程志恒，陳 亮，鄒全樂，王宏冰，浦仕江，齊慶新，梁椿豪，樊少武，蘇士龍，閆大鶴

（1.華北科技學院 安全工程學院，北京 101601；2.華北科技學院 安全監(jiān)管學院，北京 101601；3.華科中安科技（北京）有限公司，北京 102300；4.重慶大學，重慶 400044；5.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；6.貴州大學 礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025；7.煤炭科學研究總院深部開采與沖擊地壓研究院，北京 100013；8.華晉焦煤有限責任公司，山西 呂梁 033300；9.煤炭科學技術研究院有限公司 北京 100013）

0 引 言

近距離煤層群在我國分布廣泛，煤層層間距小、煤層間采動相互影響大，且在其開采過程中煤層瓦斯始終威脅礦井安全。 隨著礦井開采深度不斷延深，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力也隨之增加，瓦斯治理難度進一步增大。 因此，采用煤與瓦斯共采技術，形成近距離煤層群煤與瓦斯高效共采技術體系，是解決近距離煤層群煤碳資源開采及煤層氣資源高效抽采利用的必然手段，也是響應當今社會倡導綠色開采的技術體系之一。 目前，在近距離煤層群煤與瓦斯共采技術領域，國內(nèi)外眾多學者從不同視角進行了研究，并取得了豐碩成果。 在近距離煤層群方面：文獻［1-2］探究了近距離煤層群在疊加開采條件下應力-裂隙演化特征，實現(xiàn)了對采動裂隙帶分布特征的精細化模擬；文獻［3］研究了保護層開采下首采層的采動影響范圍，分析了高瓦斯煤層群保護層開采技術的可行性；文獻［4］發(fā)現(xiàn)疊加開采條件下覆巖垮落特征呈多層協(xié)調(diào)移動，位移場、裂隙場也出現(xiàn)了疊加效果；文獻［5-6］研究了煤層群重復開采下三維應力場的時空演化特征和覆巖裂隙帶的破碎力學行為。 在煤與瓦斯共采方面：文獻［7-8］初步提出了“礦山綠色開采”的新概念；文獻［9-11］研究了上覆巖層的破斷機理及裂隙分形特征，揭示了采動裂隙的演化規(guī)律；文獻［12-14］改變了傳統(tǒng)“風排”瓦斯的治理措施，采取首采層卸壓開采，實現(xiàn)了高效“抽采”瓦斯的新模式，并形成了保護層開采下的煤與瓦斯共采技術；文獻［15-16］建立了無煤柱開采下的煤與瓦斯高效共采理論，實現(xiàn)了對煤層瓦斯分布的定量描述；文獻［17］采用了大孔徑千米定向鉆機高效抽采了頂板裂隙帶瓦斯，提出了高瓦斯煤層千米定向鉆孔煤與瓦斯共采機理。

上述研究成果切實地解決了目前近距離煤層群開采過程中存在的技術難題，并構成了我國煤與瓦斯共采技術的基本內(nèi)容，但在近距離煤層群開采條件下疊加應力場與瓦斯壓力耦合致害機理方向的研究較少，且各項煤與瓦斯共采技術銜接關系不佳，近距離煤層群下煤與瓦斯共采技術體系尚未形成，缺少近距離煤層群煤與瓦斯共采全過程的動態(tài)效果評價模型。 基于此，筆者以沙曲礦區(qū)為研究背景，對沙曲礦區(qū)疊加開采條件下應力場及其作用下瓦斯壓力演化規(guī)律進行研究，從而為近距離煤層群條件下煤與瓦斯共采技術提供理論支撐，并對沙曲礦區(qū)煤層群采用共采技術后的抽-采-掘效果進行評價，以形成近距離煤層群煤與瓦斯高效共采技術體系。

1 近距離煤層群的資源賦存特征

1.1 近距離煤層群煤炭資源賦存特征

近距離煤層群具有煤層層間距小、煤炭資源儲量大、煤層間采動相互影響大等特點，主要分布在我國安徽淮南淮北、重慶松藻、河南平頂山、貴州水城、呂梁西汾柳等礦區(qū)，受限于各自地質(zhì)構造條件，其煤層群間的煤炭資源賦存分布特征亦不相同，具體賦存特征見表1。

1.2 近距離煤層群煤層氣資源賦存特征

據(jù)統(tǒng)計，我國近距離煤層群煤層氣資源賦存狀態(tài)整體呈現(xiàn)為：①在煤層含氣量方面：松藻礦區(qū)含氣量最高，其次為淮南淮北礦區(qū)、水城礦區(qū)、平頂山礦區(qū)，而西汾柳礦區(qū)的含氣量最低，平均為9.27 m3/t；②在煤層氣資源儲量儲存方面：西汾柳礦區(qū)儲量最大，其次為平頂山礦區(qū)、淮南淮北礦區(qū)，水城礦區(qū)的煤層氣儲量最低［18］，如圖1 所示。

圖1 近距離煤層群煤層氣賦存分布特征Fig.1 Occurrence and distribution characteristics of coalbed methane in close distance coal seams

雖然我國近距離煤層群煤炭資源和煤層氣資源儲量豐富，但由于開采過程中受重復采動影響，煤層裂隙演化規(guī)律不清，致使煤層瓦斯運移特征不明。 因此，筆者以沙曲礦區(qū)近距離煤層群為例，通過分析煤層群中煤層瓦斯吸附-解吸特征，進而研究疊加開采條件下采動應力場-裂隙場的演化特征，從而揭示疊加開采條件下瓦斯運移富集特征。

