煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法

专利名称：煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法
技术领域：
本发明属于煤矿安全生产技术领域，尤其涉及煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法。
背景技术：
根据近年来煤矿瓦斯事故数据统计可以看出，我国煤矿瓦斯事故虽然在逐年减少，但是重特大瓦斯事故仍然没有得到有效的遏制，煤与瓦斯突出事故排在近两年来煤矿瓦斯重特大事故的首位，煤与瓦斯突出事故呈严重趋势。2009年国家安全监督管理局颁布了《防治煤与瓦斯突出规定》，在规定中明确提出煤与瓦斯突出防治工作坚持“区域防突措 施先行、局部防突措施补充”的原则，未采取区域综合防突措施并未达到指标要求的区域严禁进行采掘活动。区域防突方法措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯，对于单一突出煤层及其它不具备开采保护层的突出煤层，目前区域防突只能采取预抽煤层瓦斯方法措施。但是由于突出煤层往往为渗透性极差、强度极低的碎粒煤和糜棱煤，直接预抽煤层瓦斯不仅钻进困难，钻孔抽采半径小，抽采效果差，而且瓦斯抽采时间长，往往以密集布孔、高工程投入为代价进行预抽。为了增加预抽煤层瓦斯的效率，目前主要采用高压水射流扩孔、深孔松动爆破、水力压裂、水力冲孔、高压磨料射流割缝等方法进行强化抽采，这些方法的研究虽然取得了较大的进展，但是推广应用还存在诸多问题，如有可能造成局部应力集中、不能均匀地区域性卸压，技术应用成本较高，技术工艺过程较复杂，工艺过程存在一定的安全隐患等问题。开采保护层能够有效地对被保护的突出煤层瓦斯预抽和区域消突，《防治煤与瓦斯突出规定》四十五条规定，对于具备开采保护层条件的突出矿井必须优先采用开采保护层措施；不具备开采保护层条件的，必须预抽煤层瓦斯。开采保护层能均匀地使被保护的突出煤层区域性卸压和消突，技术工艺过程较成熟简单，安全可靠，应用成本一般不高，而对于其应用和推广最大的问题包括两方面一方面是国内很多矿区的突出煤层为单一煤层或煤层间距太大，找不到适合的保护层进行开采；另一方面是当开采的保护层本身具有突出危险或煤层太薄赋存不稳定时，保护层本身开采难度较大。因此，极需要找到一种新开采保护层开采方法，以突破保护层开采条件的局限。现有的保护层开采技术
我国煤炭储量丰富，同时也是世界上煤层瓦斯资源最丰富的国家之一。我国煤层瓦斯资源为美国的3倍，但瓦斯抽采量与美国相差甚远，这主要是我国煤层瓦斯储存特征所决定的，其特点是“两低一高”，即煤层瓦斯压力低、煤层透气性低、煤层瓦斯吸附能力高，这一特点给煤层开采和瓦斯抽放带来了较大困难。我国多年的科研和生产实践，尤其煤矿瓦斯抽放经验表明，瓦斯只是在煤体直接被开采和围岩体在采动影响下变形、破断后才会有大量的运移，包括瓦斯的渗流、扩散、升浮，向采场涌出、突出等，由于煤层本身赋存条件和经济技术因素，不能有效地大规模进行地面钻井抽放瓦斯，而应该着力于研究采动过程中层状岩体应力分布状态和型隙分布与煤层瓦斯运移的特点，研究有效控制瓦斯运移的技术。预防煤与瓦斯突出措施按作用范围来划分，有区域性措施和局部性措施，其中开采保护层是预防突出最有效、最经济的区域性措施。几乎所有发生煤与瓦斯突出的国家，只要有保护层，都采用这项措施。我国从1958年起成功地使用了开采保护层的技术。在突出矿井中，预先开采的，并能使其他相邻的有突出危险煤层受到采动影响而减少或丧失危险的煤(岩)层称为保护层，即危险煤层掘进和回采之前，在时间上和空间上都超前开采位于危险煤层顶扳或底扳内的煤(岩)层。保护层与被保护层之间的层间距若合适，开采保护层才能使突出危险煤层的应力一应变状态和瓦斯动力状态发生改变，以达到预防煤与瓦斯突出的目的。开采薄保护层起防护作用的条件是保护层的采高要大于围岩的总形变量，当其他因素相同时，主要取决于开采深度和回来参数(工作面长度和顶板控制方法)。若保护层太薄，采空区披岩石自行充填，或在保护层变形带留下煤柱，开采保护层所起的保护作用影响 范围就缩小了，因为在上或下保护层产生保护作用之前.采空区的顶板利底板已闭合。开采保护层方法的选取，首先决定于煤系地层的结构——煤系中含有的煤层数，以及是否有可作为保护层的煤层；其次是保护层与被保护层之间的岩层厚度，这些岩层的岩石成分和物理力学性质对保护效果具有实质性的影响。按瓦斯因素，保护的范围是保护层和被保护层之间的层间距相适应。在层间距合适时可以消除瓦斯因素(危险煤层的瓦斯压力和瓦斯含量)对煤与瓦斯突出势态造成的影响。