目前，我国煤与瓦斯突出(以下简称“突出”)矿井达到1 218座，占比21%[1]，近年来，持续高强度开采导致浅埋优质的单一煤层资源量锐减，近距离煤层群开采(淮南、平顶山、六盘水、松藻及离柳等矿区)逐渐备受重视[2]。与单层开采相比，煤层群多次开采的采动应力叠加与邻近层卸压瓦斯大量涌入极易造成采掘面应力集中或瓦斯超限，甚至诱发突出事故。因此，提出一种近距离煤层群联合抽采防突模式的意义重大。
针对近距离煤层群突出防治技术，相关学者取得了大量的研究成果:程远平等[3]研究了上保护层开采+穿层钻孔拦截、下保护层开采顺层钻孔+高抽巷穿层钻孔抽采;随后周红星等[4-5]提出了网格式穿层钻孔群立体抽采;袁亮等[6]实践了保护层无煤柱开采+底抽巷穿层钻孔群抽采;针对首采层防突，翟成等[7]提出了顶底板定向穿层长钻孔群+顺层钻孔递进式抽采消突，陈如忠等[8]针对松软煤层群提出基于水力压裂和钻孔下筛管的大孔径顺层钻孔消突，张建国等[9]指出优选顶板薄岩层作保护层开采，卸压抽采效果明显。上述学者研究多集中于井下抽采防突，随着地面井抽采技术逐步应用于煤层群防突。美国、澳大利亚、俄罗斯等均采用地面井抽采防突[10];在国内，李国富等提出了多种地面井(直井、L型井及丛式井)+井下区域递进式预抽[11-12];袁亮等提出了地面井+保护层开采卸压瓦斯抽采技术[13-14];李进鹏等研究了地面井+保护层开采+定向长钻孔多煤层区域抽采方法[15]。针对软煤，贺天才等研究了地面井分段压裂、地面井与井下长钻孔连通压裂、顶板压裂联合(U型井)等井上下压裂抽采技术[11,16];鲜保安等研究了煤矿区多分支水平井抽采煤层气的技术原理[17]，随后邓存宝等对分支参数、井身结构、定向对接工艺进行了优化[18]。综上，前人研究虽然建立了煤层群地面与井下钻孔联合抽采防突方法，但联合方法单一而不成体系，且其时空转化机制及其效果动态评价体系尚不明确。
深部矿井煤与瓦斯突出井上下联合防控方法与技术的应用背景包含近距离、远距离煤层群及单一煤层3种，笔者基于近距离煤层群开采突出启动力能分析，从开采层卸压消能、多层协同抽采及煤体属性改造三方面入手，依据资源开采时空顺序和安全生产指标进行井上、井下防突技术的优选集成，确立井上下联合防突模式，并构建效果动态评判指标体系，可为近距离煤层群突出高效防控提供理论支撑和技术指导。
1 近距离煤层群突出机制与防控思路
1.1 近距离煤层群突出信息特征
我国近距离突出煤层群主要分布在安徽、山西、河南、重庆、贵州等省份，煤炭与煤层气资源储量分别约480亿t和6 000亿m3;煤层为4～12层，层间距2～16 m，煤层瓦斯含量8～26 m3/t，瓦斯压力0.74～6.5 MPa;煤层透气性系数为0.000 1～0.05 m2/(MPa2·d)(表1)，各矿区煤层最小坚固性系数<0.3，属于典型的低透松软煤层，平顶山和松藻矿区发育更甚，据统计可知[19-21]，近距离煤层群突出强度大、频率高，煤层突出深度跨度大，为47.4～791.0 m，突出点较分散但多集中在封闭压扭性构造区，区内煤层厚度变化大、软分层发育、易发生应力集中。
表1 我国近距离突出煤层群主要矿区突出参数
Table 1 Outburst parameters of major mining areas closed distance seam group in China
矿区煤层编号始突深度/m突出强度突出煤量/t突出瓦斯量/m3坚固性系数f突出次数煤层透气性系数λ/(m2·(MPa2·d)-1)平顶山己16-17340.017.1戊9-10354.091.8己15354.030.1戊8420.022.7丁5-6750.012.9420～305000.2770.043100.19110.020200.33130.024500.4340.028000.5140.00045淮南C13155.058.049650.78540.00665B11350.0107.045800.48350.00440B4332.0161.054960.35240.00337B8292.0123.031800.5330.00500B6413.0293.0339370.1520.00130