一种治理深埋煤层冲击与瓦斯灾害的一孔多用施工方法与流程

本发明涉及煤矿施工技术领域，特别是涉及一种治理深埋煤层冲击与瓦斯灾害的一孔多用施工方法。

背景技术：

由于持续的大规模煤炭开采，我国多数矿区的浅部煤炭资源逐渐减少，深部开采将成为未来煤炭产业的新常态。深部煤层中的瓦斯含量与地应力均逐渐增大，开采条件恶劣，冲击地压和瓦斯灾害带来的威胁日益增大，严重影响矿井安全生产。

国内外对于冲击地压治理及瓦斯灾害治理均进行了大量的研究，提出多种通过降低煤层储存能量的方式来治理冲击地压的措施，如煤层注水、大直径钻孔卸压、深孔预裂爆破等，而对于瓦斯治理也形成了以提高瓦斯抽采率为核心的技术措施，如水力压裂、水力割缝、水力冲孔等。目前比较成熟的研究成果均是侧重于某一个方面，单独对冲击地压或瓦斯灾害进行治理。然而，近年来多数具有冲击地压倾向性的煤层在深部出现了瓦斯异常分布区，而以往的煤与瓦斯突出煤层则在深部区域呈现出明显的冲击倾向性，导致矿井需要同时面临冲击、瓦斯两种灾害的威胁。如果不能妥善处理两种灾害的威胁，矿井将会承受巨大的灾难，例如2005年2月14日，辽宁孙家湾煤矿发生了冲击地压事故，导致某掘进工作面局部停风形成瓦斯积聚，回风流中的瓦斯浓度达到爆炸界限，而工人在检修过程中产生电火花引起了瓦斯爆炸，造成了214名工人死亡。

现有的冲击地压的治理技术主要是基于煤岩体强度弱化减冲原理，通过施工卸压钻孔，采用各类措施使煤岩体破碎，降低煤岩层存储及释放弹性能的能力，在煤岩体内形成一个弱化吸能带，实现防冲的目的。而现有瓦斯治理技术则侧重于瓦斯抽采，通过卸压增透措施提高煤层透气性，在煤层内布置各类抽采钻孔，利用抽采泵站抽出煤层内赋存的瓦斯气体，减少煤层内瓦斯含量、弱化瓦斯压力，实现瓦斯灾害防治的目的。可见，两种灾害均可以采用钻孔（大直径钻孔）进行有效防治。对于既存在瓦斯灾害又存在冲击灾害的矿井而言，施工钻孔更能够起到一孔多用的效果。

然而，由于瓦斯抽采钻孔的抽采半径决定了钻孔布置距离，而防冲钻孔的布置则仅考虑卸压半径。当抽采半径和卸压半径存在差异时，就会导致钻孔布置不协调的问题。而且多数情况下，会出现瓦斯抽采钻孔长度远大于防冲钻孔的长度，而防冲钻孔的密度则远小于抽采钻孔布置密度，使含瓦斯冲击煤层的钻孔施工存在重复性和浪费性。

目前已公开的文献中，钻孔的布置均考虑单一灾害的治理，未考虑煤层瓦斯及冲击地压复合型灾害的治理。如某发明涉及一种针对巷道围岩变形、冲击矿压、煤与瓦斯突出的综合治理方法，该方法首先在工作面两巷采用锚杆主动防护技术，强化围岩强度，然后在锚杆间每隔3-3.5m施工大直径卸压钻孔，并对大直径卸压钻孔进行封孔，再每隔一定距离施工瓦斯抽放钻孔，抽放煤层瓦斯。该发明方法中卸压孔与抽放孔的间距并未考虑实际抽采半径和卸压半径，而且卸压孔的长度太短，难以实现一孔多用，造成一定的浪费。