当突出危险煤层的应力一应变和瓦斯动力状态发生人为变化时，保护作用才能表现出来。保护层的围岩在自然平衡拱内移动，取决于工作面推进后的时间，以及保护层与被保护层之间的法线距离。根据岩石移动时岩层裂隙发育及透气性把自然平衡拱内的围岩分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，简称“三带”。冒落带内有贯通的透气裂隙，形成统一的透气系统；裂隙带内形成解吸瓦斯可通过贯通裂隙，但未形成统一的透气系统，其残余瓦斯压力很少与原始压力有关；弯曲下沉内煤层透气性在煤层水平方向上有一定的提高，但瓦斯不能沿裂隙从被保护层流向保护层巷道，被保护层的瓦斯排放和突出危险性只有不大的局部变化，其残余瓦斯压力主要取决于原始压力。保护层回采后有突出危险煤层的瓦斯动力状态与层间岩石厚度的关系可用下式表不:
P
P = φ exp(<zJ )
P’——被保护层残余瓦斯压力；
R-保护开采后的保护范围，m。上保护层时R = M (M为层间距，m),下保护层时R = M/h (h为保护层采高，m)；
伊和——经验系数。现有的保护层开采技术主要包括常规保护层开采技术、远距离保护层开采技术、近距离薄保护层开采技术及厚煤层分层保护层开采技术。常规保护层开采技术主要是指煤层间距在保护层开采后围岩裂隙带范围之内的保护层开采技术。远距离保护层开采技术指煤层间距在保护层开采后围岩弯曲下沉带范围之内的保护层开采技术，由于没有裂隙连通进入保护层工作面和采空区，其卸压瓦斯需要通过地面钻进、顶底板穿层孔进行抽采。近距离薄保护层开采技术及厚煤层分层保护层开采技术由于层间距很近甚至为合层，开采时容易破坏被保护层开采条件，同时保护层开采受被保护层突出威胁且工作面瓦斯涌出来量受被保护层卸压瓦斯影响很大，开采难度较大。开采保护层能均匀地使被保护的突出煤层区域性卸压和消除突出危险，技术工艺过程较成熟简单，安全可靠，应用成本一般不高，但是其应用和推广存在较大的制约一方面是国内很多矿区的突出煤层为单一煤层或煤层间距太大，找不到适合的保护层进行开采；另一方面是当开采的保护层本身具有突出危险或煤层太薄赋存不稳定时，保护层本身的开采难度较大，经济成本高。因此，极需要找到一种全新开采保护层开采方法，以突破现有保护层开采条件的局限性。现有的水力采煤技术 水力采煤技术是以高压水射流为动力源进行破落煤体的一种采煤工艺。该技术具有系统装备简单、生产连续性强、回采工序单一、劳动强度低、对地质条件适应性强等优点。水力采煤主要有井下工作面水力采煤和地面钻孔水力采煤两种方式。2.1国内外水采生产现状
目前世界上采用水采技术的国家有中国、俄罗斯、加拿大、新西兰等。如俄罗斯新西伯利亚的库斯尼克煤田煤层倾角60 70°，70%都采用水采。由于俄罗斯国产设备压力低，落煤困难，2007年引进我国高压污水泵、液动阀门和液控水枪等水采设备，使落煤压力升至16MPa。新西兰南岛的强人矿采用水采技术后，经济效益十分显著，产量比水采前提高了2倍。与该矿相邻的大卫山矿正在由日本进行水采设计。目前，许多国家都在关注水采，如越南、俄罗斯、新西兰来我国水采矿井参观学习，朝鲜、印度、澳大利亚等国与我国进行信息交流。我国辽宁的北票、南票、山东的高庄矿、大屯煤电公司的孔庄矿、吉林通化矿业集团、山西地方煤矿采用水采技术后，都取得较好的效果。2. 2工作面水力采煤
现行工作面水力采煤方法主要为短壁无支护采煤法。这种采煤法的实质是利用设置在回采巷道内的水枪射流实现短壁工作面内煤的破落与运输工作，由于作业人员不进入采煤工作面内，因此除水枪工作地点外，不存在回采空间的顶板支护问题。我国常用的水力采煤方法行倾斜短避水力采煤法和走向短壁水力采煤法两种。工作面水力采煤具有以下特点
①采用无人水力掏槽防突技术，较好地解决了掘进过程中突出问题；
②水采回采巷道多、段高或巷道间距小、密度大，从掘到采有一段间隔时间，便于瓦斯释放；
③水采工作面靠高压水射流落煤，没有电气设备，产生电气火花的机率很小，没有引爆源，相对比较安全；
④水采靠水射流落煤，湿度大浮煤少，不易氧化着火，相对延长了发火期，开采瓦斯含量高和易自燃的煤层，水采是一项安全措施；
⑤水采工作面及煤仓等卸载点没有煤尘，不能产生煤尘爆炸。工作面水力采煤的主要缺点为工作面采用“采空区窜风”，往往没有完整的独立通风系统，采区内的通风系统比较复杂；水采产品含有较多的水分，必须经过脱水处理，而脱水工作和废水的净化处理比较困难；水采区的空气潮湿，对工人健康有不利影响；对煤层顶板条件要求较高，顶板坚硬的深部煤层，较易出现冲击地压，而顶板破碎时，又容易出现采垛过程中，中途冒顶等事故水采工作面的采出率低于长壁工作面；吨煤的电耗量高；水力采煤矿井掘巷多、掘进率高、采掘接替关系往往比较紧张；区内的辅助运输工作比较困难。2. 3钻孔水力采煤
