基于无煤柱开采y型通风采空区的钻孔布置方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法，属于瓦斯抽采领域，本发明根据沿空留巷Y型通风采空区瓦斯运移规律和瓦斯富集区域进行钻孔布置，使得瓦斯抽采效果好，抽采钻孔依次贯穿垮落带、断裂带至弯曲下沉带的下部，解决不同煤系地层覆岩结构下抽采瓦斯钻孔准确定位的问题，使抽采瓦斯的效果得到保证。由于大量的卸压瓦斯和采空区瓦斯被抽出，从根本上解决上隅角瓦斯超限和回风流瓦斯超限问题，保证矿井的安全生产。同时本发明提出的钻孔布置方法在保证抽采效果的前提下，对瓦斯富集区域的针对性强，减少了抽采钻孔数量，增大了抽采钻孔布置间距，具有工程量小，经济节约的优点。
【专利说明】基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法
【技术领域】
[0001]本发明属于瓦斯抽取领域，特别是涉及一种基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法。
【背景技术】
[0002]矿井采掘空间的瓦斯来源主要是工作面和采空区涌出瓦斯以及邻近层涌入瓦斯，其中采空区涌出瓦斯占采掘空间瓦斯涌出量的40%左右，有些矿井采空区涌出瓦斯占到采掘空间总瓦斯涌出量的60%?70%。因此，研究采空区瓦斯运移及富集规律，对矿井瓦斯灾害防治、采空区瓦斯抽采和煤与瓦斯共采技术的实现具有重要的意义。
[0003]在矿体没有开采之前，岩体处于平衡状态。当矿体开采后，形成了地下空间，破坏了岩体的原始应力场，引起岩体应力重新分布，并一直延续到岩体内形成新的平衡为止。在应力重新分布过程中，围岩产生变形、移动甚至破坏，从而对工作面、巷道及围岩产生压力。根据矿山压力理论，随着工作面向前推进，在工作面周围将形成一个采动应力场，采动应力场及其影响范围在垂直方向上形成“竖三带”，由下向上分别为垮落带、断裂带和弯曲带。在水平方向上形成“横三区”，沿工作面推进方向分别为重新压实区、离层区和煤壁支撑影响区。随着工作面的向前推进，采动应力场随时空演化并形成采动裂隙场，为瓦斯在采空区上覆岩层中的运移和富集提供了通道和空间。由于对瓦斯在工作面附件及采空区的运移与富集规律不甚清楚，传统的穿层钻孔抽采方法往往不能正确地确定钻孔位置。
[0004]传统的U型通风方式，由于采空区漏风导致采空区高浓度瓦斯汇聚于工作面上隅角，采用高位钻孔抽采时，层位难以控制，瓦斯抽采效果难以得到充分的保证，乃至于利用高抽巷也不能从根本上解决上隅角瓦斯超限问题。在Y型通风沿空留巷内由布置在瓦斯富集区中的倾向抽采瓦斯钻孔进行抽采，瓦斯富集区不只是单纯的位于Y型通风工作面沿空留巷的采空区顶板断裂带，现场环境的不同会导致实际瓦斯富集区的变化。
[0005]在现有的沿空留巷Y型通风采空区顶板卸压瓦斯抽采的方法，未能解决如何寻找采空区上覆岩层中的瓦斯富集区域的问题，严重影响了采煤工作面的安全和高效生产。
【发明内容】
[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对瓦斯运移与富集机理的不明，提供一种准确、经济、有利于高效抽采瓦斯的基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法，包括以下步骤:从沿空留巷的顶板位置开孔，向工作面方向施工；在切眼工作面推进40m以后，在沿空留巷的顶板成组布置抽采钻孔，每组所述抽采钻孔至少两个，每组抽采钻孔间距为20米?30米；
[0008]每隔一组钻孔待工作面继续推进60米?80米之后再在沿空留巷的顶板增加1-2个抽采钻孔；抽采钻孔终孔位置与沿空留巷水平距离为40?50米，所述抽采钻孔终孔位置距煤层顶板法向距离7-15倍采高且所述抽采钻孔终孔位置距煤层顶板法向距离不小于25米。
[0009]较佳的，所述抽采钻孔直径不小于90mm。
[0010]较佳的，所述抽采钻孔的封孔越过垮落带塑性区，所述抽采钻孔封孔长度为采高的4-6倍且不小于8m。
[0011]进一步的，布置钻孔前还包括确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的步骤，其按以下步骤进行:
[0012]Al、根据现场工况进行含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流试验，得到煤样在应力-应变全过程中的渗透率，同时根据现场工况确定瓦斯源项；
[0013]A2、通过得到的煤样渗透率进行峰值点前关系K = ak0exp(-bo)和K = ckQed°峰值
点后关系中a、b、c、d的拟合，得到煤层渗透率与应力状态之间的关系；通过计算
【权利要求】
1.一种基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法，其特征在于包括以下步骤:从沿空留巷的顶板位置开孔，向工作面方向施工；在切眼工作面推进40m以后，在沿空留巷的顶板成组布置抽采钻孔，每组所述抽采钻孔至少两个，每组抽采钻孔间距为20米~30米; 每隔一组钻孔待工作面继续推进60米~80米之后再在沿空留巷的顶板增加1-2个抽米钻孔； 抽采钻孔终孔位置与沿空留巷水平距离为40~50米，所述抽采钻孔终孔位置距煤层顶板法向距离7-15倍采高且所述抽采钻孔终孔位置距煤层顶板法向距离不小于25米。
2.如权利要求1所述的基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法，其特征在于:所述抽采钻孔直径不小于90mm。
3.如权利要求1所述的基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法，其特征在于:所述抽采钻孔的封孔越过垮落带塑性区，所述抽采钻孔封孔长度为采高的4-6倍且不小于8m ο
