0 引 言
煤炭在相当长时间内依然是我国最重要的能源资源，我国煤矿瓦斯地质条件复杂，长期以来矿井瓦斯严重威胁煤矿的安全生产［1-2］。 随着矿井“四位一体”区域综合防突措施的实施，矿井防治瓦斯工作关口前移，实现了瓦斯治理重点由局部瓦斯治理向区域瓦斯治理转变［3］。 随着煤矿井下千米定向钻机施工装备和技术日益成熟，定向长钻孔大面积预抽煤层瓦斯日渐成为有效的区域瓦斯治理技术途径［4-5］。 晋煤集团寺河矿采用定向长钻孔区域瓦斯抽采技术预抽煤巷条带瓦斯，区域瓦斯抽采效果检验是“四位一体”区域综合防突工作的重要一环，根据防治煤与瓦斯突出有关规定，对预抽煤巷条带瓦斯区域防突措施进行效果检验时，主要效果检验指标为煤层残余瓦斯压力或残余瓦斯含量。 由于瓦斯压力测定周期长、工作量较大，挤占掘进时间容易造成采掘失衡［6］；此外，寺河矿煤层倾角较小，无论上行孔或下行孔，均难以准确测定煤层瓦斯压力［7］，因此矿井采用煤层残余瓦斯含量作为预抽煤巷条带瓦斯区域防突措施效果检验指标。 矿井测定瓦斯含量指标分段评价区域瓦斯抽采效果，该区域瓦斯抽采效果检验方式存在评价范围小，取心煤样暴露时间长损失量大，检验点轨迹偏差大（不定向），交叉作业存在安全隐患，施工效率低等问题，严重制约了矿井安全高效掘进。 众多学者开展了区域防突措施效果检验指标及效检方法的相关研究［8］，对于上述问题却鲜有涉及。 为此，寺河矿积极探索了长距离瓦斯含量测定技术，以期扩大煤巷条带瓦斯预抽效果一次检验范围，提高区域瓦斯抽采效果评价效率。但显然常规取心瓦斯含量测定方法已不能满足长钻孔测定瓦斯含量的需要。
常规的煤层瓦斯含量测定中，煤层瓦斯含量包括损失气量、解吸气量和残余气量。 解吸气量和残余气量均可实测获得，而损失气量只能通过煤心初期解吸规律推算获得，煤心暴露时间越长，损失气量估算越不准确［9-10］，《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》标准［11］中规定：瓦斯含量测定的煤样从暴露到被装入煤样罐密封所用的实际时间，不应超过5 min。 在煤矿工程实际中，深孔瓦斯含量样品采样时间几无可能控制在5 min 内，因此长距离取样测定瓦斯含量的结果通常与实际值相差较大。 瓦斯含量测定结果不准确的问题极可能给区域瓦斯抽采效果评价工作带来较大困难，甚至造成煤层瓦斯危险性的误判。 近年来煤炭科技工作者提出的煤层密闭取心技术，实现煤心在钻取后、退钻以及解吸全程被密闭，减少煤心瓦斯损失量估计环节，提高瓦斯含量测定精度［12-14］。 笔者在研究煤矿井下煤层长距离密闭取心装置及技术工艺研究的基础上，提出基于长距离密闭取心的煤巷条带瓦斯预抽快速效检方法，以煤层长距离密闭取心方式代替常规取心方式，在寺河矿某工作面瓦斯预抽煤巷条带进行试验，以期提高长距离瓦斯含量测定准确度，扩大一次评价区域范围，促进矿井“抽-掘-采”平衡。
1 寺河矿瓦斯抽采模式及区域瓦斯抽采效检方法
1.1 矿井地质概况
寺河矿位于沁水煤田南部、晋城矿区中东部，井田主要含煤地层为二叠系下统山西组（P1s）和石炭系上统太原组（C3t），平均厚136.02 m。 含煤15 层，煤层总厚14.67 m，含煤系数10.8%，其中可采和局部可采煤层3 层，总厚度10.32 m，其中3、15 号为主要可采煤层，9 号为局部可采煤层（东区大部可采）。目前矿井主采3 号煤层，位于山西组下部，煤层厚度4.45～8.75 m，平均6.31 m，为无烟煤，结构属简单～较简单型。 寺河井田发育了一系列近南北—北北东向的宽缓褶曲，形成井田内岩（煤）层的波状起伏，井田中的地层倾角3°～15°，一般在10°以内。 寺河矿分为东、西2 个井区，均为煤与瓦斯突出矿井。 寺河区块地面井实测3 号煤层埋深在200 ～400 m 段相对煤层气含量平均约为11.32 m3／t，埋深400～700 m 段为相对煤层气含量7.67 ～25.76 m3／t；寺河矿东井实测3 号煤层相对瓦斯含量为8.47～28.10 m3／t，西井实测3 号煤层相对瓦斯含量为11.69～21.80 m3／t。