钻孔水力采煤是指从地表钻孔至煤层借助送至孔底的水射流切割破碎煤层，使之变成具有流动性的煤水混合物。通过水力或气举提升的方法提升到地表并在地表进行煤、水分离的一种采煤方法。I)钻孔水力采煤法的工作流程
在地表设计一个钻孔钻进到煤层顶板，在钻孔中下入套管柱，套管鞋坐落在生产区 间(煤层)的上面，固井后钻开水泥塞至煤层底板，钻孔采煤在裸井段进行，下入开采钻具。采煤钻具包括①牙轮钻头用于钻进垮塌的采煤区间射流泵产生水力提升作用，吸取煤水混合物并泵送到地表；③水射流器含有一个切割喷嘴，用高压水射流破碎矿层形成煤水混合物(煤浆)；④双壁钻具用作钻孔水力采煤的水力通道，由内外管组成，外管用于泵送高压水，内管用来输送煤水混合物空压机气举提升煤水混合物，降低射流泵扬程；⑥高压泵用于水射流器提供高压水。钻孔水力采煤的工作流程为采矿工具下入钻孔内，高压水被泵送进双壁钻具，在工具的底部，一部分高压水通过水射流器喷嘴以水射流喷出，切割煤层形成煤浆，另一部分水通过射流泵产生负压。当煤浆到达负压区时，射流泵吸取煤浆并沿双壁钻具的内管泵送到地表，与此同时，空压机将空气送入内管内的空气混合器产生气举提升作用，煤水在分离器内分离过滤后又重新泵送到孔内形成钻孔水力采煤水系统的闭路循环。在地表，钻机提供回转(转盘)和提升机构(钻塔)，钻孔采煤工具悬挂在钻塔上，钻机带动开采工具旋转和沿孔轴线垂直运动并连接水泵和煤水分离器，随着钻孔水力采煤进行，煤层被采出，形成地下硐室，开采钻具能够沿钻孔回转和上下移动或者其组合运动来建立不同形状地下硐室。钻孔水力采煤技术将水力破碎、水力射流泵提升、气举提升等技术有机地结合在一起，借助于送至孔底的水力冲采液流，利用水力直接破碎煤层，使之变成具有流动性的煤浆，并通过水力提升或气举提升将煤浆送至地表。钻孔水力采煤特点
(D资源利用率高。将目前人员下井难以开采的一些特殊煤(如瓦斯含量特别高、地下水特别丰富、顶板不稳定煤层及边角煤等)低成本开采，尤其是边角煤或大型综采设备无法开采的弃矿、尾矿或鸡窝煤通过该技术也能逐一开采。(2)开采施工安全。无须巷道开拓和人员井下作业，完全避免了因人员下井可能发生一切井下事故，如瓦斯爆炸、瓦斯突出、透水事故、冒顶等。( 3)基建投资少。钻孔水力采煤节省了巷道开采所必须的井下运输系统、通风系统、排水系统、瓦斯抽排系统、大型综采设备等基础设施投入，降低了投资规模。(4)劳动强度低。将工人从恶劣的井下工作中放出来，根本改善了工人的工作条件。
2· 4水力采煤局限性
水采的适用范围有限。对水采而言，也不是旱采机械化开采有困难的煤层都能水采，而有它的适用范围，如特硬煤层、顶板极为破碎煤层、倾角过缓的煤层就不适用水采。水采主要针对不稳定煤层、急倾斜煤层、边角煤以及块段不规则储量小的煤层，因而主要在地方小型矿井应用。水力冲孔技术
水力冲孔是在突出煤层中直接应用的一种防治突出措施，它是以岩柱或者煤柱作为安全屏障，冲孔时，随着钻孔的前进，煤、水、瓦斯经过孔道向孔外排出，孔道周围煤体剧烈向孔道方向移动，同时发生煤体的膨胀变形和顶底板的相向位移，引起在冲孔一定影响范围内的地应力降低，煤层卸压，裂隙增加，使煤层透气性增高，促进瓦斯的解吸和排放，煤的强度增高和湿度增加，既消除了突出动力，又改变了突出煤层的性质，在采掘作业时起到了防治煤与瓦斯突出的作用。钻孔冲出一定数量的煤体后形成孔径较大的空洞，一方面有利于提高冲孔后的瓦斯抽放效果，另外其抽放影响半径相对较大，减少了钻孔施工量，同时也缩 短了预抽时间，解决了常规预抽煤层瓦斯方式的不足。水力冲孔施工顺序打钻一见煤后停钻一使用快速封孔器封孔抽放一安装防喷装置一穿煤一冲整个煤段一返水变清。存在的主要问题存在冲孔时间较长、冲孔需要的水量大、出现应力分布不均和应力集中以至于增加煤与瓦斯突出危险性等问题。因此，目前主要还是在局部区域应用，难以大范围推广应用。水力割缝技术