另一发明公开一种大倾角含瓦斯厚煤层冲击灾害防治方法，a、布置瓦斯抽采巷道：根据地层中各分层的岩性，布置顶抽巷和底抽巷；b、钻孔布置：沿顶抽巷底板及底抽巷顶板布置钻孔位置，在瓦斯抽采巷道同一垂直切面上间隔布置注水钻孔和瓦斯抽采钻孔；c、瓦斯抽采及注水：钻孔布置完毕后，对整个工作面煤层持续进行瓦斯抽采；瓦斯抽采工作开始后，向煤层与岩层的接触面注入高压水，注水工作按照注水钻孔顺序依次进行；d、结束注水：当第一个钻孔注水压力突然降至低值或抽采出瓦斯湿度明显降低时，停止该钻孔注水，并利用下一注水钻孔继续进行高压注水。该发明方法需要布置两条岩石巷道，利用岩石巷道向煤层内施工钻孔。施工岩石巷道的费用极高，对矿井较大的经济负担；在巷道内向远处煤体施工钻孔时，钻孔的长度则非常大，实际的施工过程必然出现钻孔倾斜、弯曲的现象，难以实现瓦斯的精准抽采。

因此，有必要发明一种能够充分利用钻孔多种功效的施工方法，实现煤层防冲、瓦斯治理及降尘等效果的协调，从而达到降本增效的目的。

技术实现要素：

本发明针对上述存在的缺陷提供一种治理深埋煤层冲击与瓦斯灾害的一孔多用施工方法。本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中防冲钻孔、瓦斯抽采钻孔与注水钻孔的间距不合理、重复钻孔、钻孔利用率低、灾害治理低效等问题。

本发明的技术方案为一种治理深埋煤层冲击与瓦斯灾害的一孔多用施工方法，包括以下步骤：

（1）确定钻孔间距l1：测定回采工作面的煤层瓦斯抽采有效半径r1和防冲钻孔有效卸压半径r2，回采工作面内相邻两个钻孔的间距l1为r1和r2中较小值的2倍；

（2）钻孔施工：沿回采工作面，按所述钻孔间距l1向垂直于巷道的方向施工顺层钻孔，，钻孔的长度为回采工作面宽度h的三分之二；

（3）确定实际应力集中带：在钻孔施工过程中实时记录出现冲击地压发生预兆的初始位置和终止位置，所述初始位置与终止位置之间的钻孔区域是回采工作面的实际应力集中带；

（4）钻孔封堵和瓦斯抽采：对实际应力集中带的初始位置的钻孔进行封堵，钻孔中留置连通管，之后间隔地选择钻孔作为注水钻孔，采用抽采注水管分别与连通管和井下抽采干管连接，进行瓦斯抽采；其它钻孔作为瓦斯抽采钻孔，采用瓦斯抽采管分别与连通管和井下抽采干管连接，进行瓦斯抽采；

（5）煤层充分卸压：重复步骤（2）至（4），依次在回采工作面中施工，直至回采工作面内布满顺层钻孔；

（6）高压注水：当测得瓦斯抽采总量达到煤层总瓦斯含量的65%-80%，优选地70%时，将抽采注水管和瓦斯抽采管与井下抽采干管断开连接，并将抽采注水管与高压注水泵连接，通过注水钻孔对煤层进行高压注水，直到邻近瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采管内出水为止。

具体而言，步骤（2）中，钻孔的孔径为94mm、113mm、133mm或153mm。

具体而言，步骤（3）中，所述冲击地压发生预兆为顶钻、卡钻、吸钻或煤炮。

优选地，步骤（4）中，所述封堵为第一次封堵，将膨胀胶囊送入欲封堵的钻孔，所述膨胀胶囊套在连通管外，利用注水管向膨胀胶囊内注入高压水，使膨胀胶囊充水膨胀堵住钻孔，注水管末端连接水压表；且在步骤（5）之后进行第二次封堵，观测记录每个钻孔注水管末端的压力表示数，当某个钻孔注水管压力表示数不再变化后，利用封口剂对钻孔孔口区域进行封堵，之后利用封孔剂对钻孔内部进行注浆封孔。优选地，所述高压水的压力为1-1.5mpa。优选地，封口剂为聚氨酯，封孔剂为水泥砂浆。

