专利名称：“四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿井下瓦斯抽采技术工艺。
背景技术：
煤层瓦斯是一种洁净能源，但对煤矿生产而言更是一种灾害源。如何实现掘进前、 回采前、回采中、回采后(采空区)的瓦斯抽采，实现资源开发利用和煤矿减灾的双重目的， 一直是人们关注的焦点。我国在煤矿开采前，首先要实现煤层区域预抽，预抽达标之后，在煤层巷道掘进时普遍采用掘前预抽、边掘边抽等技术工艺，掩护煤层巷道掘进，但我国大部分矿井为煤与瓦斯突出矿井，存在钻孔施工困难，易出现顶钻、卡钻、喷孔等现象，严重制约了煤层巷道的掘进，并且抽采钻孔只能为掘进服务，不能为采前、采中、采后(采空区)服务。掘进前、回采前、回采中、回采后的各个阶段均需单独施工钻孔进行抽采，钻孔使用率较低，并且由于大多是在煤孔中进行抽采，打钻、抽采封孔等都受到了制约。因此，有必要改进钻孔布置工艺，实现掘进前、回采前、回采中、回采后一体化抽采。同时，当前我国不少地方安监部门要求突出矿井必须先掘岩层巷道，从岩层巷道施工穿层钻孔对煤层进行抽采，当抽采达标后，才可以进行煤层巷道的掘进。这样，就造成了岩层巷道及穿层抽采钻孔的浪费，甚至有部分软煤层，穿层钻孔难以施工，治理瓦斯也就无从谈起。对高瓦斯突出矿井，往往在预掘巷道上部均施工岩层巷道，通过在岩层巷道向煤层施工大量穿层钻孔进行抽采，抽采达标之后进行煤层巷道的掘进，严重制约了煤层巷道掘进及工作面回采速度。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，成本低，可实现在煤层巷道掘进期间、工作面回采前、回采中、回采后各时期的瓦斯高效抽采。同时，掩护工作面的双煤层巷道掘进的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，包括如下步骤(1)选取煤层工作面；(2)收集、整理该工作面地质勘探钻孔并观察，描述煤层的顶板和/或底板岩性，确定煤层顶板岩层巷道和/或煤层底板岩层巷道的层位；(3)结合工作面布置情况，确定所述岩层巷道水平投影与煤层巷道的关系，进行煤层顶板岩层巷道和/或煤层底板岩层巷道的掘进；(4)从所述煤层顶板岩层巷道和/或煤层底板岩层巷道的岩层巷道壁分别向岩层巷道一侧钻进措施孔、向煤层工作面内钻进抽采孔， 并且对措施孔通过实施松动爆破和/或水力压裂对煤层进行增透，措施孔为位于煤层的顶板和/或底板岩层内且相应位于煤层工作面上方或者下方的岩层钻孔；(5)将措施孔及抽采孔封孔并入抽采管路进行瓦斯抽采，直至煤层瓦斯达标，之后进行煤层巷道掘进；(6)在回采前、回采中通过措施孔和/或抽采孔继续对煤层瓦斯进行瓦斯抽采，回采后，通过措施孔抽采采空区的瓦斯。
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在步骤(4)中，先钻进措施孔，然后对措施孔实施松动爆破和/或水力压裂，再钻进抽采孔。在步骤(5)中，措施孔及抽采孔封孔并入抽采管路进行瓦斯抽采时，测试抽采浓度、抽采流量，根据抽采浓度及抽采流量计算预计抽采达标时间；达到预计抽采达标时间后，进行煤层瓦斯含量测试，确定煤层瓦斯抽采达标情况，如不达标则继续抽采直至达标， 之后再进行煤层煤层巷道掘进。措施孔及抽采孔封孔后，如果抽采效果不好，也可继续对措施孔采取煤层增透措施或对抽采孔采取水力压裂等煤层增透措施直至瓦斯抽采达标。措施孔的钻进方向为沿煤层的走向或者沿煤层的倾向，措施孔和抽采孔沿岩层巷道壁设置间隔多个，措施孔和抽采孔的延伸方向与煤层巷道延伸方向均具有一定夹角。在岩层巷道壁上的同一钻进点即钻进措施孔又钻进抽采孔，同一钻进点钻进的抽采孔为1个或者多个。所述煤层的顶板岩层巷道和/或煤层底板岩层巷道与待掘进或者掘进的煤层巷道相平行。