水力割缝法提高瓦斯抽放量的基本原理是在钻孔内运用高压水射流对钻孔两侧的煤体进行切割，在钻孔两侧形成I条具有一定深度的扁平缝槽，利用水流将切割下来的煤块带出孔外，由于增加了煤体暴露面积，且扁平缝槽相当于局部范围内开采了一层极薄的保护层，因此使得钻孔附近煤体得到了局部卸压，改善了瓦斯流动条件。水力割缝法也是一种以水作为动力的水力化卸压措施。高压水割缝所涉及的设备和装置包括高压水泵站、高压钻杆、高压水切缝总成、高压输水器、压力表、截阀、高压胶管、三通(32_)，高压流量表等。钻孔内切缝有2种方式一种为轴向切缝，另一种为径向切缝。采用径向切缝时，只需缓慢旋转钻杆，不需要轴向移动。径向切缝适用于掘进工作面的防突和瓦斯抽放钻孔。轴向切缝是使钻杆保持不旋转而在轴向缓慢起拔。根据不同需要轴向切缝可以与煤层底板垂直也可以与煤层底板平行。采用与煤层底板垂直切缝时抽放瓦斯的效果好，因为瓦斯在分层内的流动比穿过分层的流动容易得多。采用与煤层底板平行切缝时，可以有效地扩大瓦斯抽放半径。例如原来的钻孔间距为3m，即抽放半径为1.5m。如果在钻孔两侧各切一深度为O. 6m的缝，瓦斯抽放钻孔的间距就可以增加至4. 2m。存在的问题工艺过程和设施相对较为复杂，且割缝过程中施工耗时较长，由于对突出煤层预抽，目前主要是采用穿层钻孔，采用穿层钻孔水力割缝难以在底板巷道不同角度钻孔实现定向割缝，因而而对穿层钻孔割缝仅能在钻孔局部范围形成卸压，钻孔之间易存在空白带，形成应力集中区，增加煤与瓦斯突出危险性
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，在本发明中，超薄虚拟保护层定义为对开采煤层的某一固定层位的极薄分层先行进行开采，从而达到保护其它分层开采目的，那么这一固定层位的极薄分层称之为超薄虚拟保护层。主要目的是通过极薄分层水力开采，在整个煤层开采范围内形成均匀卸压区域，从而达到区域消突的效果。本发明实现不具备保护层开采条件的煤与瓦斯突出煤层的虚拟保护层开采，提高回采工作面、煤巷条带和石门揭煤的区域消突和瓦斯抽放效率、缩短抽放时间、加大抽放半径、減少钻进工程量、最大限度消除瓦斯灾害。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，包括以下步骤，
(I )、打钻取芯，确定煤层參数，根据煤层參数来选择超薄虚拟保护层水力开采类型，所述开采类型为软煤虚拟保护层开采或软分层虚拟保护层开采；
(2)、根据开采煤层厚度、煤层中软分层位置、厚度及相关理论、计算确定超薄虚拟保护层的层位和最小开采厚度；
(3)、设计穿层钻孔參数和超薄虚拟保护层水力开采钻头，并加工水力开采钻头；
(4)、进行水力定向射流參数设计；
(5)、在孔ロ安装防喷装置后按照设计參数施工穿层钻孔，至设计终孔位置后停止钻
进;
(6)、将超薄虚拟保护层水力开采钻头退至设计的虚拟保护层水力开采层位，并将水力开采钻头旋转至设计的方向，进行水力定向射流；
(7 )、水力定向射流至出煤量很少且増大射流压カ后出煤量变化不大时停止射流，退出钻杆及钻头，检验首次水力定向开采范围，如符合设计要求，则向下继续进行，如不符合要求转向步骤(3 );
(8 )、每个钻孔在水力开采结束后立即联入瓦斯抽放管路进行抽放；
(9)、完成所有钻孔水力开采后，进行虚拟保护层开采措施效果检验，如达到预期效果则结束虚拟保护层水力开采，如未达到预期效果，则采取补充抽放措施，并优化虚拟保护层水力开采參数；
(10)、抽放结束后进行区域消突验证。所述步骤(I)中煤层參数为回采工作面区域消突、煤巷条带区域消突、石门揭煤区域消突区域的煤层结构、煤体结构类型、煤层或煤层软分层硬度；针对煤层存在稳定软分层的単一突出煤层，采用软分层虚拟保护层开采；针对较软单ー突出煤层，采用软煤虚拟保护层开米。所述步骤(3)中穿层钻孔參数包括钻孔数量、虚拟保护层层位上的孔间距、孔长、开孔位置、孔径、倾角和方位角，超薄虚拟保护层水力开采钻头的设计參数包括水力开采钻头上喷嘴位置布置、安装数量、安装角度、喷嘴射流角和射流厚度。所述穿层钻孔的虚拟保护层层位上的孔间距设计应以开采分层的硬度、水力定向射流的额定功率和喷嘴的效率及据此设计的水力开采半径为依据，并通过试验进行优化设计。所述穿层钻孔的角度设计应采用相同或相近的方向角，以减少喷嘴安装角度的变化，所述超薄虚拟保护层水力开采钻头为以穿层钻孔与煤层夹角范围为依据的钻头，所述钻头根据水力开采钻孔设计角度来安装不同角度的喷嘴。所述水力开采钻头上的定向射流喷嘴设计以水力开采钻头上安装喷嘴数量、虚拟保护层开采的厚度为依据，喷嘴采用扇形喷嘴，射流为扁平扇形，扇形射流的有效开采厚度即为超薄虚拟保护层厚度，超薄虚拟保护层厚度不小于计算的区域卸压、消突的最小厚度；喷嘴的安装角度根据钻孔与煤层的夹角来设计，不同角度范围的水力开采钻孔对应一系列不同安装角度的水力开采钻头，钻头上安装的不同喷嘴的射流面与煤层面接近平行；钻头上侧喷嘴安装角度等于或接近于钻孔与煤层倾向夹角，钻头下侧喷嘴安装角度小于钻孔与煤层倾向夹角，下侧喷嘴射流方向接近水平或沿倾斜向上方向；当煤体硬度较小时，为了防止水力开采过程中过早出现开采空间上部煤体垮塌，应在各个喷嘴的扇形射流范围之间留设煤柱，以延缓上部煤体垮塌时间，煤柱留设的范围和数量应根据单个钻孔开采时间和煤体強度来确定；各个喷嘴射流范围和各个煤柱留设范围在煤层面上的投影叠加范围为360。。