1.3 沙曲礦區(qū)煤炭資源賦存特征

1.3.1 煤炭資源宏觀賦存特征

沙曲礦區(qū)隸屬華晉焦煤有限責任公司，位于呂梁山脈中段西部，河東煤田中部，井田大致呈北西—南東向弧形，井田面積138.353 5 km2。 批采煤層共8 層，分為上下2 組，上煤組為山西組的2、3、4（3+4）、5 號煤層，下煤組為太原組的6、8、9 號煤層。主采煤層為3、4、5 號煤層，平均煤層厚度分別為1.21、4.2、4.45 m，煤層層間含有少量夾矸層，均為穩(wěn)定全區(qū)可采煤層，最小煤層間距為5.56 m，故沙曲礦區(qū)屬于典型的近距離煤層群開采，如圖2 所示。

圖2 沙曲礦區(qū)可采煤層特征Fig.2 Characteristics of minable coal seam in Shaqu Mining Area

煤層瓦斯含量與煤層埋深、上覆基巖厚度及頂?shù)装鍘r性之間具有相關性。 因此，筆者取沙曲礦區(qū)同一時期主采煤層的煤樣進行研究，其煤層瓦斯含量與上覆基巖厚度、煤層埋深的關系如圖3 所示。由圖3 可知，煤層瓦斯含量與煤層埋深、上覆基巖厚度呈線性關系，但由于沙曲礦區(qū)南翼煤層的埋深普遍大于北翼煤層的埋深，致使在相同煤層底板標高條件下南翼煤層的瓦斯含量普遍高于北翼煤層的瓦斯含量。

圖3 煤層瓦斯含量與上覆基巖厚度、煤層埋深的關系Fig.3 Relationship between gas content in coal seam and bed rock thickness and burial depth

基于沙曲礦區(qū)地質(zhì)構造特征與瓦斯賦存特點，以三川河為界，將沙曲礦區(qū)劃分為2 個礦井，北翼煤層為沙曲一礦，南翼煤層為沙曲二礦（圖4）。 沙曲二礦的瓦斯富集程度高于沙曲一礦，瓦斯災害呈現(xiàn)為“北超南突”的特點。 根據(jù)2 個礦井的煤層瓦斯含量及賦存特征，采用不同的煤與瓦斯共采技術。

圖4 沙曲礦區(qū)煤炭資源賦存劃分示意Fig.4 Coal resource division in Shaqu Mining Area

1.3.2 煤體細觀結構及吸附解吸特征

煤是多孔隙物質(zhì)，在成煤作用過程中往往伴有瓦斯形成，而煤層中微孔、微裂隙是瓦斯的主要儲存和運移空間［19］。 因此，研究煤層中微孔、微裂隙的類型、大小和結構對掌握瓦斯賦存和涌出規(guī)律具有重要意義。

沙曲礦區(qū)煤層孔隙分布特征見表2。 沙曲礦區(qū)3、4、5 號煤層內(nèi)中孔、微孔、小孔所占比例最大，約占總孔隙的83.57%、66.31%、69.57%，而瓦斯在煤層中主要流動場所為可見孔、大孔和中孔，微孔和小孔是吸附態(tài)瓦斯主要儲存空間。 3、4 號煤層透氣性系數(shù)為3.52 ～3.70 m2/（MPa2·d），平均瓦斯含量11.06 m3/t，5 號煤層透氣性系數(shù)為1.99 ～2.23 m2/（MPa2·d），平均瓦斯含量11.16 m3/t。

表2 沙曲礦區(qū)煤層孔隙分布特征Table 2 Pore distribution characteristics of Shaqu Mining Area

沙曲礦區(qū)煤層孔裂隙結構特征有利于瓦斯賦存，但不利于瓦斯運移，且煤層對瓦斯吸附性較強，導致沙曲礦區(qū)主采煤層的瓦斯含量較高。

上文以宏觀和微觀的角度分析了沙曲礦區(qū)煤層瓦斯賦存特征，受地質(zhì)條件影響，南北兩翼礦井表現(xiàn)出不同的瓦斯富集特征。 即沙曲二礦的瓦斯富集程度普遍大于沙曲一礦的瓦斯富集程度，且沙曲礦區(qū)煤層的孔裂隙結構特征不利于瓦斯氣體運移，導致在疊加開采條件下卸壓煤層裂隙發(fā)育特征及瓦斯運移規(guī)律不清晰。 因此，有必要開展在疊加開采條件下采動應力場-裂隙場-瓦斯?jié)B流場演化規(guī)律的研究。

2 沙曲礦區(qū)煤層群覆巖采動及瓦斯運移特征

2.1 煤層群疊加開采下煤巖損傷演化特征

采用介質(zhì)損傷程度作為定量表征介質(zhì)損傷程度的參數(shù)。 將軸向應力、應變分別作為荷載變量，將對應的響應變量作為加卸載響應比值的參量［20］，加卸載響應比YE為

式中：X+、X-分別是加載和卸載階段的響應量；X為加卸載階段的響應量；ΔP、ΔR分別是應力響應變量P和應變響應變量R所對應的增量，應力響應變量P和應變響應變量R是從循環(huán)荷載試驗下應力-應變曲線中獲得的。 可用加卸載響應比Y來表征循環(huán)荷載過程中煤樣的損傷量。

基于Weibull 分布規(guī)律建立了加卸載響應比YE與損傷變量D之間的關系［21］

式中：mW為Weibull 指數(shù)；ε為應變，ε＝（1/m）1/m；m為試樣質(zhì)量；εmF 為破壞點處的應變，故該破壞點所對應的損傷為DF＝1-e（-1/m）DF，D（ε）為試樣變形所對應的損傷變量函數(shù)。