优选地，所述钻孔孔口区域是指孔口内1m区域。

优选地，在步骤（4）中，间隔地选择钻孔作为注水钻孔是如下来实施：将所施工的顺层钻孔依次标号为kn，n=1,2,3,…，选择标号满足kn=3n-1的钻孔作为注水钻孔。

具体而言，所述深埋煤层为埋深大于600m且同时具有潜在冲击地压和瓦斯灾害的煤层。

本发明的有益效果为：

1、由于具有冲击与瓦斯灾害的煤层需要同时考虑瓦斯抽采钻孔和防冲卸压钻孔的间距，为避免钻孔的重复性，需要首先得到煤层的瓦斯抽采有效半径和有效卸压半径。测试方法目前是较为成熟的，因此可以通过在回采工作面施工测试钻孔得到。当得到两个半径值后，可以将较小半径值的2倍作为后期钻孔布置的合理间距，而且以回采工作面宽度h的三分之二为钻孔长度。适当的密度与长度使得钻孔既适用于瓦斯抽采，也适用于防冲卸压，并且允许选择标号满足kn=3n-1的钻孔作为注水钻孔，因此本发明钻孔同时具有瓦斯抽采、高压注水、防冲卸压的作用，从而实现一孔多用，避免后期为治理某一灾害而需要单独补充钻孔的问题。

2、得到合理钻孔间距后，即可在巷道内向回采工作面依次施工大直径钻孔，整个回采工作面均需要施工钻孔，以实现区域性的卸压。为了避免钻孔施工结束后瓦斯会涌出，需要对钻孔及时进行封堵抽采。然而，由于相邻钻孔施工过程中，煤岩应力转移过程，会对前期施工结束的钻孔造成影响。因此，前期施工结束的钻孔最好有充分的变形空间，用于卸除高应力。此时的钻孔封堵方式必须保证煤岩能够变形，而且瓦斯还不会涌出，这就意味着常规水泥砂浆的封孔方式暂时不适用。采用膨胀胶囊的方式可以实现定点的封堵，而且胶囊外壁与钻孔充分耦合后，煤岩应力会施加在胶囊上，胶囊内水压的变化就可反应出该区域的实际应力变化。而当水压不再发生变化时，说明该区域内煤体变形已经完成，而卸压效果已经趋于稳定，此时便可以采用水泥砂浆等方式将钻孔完全封堵，从而进行瓦斯抽采。

3、在钻孔封堵环节中，封堵位置应为煤层的应力集中区域。目前煤层应力集中带的确定一般采用数值模拟法、经验法或理论分析法，但这些方法皆为间接方法，结果不够准确，与工程实际不一定符合。对于深埋煤层而言，高应力高瓦斯条件下，钻孔施工中极易在应力集中带发生顶钻、卡钻等可作为冲击地压发生预兆的动力现象。通过施工过程的这些动力现象就可以实现应力集中带的精准辨识，不需要再采用其他间接方法进行测试。

4、利用钻孔对煤层充分卸压后，钻孔群的周围的煤体得到充分变形，裂隙张开、瓦斯通道形成，此时瓦斯抽采效率达到最高。而瓦斯被大量抽采后，煤基质收缩，裂隙通道进一步打开。此时的时机最适合高压水的注入，可以利用高压注水泵向钻孔内注水，实现有效降尘的同时，也能让软化煤体，让煤层应力得到进一步转移。本发明方法充分利用钻孔卸压、瓦斯抽采和煤层注水的最佳时机，高效地实现煤层的卸压防冲、抽采防治瓦斯、注水防治粉尘等多个功效。

附图说明

图1为本发明的治理深埋煤层冲击与瓦斯灾害的一孔多用施工方法的施工结构示意图；

图2为本发明方法的钻孔封孔示意图；

图3为本发明方法的注水泵连接示意图；

图4为本发明方法的技术流程图。

图中，1、回采工作面；2、巷道；3、顺层钻孔；4、膨胀胶囊；5、注水管；6、水压表；7、抽采注水管；8、连通管；9、井下抽采干管；10、阀门；11、瓦斯抽采管；12、聚氨酯；13、注浆泵；14、注浆管；15、高压注水泵。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例１