B7423.0170.01500.2910.00401B9581.031.018010.8110.00730A3542.0130.048720.3510.00480D17552.012.013090.7210.00970A2791.09.05280.6810.00850松藻K1251.053.7K2b302.016.9K3b176.040.33000～510000.21140.002100.44150.003800.36150.00290贵州水城C407119.9137.049050.4710.00110C406C2152.8135.555120.5220.00130C409257.1171.667030.37170.000951168.9187.285000.25170.00086947.470.014460.6110.00170
近距离煤层群约有2/3的突出煤体f<0.5(图1)，突出煤量与坚固性系数及其透气性系数整体上呈负指数函数关系，说明煤体f和λ越小，突出强度越大。但始突深度与突出强度并未呈明显的正相关性，间接说明煤层群叠加开采对突出过程的力能转移有重要影响。因此，有必要研究其突出启动力能机制以确立针对性防突思路。
图1 典型矿区突出强度与煤体强度及透气性的关系
Fig.1 Relationship between outburst strength and coal body strength and permeability in typical mining areas
1.2 近距离煤层群突出启动机制
近距离煤层群突出具有多层高能瓦斯源与多次采动应力场耦合的特性，突出启动能量可来自于多煤层的瓦斯内能及多层煤岩体的弹性势能，受叠加开采的扰动影响，主采煤层和邻近煤层群瓦斯能量会向采掘工作面转移集中，同时，多次采动应力在采场围岩某一位置发生叠加造成应力集中，当瓦斯内能剧烈转移或叠加应力集中的量值达到某一临界值时，主采层和邻近层煤岩体被破坏、抛出，伴随大量瓦斯喷涌[22]。因此，选取近距离突出煤层群多层共采的采掘工作面为研究单元体，暂不考虑采掘过程机械力及其破碎落煤能量影响，假设各煤层赋存稳定、无地质构造影响，且该单元体内能量守恒，进而建立突出启动的力能转移模型(图2)，各煤层瓦斯内能(Ew1,Ew2,…,Ewn,下角w代表瓦斯)、弹性势能(Em1,Em2,…,Emn,下角m代表煤层)及其围岩弹性势能Ew(Ew=ED+Ed,下角D代表顶板，d代表底板)和层间夹层的弹性势能(EJ1,…,EJ(n-1),下角J代表夹层)随着煤层群开采得到不同程度的释放，当释放能量超过煤体粉碎功Ef和抛出功EP之和(式(1))，且各煤层瓦斯压力Pw与其沿突出方向作用力之和大于煤体内摩擦力与沿突出反方向作用力之和时，突出现象发生(式(2))。
(1)
(2)
式中，Pwi为开采条件下第i煤层瓦斯压力，MPa;c为突出煤层黏聚力，MPa;σxtj，σytj,σztj为第j煤层同时开采的三维采动应力沿突出方向的分解力，MPa。
图2 近距离煤层群开采煤与瓦斯突出力能模型
Fig.2 Stress and energy transfer model of coal and gas outburst in contiguous coal seams
为量化分析邻近煤层开采的应力和瓦斯内能变化对本煤层的影响，引入影响因子D来表征煤层群开采邻近层卸压或应力集中的影响程度(D<1，表示邻近层开采对本煤层起到卸压保护作用;D>1，则起到应力集中作用);用瓦斯涌出系数η来表征各煤层瓦斯内能释放的影响(η=1，表示本煤层瓦斯涌出；η<1，表示邻近层瓦斯涌出)。因此，式(1),(2)可以修正为
(3)
(4)
式中，Dmi为第i煤层弹性势能作用在突出煤层的影响因子;DJi为第i夹层弹性势能作用在突出煤层的影响因子;ηi为各煤层的瓦斯涌出系数;Dj为第j煤层同时开采作用对首采层影响因子。
当煤层富含高能瓦斯的瓦斯压力P满足>0.74 MPa，均可作为突出危险源，当