將式（3）變換可得損傷量與加卸載響應比的關系式為

由圖5 可知，煤樣隨著軸向應力的增大，加卸載響應比先緩慢增大，然后加快增大，最后基本呈直線增加（圖5b），而損傷變量曲線分為緩增-急增-緩增3 個階段（圖5c）。

加載階段煤樣產(chǎn)生了損傷累積，加卸載響應比逐漸增大，當煤樣所承受應力達到一定水平之后，加載階段彈性模量進一步降低，加卸載響應比突增，預示煤樣即將發(fā)生破壞，煤樣進入了屈服階段；通過Y值計算獲得的損傷變量D也具有相似的變化規(guī)律，均能用Boltzmann 公式進行擬合，擬合度均＞0.9。

2.2 煤層群疊加開采采動應力演化及分布特征

沙曲礦區(qū)作為近距離突出煤層群，且主采煤層間的平均間距最大為17.23 m（圖2），為探究煤層群多次開采條件下采動應力場和裂隙場分布規(guī)律及演化特征，采用自主研制的相似模擬試驗平臺，模型鋪設及測點布置如圖6 所示，相似幾何比aL＝100 ∶1，相似容重比aγ＝1.625 ∶1。

圖6 模型鋪設及測點布置Fig.6 Model laying and measuring point layout

1）疊加開采下伏巖垮落演化規(guī)律。 近距離煤層群在疊加開采條件下不同開采強度對上覆巖層的垮落特征影響不同，具體為：當工作面推進至120 m 時，在首采層開采條件下，基本頂再次斷裂，采場第2 次周期來壓，但此時基本頂仍然可形成砌體梁平衡結構，如圖7a 所示；而在下伏煤層二次開采條件下，基本頂發(fā)生第4 次周期來壓現(xiàn)象，下位基本頂斷裂垮落，上位基本頂形成砌體梁平衡結構，由于基本頂下沉量較大，更高位巖層在二次采動作用下再次發(fā)生斷裂現(xiàn)象，如圖7b 所示。

圖7 工作面推進至120 m 時巖層垮落特征Fig.7 Rock collapse characteristics when the working face is pushed to 120 m

2）疊加開采下伏巖應力分布特征。 對比首采層和下伏煤層先后開采過程中覆巖不同層位上的應力變化（圖8）可知：初采期間，下伏煤層（3+4號煤）卸壓程度大于首采層（2 號煤）的卸壓程度，其最大應力降低值約是首采層的1.5 倍；首采層開采條件下，當工作面推進至120 m 時開始出現(xiàn)應力恢復現(xiàn)象，二次采動時覆巖發(fā)生應力恢復現(xiàn)象有所提前，約在下伏煤層工作面推進至100 m 處，應力恢復現(xiàn)象產(chǎn)生后，下伏煤層開采時頂?shù)装鍘r層測線上的卸壓程度仍高于首采層開采時的卸壓程度。

因此，基于疊加開采條件下伏巖垮落規(guī)律及應力分布特征，二次采動條件下采動影響范圍遠大于首次層開采條件下的影響范圍，且二次采動影響區(qū)所產(chǎn)生的裂隙多為破斷型裂隙，而首采層開采影響區(qū)的裂隙多為離層裂隙，二次采動條件下產(chǎn)生的裂隙數(shù)量大于首采層開采影響下產(chǎn)生裂隙數(shù)量的2倍。 因此，疊加開采條件下所產(chǎn)生的采動影響并非簡單的首次層開采影響的2 倍，而是產(chǎn)生了“1+1＞2”的影響效果。

圖8 工作面推進120 m 時采動應力場變化特征Fig.8 Change characteristics of mining stress field when working face advances 120 m

2.3 煤層群疊加開采裂隙發(fā)育及分布特征

超聲波在裂隙發(fā)育的巖層中傳播時波速減慢，可用超聲波傳播速度來反映巖層內(nèi)裂隙的發(fā)育狀態(tài)［22］。 測點布置如圖6 所示，其中測線5 和測線7分別為超聲波監(jiān)測位置。

根據(jù)首采層和下伏煤層先后開采過程中測線上的波速變化情況（圖9、圖10）可知：在首采層（2 號煤）開采過程中，測線7 上的超聲波波速及振幅降低程度遠大于測線5，表明2 號煤層開采時頂板巖層裂隙發(fā)育程度遠大于底板巖層。 而在下伏煤層（3+4 號煤）開采過程中，2 條測線上超聲波波速降低程度明顯高于首采層（2 號煤）開采時的影響程度，因此可以推斷，（3+4）號煤層開采過程中，裂隙發(fā)育數(shù)量及張開程度均大于2 號煤層開采過程的裂隙發(fā)育數(shù)量及張開程度。

圖10 下伏煤層（3+4 號煤）二次開采時測線上波速變化F ig.10 Variation of wave velocity on survey line during secondary mining of underlying coal seam （No.3+4 coal seam）

2.4 煤層群疊加開采瓦斯運移及富集特征

2.3 節(jié)所研究的覆巖應力場-裂隙場演化規(guī)律及分布特征表明煤層群在疊加開采條件下，極有可能產(chǎn)生大裂隙或貫穿型裂隙，然而煤層間的裂隙貫通情況對瓦斯運移及抽采參數(shù)的確定有著重要影響。 因此，為探究近距離煤層群在疊加開采條件下瓦斯運移規(guī)律及富集特征，采用SF6示蹤氣體標識法對煤層間裂隙的貫穿情況及貫穿型裂隙影響程度進行了現(xiàn)場試驗驗證。

試驗地點為沙曲一礦（3+4）號煤層4208 回風巷井下第13 鉆場，目標煤層為（3+4）號煤層，取樣地點為2 號煤層2201 工作面采空區(qū)及（3+4）號煤層瓦斯抽采鉆孔（圖11），在2201 工作面2 個端頭和采空區(qū)底板分別布置5 條測線，采用預埋管的方式采集氣體樣本，如圖12 所示。