进行水力定向射流方向和层位应以虚拟保护层开采的煤层或软分层的方向和层位为准，采用软分层虚拟保护层开采时水力定向射流方向和层位应以软分层中下部层面为 准；采用软煤虚拟保护层开采时水力定向射流方向和层位应以煤层中下部层面为准；当在软煤层中钻进存在塌孔、喷孔及埋钻掉钻现象较为严重时，为提高水力开采效率和防止埋钻，应选择软分层或软煤层最底部分层作为虚拟保护层开采层位。所述步骤(4)中水力定向射流參数包括水力定向射流水量、压カ和时间，所述设计水力定向射流水量、压カ和时间应以达到设计开采半径为标准，如调整射流參数后仍不能达到设计开采半径，则需要重新调整设计开采半径和穿层钻孔參数。所述步骤(5)所述的设计终孔位置一般应为煤层顶板，但当打钻过程中喷孔、塌孔、埋钻和掉钻现象严重时设计终孔位置应在软煤或软分层底板位置；步骤(5)所述的防喷装置为在煤层打钻时安装在孔ロ防止喷孔和瓦斯超限的瓦斯、煤、水分离装置，防喷装置的瓦斯排放管应联入矿井瓦斯抽放系统，并在穿层孔施工和水力开采过程中通过防喷装置进行瓦斯抽放。所述超薄虚拟保护层的最小开采厚度应通过理论计算进行确定，以超薄虚拟保护层开采后上部和下部分层能充分卸压为准；超薄虚拟保护层开采措施效果检验采用被保护煤层变形量或残余瓦斯压カ含量或《防治煤与瓦斯突出規定》中的其它保护层开采效果检验指标，应满足区域消突的检验标准，同时应在空白处施工检验孔，检验卸压均匀性。本发明与其它相接近的现有技术的区别为
I)与现有保护层技术的区别
现有的保护层技术需要满足开采保护层条件，即在开采的突出煤层上部或下部存在能起到保护作用的保护层，且保护层本身无突出危险或突出危险较小，同时具备开采条件。本发明不需要具备开采保护层条件，只需开采煤层相对较软或存在软分层。由于强突出危险性煤层大部分为存在构造煤，开采煤层相对较软或存在软分层，能满足煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采条件，因此，适用范围非常宽，能有效填补现有开采保护层技术的空白。同时，与现有保护层技术相比，本发明采用的エ艺方法简单可靠，时间短，成本低。2)与现有的水力采煤技术的区别
现有的水力采煤技术主要是采用高压水力对整个煤层进行开采，开采效率较低，主要在开采不稳定煤层、急傾斜煤层、边角煤以及块段不规则储量小的地方小型矿井应用；
本发明是利用穿层钻孔对开采煤层的某一固定层位的极薄分层进行开采，开采エ艺简单，效率高，主要目的是通过极薄分层水力开采，在整个煤层开采范围内形成均匀卸压区域，从而达到区域消突的效果。3)与现有水力冲孔技术区别
现有水力冲孔主要是通过高压水力对钻孔壁进行冲刷扩孔，冲孔时间长，且易出现应力分布不均和应カ集中现象；本发明エ艺简单，速度快，能在整个煤层开采范围内形成均匀卸压区域，能有效解决水力冲孔、水力压裂等水力增透措施造成的应カ分布不均和应カ集中现象。4)与现有水力割缝技术区别
现有水力割缝技术エ艺较复杂，割缝时间长，采用底板穿层孔进行割缝时不同角度的穿层孔难以实现定向割缝，只能在单个钻孔局部范围形成卸压区域；本发明采用不同角度的底板穿层孔实现同一分层的定向水力开采，在水力开采过程中不需要移动钻头和喷嘴，可以实现远距离操作，エ艺简单、安全可靠，开采速度快，能实现在整个区域目标范围形成均匀卸压区域。本发明可在突出煤层不具备开采保护层条件下，通过底板巷向目标区域施工穿层钻孔，通过高压水力和安装在钻头的定向水力射流喷嘴开采突出煤层下部或软分层下部固定层位的超薄分层，使突出煤层区域性均匀卸压，极大增强煤层透气性，同时能较好避免其它水力冲孔、水力压裂、水力割缝等水力強化措施存在的应カ集中和卸压不均现象。本发明区域消突时间短，应用工程成本低，エ艺相对简单，充分提高抽放效率、缩短抽放时间、加大抽放半径、減少钻进工程量、最大限度消除瓦斯灾害。本发明可广泛适用于低透气性松软突 出煤层或存在稳定软分层的突出煤层区域瓦斯抽采和消除煤与瓦斯突出危险。本发明可以大大増加煤层透气性，区域性消除煤与瓦斯突出危险性。井下经试验表明，采用煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采后，煤层透气性系数増大1100 1680倍，煤层相对变形率达到4. 6%o -20. 14%。，瓦斯抽采率达到65%-77. 8%，完全达到了现有保护层开采技术的保护效果，且所耗费的时间、人力及物力不到现有保护层开采技术所需的50%。实施井下超薄虚拟保护层水力开采后，煤层百米钻孔瓦斯流量成数倍增长，大大缩短了瓦斯抽放时间；钻孔抽放半径成数倍増加，減少钻进工程量；使掘进及回采期间的突出几率大为減少，为煤矿安全高效回采、掘进提供了宝贵时间及安全保障。