时，属于瓦斯压力主导型煤与瓦斯突出;同时，多煤层叠加开采时，在开采层实体煤一侧的某一位置易出现应力集中，导致该位置存在高应力区，积蓄弹性势能较大，易发生突出。由于近距离煤层群夹层厚度较小，相应的弹性势能也较小，在围岩、埋深等不变条件下，若邻近瓦斯内能>本煤层瓦斯内能，邻近层易发生突出，井下表现为误揭/穿邻近煤层过程发生突出，反之，现场多表现为本煤层采掘面前方煤体发生突出。
1.3 近距离煤层群突出防控思路
据上节分析，近距离煤层群开采易引起多层卸压瓦斯涌入采掘工作面与下邻近层采掘工作面前方煤体应力叠加而诱发突出。故其突出防控重点在于多煤层协同疏解地应力和高能瓦斯，并从降低煤岩弹性势能、瓦斯内能以及增加煤体强度3方面入手(图3)，其中瓦斯抽采作为降低瓦斯内能最根本手段，一定程度上可提高煤体强度，卸压增透作为地应力-瓦斯压力双重卸压消能主要手段，并辅以煤体属性改造以增加突出阻力。上述手段核心在于多煤层立体区域协同卸压和联抽，实现“多煤层—区域—局部”逐级递进消突，但相应防突模式科学内容及时空转化规律尚不明确，亟待研究。
图3 近距离煤层群突出特征与防控思路关系
Fig.3 Relationship between characteristics and prevention and control ideas of outburst in contiguous coal seams
2 井上下联合防突模式
为突破传统的单一井下防突方法，实现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防突技术体系，形成多煤层→区域→局部3级递进式强化抽采防突，逐级进行多煤层降突、立体化区域防突及局部精准快速消突，保障矿井安全生产的同时，极大释放优质煤、气产能。
2.1 井上下联合防控模式内涵
由于井上、下抽采防突方法地质适用性和消突效果各异，且受煤、气资源开发的时空阶段及其安全生产要求的影响甚重，故需先确立井上和井下联合采防突技术的优选原则和方法。
(1)优选与集成原则。
依据煤与瓦斯共采的时空交替顺序，井田依次可划分为规划区、准备区及生产区，三区防突工作的时空条件和安全生产条件见表2，规划区的防突空间不考虑成本时基本不受限制，越广越好，时间一般>6 a，相对较长，以降低煤层突出危险性，降低的煤层瓦斯含量WG取决于原煤瓦斯含量W0，并满足WG<βW0(β为经验系数);准备区的区域消突防突受控于采掘衔接，时长为2～6 a，煤层瓦斯压力PZ<0.74 MPa,WZ<8 m3/t;生产区主要为各采区的采掘工作面的局部消突，时间为0～2 a，以减少多煤层采动应力叠加及高能瓦斯大量涌入采掘空间而产生的突出风险，PS与WS均要小于突出的临界值。
表2 资源开采不同阶段的时空条件及安全生产要求
Table 2 Spatio-temporal conditions and safety production requirements at different stages of resource extraction
区域时空条件安全生产条件规划区空间限制较少,t>6aWG<βW0准备区受控于采掘衔接,t∈(2,6)aWZ<8m3/t,PZ<0.74MPa生产区集中于采掘空间,t∈(0,2)aWS<8αm3/t,PS<0.74αMPa
为进一步明确井上、下抽采防突方法的适用条件(时间限制、瓦斯地质条件及防突效果)，见表3，地面抽采防突时空限制较弱，适用于含气量高、透气性好且力学强度高的近距离煤层群，且多煤层大范围长时协同防突效果较好;井下抽采防突受巷道开拓情况影响严重且适用于煤炭开采中后期，但地质构造较复杂(大型断层、褶皱频繁、多层夹矸)条件下效果不佳，用于立体化区域防突和局部强化消突效果较好。
表3 井上、下抽采防突技术适用条件
Table 3 Application conditions of outburst prevention technology
项目时空条件地质条件防突效果地面抽采防突技术受控地形地貌,煤气共采全生命周期近距离煤层群,坚硬透气性好、瓦斯含量、瓦斯压力大多煤层大范围长时间协同防突井下抽采防突技术受控巷道开拓情况,煤炭开采中后期煤层透气性好、煤体可解吸量大、受地质构造影响大立体区域消突、局部精准快速消突
(2)井上下联合防突模式的建立。