圖11 工作面層位關系示意Fig.11 Schematic diagram of working face layer relationship

圖12 2201 工作面采空區(qū)氣體取樣點布置Fig.12 Layout of gas sampling points in goaf of No.2201 working face

由于在2 號煤層2201 工作面采空區(qū)內(nèi)的各測線上發(fā)現(xiàn)了SF6氣體，表明此時2 號煤層與（3+4）號煤層之間已產(chǎn)生了貫穿型裂隙；前9 次取氣均未發(fā)現(xiàn)SF6氣體，而在第10 次取氣時發(fā)現(xiàn)SF6，表明2201工作面回采到第10 次取氣時的位置，在2 號煤層和（3+4）號煤層之間產(chǎn)生了貫穿型裂隙；分別在2-3測點和4-3 測點首先檢測到SF6氣體，說明保護層工作面后方30～40 m 的位置產(chǎn)生了底板貫穿型裂隙（圖13b、圖13c）。

由沙曲一礦2201 采空區(qū)SF6時間濃度分布三維圖（圖13）可知：根據(jù)2-3 測點和4-3 測點首先監(jiān)測到SF6氣體的時間及此時工作面推進的距離表明煤層間貫穿性裂隙的產(chǎn)生在2 號煤層工作面后方40 m 左右，隨后并在其他測點（2-2 測點、2-4 測點、4-2 測點、4- 4 測點）上也同時監(jiān)測到SF6氣體，表明（3+4）號煤層間不僅產(chǎn)生了貫穿型裂隙，而且在其附近也伴隨著次生裂隙發(fā)育，而此時源于（3+4）號煤層的SF6氣體通過貫穿型裂隙運移至2 號煤層工作面后方20～60 m 區(qū)域。

因此，根據(jù)沙曲礦區(qū)近距離煤層群疊加開采條件下采動應力演化-裂隙發(fā)育-瓦斯運移特征發(fā)現(xiàn)，疊加開采對于覆巖應力場和裂隙場的影響并非簡單的效果疊加，而是“1+1＞2”的影響效果，因此在下覆煤層在疊加開采下產(chǎn)生了貫穿型的裂隙，且在周圍衍生了大量的次生裂隙，及時為煤層瓦斯的運移提供了優(yōu)勢通道。

圖13 沙曲一礦2201 采空區(qū)SF6 濃度變化梯度三維圖Fig.13 Three dimensional diagram of time concentration gradient of sulfur hexafluoride in No.2201 goaf of Shaqu No.1 Mine

3 沙曲礦區(qū)煤層群煤與瓦斯共采技術

為突破傳統(tǒng)單一的采煤方法，實現(xiàn)多煤層立體區(qū)域煤與瓦斯共采，筆者基于煤-氣共采不同階段的時空條件和消突要求，分區(qū)分級優(yōu)選并集成了近距離煤層群煤與瓦斯共采技術體系，形成了多煤層—區(qū)域—局部3 級精細化煤與瓦斯共采模式，逐級進行多煤層資源同采、區(qū)域立體化預抽及局部精準抽采煤層氣，最終保障礦井安全生產(chǎn)的同時，極大釋放了優(yōu)質(zhì)煤炭和煤層氣產(chǎn)能。

3.1 近距離煤層群煤與瓦斯共采模式科學內(nèi)涵

由于不同煤與瓦斯共采技術具有不同的煤層賦存、地質(zhì)適用性和煤儲層物性特征，且受煤與瓦斯資源開發(fā)的時空階段及其安全生產(chǎn)要求的影響，為準確優(yōu)選并集成近距離煤層群煤與瓦斯共采技術模式，須先確立煤與瓦斯共采技術的優(yōu)選原則和方法。

3.1.1 煤-氣共采模式優(yōu)選原則

為優(yōu)選出與不同階段的時空和安全生產(chǎn)條件相匹配的煤與煤層氣共采技術，須給出煤層氣抽采與煤炭開采技術的適用條件（地質(zhì)條件、煤層賦存及煤儲層特征），見表3。 煤層氣抽采對地質(zhì)條件、煤層賦存及煤儲層特征均有要求，即當?shù)刭|(zhì)構造越少、煤層間距越近、煤層含氣量高且透氣性較好時，多煤層大范圍長時間協(xié)同抽采效果就會越好；煤炭開采受煤層賦存及地質(zhì)條件影響較大，煤層厚度及傾角直接決定了采煤方法，地質(zhì)構造異常區(qū)的采煤方法及割煤速度均要綜合分析確定并進行實時調(diào)整。

依據(jù)煤與瓦斯共采的時空交替順序，礦井井田依次劃分為規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)及生產(chǎn)區(qū)，三區(qū)采煤與采氣工作的時空條件和安全生產(chǎn)條件見表4。 規(guī)劃區(qū)的煤層氣抽采基本不受時空條件限制，時間一般＞6年，相對較長，由于該區(qū)煤層氣抽采的安全目標主要為降低煤層突出危險性，降低的煤層瓦斯含量Wg取決于原煤瓦斯含量W0，并滿足Wg＜β·W0（β為經(jīng)驗系數(shù)）；準備區(qū)的煤-氣共采空間主要受控于采掘銜接，時間一般為2 ～6 年，該區(qū)主要為區(qū)域煤-氣共采，煤層瓦斯壓力Pz＜0.74 MPa，相應的Wz＜8 m3/t；生產(chǎn)區(qū)的空間主要集中于各采區(qū)的采掘空間，時間一般為0～2 年，為進一步減少多煤層采動應力疊加及高能瓦斯大量涌入采掘空間所造成的瓦斯超限，達到煤-氣高效共采，以滿足《礦井抽采達標暫行規(guī)定》中的可解吸瓦斯量Ws及抽采率ηs等指標。

