一种低渗透性煤层瓦斯高效抽采方法与流程

本发明属于煤层瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种低渗透性煤层瓦斯高效抽采方法。

背景技术：

煤炭在我国能源消费结构中仍然占有举足轻重的地位，2016年，煤炭消费比重为62.6％，预计2017年约为60％左右。我国煤层普遍为低渗透率煤层，相比国外，我国煤层渗透性普遍要小2-3个数量级，低渗透性造成了我国许多煤矿冲击地压事故、煤与瓦斯突出事故频发，同时高瓦斯矿井由于煤层渗透性较低，造成瓦斯抽采困难，这些问题都严重阻碍了我国煤矿高效安全开采。我国已发现的煤炭资源中，有近一半埋藏深度大于1000m，目前老矿区煤炭逐步萎缩，我国煤炭资源的开发，将来要转入深部矿井开采。深部矿井面临高地应力、高瓦斯压力的情况，加之我国煤层普遍为低渗透率煤层，极易造成冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害事故，严重制约着矿井高效集约化开采和安全生产。煤矿低渗透率煤层也称为低透气性煤层，为保障低透气性煤层高效集约化开采和安全生产，需要对低渗透性煤层瓦斯高效抽采方法进行研究。

目前，低透气性煤层预裂增透措施主要包括深孔松动爆破、水压致裂、水力冲孔、开采解放层、水力割缝等方法。其中深孔松动爆破使得钻孔附近的煤层被炸的很碎，但对离钻孔稍远的地方预裂效果迅速下降，预裂半径较小，效果不好；另外由于煤矿用炸药的殉爆距离较小，为防止拒爆，现场施工需要导爆索联结，因此，现场施工麻烦；再就是炸药预裂，有可能引起通过裂隙导通的区域瓦斯爆炸，不安全。水力压裂若水压小，裂隙扩张有限，预裂效果不好；若水压大，高压水会从较大的裂隙中流出，预裂不均匀，效果不好；且高压水在煤层中的流动不可控制。水力冲孔是通过水力冲刷钻孔，扩大钻孔直径的同时冲洗钻孔壁的煤粉，使钻孔壁有更好的渗透性，由于该方法对于提高煤层透气性效果甚小，目前基本不再采用。开采解放层由于煤层赋存条件的限制，往往临近解放层厚度很小，难于开采，或者煤质较差，没有开采价值，甚至许多煤层没有临近解放层，使得该技术无法使用。水力割缝受设备的限制，使得该项技术的实施工艺复杂，难以在现场推广应用。

高瓦斯低透气性煤层的开采往往伴随着大量瓦斯的涌出，特别是随着煤炭生产的高效集约化和开采深度的增加，瓦斯的涌出量越来越大，瓦斯爆炸和瓦斯突出危险的威胁越来越严重，瓦斯灾害已经成为制约高效集约化开采技术发展和安全生产的最重要因素。因此，如何有效的解决高瓦斯煤层开采过程中瓦斯涌出的问题，对煤矿安全生产具有十分重要的意义。

中国专利公开号为cn101915085b，发明创造的名称为一种低透气性煤层瓦斯抽采方法。解决现有煤矿井下由于煤层透气性差而导致抽放效率低的问题。一种低透气性煤层瓦斯抽采方法，在井下施工定向钻孔穿透地面钻井的地面井压裂影响区，对地面井压裂影响区域煤层瓦斯进行抽采。

但是，现有的低渗透性煤层瓦斯抽采方法存在着抽采方式单一，抽采效率较低和安全性较差的问题。

因此，发明一种低渗透性煤层瓦斯高效抽采方法显得非常必要。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种低渗透性煤层瓦斯高效抽采方法，以解决现有的低渗透性煤层瓦斯抽采方法存在着抽采方式单一，抽采效率较低和安全性较差的问题。一种低渗透性煤层瓦斯高效抽采方法具体包括以下步骤：

步骤一：煤场钻场的布置；

步骤二：钻场距离的测定；

步骤三：双位钻孔的布置；

步骤四：低渗透性煤层力学性质的测定；

步骤五：瓦斯层的泄压；

步骤六：瓦斯气体的增压采样；

步骤七：取样钻孔的密封；

步骤八：煤层瓦斯取样钻场的安全检测。

优选地，在步骤一中，在煤场稳定的顶板上布置多个钻场；所述的钻场距离工作面距离设置在100m～150m。

优选地，在步骤二中，所述的每个钻场之间间距为80m～100m；所述的钻场宽设置在5m～8m，深度3m～4m。

优选地，在步骤三中，在每个钻场布置8个双位钻孔；所述的钻孔直径设置在60mm～150mm；所述的钻孔深度为100m～120m；并且使得钻孔的位置在煤层的沉降中心，并处于煤层的泄压带处。