本实施例提供一种治理深埋煤层冲击与瓦斯灾害的一孔多用施工方法，包括在埋深大于600m且同时具有冲击地压和瓦斯灾害的深埋煤层中实施以下步骤：

（1）采用常规方法测试回采工作面1的煤层瓦斯抽采有效半径r1，例如瓦斯压力降低法、瓦斯流量测试法等现有成熟的测试瓦斯抽采半径的方法。采用常规方法测试回采工作面1的防冲钻孔有效卸压半径r2，例如应力降低法、电磁辐射法等成熟的测试钻孔有效卸压半径的方法。分析比较r1和r2的数值大小，选择较小值的2倍作为回采工作面1内相邻两个钻孔的间距l1。

（2）沿回采工作面1向垂直于巷道2的方向施工孔径为94mm或113mm、153mm等其他大直径的顺层钻孔3，钻孔间距为l1，钻孔平行于煤层走向，钻孔长度为回采工作面1宽度h的三分之二。将所施工的顺层钻孔3依次标号为kn，n=1,2,3,…。

（3）钻孔施工过程中实时记录出现顶钻、卡钻、吸钻及煤炮等现象的初始和终止位置，两个位置之间的钻孔区域是回采工作面1的实际应力集中带。

（4）将膨胀胶囊4送入实际应力集中带的初始位置，膨胀胶囊4中套有连通管8。利用注水管5向膨胀胶囊4内注入1-1.5mpa的高压水，使膨胀胶囊4充水膨胀，从而完成对钻孔的第一次封堵，注水管5末端连接水压表6。

（5）以标号满足kn=3n-1的钻孔作为注水钻孔，采用抽采注水管7与膨胀胶囊4的连通管8连接，并从钻孔中引出与井下抽采干管9连接，抽采注水管7优选为钢管，此乃因抽采注水管7应能承受注水的高压，既能用于瓦斯抽采，也能用于高压注水；以其它标号的钻孔作为瓦斯抽采钻孔，均采用瓦斯抽采管11分别与膨胀胶囊4的连通管8及井下抽采干管9连接。瓦斯抽采管11优选为聚乙烯管。

（6）重复以上步骤（2）至（5），依次在回采工作面1中施工顺层钻孔3，直至回采工作面1内全部布满钻孔，使煤层得到充分卸压和变形。

（7）观测记录每个钻孔注水管5末端水压表6的示数，当某个钻孔注水管5的水压表6的示数不再变化后，利用聚氨酯12对钻孔孔口约1m区域进行封堵，并通过注浆泵13和注浆管14，利用水泥砂浆对钻孔中聚氨酯12与膨胀胶囊4之间的空间进行注浆封孔，同时将钻孔内引出抽采管的阀门10打开，对煤层内的瓦斯进行抽采。

（8）当通过瓦斯监测系统监测到抽采总量达到煤层总瓦斯含量的70%时，将抽采注水管7和瓦斯抽采管11与井下抽采干管9断开连接，并将抽采注水管7与高压注水泵15连接，通过注水钻孔对煤层进行高压注水，直到注水孔邻近的瓦斯抽采钻孔出水时为止。

本发明能实现深埋煤层冲击地压与瓦斯灾害的同时治理，采用合理确定钻孔间距和钻孔长度、回采工作面钻孔卸压、两次钻孔封堵、瓦斯抽采、注水等工艺环节，高效地实现对煤层实际应力集中带的获取、煤层的卸压、瓦斯的抽采、煤层注水弱化与降尘等多个有益效果，实现了一孔多用、降本增效的目的。本发明的方法简单，易于操作，能够充分利用钻孔的多种功效，避免了现有技术中钻孔施工存在重复性和浪费性。

本发明的上述实施例仅为较佳实施例，并非对本发明的范围加以任何限制。本领域的普通技术人员可根据上述实施例领会本发明的精神，并做出多种不同修改和变化。在不脱离本发明的精神的情况下，所有该等修改和变化都在本发明的保护范围内。