1.2 矿井瓦斯抽采现状
针对矿井主采煤层厚度大、瓦斯含量高及具突出危险性等特点，寺河矿始终坚持摸索，形成了地面钻井抽采先行，井下定向长钻孔区域抽采为主，普通钻孔、采空区抽采为辅的“三级”立体抽采瓦斯治理模式。 地面井预抽，是在矿井巷道开拓之前5～10a，利用地面钻井抽采3 号煤层瓦斯，降低煤层瓦斯含量，在正常区用于预抽的地面钻井间距为300 m×300 m，在地质构造带，地面钻井间距为150 m×150 m，控制区域煤层瓦斯含量每年降低约1 m3／t。 井下顺层长钻孔区域递进式抽采是寺河矿井下抽采最主要方法，其利用定向钻机在煤层中按设计施工400 m×400 m 区块的扇形覆盖钻孔进行瓦斯抽采（图1），并据钻进结果实现对构造的探测分析、异常煤体区域圈定等。
图1 井下顺层长钻孔区域递进式抽采布置示意
Fig.1 Layout of progressive drainage in long borehole area along seam undergound
寺河矿井下瓦斯抽采效果显著，2018 年瓦斯涌出量测定结果显示东井绝对瓦斯涌出量为936.69 m3／min，其中瓦斯抽采量达到842.22 m3／min；西井绝对瓦斯涌出量为704.56 m3／min，其中井下瓦斯抽采量为612.86 m3／min，瓦斯抽采率达到86.98%。
1.3 区域瓦斯抽采效果检验
寺河矿结合“三级”瓦斯抽采模式实施区域防突措施，合理统筹协调，最大限度实现应抽尽抽，实现效果达标，做到全煤层、全断面控制抽采，同时在采取区域防突措施前，优先施工探顶、底孔，防止出现钻孔覆盖盲区。 根据区域“四位一体”防突工作的要求，区域措施实施后需要进行效果检验。寺河矿预抽煤巷条带效果检验采用以直接实测残余瓦斯含量为主，以钻孔竣工质量评价、间接计算、动力现象判定等作为补充的多因素评价方法，对区域瓦斯预抽效果进行评价，瓦斯含量指标临界值按8 m3／t 执行，瓦斯含量测点布置如图2所示。
图2 预抽煤巷条带瓦斯含量测定点布置示意
Fig.2 Layout of gas content measurement points in pre-drainage roadway strip
寺河矿煤巷条带为双巷布置，瓦斯含量测点控制范围为巷帮以外不小于20 m、正前方约90 m，残余瓦斯含量样品采用普通钻机钻进和岩心管进行采集，煤巷掘进保留足够超前距，之后进行下一个循环的检测与评价。
2 长距离密闭取心瓦斯含量测定技术及装备
2.1 长距离密闭取心瓦斯含量测定装备
煤矿井下煤层密闭取心装置的作用是将目标地点的煤层钻取后密闭于取心内筒，防止煤心在提钻和解吸过程中的逸散，最大限度地减少了直接测定瓦斯含量的煤心暴露时间，提高了瓦斯含量测试精度。 为了便于在煤矿井下定向长钻孔中的应用，试制了长距离定点密闭取心装置，该套装置体积小、质量轻，全长仅约1 260 mm。
密闭取心装置采用了可控式蓄能升压设计、联动关闭结构和三筒单动结构设计，主要部件包括取心外筒、取心内筒、悬挂总成、液压推动总成、投球装置、密闭取心钻头等，其中取心内筒、液压推动总成、投球装置等构件安装在密闭取心装置内部。 该套装置采用模块化设计，解体性好、便于拆卸和维护，与各种钻机、钻具、泥浆泵、瓦斯解吸仪等设备的配套和衔接十分方便；取心过程操作简单，可实现快速提取高质量的煤心样品。
取心钻进时，外套总成传递钻机动力带动取心钻头钻取煤样，取心内筒收集煤样，达到取心长度后停钻；在孔外钻杆处投入橡胶球，泥浆泵加压将橡胶球送至投球装置的球座中，球座底部的导水孔被堵塞，在液压缸产生的推动力剪断动力销钉并迫使推动总成前行，联动关闭取心内筒的球阀和解吸阀，从而使煤心及其解吸的瓦斯密闭在取心筒内。
煤矿井下煤层长距离定点密闭取心技术，即需要采用定向钻机实施长距离、定向钻孔，以实现长距离定点探测煤层瓦斯赋存情况。 因此，井下长距离定点密闭取心瓦斯含量测定，除煤层密闭取心装置、密闭取心钻头外，还需配套定向钻机、通缆钻杆、泥浆泵等钻探装备、实现远距离投球升压功能的通孔取心钻杆，以及瓦斯含量现场和实验室测定装备。