根据既定优选原则及井上、下抽采防突技术的使用条件，分别得出煤气共采不同阶段的井上下联合防突模式(图4)，有效解决了近距离煤层群传统地面井+井下抽采钻孔逐层消突引起的应力叠加及卸压瓦斯涌入采场进而诱发突出的问题，在规划区采用多种地面井组合分区联抽破除了不同煤层区域赋存差异性对防突效果的制约;在准备区采用多分支水平井井孔对接预抽及地面井+被保护层穿层定向钻孔群实现井上下联抽的无缝衔接，实现了多煤层区域立体化高效协同防突，充分利用定向钻孔可显著增加有效消突面积及抽采消突时长，极大减少井下消突钻孔工程量;在生产区采用大直径长钻孔递进式预抽+软煤疲劳损伤致裂增透措施进行局部强化抽采消突，彻底消除抽采盲区及瓦斯异常区，实现多煤层全空间全时段协同高效消突。
图4 近距离煤层群井上下联合防突模式内涵
Fig.4 Connotation of outburst prevention model of ground and underground joint gas extraction in contiguous coal seams
3区防突强度逐级递进，经过区域-局部效果检验达标，消突范围逐渐实现全煤层覆盖，3区实现高效转化，先采气后采煤，以采气保采煤，以采煤促采气，实现煤矿区煤、气资源安全高效共采。
2.2 井上下联合防控关键技术
(1)多种地面井组合分区联抽防突技术。
由于煤与瓦斯突出具有条带性分布规律，依据井田范围各煤层原始瓦斯含量W0的空间分布特征以及煤体结构特征，结合《防治煤与瓦斯突出细则》中瓦斯含量临界值8 m3/t，按突出危险程度将煤层划分为3区(图5):即Ⅰ区满足W1≥W0≥8 m3/t，Ⅱ区满足W0∈(W1，W2)，其中W2<W0max，Ⅲ区满足W0≥W2;其中W1和W2取值根据各煤层地勘期间瓦斯含量数据及瓦斯含量等值线分布情况来确定。基于3区突出危险性强弱选取不同类型地面井组合，即在Ⅰ区采用常规地面井群布置，地面井间距由其抽采有效半径来确定，井底深度由突出煤层群最大埋深决定;在Ⅱ区采用多分支水平井+常规地面井组合布置，两类地面井间距由抽采有效半径与分支长度共同确定;在Ⅲ区采用防突压裂井+常规地面井组合布置，两类地面井间距由抽采有效半径与压裂有效半径共同确定。通过在多煤层采用多种地面井组合分区联抽实现多煤层降突，主要适用于规划区防突，可作用于整个采煤过程直至采空区瓦斯抽采。
图5 多种地面井组合分区联抽防突
Fig.5 Combination of multiple surface wells extraction to prevent outburst
(2)多分支水平井井孔对接抽采防突技术。
基于多分支水平井钻完井技术及井下定向钻进装备，采用近钻头电磁测距法定向对接系统(RMRS)实现多分支水平井主支与井下千米钻孔精准对接，结合接入抽采系统“先正压后负压”的控压抽采工艺，形成多分支水平井井孔对接抽采防突技术(图6)。该技术有效防突范围受水平井分支形态、分支长度以定向钻孔长度决定，分支形态主要有“叶脉型”、平行线型与混合型，其中混合型的水平井的防突范围大、效果佳，并根据各煤层采区布置及施工技术综合确定分支个数、长度及其与主支夹角等参数。该技术适用于准备区防突。
图6 多分支水平井井孔对接抽采防突
Fig.6 Multi-branch horizontal well and borehole connecting extraction to prevent outburst
(3)地面井+被保护层定向钻孔群联抽防突。
由于煤层群间距较近，优先采用上保护层开采，达到下部多层卸压效果，为避免卸压瓦斯涌入保护层采场空间诱发突出，在被保护层下方的底抽巷布置定向穿层钻孔群拦截卸压瓦斯，同步利用地面井+本煤层大直径钻孔递进式预抽进一步实现保护层消突(图7)。该技术充分利用定向钻孔群及保护层开采的区域消突优势，实现多煤层大面积协同消突，适用于保护层生产区及被保护层准备区的消突。
图7 地面井+被保护层定向钻孔群联抽防突
Fig.7 Surface well+directional drillings extraction of the protected coal seams to prevent outburst
3 应用效果动态评价体系