图I是本发明的エ艺流程 图2是本发明当中软煤虚拟保护层层位示意 图3是本发明当中软分层虚拟保护层层位示意 图4是本发明当中虚拟保护层水力开采穿层钻孔设计平面示意 图5是本发明当中虚拟保护层水力开采穿层钻孔设计剖面示意 图6是本发明当中虚拟保护层水力开采钻杆及钻头示意 图7是本发明当中虚拟保护层水力开采喷嘴射流示意 图8是图7的A-A向剖视图；图9是本发明当中虚拟保护层采空区及被保护层采动裂隙分布示意 图10是本发明当中首个虚拟保护层水力开采钻孔开采范围检测孔示意图。
具体实施例方式如图I所示，本发明的煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，包括以下步骤
(I )、打钻取芯，确定煤层參数，根据煤层參数来选择超薄虚拟保护层水力开采类型，所述开采类型为软煤虚拟保护层开采或软分层虚拟保护层开采；煤层參数为回采工作面区域消突、煤巷条带区域消突、石门揭煤区域消突区域的煤层结构、煤体结构类型、煤层或煤层软分层硬度；针对煤层存在稳定软分层的单一突出煤层，采用软分层虚拟保护层开采；针对较软単一突出煤层，采用软煤虚拟保护层开采；(2)、根据开采煤层厚度、煤层中软分层厚度及相关理论、计算确定选取超薄虚拟保护层的层位和最小开采厚度；进行水力定向射流方向和层位应以虚拟保护层开采的分层或软分层的方向和层位为准，采用软分层虚拟保护层开采时水力定向射流方向和层位应以软分层中下部层面为准；采用软煤虚拟保护层开采时水力定向射流方向和层位应以煤层中下部层面为准；当在软煤层中钻进存在塌孔、喷孔及埋钻现象较为严重时，为提高水力开采效率和防止埋钻掉钻，应选择软分层或软煤层最底部分层作为虚拟保护层开采层位；超薄虚拟保护层的最小开采厚度应通过理论计算进行确定，以超薄虚拟保护层开采后上部和下部分层能充分卸压为准；
(3)、设计穿层钻孔參数和超薄虚拟保护层水力开采钻头；穿层钻孔參数包括钻孔数量、虚拟保护层层位上孔间距、孔长、开孔位置、孔径、倾角和方位角，超薄虚拟保护层水力开采钻头的设计參数包括水力开采钻头上喷嘴的布置位置、安装数量、安装角度、喷嘴射流角和射流厚度；水力开采钻头上的喷嘴射流角和射流厚度设计以水力开采钻头安装喷嘴的数量、虚拟保护层开采的厚度和硬度为依据，采用扇形喷嘴，其射流为扁平扇形，扇形射流的有效开采厚度即为超薄虚拟保护层厚度，超薄虚拟保护层厚度不小于计算的区域卸压、消突的最小厚度；虚拟保护层层位上孔间距设计应以开采分层的硬度、水力定向射流的额定功率和喷嘴的效率及据此设计的钻孔水力开采半径为依据，并通过试验进行优化设计；超薄虚拟保护层水力开采钻头为以穿层钻孔与煤层夹角范围为依据的钻头，所述钻头根据水力开采钻孔设计角度来安装不同角度的喷嘴，喷嘴的安装角度应根据钻孔与煤层的夹角设计，不同角度范围的水力开采钻孔对应一系列不同安装角度的水力开采钻头，以确保水力开采时钻头上安装的不同喷嘴的射流面与煤层面接近平行，例如，某一超薄虚拟保护层开采目标区域设计的开采钻孔与煤层夹角为30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，则应分别设计7个对应不同喷嘴安装角度的钻头；钻头左右两侧喷嘴与钻杆轴线方向成90°夹角，钻头上侧喷嘴安装角度等于或接近于钻孔与煤层倾向夹角，钻头下侧喷嘴安装角度应小于钻孔与煤层倾向夹角，下侧喷嘴射流方向接近水平或沿倾斜向上方向，以减小水カ开采时下向排渣难度；当煤体硬度较小时，为了防止水力开采过程中过早出现开采空间上部煤体垮塌，应在各个喷嘴的扇形射流范围之间留设煤柱，以延缓上部煤体垮塌时间，煤柱留设的范围和数量应根据单个钻孔开采时间和煤体強度来确定；各个喷嘴射流范围和各个煤柱留设范围在煤层面上的投影叠加范围为360° ；
(4)、进行水力定向射流參数设计；水力定向射流參数包括水力定向射流水量、压カ和时间，所述设计水力定向射流水量、压カ和时间应以达到设计有效射流半径为标准，如调整射流參数后仍不能达到设计开采半径，则需要重新调整设计开采半径和穿层钻孔參数；
(5)、在孔ロ安装防喷装置后按照设计參数施工穿层钻孔，至设计终孔位置后停止钻迸；设计终孔位置一般应为煤层顶板，但当打钻过程喷孔、塌孔、埋钻和掉钻现象严重时设计终孔位置应在软煤或软分层底板位置；
(6)、将超薄虚拟保护层水力开采钻头退至设计的虚拟保护层水力开采层位，并将水力开采钻头旋转至设计的方向，进行水力定向射流；
(7 )、水力定向射流至出煤量很少且增大射流压カ后出煤量变化不大时停止射流，退出钻杆及钻头，检验首次水力开采范围，如符合设计要求，则向下继续进行，如不符合要求转向步骤(3)；
