一种水力割缝消除煤层巷道掘进中煤与瓦斯突出的方法与流程

本发明涉及煤矿瓦斯灾害的解决方法，特别涉及一种地下煤层巷道掘进过程中消除煤与瓦斯突出的方法。

背景技术：

煤与瓦斯突出是煤矿中危害性极大的瓦斯事故。地下煤层由于受到它上覆地层的压力，处于三维压缩的状态。在煤炭形成的过程中产生大量的甲烷及其它少量气体，被压缩，并储存在煤炭中的微小孔隙中，这些混合气体称为瓦斯。在煤层中掘进巷道时，巷道周围以及掘进工作面(又称为掌子面)形成很高的应力集中。掘进巷道时，一边掘进，一边对巷道周围进行支护。但巷道的掘进工作面要进行掘进，不能支护。当煤的强度低、或者地应力大、或者瓦斯压力大时，巷道掘进工作面的煤层就会向巷道内变形。当变形严重时，工作面前方的煤体失去支撑能力，涌向巷道，形成煤与瓦斯突出事故。

目前解决煤与瓦斯突出的方法有：1)在煤层中施工密集的钻孔，这些钻孔可以排除煤中一部分瓦斯，降低煤中瓦斯的压力；钻孔变形后，能够使煤层释放一部分变形能，降低煤层的内应力，煤矿把这种变化称为煤层卸压。这种方法的缺点是施工的钻孔数量多。2)在煤层中进行水力冲孔，作用也是排出部分瓦斯，并使煤层卸压。这种方法的缺点是水力冲孔形成的孔洞大。3)在煤层中施工一定数量的瓦斯抽放钻孔，利用这些钻孔排放煤中的瓦斯，一方面能降低煤中瓦斯的压力，另一方面瓦斯被排出后，煤发生收缩变形，也能达到煤层卸压的目的。这种方法的缺点是瓦斯抽放的时间长。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种水力割缝消除煤层巷道掘进中煤与瓦斯突出的方法，解决现有消除煤与瓦斯突出的施工过程，工作量大、时间长的技术问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种水力割缝消除煤层巷道掘进中煤与瓦斯突出的方法，其步骤如下：

①钻孔：根据煤层环境与巷道掘进头实际情况，设计钻孔间距与高度，钻孔施工与普通抽放钻孔相同；

②封孔：采用一端带法兰的封孔管封孔；

③将气-水-煤渣分离器安装在封孔管上，并在气-水-煤渣分离器与负压管之间连接放水器和管道流量计；

④采用高压水力割缝设备进行水力割缝，首先将高压水钻杆伸入孔底，然后一边回退，一边割缝，割缝过程中对割缝孔进行负压抽放，防止瓦斯涌入巷道；

⑤辅助抽放，割缝过程中必须对割缝孔进行负压抽放，防止瓦斯涌入巷道；

⑥割缝完成后，将钻孔连接负压管，进行正常抽放，在抽放过程中，进行瓦斯流量的检测与测量，评价抽放效果；

⑦割缝后对煤层取样，根据煤层防突指标进行测定，评价消突效果。

进一步，步骤①中，所述钻孔的孔径60mm～90mm、孔深80m～200m。

进一步，步骤②中，所述封孔的深度6m～20m，封孔材料选用聚氨酯材料或水泥。

进一步，步骤③中，所述气-水-煤渣分离器的排气孔连接所述放水器，所述管道流量计连接在所述放水器与所述负压管之间；所述气-水-煤渣分离器下部的排放口排出水和煤渣。

进一步，步骤④中，所述进行水力割缝，割缝方向为“横竖组合”，所有钻孔距孔口10m～20m范围内皆不割缝。

进一步，步骤④中，所述进行水力割缝，采用对接钻杆式高压水力割缝设备，其射流压力30mpa～60mpa。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

由于通过水力割缝技术对掘进煤体提前完全卸压，从根本上消除了应力集中引起的煤体失稳突出；割缝的过程相当于煤体注水，使煤体冲击倾向降低，失稳度降低；由于瓦斯超前大量预抽采，使煤体瓦斯含量和压力大幅度降低，瓦斯内能降低，根本上消除了瓦斯突出的动力。本发明用于地下煤层巷道掘进，具有能够快速消除煤层的煤与瓦斯突出的危险，加快煤层巷道掘进速度的优点。