所述措施孔为仰角，长度跨越待回采工作面或正回采工作面的运输顺槽和轨道顺槽，且两端超出各自临近的待掘运输顺槽或轨道顺槽各15 m，措施孔施施工孔径为75 120 mm，措施孔与煤层巷道夹角为45飞6°，所述岩层巷道壁上的钻进点与岩层巷道底的距离由钻机性能决定，一般为lm。抽采孔长度均勻覆盖整个煤层工作面，并且相邻抽采钻孔在煤层工作面的终点孔底间距不大于10 m,当施工完广2个抽采孔之后可以进行抽采孔流量测试，根据单孔抽采瓦斯纯流量大小及允许抽采时间，确定所需抽采钻孔数目，实际施工数目需大于所需数目。所述措施孔和抽采孔的封孔长度均为30m。本发明的有益效果为采用“四期五用”钻孔抽采瓦斯工艺技术，每个工作面能够省略一条岩层巷道，并且少施工穿层钻孔，能够掩护双煤层巷道掘进，提高掘进效率。减少了钻孔采掘前，回采前、中、后期各个阶段的抽采管理负担。减少岩巷掘进及施工钻孔工程量，提高钻孔利用率、加大抽采半径、缩短抽采时间，为掘进前、回采前、回采中、回采后各时期瓦斯抽采服务，减少了各阶段抽采钻孔管理负担。同时，能够掩护双煤层巷道掘进，最大限度消除瓦斯灾害。“四期五用，，钻孔抽采瓦斯工艺技术，施工一次抽采钻孔即可为四个阶段服务，不仅提高了钻孔的钻进效率，达到了掩护双煤层巷道掘进的目的，同时，辅以水力压裂、深孔爆破等技术可提高煤层抽采效率，为早日安全生产提供技术支撑。
图1是本发明的顶板岩层巷道的水平投影视图； 图2是图1中的A-A视图。
具体实施例方式由图1和图2所示的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，包括如下步骤 (1)选取具有突出危险性，难以直接进行煤层巷道掘进的煤层工作面2为施工对象；
4通过进行煤层瓦斯压力、瓦斯含量等的测试，结合国家、地方煤监对突出煤层巷道掘进的相关规定，选取突出危险性严重、煤层施工钻孔困难的工作面2作为研究对象。当然，不具有突出危险性的煤层也可以采用”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法对煤层瓦斯进行治理，只是严重突出煤层(如松软难钻进煤层)能够更加体现出此种工艺的优越性。(2)在该煤层工作面2上地质勘探钻孔，并收集、整理、观察该煤层工作面2内的地质勘探钻孔，描述煤层的顶、底板岩性，确定煤层的顶板岩层巷道6的合理层位；地质勘探钻孔之后，煤层顶板岩层巷道6掘进之前，井筒、大巷等施工完成之后，应掘进采区轨道运输上山巷道7、采区胶带运输上山巷道8和采区回风上山巷道9，采区轨道运输上山巷道7、 采区胶带运输上山巷道8和采区回风上山巷道9为现有技术，故不详细叙述。由于”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法的关键是要施工煤层的顶、底板岩层巷道壁上钻进措施孔3和抽采孔4，所以前提是要进行顶、底板岩层巷道的掘进，因此，施工岩层巷道与煤层的距离关系到了措施孔3及抽采孔4的施工参数，对瓦斯抽采也有较大影响。结合《防治煤与瓦斯突出规定》石门揭煤的相关规定，认为顶、底板岩层巷道与煤层的距离不得小于5 m，观察工作面2内已有地质勘探钻孔情况，如在煤层的顶、底板有较为破碎的岩石或地质构造带，则将岩层巷道与对应下方煤层工作面2部分的距离加大距离 M为7 m。在岩层巷道施工过程中要做好探钻工作，随时掌握岩层巷道与煤层的层位关系。(3)结合煤层工作面2布置情况，确定煤层的顶板岩层巷道6水平投影与煤层巷道的关系，进行煤层顶板岩层巷道6的掘进；