2.2 长距离定点密闭取心技术工艺
依据煤矿井下长距离定点密闭取心原理和技术要求，井下长距离密闭取心过程包括取心钻孔施工、密闭取心装置输送、取心钻进、投球及泵注加压、回收取心装置及取心内筒气密性检查等环节，工艺流程如图3 所示，实际应用中可根据需要实施一孔多点密闭取心。
图3 长距离定点（一孔多点）煤层密闭取心工艺流程
Fig.3 Sealed coring process flow of long-distance fixed-point（many points in one hole）
3 基于长距离密闭取心的预抽煤巷条带瓦斯快速效检方法
3.1 预抽煤巷条带瓦斯快速效检技术流程
为了解决寺河矿预抽煤巷条带一次评价区段长度短、钻探等设备搬家频繁，效检和掘进交叉作业相互影响等问题，以实现预抽煤巷条带瓦斯快速、大范围效果检验与评判，提出了基于长距离密闭取心瓦斯含量测定技术的预抽煤巷条带快速效检技术，其流程如图4 所示。 按照《防治煤与瓦斯突出细则》、《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》等相关规范的要求，预抽煤巷条带瓦斯效果检验指标测定前，应进行抽采钻孔有效控制范围界定、抽采钻孔布孔均匀程度评价等工作，效果检验指标测定包括计量法和实测法，即计算抽采计量等参数，满足相关规定的预期达标指标要求后，再进行现场实测。
图4 预抽煤巷条带快速、大范围效检技术流程
Fig.4 Technical process of fast and wide range efficiency verification in pre-drainage roadway strip
3.2 寺河矿预抽煤巷条带瓦斯效果检验指标测定3.2.1 取心钻孔设计
依据寺河矿区域瓦斯抽采现状，选择东区某工作面尾巷预抽煤巷作为试验点，在依据瓦斯抽采量等参数计算达标后，进行取心测定瓦斯含量。 据《防治煤与瓦斯突出细则》之要求，对定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施进行检验时，沿煤巷条带每隔20～30 m 至少布置1 个检验测试点。试验煤巷120 m 以浅采用常规方式检验，120 m 以深共设计3 个长距离密闭取心钻孔，取样点交错间隔30 m，其中1 号钻孔设计孔深为390 m，分别在孔深120、210、300、390 m 处实施密闭取心采样；2 号钻孔设计孔深为330 m，分别在孔深150、240、330 m处实施密闭取心采样；3 号钻孔设计孔深为360 m，分别在孔深180、270、360 m 处实施密闭取心采样，3 个钻孔共设计密闭取心10 个样品（图5），此外，为对比测试结果，设计了3 个测点的常规取心。
图5 寺河矿预抽煤巷条带长距离密闭取心钻孔布置示意
Fig.5 Layout of long-distance sealed coring boreholes in pre-drainage roadway of Sihe Mine
3.2.2 密闭取心瓦斯含量测定及预抽效果评价
1）计量法抽采达标预评价。 东区某工作面尾巷预抽煤巷，布置定向条带式预抽长钻孔，具体为由尾巷1 号联络巷2 号钻场布置1、2 号孔，尾巷1 号联络巷北帮布置3、4 号孔，1 号联络巷左钻场布置5号孔，5 个定向长钻孔共同覆盖抽采条带（双巷），包括尾巷轮廓线以东33 m，开切眼轮廓线以西30 m。钻孔施工采用西安ZDY-12000LD 钻机，配套ø89 mm 钻杆＋ø120 mm 孔底马达，钻孔为下行孔，实际施工孔深558 m，均按设计施工到位，施工过程中无异常情况。
该区域钻孔初抽时间为2018 年4 月22 日，截至定向长距离取心试验开始前，累计抽采瓦斯3 526 873 m3，预抽瓦斯后煤层残余瓦斯含量按式（1）计算。 该区域煤层平均厚度为6.20 m，结合抽采钻孔长度及控制范围、视密度、原始瓦斯含量等计算评价单元煤炭储量和评价单元瓦斯总量，最终计算得预抽瓦斯后煤层残余瓦斯含量为7.26 m3／t，计算结果小于8 m3／t。