图1是临时封孔装置图；

图2是气-水-煤渣分离器与流量计及负压管连接图；

图3是水力割缝钻孔布置图。

其中：1—煤层钻孔，2—封孔管，3—气-水-煤渣分离器，3.1—排气孔，3.2—排放口，4—负压管，5—放水器，6—管道流量计，7—高压水钻杆，8—水及煤渣。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

一种水力割缝消除煤层巷道掘进中煤与瓦斯突出的方法，其工程选址为某煤矿单一突出煤层，煤层中某巷道掘进工作面沿煤层布置，矩形断面，巷道净宽5.2m，净高3.4m(参看图3)。

如图1、2、3所示，一种水力割缝消除煤层巷道掘进中煤与瓦斯突出的方法，其步骤如下：

①钻孔：与施工普通抽放钻孔相同，孔深80m，孔径φ90mm，钻孔1高度为距顶板1.7m，钻孔间距为1m；

②封孔：用带法兰的封孔管2封孔，封孔材料选用聚氨酯材料，封孔深度12m；

③将气-水-煤渣分离器3安装在封孔管2上，并在气-水-煤渣分离器3与负压管4之间连接放水器5和管道流量计6；

④采用高压水力割缝设备进行水力割缝，首先将高压水钻杆7伸入孔底，然后一边回退，一边割缝，割缝方向为“横竖组合”，水平割缝主要用于增加煤层中的裂隙数量，使煤层原始应力释放，增加煤层透气性，垂直割缝主要用于增大抽采范围，屏蔽巷道两侧煤体的瓦斯涌出；

⑤割缝过程中对割缝孔进行负压抽放，防止瓦斯涌入巷道；

⑥割缝完成后，将钻孔1连接负压管4，进行正常抽放；在抽放过程中，进行瓦斯流量的检测与测量，评价抽放效果；

⑦在割缝后，对煤层取样，根据煤层防突指标进行测定，评价消突效果。

步骤①中，所述钻孔1的孔径还可以为60mm、孔深还可以为200m。

步骤②中，所述封孔1的深度还可以为6m～20m，封孔材料还可以为选用水泥。

步骤③中，所述气-水-煤渣分离器3的排气孔3.1连接所述放水器5，所述管道流量计6连接在所述放水器5与所述负压管4之间；所述气-水-煤渣分离器3下部的排放口3.2排出水和煤渣8。

步骤④中，为了保证施工安全，距孔口10m～20m范围内皆不割缝。

本发明采用的主要设备为高压水力割缝设备，高压水力割缝的射流压力达到30mpa～60mpa。消除煤层巷道掘进的煤与瓦斯突出的水力割缝技术采用对接钻杆式水力割缝设备，水力割缝时沿着钻孔伸进可承受高压力的高压水钻杆7，直至钻孔的孔底。高压水钻杆一端安装可水平喷射高压水射流的射流器。一边回退高压水钻杆，一边利用高压水射流切割钻孔，使煤层卸压、增透。

本发明在煤层中已有的瓦斯抽放钻孔实施水平或垂直切缝；其中通过水平割缝可增加煤层中的裂隙数量，使煤层原始应力释放，增加煤层透气性；通过垂直割缝可增大抽采范围，屏蔽煤层内瓦斯向掘进巷道的涌入，使得防突指标达到安全范围，达到很好的预防与控制瓦斯突出的效果。

在本发明的水力割缝过程中可能伴随瓦斯喷出。为防止巷道瓦斯短时超限，割缝前需要对钻孔进行封孔。割缝时在割缝的钻孔孔口安装气-水-煤渣分离器。高压水钻杆穿过分离器进入钻孔。割缝时，气、水、煤渣通过分离器排放。分离器的排气孔3.1连接放水器5，管道流量计6连接在放水器与负压管之间，达到排放和计量瓦斯气的目的。水和煤渣8从分离器下部的排放口3.2排出。同时，也可以通过调整割缝速度控制瓦斯喷出。

在本发明中，为了掌握割缝过程中的瓦斯排放量，在钻孔口部安装气-水-煤渣分离器，并在分离器与抽放负压管之间连接放水器和管道流量计。放水器有效地防止瓦斯气携带的少量煤渣和水进入负压系统。流量计可以测量瓦斯混合气体的流量与瓦斯浓度。根据割缝时间，可以估算出割缝过程中的瓦斯涌出量。

本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的范围，应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，作岀的改进和变化也应视为本发明的保护范围。