岩层巷道与煤层巷道的水平投影关系直接影响钻孔施工长度，结合措施孔3所采用的增透工艺，如水力压裂、深孔松动爆破等，认为措施孔3最好为仰角，同时，考虑工作面2接替影响，认为岩层巷道与煤层巷道的水平投影距离不宜太大。考虑到《防治煤与瓦斯突出规定》第四十九条“要求钻孔控制回采巷道外侧的范围是倾斜、急倾斜煤层巷道上帮轮廓线外至少20 m，下帮至少10 m ；其他为巷道轮廓线外至少各15 m”的要求，在本例中，煤层顶、 底板岩层巷道与煤层巷道的水平投影距离为15 m合适，所述顶、底板岩层巷道位于相邻煤层巷道的外侧。在本例中顶板岩层巷道6与带掘进煤巷平行，即与运输顺槽5和轨道顺槽 1三者相互平行，顶板岩层巷道6位于临近的运输顺槽5的外侧。(4)根据煤层瓦斯含量大小及预计抽采时间，确定措施孔3的数目及施工参数，钻孔参数包括孔长、开孔高度、孔径、倾角、方位角，从所述煤层顶板岩层巷道6的岩层巷道壁向岩层巷道一侧朝向煤层工作面2主体的方向钻进措施孔3。措施孔3为位于煤层工作面2上方或者下方的岩层钻孔，并且措施孔3为位于煤层的顶、底板岩层内全岩钻孔，当措施孔3位于煤层顶板岩层内时，即位于煤层工作面2上方，当措施孔3位于煤层底板岩层内时，即位于煤层工作面2下方；措施孔3的钻进方向为沿煤层的走向或者沿煤层的倾向，所述措施孔3为仰角，其长度跨越待回采工作面或正回采工作面的煤层巷道的运输顺槽5和轨道顺槽1，且两端超出各自临近的待掘运输顺槽5或轨道顺槽1的长度L为15 m，措施孔3施施工孔径为75 120 mm，措施孔3的延伸方向与煤层巷道延伸方向具有一定夹角，措施孔3与煤层巷道水平投影的夹角为45飞6°，所述岩层巷道壁上措施孔3的钻进点距离岩层巷道底的距离由钻机性能决定，一般为lm，措施孔3沿岩层巷道壁设置间隔多个。顶板岩层巷道6、运输顺槽5和轨道顺槽1三者相互平行，运输顺槽5和轨道顺槽1均属于煤层巷道的范畴，此处为现有技术，故不详细叙述。岩层巷道和轨道顺槽1、运输顺槽5在层位不一样，即高度不一样，得以实现措施孔3长度跨越煤层掘进巷的运输顺槽5和轨道顺槽1。考虑到要对措施孔3实施水力压裂、松动爆破等增透措施，并能够使钻孔服务与采后采空区的瓦斯抽采，因此，为保证采取措施时的封孔长度及采取措施的孔径要求，措施孔3施施工孔径为75 120 mm之间，措施孔3与煤层巷道夹角为45飞6°夹角可根据措施孔 3间距及封孔长度进行具体确定，但不小于30m。(5)对措施孔3通过松动爆破、水力压裂等工艺技术进行煤层增透，即对措施孔3 既可以单独松动爆破，也可以单独水力压裂，或者也可松动爆破、水力压裂都实施进行，提高单孔瓦斯的抽采效果；
因为措施孔3在岩孔中施工，仅靠打钻过程中产生的裂隙难以起到沟通煤层的目的， 即使起到了，裂隙缝数也极其有限，因此，需要对措施孔3采取水力压裂、松动爆破等工艺技术，以达到改善煤、岩层透气性系数的目的。水力压裂可根据措施孔3间距及措施孔3与煤层的法向距离进行具体的计算确定，原则上注水量为措施孔3所能覆盖煤体体积的3%。进行注入，注入压力由煤层埋深确定，按每100 m埋深需2. 6 MI^a压力计算，同时要考虑在压裂过程中管路等摩阻损失。采用深孔松动爆破技术进行煤层顶、底板沟通，要严格控制炸药使用量，以免使煤层的顶、底板岩石过于破碎，造成了后期开采困难及支护困难。采用松动包括要保证绝大部分的顶、底板岩石能够“裂而不碎”；
(6)根据煤层赋存条件及措施孔3实施情况，设计抽采钻孔并施工，即从所述顶板岩层巷道壁向煤层工作面2内钻进抽采孔4 ；抽采孔4的延伸方向与其所在煤层巷道延伸方向的水平投影也具有一定夹角，且夹角也为45-56°之间，抽采孔4沿顶板岩层巷道壁设置间隔多个。在岩层巷道壁上的同一钻进点即钻进措施孔3又钻进抽采孔4，同一钻进点钻进的抽采孔4为1个或者多个。抽采孔4长度均勻覆盖整个工作面2，并且相邻抽采钻孔在煤层工作面2的终点孔底间距不大于距离WO m,以便有效发挥措施孔3采取措施后的作用。 当施工完广2个抽采孔4之后可以进行抽采孔4流量测试，根据单孔抽采瓦斯纯流量大小及允许抽采时间，确定所需抽采钻孔数目，实际施工数目需大于所需数目。