低透气煤层液相CO2相变致裂增透网格式瓦斯抽采方法与流程

本发明涉及一种瓦斯的抽采方法。

背景技术：

矿井瓦斯是影响我国煤矿安全生产的主要因素，在我国煤矿事故导致死亡人员中，瓦斯事故所占比重较大，重特大事故尤其突出。

由于我国煤层地质条件差，煤层渗透率低，造成矿井瓦斯抽采率低，瓦斯抽采效率低，因此需要对煤层进行人工强化增透。相关学者提出了采用水力压裂、深孔预裂增透等措施取得了一定的效果，但在应用过程中还存在种种不足，因此，迫切需要提出一种新的煤层增透瓦斯抽采方法。

现有煤层增透方法虽在一定程度上对增强煤层透气性，增加煤层瓦斯抽采量起到了一定作用。但伴随我国煤炭资源深部化开采趋势，煤层赋存条件较浅部资源面临“三高一低”(高地应力、高瓦斯含量、高瓦斯压力、低透气性)特点。因此现有的瓦斯抽采方法在现场实践过程中也存在较大的安全问题。

因此本领域技术人员致力于开发一种可增加煤矿井下瓦斯抽采量，从而实现高瓦斯低透气性突出煤层快速消除突出危险性的瓦斯抽采方法。

技术实现要素：

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提供一种可增加煤矿井下瓦斯抽采量，从而实现高瓦斯低透气性突出煤层快速消除突出危险性的瓦斯抽采方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种低透气煤层液相CO2相变致裂增透网格式瓦斯抽采方法，包括以下步骤：

1)施工底板道

根据煤层底板地质情况，在煤层下方10m～30m范围内选择岩质较弱，岩石强度低，容易进行底板道施工的岩层采用钻眼爆破掘进或其他掘进方法施工一条底板道，巷道断面为4m×3m，采用矩形W钢带锚网支护方式；

2)底板道内穿层钻孔施工

采用钻机在底板道每隔8米施工一组底板道穿层钻孔，包括：底板道穿层瓦斯抽采钻孔、液态二氧化碳相变致裂孔，根据《煤矿安全规程》的要求对煤巷条带煤层瓦斯及回采区域煤层瓦斯进行采前预抽；

其中煤巷条带煤层瓦斯是指工作面机巷及临近工作面风巷(一般在工作面机巷旁边采用沿空留巷方法构筑)30m范围内煤层瓦斯；回采区域煤层瓦斯是指待回采工作面内风巷与机巷30m范围外煤层内的瓦斯；

煤巷条带煤层瓦斯采前预抽钻孔孔间距为6米，回采区域煤层瓦斯采前预抽钻孔孔间距为8米，液态CO₂相变致裂孔与底板道穿层瓦斯抽采钻孔相间排列；所施工钻孔的终孔位于煤层顶板，钻孔过程中做好钻孔的地质编录，对钻孔总长度、见煤长度、钻孔在煤层内长度、穿过煤层长度等进行详细记录；

3)液态CO₂相变致裂

利用煤矿井下液态CO2相变致裂装备，向液态二氧化碳相变致裂器的爆破管内充装纯度为99％的液态CO₂，充装前后对爆破管质量进行测量；根据钻孔施工后提供的地质编录结果，选择合理的爆破管、释放管、推进杆数量，采用钻孔施工所用钻机将释放管、爆破管、推进杆互相连接，同时使用钻机作为动力 采用推进杆将释放管、爆破管推送到需要致裂的煤层内，在释放管、爆破管、推进杆连接过程中，采用万用表侧量推进杆尾端引爆线电阻值，根据电阻大小判断其是否发生短路；

待释放管推送到指定位置后，停止推进，采用钻机作为下部支撑体，将液态二氧化碳相变致裂器固定在钻孔中；采用引爆线与尾端接线柱连接，采用万用表检查连线是否短路，检查无误后，现场施工人员撤离，将引爆线牵引至工作面风门外，采用起爆器进行起爆，起爆后巷道内产生大量飞扬粉尘，表明液态二氧化碳相变致裂器施工成功；