4.如权利要求1至3任一所述的基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法，其特征在于:布置钻孔前还包括确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的步骤，其按以下步骤进行: Al、根据现场工况进行含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流试验，得到煤样在应力-应变全过程中的渗透率，同时根据现场工况确定瓦斯源项； A2、通过得到的煤样渗透率进行峰值点前关系K = ak0exp(-bo)和峰值点后关系K =ck0ed°中a、b、c、d的拟 合，得到煤层渗透率与应力状态之间的关系；通过计算f = 转换得到煤层孔隙率与应力状态之间的关系；所述K为煤样渗透率，所述σ为有效体积应力，所述a、b、C、d均为依据材料特性得到的参数；Φ为孔隙率，(K为初始孔隙率； A3、利用Navier-Stokes方程和Brinkman方程构建出采煤工作面空气流动模型,求解模型得出空气流动平衡状态下压力场分布和速度场分布；利用对流-扩散方程和Fick定律扩散方程来构建瓦斯扩散模型； A4、通过COMSOL MULTIPHYSICS对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解，得到瓦斯富集区域。
5.如权利要求4所述的基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法，其特征在于:所述根据现场工况进行含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流试验按以下步骤进行: S1、煤样试件安装:用704硅橡胶将煤样试件侧面抹一层Imm左右的胶层，待抹上的胶层完全干透后，将煤样放置于含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的三轴压力室中支撑轴上，用一段比煤样长出40mm左右的圆筒热缩管套在煤样上，同时将加压活塞杆放置于煤样上，用热风将圆筒热缩管均匀吹紧，以保证圆筒热缩管与煤样试件的外壁贴合，将煤样试件上下两端的圆筒热缩管与支撑轴的重合部分、圆筒热缩管与加压活塞杆的重合部分分别用金属箍箍住，在煤样试件上安装链式径向位移引伸计； S2、装机:将三轴压力室上座与下座对好位，将瓦斯进气管与加压活塞杆上端进气孔连通，在瓦斯出气管上设置流量计；向三轴压力室排空充油，检查各系统是否正常工作； S3、真空脱气:打开试验容器的出气阀门，用真空泵对试验容器内的煤样进行脱气；S4、吸附平衡:脱气后，关闭试验容器的出气阀门，将所述三轴压力室降入恒温水箱，设定恒温水箱的温度值，并对所述三轴压力室施加恒定的轴压和围压，调节高压甲烷钢瓶出气阀门，保持瓦斯压力固定，向所述煤样试件内充气，使煤样瓦斯充分吸附平衡； S5、进行含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验，得到渗透率与应力状态之间的关系。
6.如权利要求4所述的基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法，其特征是:所述根据现场工况确定瓦斯源项按以下步骤进行:
计算
7.如权利要求4所述的基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法，其特征是:所述根据现场工况确定瓦斯源项按以下步骤进行: 计算
8.如权利要求1至3任一所述的基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法，其特征是:还包括获取沿空留巷Y型通风采空区瓦斯运移规律的步骤；所述获取沿空留巷Y型通风采空区瓦斯运移规律按以下步骤进行: B1、在可旋转箱式相似模拟试验台上进行相似模拟试验，得到基于三维激光扫描技术的采动裂隙场分布规律； B2、利用UDEC对现场工况进行模拟得到采动裂隙场分布规律；B3、在现场工作面前方煤层顶板施工一个观测钻孔，用钻孔成像仪观察工作面推进过程中钻孔内的裂隙发展发育情况并进行统计，以此确定煤层顶板采动裂隙区存在的位置；B4、结合前三步的采动裂隙场的演化形态，通过图像处理方法得到空间形态图，作为裂隙场裂隙场模型将其导入COMSOL Multiphysics中，再模拟瓦斯气体的运移，得到沿空留巷Y型通风采空区瓦斯运移规律。
9.如权利要求8所述的基于无煤柱开采Y型通风采空区的钻孔布置方法，其特征是:所述在可旋转箱式相似模拟试验台上进行相似模拟试验按以下步骤进行: Cl、选取细河砂为骨料，石膏和碳酸钙为黏结料，水泥、软木屑和机油作为调理；C2、进行相似材料配比试验，找出符合原材料力学参数的配比； C3、按照选定的配比好，在相似模拟试验架上将材料堆砌成型；堆砌是按层进行，每层间撒上云母粉作为离层； C4、在预开挖每层堆砌时，煤层上下用云母设置离层，同时在煤层间铺上塑料薄膜； C5、对风干完毕的相似模型进行开挖，开挖顺序从左向右； C6、每次开挖前，通过三维激光扫描仪对所要观测的模型进行全方位的扫描；开挖完成后间隔ISOmin进行扫描，待其完全稳定后再进行下次开挖； C7、将扫描的数据导入Trimble Real-works形成点云数据,得到基于三维激光扫描技术的采动裂隙场分布 规律。
【文档编号】E21F7/00GK103821554SQ201410083088
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】尹光志, 李铭辉, 许江, 李文璞, 张东明, 黄滚, 王维忠, 蒋长宝, 宋真龙, 尚德磊, 邓博知, 韩佩博, 李生舟 申请人:重庆大学