由于近距离煤层群井上下联合抽采防突模式的工程应用是分三阶段采用不同联合防突技术进行“多煤层协同降突→立体区域防突→局部精准消突”逐级强化，最终实现全煤层彻底消突。采用该模式进行突出防控是一个多阶段依次逐级转化的动态过程。鉴于此，采用《防治煤与瓦斯突出细则》(2019年)中静态效检指标已无法反映防突动态过程各阶段及整体转化定量信息，需建立该模式应用过程的动态评价指标体系。
3.1 动态评价指标筛选与计算
基于该模式应用的最终目标是控制成本的前提下实现消突及煤、气产能释放，即安全效益和经济效益，安全效益可用防突效果指标(煤层瓦斯含量W与瓦斯压力P)来表征，经济效益最终体现为煤炭产能(C)和煤层气产能(G)，其中安全指标为一级指标，经济指标为2级指标。为了更好评价动态效果评价，以抽采防突时长t为自变量，采用分阶段筛选安全效益指标和经济效益指标。
在规划区，安全效益指标为煤层残余瓦斯含量WG，经济指标为准备煤量(CG)和累计产气量(GG)，其中
(5)
(6)
(7)
式中，W0i为第i煤层原始瓦斯含量，m3/t;地面井抽采影响半径Ry与抽采时间t满足Ry=AtB关系，A,B均为经验系数，依据文献[13]取值分别为6.23和0.37;ρi为第i煤层密度，t/m3;Mi为第i煤层厚度,m;n为煤层数;Qj为第j口井日产气量，m3;k为地面井数量，;t为时间，d。
在准备区，安全效益指标为WZ和PZ，(由于准备区井下煤层具备瓦斯含量和压力实测条件，采用实测值更为准确)，经济指标为区域预抽煤量(CZ)和累计产气量(GZ)，其中
CZ=(hMρvt-Q-Q′)K1
(8)
式中，v为沿煤层走向日掘进进尺，m/d;h为平均斜长，m;Q为地质及水文地质损失煤量，t;Q′为永久煤柱和不能回采的临时煤柱的累计煤量，t;K1为采区煤矿采出率，%;ρ为主采煤层密度,t/m。
(9)
式中，QZ为准备区瓦斯抽采量，m3/min。
在生产区，安全效益指标为WS和PS，(与准备区相同，采用实测值)，经济指标为区域预抽煤量(CS)和累计产气量(GS)，其中
(10)
式中，De为e工作面割煤日进尺，m/d;he为e工作面平均斜长，m;E为工作面个数;K2为综采工作面平均采出率，95%;Me为第e个工作面采高。
(11)
式中，QS为生产区瓦斯抽采量，m3/min。
因此可得出各级指标随时间变化值见表4。
3.2 动态评价指标临界值确定
根据煤矿煤、气共采产能设计可得出矿井平均煤炭日产能为Cp以及平均煤层气日产能为Qp，逆向反推得出生产区的煤炭达标量最大值为365TSCp/K2(K2为综采工作面平均采出率，95%;预计预抽时间TS，d)，煤层气抽采达标量最大值为365TSQp。准备区煤炭开拓煤量最大值为365TZCp/(K2K1)，K2为采区煤炭采区率;煤层气抽采达标量最大值为365TZQp。规划区煤炭准备量最大值为365TGCp/(K2K1K3)，K3为煤层开采系数;煤层气抽采达标量最大值为365TGQp。依次类推得出各级评价指标的临界值见表5。
表4 三区动态评价指标及其表达式
Table 4 Dynamic evaluation indicators and their expressions in the three regions
参数规划区准备区生产区W(t)W0-∑kj=1QjtπA2t2Bρi∑ni=1Mi实测实测P(t)—实测实测C(t)πA2t2Bρi∑ni=1Mi(hMρvt-Q-Q′)K1∑Ee=1MeρeheDetK2Q(t)∑kj=1Qjt1440QZt+∑kj=1Qjt1440QSt+∑kj=1Qjt
表5 三区各级动态评价指标临界值
Table 5 Critical values of dynamic evaluation indicators at all levels in the three districts
参数规划区准备区生产区W/(m3·t-1)<βW0<8<8αP/MPa—<0.74<0.74αC/t365TGCpK2K1K3365TZCpK2K1365TSCpK2Q/m3365TGQp365TZQp365TSQp
3.3 动态评价方法