优选地，在步骤四中，所述的低渗透性煤层力学性质的测定的过程包括以下步骤：

s401：煤层取样钻孔：用步骤三中的设备进行钻孔操作。

s402：取样管路的安装：在钻孔内加装煤炭取样管路。

s403：待开采煤层中取煤样：用取样设备从煤层中取样测定煤体的抗压强度，确定待开采煤层深度，保证检测的准确性。

s404：最高注气压力的测定：将采样的煤块压力进行检测，从而通过推断得到高压气体注气的最高注气压力。

s405：煤样封存保护：检测完毕后，对煤层样块进行封样保存，方便后续使用时的查找。

优选地，在步骤五中，所述的瓦斯层的泄压的过程包括以下步骤：

s501：煤层钻孔：别沿步骤四中取样钻孔进行扩展钻孔；所述的钻孔的深度为采煤工作面长度的0.2倍至0.5倍；所述的钻孔的垂直高度为采煤工作面高度的0.2倍至0.4倍；所述的相邻钻孔的水平间距设置为10m至20m。

s502：不耦合装药：采用不耦合装药方式向钻孔内装入炸药；所述的炸药的装药长度为钻孔长度的0.3至0.6倍。

s503：封孔管的加装：往钻孔内安装封孔管。

s504：高压管路的架设：往钻孔内安装预留高压管路；所述的高压管路位于钻孔内的长度为钻孔深度的0.6倍至0.8倍；所述的高压管路的末端伸出钻孔的长度设置在1m至1.5m。

s505：泄压设备的安装连接：在高压管路的预留管上安装相应的泄压设备。

优选地，在步骤六中，所述的瓦斯气体的采样的过程包括以下步骤：

s601:瓦斯气体泄压抽采：结合步骤五中的s505将抽采管下方到开凿的钻孔内的封孔管中，对煤层瓦斯进行泄压抽采。

s602：钻孔的封孔：采用水泥材料封孔，水泥材料中水泥与水的比例为1:0.3至1:0.6；所述的水泥封孔的长度为钻孔深度的0.2至0.4倍。

s603：高压气体的注入：通过步骤五中的s504，用高压管路向钻孔内注入高压气体，注入高压气体的压力逐渐增大到最高注气压力并保持，最高注气压力由步骤四中确定，注入高压气体流量明显变小且稳定后依然保持最高注气压力4个小时至6个小时；所述的高压气体为氢气和空气的混合气体；所述的混合气体中氢气的体积分数为20％至25％。

s604：引爆炸药预裂增透：在注入高压气体保持最高注气压力的时间内，引爆步骤五中s502往钻孔内添加的炸药，对煤层进行预裂增透。

s605：瓦斯气体的增压采样：用高压管路连接抽采管路，抽采待开采煤层中的瓦斯。

优选地，在步骤七中，在抽采管与钻孔的相接触位置用聚氨酯进行封口，避免抽采过程中瓦斯的泄漏，在钻孔的密封段内，固定一块毛巾或麻袋布，将聚氨酯混合液倒在毛巾或麻袋布上，边倒液边向封孔管上卷缠毛巾或麻袋布，随后将卷缠好的封孔管插入钻孔中，并用木楔将封孔管与钻孔壁楔紧牢固，同时在封孔处用水泥固定封孔管。

优选地，在步骤八中，对采样钻场进行气体检测保护，防止瓦斯气体的泄露，并树立相应的警示牌。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：由于本发明的一种低渗透性煤层瓦斯高效抽采方法，将双位钻孔抽采与高压增加氢气取样方式相结合；既能在煤层的沉降中心处开采钻孔，从而达到煤层内部泄压的目的为瓦斯的释放和流动创造了有利条件，利用先钻孔，随后扩孔，提高了钻孔的有效影响范围，同时提高了煤体的透气性，通过封孔管与抽采管连接，避免了高瓦斯在抽采的过程中出现些泄漏的问题；在钻孔内增加炸药爆炸时，爆炸初期产生的大量爆生高压气体，与钻孔中已有高压气体通过静压作用于待开采煤层中联通和未联通的煤层裂隙、孔隙、微孔隙、半封闭孔隙，使煤层裂隙、孔隙网联通网络进一步发展，提高待开采煤层的透气性，两种取样方式的结合提高了抽采的效率。

附图说明

图1是低渗透性煤层瓦斯高效抽采方法流程图。

图2是低渗透性煤层力学性质的测定过程的流程图。

图3是瓦斯层的泄压过程的流程图。

图4是瓦斯气体的采样过程的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

如附图1所示

一种低渗透性煤层瓦斯高效抽采方法具体包括以下步骤：

s101：煤场钻场的布置；

s102：钻场距离的测定；

s103：双位钻孔的布置；

s104：低渗透性煤层力学性质的测定；

s105：瓦斯层的泄压；

s106：瓦斯气体的增压采样；

s107：取样钻孔的密封；

s108：煤层瓦斯取样钻场的安全检测。

上述实施例中，具体的，在s101中，在煤场稳定的顶板上布置多个钻场；所述的钻场距离工作面距离设置在100m～150m。

上述实施例中，具体的，在s102中，所述的每个钻场之间间距为80m～100m；所述的钻场宽设置在5m～8m，深度3m～4m。

上述实施例中，具体的，在s103中，在每个钻场布置8个双位钻孔；所述的钻孔直径设置在60mm～150mm；所述的钻孔深度为100m～120m；并且使得钻孔的位置在煤层的沉降中心，并处于煤层的泄压带处。