(8 )、每个钻孔在水力开采结束后立即联入瓦斯抽放管路进行抽放； (9)、完成所有钻孔水力开采后，进行虚拟保护层开采措施效果检验，如达到预期效果则结束虚拟保护层水力开采，如未达到预期效果，则采取补充抽放措施，并优化虚拟保护层水力开采參数；虚拟保护层开采措施效果检验采用被保护煤层变形量或残余瓦斯压カ含量或《防治煤与瓦斯突出規定》中的其它保护层开采效果检验指标，应满足区域消突的检验标准，同时应在空白处补充检验孔，检验卸压均匀性；
(10)、抽放结束后进行区域消突验证。软煤虚拟保护层层位如图2所示，自上而下依次为煤层顶板I、煤层上被保护分层
2、软煤虚拟保护层3、煤层下被保护分层4和煤层底板5。软分层虚拟保护层层位如图3所示，自上而下依次为煤层顶板I、煤层上被保护分层2、煤层软分层6、煤层下被保护分层4和煤层底板5，在煤层软分层6当中还有软分层虚拟保护层7。下面对本发明对各个步骤进行详细分析介绍
一、井下超薄虚拟保护层水力开采区域煤层參数确定
在回采工作面区域消突、煤巷条带区域消突、石门揭煤区域消突等目标区域进行打钻的取芯，并通过所取煤芯测试和分析确定目标区域的煤层结构、煤体结构类型、软分层硬度等參数；取芯钻孔一般可根据目标区域大小来均匀布置2-5个，回采工作面区域一般可布置5个取芯钻孔，其中回采工作面区域四周和中间各布置ー个，大致呈等距分布；煤巷条带区域一般可布置3个取芯钻孔，其中沿煤巷条带方向的两端和中间各布置I个取芯钻孔，大致呈等距分布；石门揭煤消突区域一般可布置2个取芯钻孔，沿石门揭煤消突区域煤层倾向方向均匀布置。在以上的取芯测试分析中，如果出现不同钻孔煤芯测试分析的參数差异较大，应进行补充打钻取芯，并绘制较为准确的煤层及软分层底板等高线图。ニ、井下超薄虚拟保护层水力开采类型
根据目标区域煤层结构和煤体硬度分布情况，针对煤层存在稳定软分层的单一突出煤层，采用软分层或者部分软分层作为虚拟保护层进行软分层虚拟保护层开采；针对较软单一突出煤层，采用下部分层作为虚拟保护层进行软煤虚拟保护层开采。软煤虚拟保护层和软分层虚拟保护层开采层位见附图2、附图3。三、保护层层位选择及厚度确定
I)软煤虚拟保护层层位选择及厚度确定根据《AQ1050-2008_保护层开采技术规范》中规定的保护层与被保护之间的最大保护垂距，急傾斜软煤虚拟保护层最佳层位为距离煤层顶板4/7倍煤层厚度，缓倾斜和倾斜软煤虚拟保护层最佳层位为距离煤层顶板2/3倍煤层厚度。在此层位的软煤虚拟保护层能同时对上被保护分层和下被保护分层起到较佳的保护效果。表I保护层与被保护层之间的最大保护垂距
权利要求
1.煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，其特征在于包括以下步骤， (I )、打钻取芯，确定煤层参数，根据煤层参数来选择超薄虚拟保护层水力开采类型，所述开采类型为软煤虚拟保护层开采或软分层虚拟保护层开采； (2)、根据开采煤层厚度、煤层中软分层位置、厚度及相关理论、计算确定超薄虚拟保护层的层位和最小开采厚度； (3)、设计穿层钻孔参数和超薄虚拟保护层水力开采钻头，并加工水力开采钻头； (4)、进行水力定向射流参数设计； (5)、在孔口安装防喷装置后按照设计参数施工穿层钻孔，至设计终孔位置后停止钻进; (6)、将超薄虚拟保护层水力开采钻头退至设计的虚拟保护层水力开采层位，并将水力开采钻头旋转至设计的方向，进行水力定向射流； (7 )、水力定向射流至出煤量很少且增大射流压力后出煤量变化不大时停止射流，退出钻杆及钻头，检验首次水力定向开采范围，如符合设计要求，则向下继续进行，如不符合要求转向步骤(3 ); (8 )、每个钻孔在水力开采结束后立即联入瓦斯抽放管路进行抽放； (9)、完成所有钻孔水力开采后，进行虚拟保护层开采措施效果检验，如达到预期效果则结束虚拟保护层水力开采，如未达到预期效果，则采取补充抽放措施，并优化虚拟保护层水力开采参数； (10)、抽放结束后进行区域消突验证。
2.根据权利要求I所述的煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，其特征在于所述步骤(I)中煤层参数为回采工作面区域消突、煤巷条带区域消突、石门揭煤区域消突区域的煤层结构、煤体结构类型、煤层硬度或煤层软分层位置、硬度；针对煤层存在稳定软分层的单一突出煤层，采用软分层虚拟保护层开采；针对较软单一突出煤层，采用软煤虚拟保护层开米。