依据煤气共采3阶段，定义各阶段单项指标(W,P,C,Q)的有效转化率η为相应抽采时长下评价指标实时数值与其起始值的比值(例如规划区瓦斯含量有效转化率为ηwY=W′/W0)，其中安全指标转化率为先决条件，若安全指标中任一指标不达标，则判定消突失败;若安全指标均达标，进一步讨论经济指标，假设θ为各阶段煤量有效转化率的权重，θ=C×煤单价/(C×煤单价+Q×气单价)，(1-θ)为相应各阶段煤层气有效转化率的权重，进而可得出各开采阶段(规划区、准备区及生产区)的经济指标有效转化率ηJ=θηc+(1-θ)ηQ。综上，可知近距离煤层群井上下联合消突的整体有效转化率ηZ的计算式，即ηZ=ηYηKηS。
4 工程应用效果评价
4.1 沙曲矿区井上下联合防突模式应用
沙曲井田位于山西柳林县穆村镇，区内建有沙曲一矿、二矿总设计产能为8 Mt/a，目前主采上部2～5号煤层，开拓水平标高为+400 m，煤层间距及瓦斯参数见表6，属典型近距离突出煤层群矿井，受多煤层突出制约，年产仅为500 Mt。
沙曲井田在规划区采取地面直井、防突压裂井联合超前预抽来降突;准备区采用分支水平井与井下千米钻孔对接抽采防突技术以及保护层开采+定向穿层钻孔群抽采防突，生产区采用大孔径钻孔递进式抽采以强化消突，计划规划区、准备区及生产区的防突作用时长为8 a左右,5～6 a,0.5～2 a。
表6 上部煤层瓦斯基础参数测定结果平均值
Table 6 Average measurement results of basic gas parameters in upper coal seams
煤层编号厚度/m普氏系数f层间距/mP0/MPaW0/(m3·t-1)20.890.490.9210.653+41.050.3010.341.0812.5553.300.355.561.4012.08
(1)地面井预抽防突。
井田内沙曲一矿3区划分(图8(a)):规划区为六采区；准备区为四采区、前期五采区；生产区为一、二、三采区;沙曲二矿3区划分(图8(b)):规划区为六、七、八采区；准备区为五、九采区；生产区为一、二、三、四采区。由于沙曲一矿煤层埋深较浅且地质构造简单，突出危险性相对弱于二矿，在沙曲一矿规划区和准备区采用多分水平井(蓝色，15口)+常规地面井(绿色，10口)联合抽采，其中多分支水平井分支为3～9个，形态呈叶脉型和混合型，井身结构为三开，从上至下钻井直径依次为311.1,215.9和139.7 mm，用于3+4号煤及5号煤层预抽;二矿则采用防突压裂井(红色，166口)+地面井(绿色，140口)，常规地面井井身结构为二开(φ311.1,215.9 mm)，平均间距为42～55 m，防突压裂井在目标煤层(3,4,5号煤)采用单层或合层水力加砂压裂工艺，起裂压力为12 MPa，有效影响范围可达20 m以上。
图8 沙曲井田3区划分及地面井分布
Fig.8 Division of surface wells distribution in Shaqu mine field
统计分析沙曲二矿组合地面井与常规地面井单井日产气量数据可知(图9)，组合地面井在高产气阶段为常规地面井的2～3倍，抽采浓度为60%～90%，受压裂效果及水平井分支塌孔影响，组合井抽采效果有一定波动，整体降突效果较好。
图9 组合井与常规地面井单井日产气量
Fig.9 Daily gas production per well of combination wells and conventional surface wells
(2)多分支水平井井孔对接预抽防突。
以沙曲一矿为例，在五采区3+4号煤层4501工作面及其下部5号煤层5501工作面分别布置2口井(编号SQN-0501-41,SQN-0501-42)和1口井(SQN-0501-5)，其中0501-41为单主支井，0501-42井带有3个分支，分支间距约270 m，长度为280～400 m，两口井主支间距约160 m，分别与井下XC41,XC42采用RMRS定向导航系统对接后接入北翼轨道大巷抽采管路，对4501工作面预抽防突。0501-5井有3个分支，长度400～510 m，主支与井下XC51钻孔对接并入北翼轨道大巷抽采干管，用于5501工作面预抽消突。