表3 煤與瓦斯共采技術適用條件Table 3 Applicable conditions of “coal and gas simultaneous extraction technology”

表4 資源開采不同階段的時空條件及安全生產(chǎn)要求Table 4 Time and space conditions and safety production requirements of different stages of resource exploitation

3.2.2 煤氣共采模式的建立

根據(jù)既定優(yōu)選原則及井上、下抽采煤層氣技術的使用條件，分別得出煤氣共采不同階段的井上下聯(lián)合防突方法（圖14），即規(guī)劃區(qū)采用常規(guī)井、防突壓裂井與多分支水平井聯(lián)合抽采煤層氣；準備區(qū)優(yōu)先采用保護層開采+定向長鉆孔群立體區(qū)域化抽采煤層氣，可實現(xiàn)被保護層多層協(xié)同抽采，或者采用多分支水平井井孔對接抽采+定向長鉆孔群立體化抽采；生產(chǎn)區(qū)采用大采高沿空留巷以及大孔直徑定向鉆孔群煤與煤層氣高效共采。

三區(qū)煤層氣抽采強度逐級遞進，經(jīng)過區(qū)域—局部效果檢驗達標，逐漸實現(xiàn)高突煤層在無危險情況下進行資源安全共采，三區(qū)實現(xiàn)高效轉化，先采氣后采煤，以采氣保采煤，以采煤促采氣，保障礦井安全生產(chǎn)的同時，極大釋放了優(yōu)質(zhì)煤、氣資源。

圖14 近距離煤層群煤與瓦斯共采模式Fig.14 Simultaneous extraction mode of coal and gas in close distance coal seam

3.2.3 時空轉換機制

1）煤氣共采的時空分布。 依據(jù)礦井煤炭開采過程的時空接替特征，將礦區(qū)井田劃分為規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)和生產(chǎn)區(qū)。 以煤炭開采和瓦斯抽采工程的時間軸和空間軸為橫縱坐標軸，以規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)和生產(chǎn)區(qū)作為點坐標，全面系統(tǒng)分析煤炭開采與瓦斯抽采工程的時空分布及其演化特征，進而得出煤炭開采與瓦斯抽采全過程的時空規(guī)律。 鑒于煤炭開采與瓦斯抽采工程的多層次性和復雜性，對其進行簡化，建立了基于煤炭開采與瓦斯抽采過程直接活動的時空坐標系（圖15）。

在規(guī)劃區(qū)，主要采用常規(guī)地面鉆井預抽瓦斯，其預抽時間較長，為6～10 年，降低煤層中游離態(tài)和吸附態(tài)瓦斯量，為后續(xù)的采煤作業(yè)奠定基礎；在準備區(qū)，主要采用以地面鉆井抽采為輔，大面積開展井下區(qū)域預抽為主的方法治理瓦斯，保障井下巷道開拓，依次形成采區(qū)、回采工作面，高突礦井掘進前工作面瓦斯含量與壓力等指標必須滿足《煤與瓦斯突出防治規(guī)定》；在生產(chǎn)區(qū)，由于煤層開采卸壓作用，大量瓦斯涌出工作面，主要采用井上下聯(lián)合抽采方法來治理瓦斯，工作面瓦斯含量與壓力等指標需同時滿足《抽采達標暫行規(guī)定》和《防突規(guī)定》。

圖15 煤-氣共采的時空坐標系Fig.15 Time space coordinate system of coal and gas simultaneous extraction

2）煤氣共采的時空轉換機制。 基于采氣與采煤工程的時空約束分析，可得采煤與采氣工程受約束等級與指標見表5。 采煤工程在“三區(qū)”內(nèi)的時間和空間上均受到嚴重的制約，同時受到煤礦安全生產(chǎn)容許最高瓦斯含量指標的限制；采氣工程在“三區(qū)”內(nèi)的時空限制較小，在不考慮受采動作用影響的情況下，每種抽采技術工藝均存在著極限抽采率，是制約煤層氣抽采效率的重要指標。

煤層氣與煤炭高效共采就是采氣與采煤的優(yōu)勢互補，消除或降低系統(tǒng)工程的時空約束，采氣與采煤的時空協(xié)調(diào)如圖16 所示。 煤層氣地面井開發(fā)技術在時空協(xié)調(diào)關系中發(fā)揮著重要作用，在采煤工程及井巷工程施工前有效地降低煤層中的瓦斯含量，為巷道作業(yè)提供安全環(huán)境，節(jié)約因瓦斯含量高而增加的施工費用和時間投入，消除礦井的采掘接替壓力，有效解決了采煤在空間上受到的制約，即以時間換取空間；同時，在采氣工程進入一定階段后，采氣效率會受到嚴重制約，而此時通過采煤活動能夠突破抽采瓶頸，提高采氣井或鉆孔的采氣能力，縮短采氣工程時間，即以空間換取時間。

圖16 采煤與采氣的時空協(xié)調(diào)示意Fig.16 Time space coordination of coal mining and gas production

表5 煤與煤層氣共采技術的時空約束特征Table 5 Time and space constraint characteristics of coal and gas simultaneous extraction technology