3.根据权利要求I所述的煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，其特征在于所述步骤(3)中穿层钻孔参数包括钻孔数量、虚拟保护层层位的孔间距、孔长、开孔位置、孔径、倾角和方位角，超薄虚拟保护层水力开采钻头的设计参数包括水力开采钻头上喷嘴的布置位置、安装数量、安装角度、喷嘴的扇形射流角度和射流厚度。
4.根据权利要求3所述的煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，其特征在于所述穿层钻孔的角度设计以减少水力开采钻头上喷嘴安装角度的变化为依据；所述穿层钻孔的虚拟保护层层位的孔间距设计以开采分层的硬度、水力定向射流的额定功率、喷嘴的效率及据此设计的钻孔水力开采半径为依据，并通过试验进行优化设计。
5.根据权利要求4所述的煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，其特征在于所述超薄虚拟保护层水力开采钻头为以穿层钻孔与煤层夹角范围为依据的钻头，所述钻头根据水力开采钻孔设计角度来安装不同角度的喷嘴。
6.根据权利要求3或4或5所述的煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，其特征在于所述水力开采钻头上的喷嘴设计以水力开采钻头喷嘴位置布置、安装数量、虚拟保护层开采的厚度为依据，采用扇形喷嘴，喷嘴的射流为扁平扇形，扇形射流的有效开采厚度即为超薄虚拟保护层厚度，超薄虚拟保护层厚度不小于计算的区域卸压、消突的最小厚度；喷嘴的安装角度根据钻孔与煤层的夹角来设计，不同角度范围的水力开采钻孔对应一系列不同安装角度的水力开采钻头。
7.根据权利要求I所述的煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，其特征在于进行水力定向射流方向和层位应以虚拟保护层开采的煤层或软分层的方向和层位为准，采用软分层虚拟保护层开采时水力定向射流方向和层位应以软分层中下部层面为准；采用软煤虚拟保护层开采时水力定向射流方向和层位应以煤层中下部层面为准；当在软煤层中钻进存在塌孔、喷孔及埋钻掉钻现象较为严重时，应选择软分层或软煤层最底部分层作为虚拟保护层开采层位。
8.根据权利要求I所述的煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，其特征在于所述步骤(4 )中水力定向射流参数包括水力定向射流水量、压力和时间,所述设计水力定向射流水量、压力和时间以达到设计水力开采半径为标准，如调整射流参数后仍不能达到设计水力开采半径，则需要重新调整设计水力开采半径和穿层钻孔参数。
9.根据权利要求I所述的煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，其特征在于所述步骤(5)所述的设计终孔位置一般应为煤层顶板，但当打钻过程中喷孔、塌孔、埋钻和掉钻现象严重时设计终孔位置应在软煤或软分层底板位置；步骤(5)所述的防喷装置为在煤层打钻时安装在孔口防止喷孔和瓦斯超限的瓦斯、煤、水分离装置，防喷装置的瓦斯排放管应联入矿井瓦斯抽放系统，并在穿层孔施工和水力开采过程中通过防喷装置进行瓦斯抽放。
10.根据权利要求I所述的煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，其特征在于所述超薄虚拟保护层的最小开采厚度应通过理论计算进行确定，以超薄虚拟保护层开采后上部和下部分层能充分卸压为准；超薄虚拟保护层开采措施效果检验采用被保护煤层变形量或残余瓦斯压力含量或《防治煤与瓦斯突出规定》中的其它保护层开采效果检验指标，应满足区域消突的检验标准，同时应在空白处施工检验孔，检验卸压均匀性。
全文摘要
煤矿井下超薄虚拟保护层水力开采方法，包括以下步骤打钻取芯确定煤层参数、选择超薄虚拟保护层水力开采类型；确定超薄虚拟保护层的层位和最小开采厚度；设计穿层钻孔参数和水力开采钻头；进行水力定向射流参数设计；在孔口安装防喷装置，施工穿层钻孔；进行水力定向射流；水力定向射流至出煤量很少且增大射流压力后出煤量变化不大时停止射流，退出钻杆及钻头，检验首次水力定向开采范围；联入管路进行卸压瓦斯抽放；进行超薄虚拟保护层开采措施效果检验；进行区域消突验证。本发明区域消突时间短，应用工程成本低，工艺相对简单，充分提高抽放效率、缩短抽放时间、加大抽放半径、减少钻进工程量、最大限度消除瓦斯灾害。
文档编号E21C45/00GK102797465SQ20121033188
公开日2012年11月28日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者李定启 申请人:河南理工大学