统计分析4501工作面多分支水平井井孔对接抽采及井下相同进尺的顺层钻孔抽采数据可知(图11)，在抽采前期的10～23 d，水平井处于排采初期瓦斯逐步解吸，日产气量小于顺层钻孔，在中后期多分支水平井产气量显著提升至22 500 m3，抽采浓度在58%以上，衰减较为缓慢，有效抽采时间延长，防突效果佳。
(3)地面井+被保护层定向钻孔群联抽防突。
在沙曲一矿二采区为例，2号煤层作为保护层开采2203～2207工作面共计5个工作面(图12)，其中在2205工作面下方5号煤底板布置2号底抽巷，巷道长度为1 284 m,在巷道南北翼两帮各布置10个钻场(10个定向钻孔)，并沿煤层走向施工上向穿层定向钻孔群，孔径113 mm，孔间距20 m，孔深462～558 m，终孔高度位于分别3+4,5号煤层，各覆盖这两层上下煤对应的5个工作面，2号煤本煤层采用120 mm大孔径递进式预抽，在4203工作面开切眼附近布置有常规地面井预抽。
图10 4501工作面水平井井孔对接预抽设计
Fig.10 4501 working face horizontal well bore butt pre-extracting design
图11 水平井与井下顺层钻孔抽采量对比
Fig.11 Gas extraction comparison of multi-branch horizontal well and downhole drilling underground
图12 地面井+被保护层定向钻孔群预抽设计
Fig.12 Pre-extracting design of surface well+directional drillings extraction of protected coal seams
统计分析二采区4203工作面千米钻孔与普通穿层钻孔(图13)抽采纯量可知:千米钻孔的纯量为5.05～10.91 m3/min，约为普通穿层钻孔的2.5倍，且随着工作面推进普通钻孔纯量逐渐减低，有效抽采时长减少，与此同时，相同工作面长度下，消突钻孔工程量减少2/3以上，保证抽采效果的同时极大减少钻孔工程量。
图13 千米钻场与普通穿层钻场抽采纯量对比
Fig.13 Gas drainage pure volume comparison of directional drillings and ordinary through layer drillings
4.2 应用效果评价
根据沙曲一矿防突科定期测定2号,3+4号煤层(5号煤层主要巷道尚未开拓)残余瓦斯含量与瓦斯压力进行防突效果检验(表7)，统计分析得出2号和3+4号煤层瓦斯含量在准备区、生产区均<临界值8 m3/t，各煤层瓦斯含量、瓦斯压力在生产区均低于临界值。深入分析知煤层瓦斯含量、瓦斯压力与防突时长呈负对数函数关系(图14)，在准备区中后段及开采区全段才能实现多煤层消突，在相同条件下，煤层平均残余瓦斯压力和瓦斯含量下降速率(vP和vW)一般符合:规划区<准备区<生产区;3+4号煤层在准备区的vP和vW明显大于2号,3+4号煤层，原因为2号煤层做为保护层开采，3+4号煤层距离最近而卸压效果显著，3+4号煤层在生产区vP和vW明显大于2号,3+4号煤层，原因为3+4号煤层软分层相对发育，在采掘工作面采用可控冲击波增透促抽，提升了消突速率。依据沙曲一矿主采煤层单价为1 700元/t，设计产量为5 Mt，煤层气单价为2.5元/m3，设计产量为1.4亿m3，代入权重计算公式得θ=0.71。
表7 上组煤层三区残余瓦斯含量与瓦斯压力分布
Table 7 Residual gas content and gas pressure distribution in the three zones of the upper coal seam
