基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法和系统

1.本技术涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法和系统。


背景技术：

2.随着矿井开采条件的日益复杂，矿井受水害的威胁也愈加严重。在巷道掘进过程中探测其前方一定范围的赋存情况，对于确保巷道的安全掘进有着极其重要的意义，也可以为煤矿防治水提供相应的依据，从而减少和壁面溃水事故的发生。如何对目标煤层掘进巷道进行超前探放水，消除巷道掘进过程中的水患威胁，已经成为煤层掘进时的一个亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法和系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
4.为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：本技术提供了一种基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法，包括：步骤s101、从多个不同的探测方向对井下掘进巷道在超前探放水前进行物探探测，将井下掘进巷道划分为安全区域、受水威胁区域和异常区域；其中，安全区域为掘进工作面不存在水体威胁，且无顶板水或顶板水为弱富水性，底板带压系数＜0.06的区域；受水威胁区域为掘进工作面受已知水体威胁的区域；异常区域为物探异常、存在对矿井水害有诱导作用的地质构造和钻探出水的区域；步骤s102、在安全区域内，实施底抽巷穿层钻孔；步骤s103、根据目标煤层掘进巷道松动圈范围、掘进工作面所受的水体威胁、以及底抽巷穿层钻孔的终孔位置，确定是否在受水威胁区域补充钻孔。
5.优选的，在步骤s101中，从3个横向探测方向和1个纵向探测方向对井下掘进巷道在超前探放水前进行物探探测；其中，3个横向探测方向分别为：与巷道顶板呈45
°
夹角向前方顶板探测的方向、顺岩层方向向前方探测的方向、以及与巷道底板呈45
°
夹角向前方底板探测的方向；1个纵向探测方向为垂直于掘进方向，向巷道顶板、底板进行探测的方向。
6.优选的，在安全区域内，实施底抽巷穿层钻孔包括：根据确定的底抽巷与掘进巷道的相对位置关系以及确定的开孔位置、终孔间距、钻孔密度、钻孔长度、开孔角度，进行底抽巷穿层钻孔。
7.优选的，按照公式：计算穿层钻孔的有效抽采半径，以确定底抽巷穿层钻孔的终孔间距；式中，
为开始抽采时钻孔内瓦斯流量；为流量衰减系数；为抽采时间；为煤层的平均密度；为瓦斯抽采率；为煤层中原始瓦斯含量；若2小于煤层巷道掘进宽度，则底抽巷穿层钻孔的终孔间距；若2大于煤层巷道掘进宽度，则底抽巷穿层钻孔的终孔间距小于等于煤层巷道掘进宽度。
8.优选的，按照公式：计算穿层钻孔沿巷道宽度方向的个数，以确定底抽巷穿层钻孔的钻孔密度。
9.优选的，底抽巷穿层钻孔的钻孔长度穿透目标煤层全厚，且终孔在煤层顶板和/或底板以上至少0.5米；底抽巷穿层钻孔呈扇形均匀布置，且覆盖目标煤层掘进巷道两帮轮廓线外至少20米范围。
10.优选的，步骤s103包括：按照公式：计算目标煤层掘进巷道松动圈半径，以确定是否需要补充钻孔；其中，为巷道等效圆半径；为上覆岩层的平均体积力；为埋深；为围岩的黏聚力；为围岩的内摩擦角；若掘进工作面受已知底板承压水威胁，且底抽巷位于目标煤层掘进巷道松动圈范围内，则沿目标煤层掘进巷道底板下进行补充钻孔，且补充钻孔覆盖巷道底板下方两帮范围，补充钻孔终孔位置超过目标煤层掘进巷道松动圈至少1米。
11.优选的，沿目标煤层掘进巷道底板下方至少布置2个钻孔，且沿巷道中线两侧至少各有1个钻孔位于目标煤层掘进巷道正下方；其中，大于等于2。
12.优选的，水体威胁包括：封闭不良钻孔和老空水、顶板水、底板承压水。
13.本技术实施例还提供一种基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的系统，包括：区域划分单元，配置为从多个不同的探测方向对井下掘进巷道在超前探放水前进行物探探测，将井下掘进巷道划分为安全区域、受水威胁区域和异常区域；其中，安全区域为掘进巷道工作面不存在水体威胁，且无顶板水或顶板水为弱富水性，底板带压系数＜0.06的区域；受水威胁区域为掘进工作面受已知水体威胁的区域；异常区域为物探异常、存在对矿井水害有诱导作用的地质构造和钻探出水的区域；穿层钻孔单元，配置为在安全区域内，实施底抽巷穿层钻孔；补充钻孔单元，配置为根据目标煤层掘进巷道松动圈范围、掘进工作面所受的水体威胁、以及底抽巷穿层钻孔的终孔位置，确定是否在受水威胁区域补充钻孔。