抽采孔4的主要目的是为尽快抽出措施孔3影响范围之内的瓦斯，可根据允许抽采时间长短、措施孔3采取措施预计影响范围进行设计。(7)将措施孔3及抽采孔4封孔并入抽采管路进行瓦斯抽采时，测试抽采浓度、抽采流量，根据抽采浓度及抽采流量计算预计抽采达标时间；所述措施孔3和抽采孔4的封孔长度均为30m。(8)达到预计抽采达标时间后，进行煤层瓦斯含量测试，确定煤层瓦斯抽采达标情况，如不达标则继续抽采直至达标，当然，如果措施孔3及抽采孔4封孔后，抽采效果不好， 也可继续对措施孔3采取煤层增透措施或对抽采孔4采取水力压裂等煤层增透措施后，再次对措施孔3和抽采孔4进行瓦斯抽采直至瓦斯抽采达标，之后进行煤层煤层巷道掘进；顶板岩层巷道6与所掘进的煤巷平行，即与运输顺槽5和轨道顺槽1三者相互平行。措施孔3和抽采孔4应避免同时施工煤层增透，当对措施孔3进行水力压裂时水
6很快就从抽采孔4流走了，增透范围有限。在回采前、回采中通过措施孔3或者抽采孔4继续对煤层瓦斯进行抽采，当然，也可同时通过措施孔3或者抽采孔4对煤层瓦斯进行抽采，回采后，由于采空区的跨落，采空区跨落部分的抽采孔4失去了继续抽采的能力，但由于措施孔3为岩石钻孔并且与回采工作面2有一定的角度，因此，可以继续通过措施孔3抽采采空区的瓦斯。在本实施例中，封孔长度30m，措施孔3以及抽采孔4与煤层巷道在水平投影上的夹角均为45-56°，封孔段末端离巷道的距离保证在20m，此处如果与巷道夹角太小容易在水力压裂、松动爆破时击穿巷道一是危险，二是增透的范围有限，如垂直于煤层巷道工作面 2回采前钻孔起到的超前抽采的效果不明显。所以上述参数为最佳实施参数。在本实施例中仅以煤层顶板岩层巷道6实施措施孔3以及抽采孔4为例，当然，实际施工中，也可掘进煤层底板岩层巷道以实施措施孔3以及抽采孔4，煤层底板岩层巷道中实施措施孔和抽采孔以及瓦斯抽采、煤巷掘进的方法步骤与煤层顶板岩层巷道中实施的步骤、原理、方法均相同，故不重复叙述。当然，也可根据需要同时在煤层顶、底板岩层巷道实施措施孔3以及抽采孔4，再进行瓦斯抽采、煤巷掘进也可。本发明所述的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，为掘进前、回采前、回采中、回采后各时期瓦斯抽采服务，减少了各阶段抽采钻孔管理负担。这个是四期也是四用， 第五用是指可以掩护双煤巷掘进，即运输顺槽5和轨道顺槽1的掘进。
权利要求
1.一种”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，其特征在于包括如下步骤(1)选取煤层工作面；(2)收集、整理该工作面地质勘探钻孔并观察，描述煤层的顶板和/或底板岩性，确定煤层顶板岩层巷道和/或煤层底板岩层巷道的层位；(3)结合工作面布置情况， 确定所述岩层巷道水平投影与煤层巷道的关系，进行煤层顶板岩层巷道和/或煤层底板岩层巷道的掘进；(4)从所述煤层顶板岩层巷道和/或煤层底板岩层巷道的岩层巷道壁分别向岩层巷道一侧钻进措施孔、向煤层工作面内钻进抽采孔，并且对措施孔通过实施松动爆破和/或水力压裂对煤层进行增透，措施孔为位于煤层的顶板和/或底板岩层内且相应位于煤层工作面上方或者下方的岩层钻孔；(5)将措施孔及抽采孔封孔并入抽采管路进行瓦斯抽采，直至煤层瓦斯达标，之后进行煤层巷道掘进；(6)在回采前、回采中通过措施孔和/ 或抽采孔继续对煤层瓦斯进行瓦斯抽采，回采后，通过措施孔抽采采空区的瓦斯。
2.如权利要求1所述的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，其特征在于在步骤(4)中，先钻进措施孔，然后对措施孔实施松动爆破和/或水力压裂，再钻进抽采孔。