参数测定日期(始抽时间为2011-09-25)2011年11月2012年6月2012年9月2013年4月2013年9月2014年9月2016年6月2017年6月2018年11月2019年9月测定地点规划区2号煤Wc/(m3·t-1)10.65————9.34—8.358.229.563+4号煤Wc/(m3·t-1)12.55————11.89—10.117.969.4400水平北翼轨道大巷1814m穿层钻孔准备区2号煤3+4号煤Wc/(m3·t-1)——7.24—6.786.275.695.45Pc/MPa——0.76—0.720.680.660.65Wc/(m3·t-1)——8.91—8.337.686.976.82Pc/MPa——0.74—0.660.590.550.55已转入生产区四采区2号煤集中巷1214m附近顺层孔400水平北翼轨道大巷1310m穿层钻孔生产区2号煤3+4号煤Wc/(m3·t-1)5.244.654.093.863.74Pc/MPa0.640.610.590.570.55Wc/(m3·t-1)6.456.035.695.525.36Pc/MPa0.520.450.420.380.36已回采完毕二采区2201工作面胶带巷三采区4307工作面轨道巷
图14 沙曲一矿各煤层瓦斯含量和压力“三区”变化
Fig.14 Gas content and pressure varieties in “three zone” of multi-coal seams in Shaqu No.1 Mine
基于表7与3区的安全指标临界值对比分析可知，在规划预抽时间内2号,3+4号煤层3区的Wc和Pc均小于对应临界值，均达到消突要求，保障矿井的安全生产，为进一步探究消突各阶段的有效转化率变化，进行全过程动态评价，基于表8的参数和系数取值代入计算公式可得出规划区ηG、准备区ηZ和生产区转化率ηS分别为95%,85%,90%，准备区抽采消突效率相对偏低，有待进一步提高，最终计算出井上下联合消突全过程整体有效转化率为70.5%，根据3区煤层气和煤炭总量计算可得为1 265万m3和385万t，较之前的煤、气产能分别提高了80万t和420万m3，经济效益显著。
表8 公式参数及经验系数取值
Table 8 Formula parameter and experience coefficient value
参数取值依据C/Mt5沙曲一矿采煤设计产能Q/亿m31.4矿井煤层气抽采产能预测报告β0.75沙曲一矿瓦斯治理三α0.81区联动规划报告K10.88沙曲一矿矿井初K30.91步设计报告ρ/(t·m-3)1.41沙曲一矿生产地质报告v/(m·d-1)15沙曲一矿矿井初步设计D/(m·d-1)8沙曲一矿矿井初步设计QD/(m3·d-1)28000矿井煤层气抽采产能预测报告Q/万t71沙曲一矿矿井初Q′/万t45步设计报告
注：QD为地面井单井的平均日产气量,m3/d。
5 结 论
(1)建立了近距离煤层群突出发生过程的力能转移模型，给出突出启动的力能条件，结合近距离煤层群突出“二高二低一分散”的鲜明特点，即高地应力、高瓦斯内能、煤体强度低、透气性低及突出源分散，综合分析后确立了多煤层协同疏解突出潜能、“多煤层-区域-局部”逐级强化抽采防突思路。
(2)构建了近距离煤层群井上下联合防突模式:规划区采用常规井、防突压裂井与多分支水平井联合抽采降突;准备区采用保护层开采+定向长钻孔群或多分支水平井井孔对接抽采+定向长钻孔群立体区域化抽采防突;生产区采用本煤层定向长钻孔群条带预抽+递进式大直径钻孔抽采消突，低透松软煤层还需采用疲劳损伤增透方法。
(3)建立了该模式应用过程阶段递进式动态评价函数，给出三阶段中2级指标四参数随时间变化表达式，确定其相应临界值，给出应用效果动态评价流程。
(4)沙曲一矿应用该模式后在规划时间内基本实现2号,3+4号煤层协同消突;资源开采三阶段的煤炭转化率依次为95%,85%,90%，整体动态转化率为70.5%，说明抽掘采衔接相对紧张，准备区抽采防突效率低;矿井优质煤炭产能释放量约80万t和煤层气产能提升约420万m3。
井上下联抽协同防突技术的研究还在持续进行中，在近距离煤层群开采应力叠加与瓦斯压力响应耦合作用下突出机制及影响因素，多煤层地应力-瓦斯潜能疏解及煤岩改性时空协同作业原理等基础理论方面仍需深入研究;联抽防突模式及参数还需进一步优化;动态评价指标临界值及其实时转化评价精度还需不断验证和提高，以建成更精准动态评价体系。
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