如附图2所示，上述实施例中，具体的，在s104中，所述的低渗透性煤层力学性质的测定的过程包括以下步骤：

s401：煤层取样钻孔：用s103中的设备进行钻孔操作。

s402：取样管路的安装：在钻孔内加装煤炭取样管路。

s403：待开采煤层中取煤样：用取样设备从煤层中取样测定煤体的抗压强度，确定待开采煤层深度，保证检测的准确性。

s404：最高注气压力的测定：将采样的煤块压力进行检测，从而通过推断得到高压气体注气的最高注气压力。

s405：煤样封存保护：检测完毕后，对煤层样块进行封样保存，方便后续使用时的查找。

如附图3所示，上述实施例中，具体的，在s105中，所述的瓦斯层的泄压的过程包括以下步骤：

s501：煤层钻孔：别沿s104中取样钻孔进行扩展钻孔；所述的钻孔的深度为采煤工作面长度的0.2倍至0.5倍；所述的钻孔的垂直高度为采煤工作面高度的0.2倍至0.4倍；所述的相邻钻孔的水平间距设置为10m至20m。

s502：不耦合装药：采用不耦合装药方式向钻孔内装入炸药；所述的炸药的装药长度为钻孔长度的0.3至0.6倍。

s503：封孔管的加装：往钻孔内安装封孔管。

s504：高压管路的架设：往钻孔内安装预留高压管路；所述的高压管路位于钻孔内的长度为钻孔深度的0.6倍至0.8倍；所述的高压管路的末端伸出钻孔的长度设置在1m至1.5m。

s505：泄压设备的安装连接：在高压管路的预留管上安装相应的泄压设备。

如附图4所示，上述实施例中，具体的，在s106中，所述的瓦斯气体的采样的过程包括以下步骤：

s601:瓦斯气体泄压抽采：结合s105中的s505将抽采管下方到开凿的钻孔内的封孔管中，对煤层瓦斯进行泄压抽采。

s602：钻孔的封孔：采用水泥材料封孔，水泥材料中水泥与水的比例为1:0.3至1:0.6；所述的水泥封孔的长度为钻孔深度的0.2至0.4倍。

s603：高压气体的注入：通过s105中的s504，用高压管路向钻孔内注入高压气体，注入高压气体的压力逐渐增大到最高注气压力并保持，最高注气压力由s104中确定，注入高压气体流量明显变小且稳定后依然保持最高注气压力4个小时至6个小时；所述的高压气体为氢气和空气的混合气体；所述的混合气体中氢气的体积分数为20％至25％。

s604：引爆炸药预裂增透：在注入高压气体保持最高注气压力的时间内，引爆s105中s502往钻孔内添加的炸药，对煤层进行预裂增透。

s605：瓦斯气体的增压采样：用高压管路连接抽采管路，抽采待开采煤层中的瓦斯。

上述实施例中，具体的，在s107中，在抽采管与钻孔的相接触位置用聚氨酯进行封口，避免抽采过程中瓦斯的泄漏，在钻孔的密封段内，固定一块毛巾或麻袋布，将聚氨酯混合液倒在毛巾或麻袋布上，边倒液边向封孔管上卷缠毛巾或麻袋布，随后将卷缠好的封孔管插入钻孔中，并用木楔将封孔管与钻孔壁楔紧牢固，同时在封孔处用水泥固定封孔管。

上述实施例中，具体的，在s108中，对采样钻场进行气体检测保护，防止瓦斯气体的泄露，并树立相应的警示牌。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：由于本发明的一种低渗透性煤层瓦斯高效抽采方法，将双位钻孔抽采与高压增加氢气取样方式相结合；既能在煤层的沉降中心处开采钻孔，从而达到煤层内部泄压的目的为瓦斯的释放和流动创造了有利条件，利用先钻孔，随后扩孔，提高了钻孔的有效影响范围，同时提高了煤体的透气性，通过封孔管与抽采管连接，避免了高瓦斯在抽采的过程中出现些泄漏的问题；在钻孔内增加炸药爆炸时，爆炸初期产生的大量爆生高压气体，与钻孔中已有高压气体通过静压作用于待开采煤层中联通和未联通的煤层裂隙、孔隙、微孔隙、半封闭孔隙，使煤层裂隙、孔隙网联通网络进一步发展，提高待开采煤层的透气性，两种取样方式的结合提高了抽采的效率。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。