本发明属于煤矿井下瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种基于煤层顶板水平钻孔的瓦斯抽釆系统、抽采方法及施工工艺。
背景技术：
目前，高瓦斯矿井为了解决上隅角瓦斯超限等问题采用高位巷抽放瓦斯，煤层开采后将引起上覆岩层的移动和破断，从而在覆岩中形成采动裂隙。采动裂隙按性质可以分为2类，一类为离层裂隙，是随岩层下沉在层与层之间出现的沿层面裂隙，它使煤层产生膨胀变形而使瓦斯卸压，并使卸压瓦斯沿离层裂隙涌出；另一类为竖向破断裂隙，是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙，这类裂隙沟通了上下岩层间瓦斯的通道，当回采顶板充分垮落后，采空区不同涌出源的瓦斯在浮力作用下沿采动裂隙通道上升，最后聚集在裂隙带内，形成瓦斯聚集区；目前常用的瓦斯抽采方法为高抽巷，但高抽巷施工工程量大、工期长、费用高、排渣困难且易污染煤层。
技术实现要素：
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于煤层顶板水平钻孔的瓦斯抽釆系统、抽采方法及施工工艺，能够解决上隅角瓦斯超限问题，同时具有工程量小、费用低和工期短的优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于煤层顶板水平钻孔的瓦斯抽釆系统，包括位于切眼和停采线之间的水平钻孔，水平钻孔设置在煤层顶板中，水平钻孔位于切眼的一端高于位于停采线的一端，且水平钻孔位于切眼的一端密封，水平钻孔另一端通过对接钻孔与气水分离器的输入端连接。
气水分离器的输出端分别连接井下瓦斯抽放管路和井下排水管路。
水平钻孔中下入有筛管，对接钻孔内下入有钢套管。
对接钻孔末端与水平钻孔在停采线处对接连通，孔口安装气水分离器。
水平钻孔位于回风巷内侧20～30m的煤层顶板的裂隙带内，水平钻孔与水平面之间的夹角α为1～3°。
井下瓦斯抽放管路和井下排水管路均安装有用于计量抽采量的流量计。
本发明还提供了基于煤层顶板水平钻孔的瓦斯抽采方法，在工作面采掘过程中，目标煤层中的瓦斯气体上涌进入水平钻孔内，由于水平钻孔为下倾方向，水平钻孔位于切眼的一端高于位于停采线的一端，井孔内的瓦斯及排采水在重力作用下进入井下对接钻孔，并经气水分离装置将瓦斯气体和排采水分离通过井下瓦斯抽放管路和井下排水管路进行输送。
本发明还提供了基于煤层顶板水平钻孔的瓦斯抽釆系统的施工工艺，在地面实施l型水平井，该井水平段钻进方向为切眼至停采线方向，水平段位于煤层顶部裂隙带层位，对接钻孔在l型水平井三开之前施工，后三开水平段末端与之对接，完钻；钻井工程结束后在井下对接钻孔孔口安装气水分离器。
具体包括以下步骤：
步骤s1、一开：采用φ311.1mm钻头钻入基岩不少于10m完钻，后下入φ244.5mm钢级为j55的表层套管并用水泥固井，固井水泥返至地面；
步骤s2、二开：采用φ215.9mm钻头施工至着陆点完钻，并下入φ177.8mm技术套管后固井，固井水泥反高至地面，完成二开井段；
步骤s3、三开：采用φ152.00mm钻头完成水平段钻进施工并下入φ89.00m筛管，完成三开井段；
步骤s4、l型井水平钻孔与对接钻孔在停采线处完成对接；
步骤s5、钻井工程结束后在井下对接钻孔孔口安装气水分离器。
在l型水平井的水平段位于切眼位置下入桥塞封井；对接钻孔在l型水平井三开之前开始施工后三开与之对接，且对接钻孔内下入n80钢套管。
与现有技术相比，本发明具有以下效果，地面l型水平对接井抽采瓦斯技术，相对于煤矿井下作业环境，地面钻场开阔，钻井装备的选型范围广，可以采用大功率钻机设备，钻井作业的效率高；可以施工出千米以上水平井、大口径井孔，抽采效率高；可以精确控制钻孔的方位，角度，井斜等参数，确保煤层钻遇率，并可以随着煤层变化改变轨迹，有利于瓦斯解析。
采用本发明的地面l型对接井替代高抽巷抽采瓦斯，减少了巷道掘进量，在降低费用的同时避免高抽巷独头掘进的危险，井下钻场布置在采区巷道附近，可与工作面准备巷道平行作业，可以有效解决矿井采掘接替紧张的问题。
地面l型水平井与井下瓦斯抽采钻孔完成连通后，可借助井下现有抽采系统进行负压抽采，有效解决了地面正压抽采的不足；采出的瓦斯气体中甲烷浓度高，一般在60％以上，具有重要的商业价值；综上，地面l型水平对接井抽放瓦斯技术，施工技术可行，安全可行，经济可行，具有较好的市场推广价值。