4)穿层钻孔预抽煤巷条带及回采区域煤层瓦斯

在液态CO₂相变致裂施工同时，对底板道穿层瓦斯抽采钻孔进行封孔，封孔流程如下：

41)清理抽采钻孔内煤渣，连接封孔管，在第一封孔管的端头安装堵头，在第一封孔管与第二封孔管的连接处捆绑封孔药剂，在第二封孔管靠近钻孔空口位置捆绑两组封孔药剂，

42)在第二封孔管上捆绑两根无缝钢管分别作为进浆管和出浆管，其中出浆管末端管口置于封孔药剂处，封孔药剂末端管口置于封孔药剂与之间；

43)搅拌各封孔药剂，将封孔管装入钻孔内，进浆管和出浆管在伸出孔口0.5m长，在封孔管管口0.5m段填塞黄土材料并捣实，将封孔管固定在钻孔内，并防止注浆液外泄；

44)由进浆管向钻孔内注入水泥浆液，直至出浆管有水泥浆液流出为止；

45)重复步骤41)至步骤44)，完成所有底板道穿层瓦斯抽采钻孔与致裂孔的封孔；

46)将底板钻孔与底板道内布置好的抽采主管连接；

47)在每个钻孔的出口段安装2寸截门，根据钻孔内瓦斯浓度开启或闭合截门，保证抽采主管内瓦斯浓度符合应用要求；每7个钻孔分为一个小组，通过2寸孔板与抽采主管相连，2寸孔板具有防水功能，可将积水排除抽采系统；

48)重复46)和47)，将所有封孔后的钻孔与抽采主管连接进行瓦斯抽采，对煤巷条带煤层瓦斯及回采区域煤层瓦斯进行采前预抽；

5)煤巷条带区域抽采效果检验

在底板道对煤巷条带煤层瓦斯及回采区域煤层瓦斯进行采前预抽0.5年至1年的时间后，按照《防治煤与瓦斯突出规定》要求，需要对掘进巷道30m范围内，即煤巷条带区域内的煤层瓦斯抽采效果进行检验，效果检验方法主要有：残余瓦斯含量、钻孔瓦斯涌出初速度、钻屑瓦斯解吸指标、钻孔屑量、复合指标法、R值指标法和综合指标法等；

经检验满足《防治煤与瓦斯突出规定》、《煤矿安全规程》，无突出危险后，方可进行工作面进风巷与回风巷的掘进，否则需要继续进行煤巷条带煤层瓦斯预抽；

6)煤巷施工

采用煤巷综合掘进机或钻眼爆破方法对煤巷进行掘进，在掘进工作面布置不少于20米的防突措施孔超前距和不少于2米的突出检验孔超前距，直至效果检验为无突出危险后，循环进行煤巷掘进、掘进工作面防突措施、掘进工作面突出检验，直至煤巷施工及支护完成；

7)顺层钻孔施工

在煤巷内由壁面开孔，向待采工作面内施工平行于煤层倾向的顺层瓦斯抽 采钻孔，分别在距巷道顶板1.6m与2.1m位置布置两排钻孔，两排钻孔上下相间布置，钻孔间距6m，长度120m，孔径90mm，进风巷与回风巷两侧顺层钻孔交叉20m；

8)网格式钻孔预抽回采区域煤层瓦斯

81)对顺层瓦斯抽采钻孔进行封孔，封孔长度为17m；

82)封孔后，每5个抽采孔归为一组，采用三通管进行连接后，与工作面瓦斯抽采支管相连，之后并入采区瓦斯抽采主管，形成顺层瓦斯抽采系统；与底板道穿层瓦斯抽采钻孔，液态二氧化碳相变致裂孔组成网格式钻孔对回采区域煤层瓦斯进行预抽，实现回采区域煤层瓦斯快速消突；

9)回采区域抽采效果检验

采用网格式钻孔对回采区域煤层瓦斯进行预抽1年后，对回采区域煤层进行预抽效果检验，达到《防治煤与瓦斯突出规定》的要求后，即可对预抽消突煤层进行工作面回采，否则需要继续进行回采区域煤层瓦斯预抽。

为提高封孔效果，步骤41)中，在第一封孔管与第二封孔管的连接处捆绑三组封孔药剂，在第二封孔管靠近钻孔空口位置捆绑两组封孔药剂。

本发明的有益效果是：本发明基于液相二氧化碳相变爆破技术，采用底板穿层钻孔对低透气性、高瓦斯煤层进行爆破致裂，同时采用底板穿层钻孔与顺层钻孔构成的网格式负压抽采通道对致裂煤层内的卸压瓦斯进行负压强化抽采，从而增加煤矿井下瓦斯抽采量，实现高瓦斯低透气性突出煤层快速消除突出危险性的目的，预防煤与瓦斯突出事故，保障煤矿井下安全生产。具体而言，体现在以下方面：