3.2 近距離煤層群煤與瓦斯共采關鍵技術

沙曲一礦三區(qū)劃分如下：規(guī)劃區(qū)為六采區(qū)，準備區(qū)為四采區(qū)、前期五采區(qū)，生產(chǎn)區(qū)為一、二、三采區(qū)（圖17）。 在規(guī)劃區(qū)和準備區(qū)采用多分水平井+常規(guī)地面井聯(lián)合抽采，其中多分支水平井分支為3 ～9個，形態(tài)呈葉脈型和混合型，井身結構為三開，從上至下鉆井直徑依次為311.1、215.9、139.7 mm，用于（3+4）號煤層及5 號煤層預抽。

在規(guī)劃區(qū)采取地面直井超前預抽煤層氣；在準備區(qū)采用分支水平井與井下千米鉆孔對接抽采技術，以保護層開采+被保護層定向穿層鉆孔群抽采，煤層氣；在生產(chǎn)區(qū)采用大孔徑定向鉆孔群立體式抽采以沿空留巷煤與瓦斯共采技術，計劃規(guī)劃區(qū)、準備區(qū)及生產(chǎn)區(qū)的采氣時長分別為8 年左右、5 ～6 年、0.5～2 年。

圖17 沙曲一礦三區(qū)劃分及地面井分布Fig.17 Division of three areas and distribution of surface wells in Shaqu No.1 Mine

3.2.1 多分支水平井井孔對接關鍵技術

以沙曲一礦為例，在五采區(qū)（3+4）號煤層4501工作面及其下部5 號煤層5501 工作面分別布置2口井（編號SQN-0501-41、SQN-0501-42）和1 口井（SQN-0501-5），其中0501-41 為單主支井，0501-42 井帶有3 個分支，分支間距約270 m，長度為280～400 m，2 口井主支間距約160 m，分別與井下XC41、XC42 采用RMRS 定向導航系統(tǒng)對接后接入北翼軌道大巷抽采管路，對4501 工作面煤層氣抽采。 0501-5 井有3 個分支，長度400 ～510 m，主支與井下XC51 鉆孔對接并入北翼軌道大巷抽采干管，用于5501 工作面預抽消突（圖18）。

圖18 4501 工作面水平井井孔對接預抽設計Fig.18 Pre pumping design of horizontal well hole butt joint in No.4501 working face

統(tǒng)計分析4501 工作面多分支水平井井孔對接抽采及井下相同進尺的順層鉆孔抽采數(shù)據(jù)可知（圖19），在抽采前期的10 ～23 d，水平井處于排采初期瓦斯逐步解吸，日產(chǎn)氣量小于順層鉆孔，在中后期多分支水平井產(chǎn)氣量顯著提升至22 500 m3，抽采濃度在58%以上。

圖19 水平井與井下順層鉆孔抽采量對比Fig.19 Gas extraction comparison of multi-branch horizontal well and downhole drilling underground

基于2 種抽采方式下瓦斯量數(shù)據(jù)可得相應抽采達標煤量的比值由前期的0.5 倍提高至5.4倍，多分支水平井有效抽采范圍較大。

3.2.2 保護層開采+底抽巷定向鉆孔群共采關鍵技術

在沙曲一礦二采區(qū)為例，2 號煤層作為保護層開采2203—2207 共計5 個工作面（圖20），在2205工作面下方5 號煤層底板布置2 號底抽巷，巷道長度為1 284 m， 在巷道南北翼兩幫各布置10 個鉆場（10 個定向鉆孔），并沿煤層走向施工上向穿層定向鉆孔群，孔徑113 mm，孔間距20 m，孔深462 ～558 m，終孔高度位于分別（3+4）、5 號煤層，各覆蓋這2層上下煤對應的5 個工作面，2 號煤本煤層采用120 mm 大孔徑遞進式預抽。

圖20 二采區(qū)保護層開采+底抽巷定向鉆孔群預抽設計Fig.20 Design of directional drilling group pre pumping in protective layer mining + floor extraction roadway

圖21 千米鉆場與普通穿層鉆場抽采純量對比Fig.21 Gas drainage pure volume comparison of directional drillings and ordinary through layer drillings

統(tǒng)計分析二采區(qū)4203 工作面千米鉆孔與普通穿層鉆孔（圖21）抽采純量可知：千米鉆孔的純量為5.05～10.91 m3/min，約為普通穿層鉆孔的2.5 倍，且隨著工作面推進普通鉆孔純量逐漸減低，定向長鉆孔抽采量基本大于6 m3/min，與此同時，工作面日產(chǎn)量由4 800 t 提升至6 000 t，增加25%，煤與煤層氣產(chǎn)量均得到明顯增加。

3.2.3 大采高沿空留巷煤與瓦斯共采關鍵技術

為了從根本上解決工作面上隅角瓦斯超限和瓦斯積聚問題，采用了沿空留巷煤與瓦斯共采技術，而由于充填膏體的更新發(fā)展，沙曲二礦經(jīng)歷了“砌塊-模斗-柔?！钡难乜樟粝锛夹g沿革歷程，逐漸摸索出了合理的柔模支護沿空留巷煤與瓦斯共采技術，以沙曲二礦4401 工作面為例（圖22），4401 工作面軌道巷沿空留巷隔離墻混凝土強度為30 N/mm2，并根據(jù)充填材料的強度要求將沿空留巷充填墻體寬度定為2.0 m，采用打眼放炮的方式對開缺口護幫處理，由于留巷寬度2 m，設計跨度為4.2 m，因此，將開缺口寬度確定為2.7 m，并且采用留巷內(nèi)一梁四柱支護方式實現(xiàn)對留巷內(nèi)輔助支護。

圖22 4401 大采高沿空留巷技術設計Fig.22 Technical design of retaining roadway along gob in No.4401 large mining height