本发明提出的在高瓦斯矿井实施地面“l”型对接井替代高抽巷技术试验是有必要的，对煤矿安全、高效采掘具有重要意义，也是矿区治理瓦斯的一种新途径。这一技术的应用和开展，不仅可以缓解工作面接替紧张，杜绝高抽巷掘进过程中带来的煤层污染问题，降低生产成本，而且能将工作面回采期间上隅角瓦斯浓度控制在安全范围内，同时可提高煤炭资源回收率，使瓦斯得到利用，变废为宝，变害为利，这一技术示范成功后，在全国高瓦斯和突出矿井推广，将对煤矿瓦斯治理具有十分重要的意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图中：11、水平钻孔，12、竖直钻孔，13、气水分离器，14、井下排水管路，15、井下瓦斯抽放管路，16、对接钻孔，21、裂隙带，22、冒落带，23、煤层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，基于煤层顶板水平钻孔的瓦斯抽釆系统，包括设置在切眼和停采线之间的水平钻孔11，煤层顶板包括冒落带22和裂隙带21，水平钻孔11位于回风巷内侧20～30m的煤层顶板的裂隙带内，水平钻孔11位于切眼的一端高于位于停采线的一端，且水平钻孔11位于切眼的一端密封，水平钻孔11与水平面之间的夹角α为1～3°；
水平钻孔11另一端通过对接钻孔16与气水分离器13的输入端连接，水平钻孔11中设置有筛管，对接钻孔16内下入钢套管，气水分离器13的输出端分别连接有井下瓦斯抽放管路15和井下排水管路14。
在本发明的优选实施例中，井下瓦斯抽放管路15和井下排水管路14均安装有用于计量抽采量的流量计。
本发明还提出了一种基于煤层顶板水平钻孔的瓦斯抽采方法，在工作面采掘过程中，目标煤层中的瓦斯气体上涌进入水平钻孔11内，由于水平钻孔11为下倾方向，水平钻孔11位于切眼的一端高于位于停采线的一端，井筒内的瓦斯及排采水在重力作用下进入井下对接钻孔16，并经气水分离装置将瓦斯气体和排采水分离通过井下瓦斯抽放管路15和井下排水管路14进行输送。
本发明还提出了一种基于煤层顶板水平钻孔的瓦斯抽釆系统的施工工艺，首先，在地面实施l型水平井，该井水平段钻进方向为切眼至停采线方向，水平段位于煤层23顶部裂隙带层位，井下对接钻孔16在l型水平井三开之前开始施工，后三开水平段末端与之对接，钻井工程结束后在井下对接钻孔孔口安装气水分离器13，具体包括以下步骤：
步骤s1、一开：采用φ311.1mm钻头钻入基岩不少于10m完钻，后下入φ244.5mm钢级为j55的表层套管并用水泥固井，固井水泥返至地面；
步骤s2、二开：采用φ215.9mm钻头施工至着陆点完钻，并下入φ177.8mm技术套管后固井，固井水泥反高至地面，完成二开井段；
步骤s3、三开：采用φ152.00mm钻头完成水平段钻进施工并下入φ89.00m筛管，完成三开井段；
步骤s4、l型井水平钻孔与对接钻孔在停采线处完成对接；对接钻孔在l型水平井三开之前开始施工后三开与之对接，且对接钻孔内下入n80钢套管。
步骤s5、钻井工程结束后在井下对接钻孔井口安装气水分离器。
在l型水平井的水平段位于切眼位置下入桥塞封井。
本发明的基于地面l型对接井的瓦斯抽采方法中，井下钻场施工选择围岩稳定部位，支护与巷道的支护要求一致，钻场宽度不小于6m，深度不小于5m，高度不小于4.5m。钻场参数应根据钻机型号和钻孔实际角度具体情况调整，视钻机型号和钻杆长度等参数施工钻场，由钻孔施工技术人员配合掘进区队打好固定钻机锚杆，并配掘一个临时水仓，配备相应的水泵和管路，将孔位按设计参数进行放点，在钻场进行位置标定。
井下对接钻孔施工结束后，在孔口安装瓦斯抽采装置，并安装气水分离器，井下对接抽采孔通过瓦斯抽采装置接入矿井抽采系统中，进行井下集中抽采，通过流量计计量瓦斯抽采量。
本发明l型井的水平段需考虑孔眼整体倾向，整体近水平，略微下倾，在井下对接钻孔孔口安装防喷装置，防止井下对接时瞬时存在大量泥浆冲洗液及有害气体涌入大巷，保证对接过程安全进行。
施工效率对比，在本发明某一实施例的规划中，高抽巷需要在工作面布置巷道前率先施工，以保障工作面巷道掘进和回采的安全，根据工作面的实际情况，高抽巷共需掘进巷道1.82km，需工时10个月，会比工作面切眼贯通晚大概3-4个月，带来接替紧张的局面。如果实施地面l型对接井，仅需2至3个月，避免了采掘接替紧张的局面。