(1)采用液态二氧化碳相变致裂孔、底板道穿层瓦斯抽采钻孔对煤巷条带 区域煤层进行液态CO2相变致裂瓦斯预抽，抽采达标后，由液态二氧化碳相变致裂孔、底板道穿层瓦斯抽采钻孔与回采区域顺层瓦斯抽采钻孔组成网格式瓦斯抽采系统，对回采区域煤层瓦斯进行抽采，实现快速消突，提高瓦斯抽采效率。

(2)通过底板穿层钻孔，采用液态CO2相变致裂技术，对煤巷条带及回采区域煤层瓦斯进行致裂增透，提高煤层瓦斯透气性系数，在现场试验确定的致裂半径基础上，适当增大抽采钻孔间距，可以有效减小钻孔工程量。

(3)液态CO2相变致裂后，含裂隙煤层内瓦斯CO2浓度增大，通过CO2与CH4的竞争吸附作用，煤层裂隙内游离瓦斯含量增大，通过网格式瓦斯抽采系统可以实现煤层瓦斯的高浓度抽采。

(4)该方法通过底板穿层钻孔进行液态CO2相变致裂，以煤层下方岩层为保护屏障，防治因相变致裂造成煤层气体压力增大、煤体强度降低，诱导产生煤与瓦斯突出事故。

(5)该方法较水力压裂、水力割缝增透瓦斯抽采方法相比，在煤层内产生的裂隙均匀，不会造成巷道积水；较深孔预裂增透瓦斯抽采方法相比，不会受炸药管制影响，使用方便，不存在盲炮、残炮等现象，相变致裂温度低，不会产生火花。

(6)该方法工艺流程严格遵守《防治煤与瓦斯突出规定》关于区域瓦斯、局部瓦斯治理的相关要求，可以应用于煤矿井下低透气性煤层瓦斯的规模化抽采，投入成本低、瓦斯抽采效果好。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的流程图。

图2是本发明一具体实施方式中抽采现场的示意图。

图3是图2的A-A剖视示意图。

图4是图2的B-B剖视示意图。

图5是液态二氧化碳相变致裂器的结构示意图。

图6是图5中III处的局部放大图。

图7是煤巷条带煤层瓦斯采前预抽效果图。

图8是回采区域煤层瓦斯采前预抽效果图。

图9是穿层钻孔封孔示意图。

图10是图9中I处的放大结构示意图。

图11是图9中II处的放大结构示意图。

图12是底板穿层钻孔联孔示意图。

图13是顺层瓦斯抽采钻孔沿煤层倾向剖面图。

图中；各标记含义为：1：底板道；2：底板道穿层瓦斯抽采钻孔；3：液态二氧化碳相变致裂孔；4：工作面机巷；5：工作面回风巷；6：回采工作面开切眼；7：工作面顺层抽采钻孔；8：接替工作面回风巷；9：煤层；10：释放孔；11：破裂片；12：加热器；13：液态CO2；14：间接螺纹；15：引爆线；16：释放管；17：爆破管；18：推进管；19：堵头；20：花孔段；21：第一封孔管；22：第一组封孔药剂；23：第二组封孔药剂；24：第三组封孔药剂；25：第二封孔管；26：第四组封孔药剂；27：第五组封孔药剂；28：无缝钢管；29：黄土；30：进浆管；31：出浆管；31：2寸截门；32：2寸孔板；33：抽采主管

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种低透气煤层液相CO2相变致裂增透网格式瓦斯抽采方法，包括以下步骤：

1)施工底板道

根据煤层底板地质情况，在煤层下方10m～30m范围内选择岩质较弱，岩石强度低，容易进行底板道施工的岩层采用钻眼爆破掘进或其他掘进方法施工一条底板道，巷道断面为4m×3m，采用矩形W钢带锚网支护方式；

2)底板道内穿层钻孔施工

如图2和图3所示，采用钻机在底板道1每隔8米施工一组底板道穿层钻孔，包括底板道穿层瓦斯抽采钻孔2和液态二氧化碳相变致裂孔3，且底板道穿层瓦斯抽采钻孔2和液态二氧化碳相变致裂孔3相间排列，终孔间距根据抽采位置的不同分为：煤巷条带煤层瓦斯采前预抽钻孔孔间距为6米，回采区域煤层瓦斯采前预抽钻孔孔间距为8米。