14.与最接近的现有技术相比，本技术实施例的技术方案具有如下有益效果：
本技术实施例提供的技术方案中，通过从多个不同的探测方向对井下掘进巷道在超前探放水前进行物探探测，将井下掘进巷道划分为安全区域、受水威胁区域和异常区域；在安全区域内实时底抽巷穿层全控，并根据目标煤层掘进巷道松动圈范围、掘进工作面所受的水体威胁、以及底抽巷穿层钻孔的终孔位置，确定是否在受水威胁区域补充钻孔。籍此，利用井下底抽巷穿层钻孔代替掘进巷道超前探放水工作，在巷道掘进前，利用物探超前探测，同时结合底抽巷穿层钻孔超前钻探对掘进巷道从多个不同的探测方向进行探测，达到对目标煤层掘进巷道的全面覆盖，以便对查明的异常区域或受水威胁区域进行加密探查及治理，有效降低目标煤层超前探施工的工作损耗，有效提高钻探精度、提升掘进效率，消除巷道掘进进程中的水患威胁。
附图说明
15.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。其中：图1为根据本技术的一些实施例提供的一种基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法的流程示意图；图2为根据本技术的一些实施例提供的一种基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法的技术路线图；图3为根据本技术的一些实施例提供的物探探测方向示意图；图4为根据本技术的一些实施例提供的安全区域底抽巷穿层钻孔剖面示意图；图5为根据本技术的一些实施例提供的安全区域底抽巷穿层钻孔俯视示意图；图6为根据本技术的一些实施例提供的顶板水威胁区域底抽巷穿层钻孔剖面示意图；图7为根据本技术的一些实施例提供的地板承压水威胁区域底抽巷穿层钻孔剖面示意图；图8为根据本技术的一些实施例提供的异常区域底抽巷补充钻孔示意图；图9为根据本技术的一些实施例提供的一种基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的系统的结构示意图。
具体实施方式
16.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。各个示例通过本技术的解释的方式提供而非限制本技术。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本技术的范围或精神的情况下，可在本技术中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本技术包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
17.本技术提供的实施例中，综合考虑底抽巷瓦斯抽放钻孔“一孔多用”及节支降耗思路，设计一种井下充分利用个底抽巷穿层钻孔施工达到对目标煤层掘进巷道全面覆盖的超前探水方法，利用井下底抽巷穿层钻孔代替掘进巷道超前探放水，在巷道掘进前利用物探超前探测，同时，结合底抽巷穿层钻孔超前钻探对掘进巷道前方及两帮进行探测，并对查明的异常区或受水威胁区域进行加密探查，同时采用超前疏放或注浆加固的方式进行治理，
降低目标煤层超前探施工的工作损耗，有效提高钻探精度、提升掘进效率，同时消除巷道掘进过程中的水患威胁。
18.图1为根据本技术的一些实施例提供的一种基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法的流程示意图；如图1、图2所示，该基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法包括：步骤s101、从多个不同的探测方向对井下掘进巷道在超前探放水前进行物探探测，将井下掘进巷道划分为安全区域、受水威胁区域和异常区域；在本技术实施例中，安全区域为掘进工作面不存在水体威胁，且无顶板水或顶板水为弱富水性，底板带压系数＜0.06的区域；受水威胁区域为掘进工作面受已知水体威胁的区域；异常区域为物探异常、存在对矿井水害有诱导作用的地质构造和钻探出水的区域。
19.在本技术实施例中，依据“物探先行，钻探验证”的原则，井下掘进巷道在超前探放水前进行物探探测。在此，进行物探探测时，从4个探测方向进行物探探测，具体的，如图3所示，从3个横向探测方向和1个纵向探测方向对井下巷道在超前探放水前进行物探探测；其中，3个横向探测方向分别为：与巷道顶板呈45
°
夹角向前方顶板探测的方向（顶板45
°