對比分析沿空留巷與普通工作面瓦斯抽采及日產(chǎn)量情況（圖23）可知，隨著4401 工作面開采，沿空留巷瓦斯抽采量為9.44 ～19.01 m3/min，平均值為普通工作面的1.72 倍；由于沿空留巷采用Y 型通風，上隅角瓦斯體積分數(shù)控制在0.52%以下，同時可回收30 m 煤柱資源量，顯著提升工作面日產(chǎn)量，其與普通工作面的日產(chǎn)量比值高達175%，達到6 600 t/d。

3.2.4 大直徑定向鉆孔群煤與瓦斯共采關鍵技術

以沙曲一礦4503 工作面為例，采用ZYL-17000D 定向鉆機施工，孔徑120 mm，在4503 軌道巷開設一鉆場，以目標方位角為90°，沿著4 號煤頂板向上預計爬升60 m 到達頂板裂隙帶內(nèi)，平均設計孔深為620 m，從而實現(xiàn)頂板裂隙帶瓦斯抽采；在4503 軌道巷鉆場內(nèi)，以開孔傾角為+3°，向4 號煤層施工定向鉆孔，鉆孔孔徑為120 mm，平均鉆孔間距為14 m，從而實現(xiàn)對本煤層瓦斯區(qū)域預抽；由于4號煤層與5 號煤層平均層間距為5.56 m，因此，在4503 軌道巷鉆場內(nèi)，以目標方位角為78°，鉆孔直徑為120 mm，平均設計孔深為626 m，沿著4 號煤底板向預計施工10 m 可達到5 號煤內(nèi)，從而實現(xiàn)對5 號煤層瓦斯預抽（圖24）。

圖23 沿空留巷與普通工作面瓦斯抽采純量對比Fig.23 Comparison chart of gas drainage pure volume compared retaining roadway along gob with ordinary working face

圖24 4503 工作面定向鉆孔立體式瓦斯治理設計Fig.24 Three dimensional gas control design of directional drilling in No.4503 working face

統(tǒng)計分析順層定向長鉆孔與普通順層鉆孔瓦斯抽采量可知，定向長鉆孔單孔平均瓦斯抽采純量0.26 m3/min，瓦斯體積分數(shù)為82%，分別為普通順層鉆孔的3.25 倍和1.86 倍，大幅減少了順層鉆孔工程量及封孔成本，同時，可實現(xiàn)采掘工作面瓦斯零超限及鄰近層達標煤量同步解放，鄰近層達標煤量為普通鉆孔的2 倍以上，煤氣共采效益明顯。

4 沙曲礦區(qū)煤與瓦斯共采動態(tài)評價技術體系

基于各項煤與瓦斯共采技術具有不同的時空條件、地質(zhì)適用性和消突效果，通過確立沙曲礦區(qū)煤與瓦斯共采技術的優(yōu)選原則和方法，進而準確優(yōu)選出了一系列煤與瓦斯共采技術，最后形成了近距離煤層群煤與瓦斯共采技術模式，大幅緩解了礦井抽采掘緊張的局面。 為對采用共采技術模式后沙曲礦區(qū)的煤與瓦斯共采效果及礦井部署合理性進行評價，結合礦井煤與瓦斯共采影響因素與專家組意見，提出了近距離煤層群煤與瓦斯共采動態(tài)評價指標體系。

4.1 近距離煤層群煤與瓦斯共采動態(tài)評價指標體系

該指標體系將近距離煤層群煤與瓦斯共采動態(tài)合理性因素歸納為地質(zhì)因素、工藝技術因素和資源采出因素3 大指標。 在地質(zhì)因素指標中，資源儲量、煤質(zhì)評價、煤層物性對煤與瓦斯共采動態(tài)合理性影響較大；在工藝技術因素中，共采生產(chǎn)規(guī)模、共采工藝、共采設備與煤與瓦斯共采動態(tài)合理性有密切的關系；而煤炭采出率、瓦斯抽采率從根本上決定了煤與瓦斯是否可行。 基于此，筆者提出的近距離煤層群煤與瓦斯共采動態(tài)合理性評價指標體系（A1）由地質(zhì)因素、工藝技術因素和資源采出因素等構成的二級指標（Bi）及其對應的三級指標（Ci）組成，如圖25 所示，具體評價標準見表6。

圖25 近距離煤層群煤與瓦斯共采動態(tài)評價指標體系Fig.25 Dynamic evaluation index system of coal and gas simultaneous extraction in close distance coal seam

表6 評價標準Table 6 Evaluation criterion

4.2 貝葉斯評價模型的建立

礦井生產(chǎn)條件復雜，不確定因素較多，在近距離煤層群中煤與瓦斯共采作業(yè)中面臨著許多生產(chǎn)安全、經(jīng)濟等問題，因此有必要對各影響因素進行定量分析，以確定主要影響因素。 而貝葉斯網(wǎng)絡是將概率論與圖論組合起來的定量分析方法，能夠較為直觀地識別問題的主要因素，具有較為嚴謹?shù)臄?shù)學一致性，適用于近距離煤層群中煤與瓦斯共采作業(yè)的合理性動態(tài)評價與分析。 因此，本節(jié)依據(jù)專家組的評價數(shù)據(jù)，基于貝葉斯網(wǎng)絡理論模型，對現(xiàn)階段沙曲礦區(qū)中煤與瓦斯共采部署合理性進行了評價分析。 根據(jù)評價指標模型在Netica 軟件中建立貝葉斯網(wǎng)絡模型（在未開始評價之前，將底層指標的合理性概率均設為50%），如圖26 所示。 同時，專家組根據(jù)各指標因素的合理性（YES/NO）評價造成上層事件合理的概率P（Ci＝YES），構建貝葉斯網(wǎng)絡所需要的條件概率表，見表7。