根据《煤矿安全规程》的要求对煤巷条带煤层瓦斯及回采区域煤层瓦斯进行采前预抽；

其中煤巷条带煤层瓦斯是指工作面机巷及临近工作面风巷(一般在工作面机巷旁边采用沿空留巷方法构筑)30m范围内煤层瓦斯；回采区域煤层瓦斯是指待回采工作面内风巷与机巷30m范围外煤层内的瓦斯。

如图7所示为煤巷条带煤层瓦斯采前预抽效果图，图示201为煤巷条带煤层瓦斯采前预抽钻孔，301为液态二氧化碳相变致裂孔。根据现场试验研究结果液态CO₂相变致裂半径R1可以到达8.2米，从而构成半径为8.2米的液态CO2相变致裂增透区100。根据液态CO₂相变致裂半径R1，确定煤巷条带煤层瓦斯采前预抽钻孔201孔与液态二氧化碳相变致裂孔301终孔间距L1为6米，两组 穿层钻孔的终孔间距L2为8米，从而保证整个煤巷条带煤层都能处于液态CO₂相变致裂影响区内，且保证煤层瓦斯采前预抽钻孔201处于液态CO₂相变致裂半径R1内，便于实现煤巷条带煤层瓦斯快速预抽，满足煤巷快速安全掘进需求。

回采区域煤层瓦斯采前预抽效果如图8所示，液态CO₂相变致裂孔302与底板道穿层瓦斯抽采钻孔202相间排列，相邻两孔之间的间距L3为8米。从而保证整个开采区域煤层都处于液态CO₂相变致裂影响区内，且保证煤层瓦斯采前预抽钻孔201处于液态CO₂相变致裂半径R1内，便于实现回采区域网格式抽采系统，实现开采区域煤层的快速消突，满足回采工作面安全生产需要。

所施工钻孔的终孔位于煤层顶板，钻孔过程中做好钻孔的地质编录，对钻孔总长度、见煤长度、钻孔在煤层内长度、穿过煤层长度等进行详细记录。

本实施例以四川煤业集团某矿为例，工作面长度200米，则每组底板道穿层钻孔需要施工28个钻孔，其中14个底板道穿层瓦斯抽采钻孔，14个液态二氧化碳相变致裂孔，底板道穿层瓦斯抽采钻孔与液态CO2相变致裂孔孔径均为90mm，所施工钻孔的终孔位于煤层顶板，钻孔过程中做好钻孔的地质编录，对钻孔总长度、见煤长度、钻孔在煤层内长度、穿过煤层长度等进行详细记录。

3)液态CO₂相变致裂

采用如图5和图6所示的煤矿井下液态CO2相变致裂器，包括可储存液体二氧化碳的爆破管17，爆破管17的一端通过螺纹连接头14固定有释放管16，另一端通过螺纹连接头14固定有推进管18。爆破管17与释放管16的连接端设置有破裂片11。爆破管17内设置有加热器12，并灌装有液体二氧化碳13。释放管16上设置有多个释放孔10。推进管18内设置有延伸至加热器12的引爆线15。

向液态二氧化碳相变致裂器的爆破管内充装纯度为99％的液态CO₂，充装前后对爆破管重量进行测量。根据钻孔施工后提供的地质编录结果，选择合理的爆破管、释放管、推进管数量，采用钻孔施工所用钻机将释放管、爆破管、推进杆互相连接，同时使用钻机作为动力采用推进杆将释放管、爆破管推送到需要致裂的煤层内，在释放管、爆破管、推进管连接过程中，采用万用表侧量推进杆尾端引爆线电阻值，根据电阻大小判断其是否发生短路；

待释放管推送到指定位置后，停止推进，采用钻机作为下部支撑体，将液态二氧化碳相变致裂器固定在钻孔中；采用引爆线与尾端接线柱连接，采用万用表检查连线是否短路，检查无误后，现场施工人员撤离，将引爆线牵引至工作面风门外，采用起爆器进行起爆，起爆后巷道内产生大量飞扬粉尘，表明液态二氧化碳相变致裂器施工成功。