式中：WCY 为煤的残余瓦斯含量，m3／t；W0 为煤的原始瓦斯含量，m3／t； Q 为评价单元钻孔抽排瓦斯总量，m3；G 为评价单元参与计算煤炭储量，t。
2）密闭取心及瓦斯含量测定结果。 寺河矿预抽煤巷条带长距离密闭取心残余瓦斯含量测定工程，于2018 年11 月上旬开展，严格按照钻孔设计参数和长距离定点密闭取心工艺施工，完成3 个钻孔共计10 次密闭取心作业、3 个常规样品的采集和现场测试，钻孔实际轨迹如图6 所示。
图6 长距离密闭取心1 号钻孔轨迹（剖面）
Fig.6 Trail map（profile） of No.1 borehole for long distance sealed coring
所采密闭取心和常规取心瓦斯含量测试样品质量均满足测试要求，密封严密，经现场解吸后送至实验室测试化验，实验室采用常压解吸法进行测试，室内测试时间一般不超过2 h，从而实现快速测定瓦斯含量。 评价单元内密闭取心测定3 号煤层残余瓦斯含量为7.02～11.18 m3／t，见表1。 根据现场取心及实验室化验情况，结合邻近区以往测试结果分析认为，此次瓦斯含量测试结果可靠。 就同一测点对比而言，密闭取心测定煤层瓦斯含量为常规取心测值的1.26～1.71 倍。 由此可见，长距离密闭取心技术大幅提高了测定长钻孔瓦斯含量测定准确度，同时也表明常规取心已不能满足长钻孔中取心瓦斯含量测定需要。
表1 预抽煤巷条带残余瓦斯含量测定结果统计
Table 1 Statistical table of residual gas content measurement results in pre-drainage roadway strip
序号 采样深度／m 取心方式 残余瓦斯含量／（m3·t-1） 序号 采样深度／m 取心方式 残余瓦斯含量／（m3·t-1）1 2 3 4 5 6 7 120 120 150 180 210 240 270密闭 9.73常规 7.70密闭 11.02密闭 7.34密闭 5.58密闭 7.08密闭 8.53 8 9 1 0 11 12 13—300 330 330 360 360 390—密闭 7.02密闭 11.03常规 6.60密闭 11.18常规 6.52密闭 8.23——
3）预抽煤巷瓦斯效果评价。 由表1 可知，抽采评价单元内10 个密闭取心实测煤层残余瓦斯含量，其中6 个测值大于8 m3／t，由此可评判该抽采评价单元截止效检指标检测前，预抽效果不达标。 在分析该抽采条带预抽钻孔布设参数、施工情况及实钻轨迹等的基础上，采取延长钻孔预抽时间、加强抽采日常管理等措施进一步强化抽采，之后计算抽采影响区域内残余瓦斯含量，并再次现场实测进行抽采效果评判。 目前，该预抽煤巷条带已顺利完成巷道掘进。
4 结 论
1）分析了寺河矿井下区域瓦斯抽采现状和预抽煤巷条带效果检验方法存在的问题，提出了基于长距离煤层密闭取心的预抽煤巷条带快速、大范围效检方法，初步建立了煤矿井下长钻孔煤层密闭取心残余瓦斯含量快速测定的技术和装备体系。 试制了适合于煤矿井下煤层长距离瓦斯含量测定的“三筒单动、球阀密闭”密闭取心装置，密封气体压力达到11 MPa，煤心直径达到38 mm，满足井下长距离煤层瓦斯含量测定要求。
2）选取寺河矿某工作面尾巷预抽煤巷条带布置定向长钻孔，进行密闭取心残余瓦斯含量测定，开展预抽煤巷条带快速、大范围效检。 一次评价单元长度由90 m 扩大至390 m，按规定布置了10 个密闭取心含量测点，密闭取心测定3 号煤层瓦斯含量为7.02～11.18 m3／t，就同一测点对比而言，密闭取心测定煤层瓦斯含量为常规取心测值的1.26～1.71 倍。
3）工程试验结果表明，基于长距离煤层密闭取心的煤巷条带瓦斯预抽快速效检方法是可行的，该方法在提高长距离瓦斯含量测定准确度的同时，大幅扩大一次评价区域范围，减少掘进工作面效检钻机搬家次数和生产与效检工作的交叉作业，促进矿井“抽-掘-采”平衡和提能增效。
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