3.如权利要求2所述的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，其特征在于在步骤(5)中，措施孔及抽采孔封孔并入抽采管路进行瓦斯抽采时，测试抽采浓度、抽采流量，根据抽采浓度及抽采流量计算预计抽采达标时间；达到预计抽采达标时间后，进行煤层瓦斯含量测试，确定煤层瓦斯抽采达标情况，如不达标则继续抽采直至达标，之后再进行煤层煤层巷道掘进。
4.如权利要求3所述的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，其特征在于措施孔及抽采孔封孔后，如果抽采效果不好，也可继续对措施孔采取煤层增透措施或对抽采孔采取水力压裂等煤层增透措施直至瓦斯抽采达标。
5.如权利要求1-4任一项所述的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，其特征在于措施孔的钻进方向为沿煤层的走向或者沿煤层的倾向，措施孔和抽采孔沿岩层巷道壁设置间隔多个，措施孔和抽采孔的延伸方向与煤层巷道延伸方向均具有一定夹角。
6.如权利要求5所述的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，其特征在于在岩层巷道壁上的同一钻进点即钻进措施孔又钻进抽采孔，同一钻进点钻进的抽采孔为1个或者多个。
7.如权利要求6所述的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，其特征在于所述煤层的顶板岩层巷道和/或煤层底板岩层巷道与待掘进或者掘进的煤层巷道相平行。
8.如权利要求7所述的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，其特征在于所述措施孔为仰角，长度跨越待回采工作面或正回采工作面的运输顺槽和轨道顺槽，且两端超出各自临近的待掘运输顺槽或轨道顺槽各15 m，措施孔施施工孔径为75 120 mm，措施孔与煤层巷道夹角为45飞6°，所述岩层巷道壁上的钻进点与岩层巷道底的距离由钻机性能决定， 一般为lm。
9.如权利要求8所述的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，其特征在于抽采孔长度均勻覆盖整个煤层工作面，并且相邻抽采钻孔在煤层工作面的终点孔底间距不大于10 m,当施工完广2个抽采孔之后可以进行抽采孔流量测试，根据单孔抽采瓦斯纯流量大小及允许抽采时间，确定所需抽采钻孔数目，实际施工数目需大于所需数目。
10.如权利要求9所述的”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，其特征在于所述措施孔和抽采孔的封孔长度均为30m。
全文摘要
本发明公开了一种”四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法，通过从煤层顶/底板岩层巷道的岩层巷道壁分别向岩层巷道一侧钻进措施孔、向煤层工作面内钻进抽采孔，并且对措施孔通过实施松动爆破和/或水力压裂对煤层进行增透，措施孔为位于煤层的顶、底板岩层内且相应位于煤层工作面上方或者下方的岩层钻孔；将措施孔及抽采孔封孔进行瓦斯抽采，之后进行煤层煤层巷道掘进；在回采前、回采中通过措施孔和/或抽采孔继续对煤层瓦斯进行瓦斯抽采，回采后，通过措施孔抽采采空区的瓦斯。本发明是可实现在煤层巷道掘进期间、工作面回采前、回采中、回采后各时期的瓦斯高效抽采。同时，掩护工作面的双煤层巷道掘进的“四期五用”钻孔高效抽采瓦斯工艺方法。
文档编号E21F7/00GK102337919SQ201110256770
公开日2012年2月1日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者刘晓 申请人:河南理工大学