4)穿层钻孔预抽煤巷条带及回采区域煤层瓦斯

在液态CO₂相变致裂施工同时，对图3所示底板道穿层瓦斯抽采钻孔2进行封孔，封孔方式如图9、图10和图11所示，封孔流程如下：

41)清理抽采钻孔内煤渣，连接第一封孔管21和第二封孔管25，在第一封孔管21的端头安装堵头19，在第一封孔管19与第二封孔管25的连接处捆绑第一组封孔药剂22、第二组封孔药剂23和第三组封孔药剂24，在第二封孔管25靠近钻孔空口位置捆绑第四组封孔药剂26和第五组封孔药剂27；

42)在第二封孔管25上捆绑两根无缝钢管分别作为进浆管30和出浆管31，其中出浆管31末端管口置于第三组封孔药剂24处，进浆管30末端管口置于第三组封孔药剂24与第四组封孔药剂26之间；

43)搅拌各封孔药剂，将各封孔管装入钻孔内，进浆管30和出浆管31伸 出孔口的距离L4为0.5m长，在距离第二封孔管25的管口L5为0.5m的管段内填塞黄土29材料并捣实，将各封孔管固定在钻孔内，并防止注浆液外泄；

44)由进浆管30向钻孔内注入水泥浆液，直至出浆管31有水泥浆液流出为止；

45)重复步骤41)至步骤44)，完成所有底板道穿层瓦斯抽采钻孔与致裂孔的封孔；

46)将底板钻孔与底板道内布置好的抽采主管33连接，如图12所示。

47)在每个钻孔的出口段安装2寸截门31，根据钻孔内瓦斯浓度开启或闭合截门，保证抽采主管内瓦斯浓度符合应用要求；每7个钻孔分为一个小组，通过2寸孔板32与抽采主管相连，2寸孔板32具有防水功能，可将积水排除抽采系统。

48)重复46)和47)，将所有封孔后的钻孔与抽采主管连接进行瓦斯抽采，对煤巷条带煤层瓦斯及回采区域煤层瓦斯进行采前预抽；

5)煤巷条带区域抽采效果检验

在底板道对煤巷条带煤层瓦斯及回采区域煤层瓦斯进行采前预抽0.5年至1年的时间后，按照《防治煤与瓦斯突出规定》要求，需要对掘进巷道30m范围内，即煤巷条带区域内的煤层瓦斯抽采效果进行检验，效果检验方法主要有：残余瓦斯含量、钻孔瓦斯涌出初速度、钻屑瓦斯解吸指标、钻孔屑量、复合指标法、R值指标法和综合指标法等。经检验满足《防治煤与瓦斯突出规定》、《煤矿安全规程》，无突出危险后，方可进行工作面进风巷与回风巷的掘进，否则需要继续进行煤巷条带煤层瓦斯预抽；

6)煤巷施工

采用煤巷综合掘进机或钻眼爆破方法对煤巷进行掘进，在掘进工作面布置不少于20米的防突措施孔超前距和不少于2米的突出检验孔超前距，直至效果检验为无突出危险后，循环进行煤巷掘进、掘进工作面防突措施、掘进工作面突出检验，直至煤巷施工及支护完成；

7)顺层钻孔施工

在煤巷内由壁面开孔，向待采工作面内施工平行于煤层倾向的顺层瓦斯抽采钻孔，顺层钻孔的布置方式如图4所示，分别在距巷道顶板距离L6为1.6m与L7为2.1m位置布置两排钻孔，两排钻孔上下相间布置，同一排钻孔间距L8为8m，上下排相邻两孔的间距L9为4m。钻孔的长度120m，孔径90mm，进风巷与回风巷两侧顺层钻孔交叉20m，顺层钻孔沿煤层倾向剖面图如图13所示。

8)网格式钻孔预抽回采区域煤层瓦斯

81)对顺层瓦斯抽采钻孔进行封孔，封孔长度为17m；

82)封孔后，每5个抽采孔归为一组，采用三通管进行连接后，与工作面瓦斯抽采支管相连，之后并入采区瓦斯抽采主管，形成顺层瓦斯抽采系统；与底板道穿层瓦斯抽采钻孔2，液态二氧化碳相变致裂孔3组成网格式钻孔对回采区域煤层瓦斯进行预抽，实现回采区域煤层瓦斯快速消突；

9)回采区域抽采效果检验

采用网格式钻孔对回采区域煤层瓦斯进行预抽1年后，采用步骤5)方法，

对回采区域煤层进行预抽效果检验，达到《防治煤与瓦斯突出规定》的要求后，即可对预抽消突煤层进行工作面回采，否则需要继续进行回采区域煤层瓦斯预抽。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术 人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。