圖26 貝葉斯網(wǎng)絡評價模型Fig.26 Bayesian network evaluation model

將表7 代入貝葉斯網(wǎng)絡評價模型，得到完整的煤與瓦斯共采動態(tài)合理性評價模型，如圖27 所示。

模型構建完成后，可通過更改底層評價指標概率向前推進，得到煤與瓦斯共采動態(tài)合理狀態(tài)的概率，即P（A1＝YES）。 評價煤與瓦斯共采動態(tài)合理性可依據(jù)以下準則：若P（A1＝YES）＜0.5，則礦井共采合理性等級為1；若P（A1＝YES）為0.5～0.7，則礦井共采合理性等級為2；若P（A1＝YES）為0.7～0.9，則礦井共采合理性等級為3。 具體分級情況見表8。

表7 貝葉斯評價模型條件概率表（CPT）Table 7 Conditional probability of Bayesian evaluation model

圖27 煤與瓦斯共采動態(tài)合理性評價模型Fig.27 Dynamic rationality evaluation model of coal and gas simultaneous extraction

表8 煤與瓦斯共采動態(tài)合理性評價表Table 8 Dynamic rationality evaluation form of coal and gas simultaneous extraction

4.3 共采效果評價

以沙曲一礦為例，利用4.2 節(jié)建立的貝葉斯網(wǎng)絡評價模型對2019 年沙曲一礦煤與瓦斯共采合理性進行分析評價，沙曲一礦基本指標信息見表9。

表9 沙曲一礦具體評價指標Table 9 Specific evaluation indexes of Shaqu No.1 Mine

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，對沙曲一礦進行煤與瓦斯共采動態(tài)合理性評價。 將底層指標信息輸入貝葉斯網(wǎng)絡評價模型中，然后向前推進，結果如圖28 所示。

由貝葉斯網(wǎng)絡模擬結果可知，沙曲一礦現(xiàn)階段煤與瓦斯共采動態(tài)合理性概率為0.65，即P（A1＝YES）＝65%，對應煤與瓦斯共采動態(tài)合理性評價表（表9）可知，該礦的煤與瓦斯共采合理性等級為2，即較為合理，其結果與實際情況較為相符。 隨著開采作業(yè)的持續(xù)進行，底層指標的合理性概率（C1～C8）可能會發(fā)生變化，因此，每年依據(jù)貝葉斯評價模型與評價指標進行煤與瓦斯共采合理性評價，就能實現(xiàn)對該礦井的煤與瓦斯共采動態(tài)合理性評價。

圖28 沙曲一礦煤與瓦斯共采動態(tài)合理性評價Fig.28 Dynamic rationality evaluation of coal and gas simultaneous extraction in Shaqu No.1 Mine

5 結論與展望

5.1 結 論

2）沙曲礦區(qū)煤層的孔裂隙結構特征不利于瓦斯運移，當疊加開采時對下覆巖應力場和裂隙場的影響并非簡單的一次開采效果的疊加，而是“1+1＞2”的影響效果，且下伏煤層在疊加開采下產(chǎn)生了貫穿型的裂隙，并在其周圍衍生了大量的次生裂隙，及時為煤層瓦斯的運移提供了優(yōu)勢通道。

3）確立了近距離煤層群煤與瓦斯共采的時空轉換、安全生產(chǎn)及資源賦存等優(yōu)選原則，構建了相應共采技術體系，即在準備區(qū)采用多分支水平井井孔對接、保護層開采+底抽巷定向鉆孔群共采技術，在生產(chǎn)區(qū)采用大采高沿空留巷、大直徑定向鉆孔群共采技術。

4）提出了近距離煤層群煤與瓦斯共采動態(tài)評價指標體系，并建立了貝葉斯評價煤與瓦斯共采評價模型，對沙曲礦采用各項煤與瓦斯共采技術后共采效果及礦井部署合理性進行了評價，即沙曲一礦煤與瓦斯共采動態(tài)合理性概率為0.65，且煤與瓦斯共采合理性等級較為合理。

5.2 展 望

瓦斯作為近距離煤層群煤與瓦斯共采理論的一項重要內(nèi)容，目前對煤層瓦斯的認識多數(shù)集中在煤體多孔介質(zhì)滲流屬性及瓦斯本身運移的基本特征，而未考慮采動影響下特別是近距離煤層群疊加開采時導致煤體內(nèi)部結構發(fā)生改變及采動應力與裂隙發(fā)育耦合下煤層瓦斯?jié)B透特征，故無法正確描述疊加開采下煤層滲透特性；充填沿空留巷煤與瓦斯共采技術，雖實現(xiàn)了無煤柱開采，但充填材料本身的性質(zhì)對鄰近工作面煤體上方應力集中，可能誘發(fā)沿空留巷的動壓顯現(xiàn)，對下組煤開采造成嚴重影響。

因此，為切實解決近距離煤層群疊加開采時采動應力與裂隙發(fā)育耦合下煤層瓦斯?jié)B透機理不清的難題，應開展不同開采方式或重復開采下煤體滲透率演化特征的研究；基于“切頂卸壓理論”，切實解決沿空留巷充填體對于下組煤層開采的影響，應不斷完善無煤柱無巷道的新型煤與瓦斯共采開采技術。 為響應我國煤礦綠色開采理念，未來的煤礦開采技術應以科技發(fā)展為依托，將科研基礎研究與科技攻關將結合，進而研發(fā)出智能化無人開采裝備，如智能掘進、智能采煤、智能支護、抽采機器人，同時也將云數(shù)據(jù)、人工智能及互聯(lián)網(wǎng)技術融入智能化煤礦開采中，以期形成認知、分析、預測及參與重大決策的智能化系統(tǒng)，形成井下無人開采新局面。