復(fù)雜帶或深部強突煤層(井下措施難以到位、安全風(fēng)險大)的井巷揭煤防突工作。

需要指出的是，我國煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多樣，采用地面預(yù)抽技術(shù)開展井巷揭煤輔助消突，要充分考慮安全性和生產(chǎn)接續(xù)的緊迫程度，考慮不同抽采技術(shù)的適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性，靈活運用。再者，經(jīng)過地面預(yù)抽輔助消突，仍需要井下開展防突效果檢驗，對于地面預(yù)抽不達(dá)標(biāo)的區(qū)域，需布置新的防突措施。

致謝：在本文撰寫過程中，王成、茹婷和王正喜等同事給予了支持和幫助，在此表示衷心感謝！

[1] 胡千庭，趙旭生. 中國煤與瓦斯突出事故現(xiàn)狀及其預(yù)防的對策建議[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2012，39(5)：1–6. HU Qianting，ZHAO Xusheng. Present situation of coal and gas outburst accidents in China’s coal mines and countermeasures and suggestions for their prevention[J]. Mining Safety and Environmental Protection，2012，39(5)：1–6.

[2] 魏平儒，史宗保. 井筒揭煤預(yù)防煤與瓦斯突出的對策[J]. 煤礦安全，2008，39(1)：75–77. WEI Pingru，SHI Zongbao. Countermeasure for coal and gas prevention when exposing a coal seam in a shaft[J]. Safety in Coal Mines，2008，39(1)：75–77.

[3] 俞啟香，程遠(yuǎn)平. 礦井瓦斯防治[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992.

[4] 曹垚林. 井筒(石門)揭煤防突措施的探討[J]. 煤礦安全，2010，41(8)：98–100. CAO Yaolin. Discussion on the measures for outburst prevention when exposing a coal seam in a shaft(cross-cut)[J]. Safety in Coal Mines，2010，41(8)：98–100.

[5] 李奇. 紫金煤業(yè)井筒揭煤防治煤與瓦斯突出技術(shù)研究[J]. 煤炭工程，2013，45(12)：34–36. LI Qi. Research on the coal and gas outburst prevention technologies for coal exposure in Zijin Coal Industry[J]. Coal Engineering，2013，45(12)：34–36.

[6] 楊棟梁. 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令[N]. 中國安全生產(chǎn)報，2013-01-24.

[7] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局. 防治煤與瓦斯突出規(guī)定[S]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2009．

[8] 薛景予，劉高峰，宋志敏. 井筒揭煤反向消突技術(shù)[J]. 煤礦安全，2015，46(4)：128–129. XUE Jingyu，LIU Gaofeng，SONG Zhimin. Reverse outburst-eliminating technique for coal exposure in a shaft[J]. Safety in Coal Mines，2015，46(4)：128–129.

[9] 劉健，劉澤功. 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在井筒揭煤中的應(yīng)用研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(2)：19–21. LIU Jian，LIU Zegong. Study on application of deep borehole pre-fracturing blasting technology to seam opening in mine shaft[J]. Coal Science and Technology，2012，40(2)：19–21.

[10] 王滿. 千米深井強突出煤層群井筒快速揭煤技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43(5)：71–73. WANG Man. Rapid seam opening technology of mine shaft sinking in 1 000 m deep mine with high outburst seam group[J]. Coal Science and Technology，2015，43(5)：71–73.

[11] 武華太. 煤礦區(qū)瓦斯三區(qū)聯(lián)動立體抽采技術(shù)的研究和實踐[J].煤炭學(xué)報，2011，36(8)：1312–1316. WU Huatai. Study and practice on technology of three-zones linkage 3D coalbed methane drainage in coal mining area[J]. Journal of China Coal Society，2011，36(8)：1312–1316.

[12] 許江，劉東，彭守建，等. 不同突出口徑條件下煤與瓦斯突出模擬試驗研究[J]. 煤炭學(xué)報，2013，38(1)：9–14. XU Jiang，LIU Dong，PENG Shoujian，et al. Coal and gas outburst analogous test under the different diameter of exposed coal seam surface[J]. Journal of China Coal Society，2013，38(1)：9–14.

[13] 閆江偉，張小兵，張子敏. 煤與瓦斯突出地質(zhì)控制機(jī)理探討[J]. 煤炭學(xué)報，2013，38(7)：1174–1178. YAN Jiangwei，ZHANG Xiaobing，ZHANG Zimin. Research on geological control mechanism of coal-gas outburst[J]. Journal of China Coal Society，2013，38(7)：1174–1178.

[14] 鮮學(xué)福，辜敏，李曉紅，等. 煤與瓦斯突出的激發(fā)和發(fā)生條件[J]. 巖土力學(xué)，2009，30(3)：577–581. XIAN Xuefu，GU Min，LI Xiaohong，et al. Excitation and occurrence conditions for coal and gas outburst[J]. Rock and Soil Mechanics，2009，30(3)：577–581.

[15] 萬繼方，申瑞臣，陳添，等. 煤層氣井造洞穴技術(shù)特點分析[J]. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，17(2)：73–75. WAN Jifang，SHEN Ruichen，CHEN Tian，et al. Analysis of building cavity technology of CBM completion[J]. Journal of Chongqing University of Science and Technology(Natural Sciences Edition)，2015，17(2)：73–75.

[16] 蘇現(xiàn)波，潘結(jié)南，薛培剛. 煤中裂隙：裸眼洞穴法完井的前提[J]. 焦作工學(xué)院學(xué)報，1998，17(3)：163–168. SU Xianbo，PAN Jienan，XUE Peigang. Fractures are the foundation of open-hole cavity completion[J]. Journal of Jiaozuo Institute of Technology，1998，17(3)：163–168.

[17] 王慶偉，曹代勇，王佟. 煤層氣裸眼洞穴完井造成的應(yīng)力集中帶與煤粉產(chǎn)出的關(guān)系[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2013，41(6)：35–37. WANG Qingwei，CAO Daiyong，WANG Tong. Relationship between the stress-concentrated zone caused by cavity-completed wells and the coal powder output[J]. Coal Geology & Exploration，2013，41(6)：35–37.

[18] 王成明，薛友興，喬志揚. 圍巖中等穩(wěn)定煤層巷道錨桿支護(hù)[J]. 煤礦開采，2001(3)：26–28. WANG Chengming，XUEYouxing，QIAO Zhiyang. Bolt support in a coal roadway with moderately stable surrounding rocks[J]. Coal Mining Technology，2001(3)：26–28.

[19] 侯朝炯，馬念杰. 煤層巷道兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡區(qū)的探討[J]. 煤炭學(xué)報，1989，14(4)：21–29. HOU Chaojiong，MA Nianjie. Stress in in-seam roadway sides and limit equilibrium zone[J]. Journal of China Coal Society，1989，14(4)：21–29.

[20] 徐冰. 煤層氣壓裂新技術(shù)及效果影響因素探討[J]. 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013，33(14)：79. XU Bing. New CBM fracturing technologies and the influencing factors of their effect[J]. China Petroleum and Chemical Standard and Quality，2013，33(14)：79.

[21] 伊向藝，雷群，丁云宏，等. 煤層氣壓裂技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2012.

[22] 杜嚴(yán)飛，吳財芳，鄒明俊，等. 煤層氣排采過程中煤儲層壓力傳播規(guī)律研究[J]. 煤炭工程，2011(7)：87–89. DU Yanfei，WU Caifang，ZOU Mingjun，et al. Study on reservoir pressure transmission law during gas mining and drainage process of coalbed methane well[J]. Coal Engineering，2011(7)：87–89.

[23] 劉高峰，翁紅波，宋志敏，等. 煤層氣井水力壓裂效果評價與消突時間預(yù)測研究[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，34(6)：753–758. LIU Gaofeng，WENG Hongbo，SONG Zhimin，et al. Sdudy on hydraulic fracturing effect evaluation and outburst elimination time prediction in coalbed methane wells[J]. Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science)，2015，34(6)：753–758.

[24] 楊尚諭，楊秀娟，閆相禎，等. 煤層氣水力壓裂縫內(nèi)變密度支撐劑運移規(guī)律[J]. 煤炭學(xué)報，2014，39(12)：2459–2465. YANG Shangyu，YANG Xiujuan，YAN Xiangzhen，et al. Variable density proppant placement in CBM wells fractures[J]. Journal of China Coal Society，2014，39(12)：2459–2465.

[25] 韓軍，張宏偉，宋衛(wèi)華，等. 煤與瓦斯突出礦區(qū)地應(yīng)力場研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(增刊2)：3852–3859. HAN Jun，ZHANG Hongwei，SONG Weihua，et al. In-situ stress field of coal and gas outburst mining area[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(S2)：3852–3859.

[26] 曾慶輝. 石門揭煤防突新技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 煤炭與化工，2015，38(12)：82–85. ZENG Qinghui. Field application of new technology of shimen cutting through coal seam outburst prevention[J]. Coal and Chemical Industry，2015，38(12)：82–85.

[27] 肖鋼，唐穎. 頁巖氣及其勘探開發(fā)[M]. 北京：高等教育出版社，2012：115．

[28] 胡正田，萬志杰，張東亮. 貴州官寨煤礦“先抽后建”地面瓦斯抽采工藝分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2018，46(4)：50–54. HU Zhengtian，WAN Zhijie，ZHANG Dongliang. Analysis on the surface gas drainage technology of “drainage first and construction later” in Guanzhai mine in Guizhou Province[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(4)：50–54.

Auxiliary outburst prevention techniques by surface pre-drainage for coalbed exposed in tunnel and mine shaft

ZHANG Dongliang

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology & Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

How to expose an outburst-prone coal seam safely and efficiently in tunnel and mine shaft is always a subject to study continuously in outburst prevention, surface coalbed gas pre-drainage is an effective approaches for outburst prevention. Based on the analysis of outburst mechanism in tunnel and mine shaft and the core task of outburst prevention, the characteristics and adaptability of the outburst prevention techniques by surface pre- drainage are studied. Practical engineering application shows that the gas content and pressure in coal exposure area can be effectively reduced using surface pre-drainage well by cavern completion or hydraulic fracturing, the stress or pressure relief and the source and driving force of outburst are weakened after drainage, the seam changed from outburst state to non outburst state. Surface pre-drainage of coal gas can effectively reduce the difficulty of underground outburst prevention and improve coal exposure efficiency, therefore, can be used for outburst prevention during coal exposure in cross-cut and shaft with complicated geological conditions.

surface gas pre-drainage; outburst prevention; coalbed exposure in tunnel and mine shaft

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Reserch Institute of CCTEG(2017XAYZD17)

張東亮，1982年生，男，河南平頂山人，助理研究員，碩士，從事煤層氣勘探開發(fā)與煤礦瓦斯治理工作. E-mail：zdl21025@126.com

張東亮. 井巷揭煤地面預(yù)抽輔助消突技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：49–55.

ZHANG Dongliang.Auxiliary outburst prevention techniques by surface pre-drainage for coalbed exposed in tunnel and mine shaft[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：49–55.

1001-1986(2019)03-0049-07

TD82

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.009

2018-09-11

國家科技重大專項課題(2016ZX05045-002)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2017XAYZD17)

(責(zé)任編輯 范章群)