方向）、顺岩层方向向前方探测的方向（顺层0
°
方向）、以及与巷道底板呈45
°
夹角向前方底板探测的方向（底板45度方向）；1个纵向探测方向为垂直于掘进方向，向巷道顶板、底板进行探测的方向（顶板方向或底板方向）。籍此，多角度，多扇面数据采集，分析前方水体赋存情况及变化趋势，尽可能获得完整的前方空间信息，相对于现有探测方法，探测角度多、探测范围广，有效的提高了探测精度。
20.在本技术实施例中，按照煤层地质条件以及防治水原则，将井田划分为3中区域：安全区域、受水威胁区域和异常区域。其中，安全区域为通过地面物探、井下物探、生产采掘、理论推到等综合分析方向确定的不存在物探异常区、不存在对矿井水害有诱导作用的地质构造、封闭不良钻孔和老空水等水体威胁的区域。安全区域的弱富水性是指钻孔单位涌水量，其中，钻孔单位涌水量以口径91mm、抽水水位降深10m为准。
21.在本技术实施例中，受水威胁区域为掘进工作面受已知顶板水、底板承压水、老空水或已知导（含）水构造等水体维系的区域；异常区域则为物探异常区、存在对矿井水害有诱导作用的地质构造和钻探出水的区域。其中，对矿井水害有诱导作用的地质构造包括但不限于断层、陷落柱等。
22.步骤s102、在安全区域内，实施底抽巷穿层钻孔；如图4、图5、图6、图7所示，根据确定的底抽巷与掘进巷道的相对位置关系以及确定的开孔位置、终孔间距、钻孔密度、钻孔长度、开孔角度进行底抽巷穿层钻孔。其中，底抽巷与掘进巷道的相对位置包括底抽巷与掘进巷道的垂距、平距，层位；底抽巷与掘进巷道的垂距为底抽巷与掘进巷道的安全距离；开孔位置（钻孔起钻高度）根据现场条件、探放水施工设计确定（包括开孔角度、钻孔长度均无定性条件）；钻孔密度根据每组钻孔数量及钻孔间距即可确定。
23.实际生产过程中，由于工作面掘进或回采过程中，引起的动压会以一定方式向煤层底板进行传递，导致底板巷道围岩重新分布，引起巷道围岩持续变形。因此，底抽巷与煤层间的垂距、平距等参数会直接影响到穿层钻孔的工程量、瓦斯抽采以及探放水效果。因
此，通过确定底抽巷与掘进巷道的相对位置可以有效的降低穿层钻孔的工程量，提高瓦斯抽采及探放水效果。
24.在本技术实施例中，钻孔兼做探查目标煤层地质构造、瓦斯抽采之用，故钻孔终孔间距根据穿层钻孔抽采半径确定。具体的，按照公式（1）计算穿层钻孔的有效抽采半径。公式（1）如下：
……………………
（1）式中，表示穿层钻孔的有效抽采半径，单位为米，为开始抽采时钻孔内瓦斯流量，单位为；为流量衰减系数，单位为1/年；为抽采时间，单位为年；为煤层的平均密度，单位为顿每立方米；为瓦斯抽采率；为煤层中原始瓦斯含量，单位为立方米每吨。
25.其中，为流量衰减系数，单位为1/年，具体的，，。
26.在本技术实施例中，若2小于煤层巷道掘进宽度（单位为米），则底抽巷穿层钻孔的终孔间距；若2大于等于煤层巷道掘进宽度，则底抽巷穿层钻孔的终孔间距小于等于煤层巷道掘进宽度。籍此，通过对终孔间距的约束，可保证至少有一个钻孔能够穿过煤层顶板。
27.在本技术实施例中，在确定钻孔密度时，按照公式（2）计算穿层钻孔沿巷道宽度方向的个数。公式（2）如下：
……………………
（2）在本技术实施例中，穿层钻孔每组施工个钻孔，巷道中线两侧各施工个钻孔，每组穿层钻孔之间的间距为5米。比如，按照100米的超前钻探距离，最大运行掘进距离为70米，超前距不小于30米，以100米为一个单元，每个单元最少布置个钻孔。
28.在本技术实施例中，在确定钻孔长度时，底抽巷穿层钻孔的钻孔长度穿透目标煤层全厚，且终孔在煤层顶（底）板以上至少0.5米；在确定开孔角度时，底抽巷穿层钻孔的所有钻孔呈扇形均匀布置，且覆盖目标煤层掘进巷道两帮轮廓线外至少20米范围。籍此，实现对掘进巷道前方及两帮进行探测。
29.步骤s103、根据目标煤层掘进巷道松动圈范围、掘进工作面所受的水体威胁、以及底抽巷穿层钻孔的终孔位置，确定是否在受水威胁区域补充钻孔。
30.在本技术实施例中，按照设计要求进行钻孔，钻孔施工要保证成孔率，没有达到设计要求的区域，应及时补孔。首先，确定目标煤层掘进巷道松动圈范围。具体的，结合井田水文地质条件和物探结果，类比周边矿井已掘巷道或本煤层相邻工作面巷道围岩破坏情况，
确定松动圈范围。
31.在本技术实施例中，通过简化工作面地质模型，以当量圆代替矩形巷道，计算工作面塑性破坏宽度及巷道围岩松动破坏圈宽度。根据巷道周边围岩塑性区理论计算，其影响半径（松动圈半径）按照公式（3）计算。公式（3）如下：
……………………
（3）其中，目标煤层掘进巷道松动圈半径，单位为米，为巷道等效圆半径，单位为米；为上覆岩层的平均体积力，单位为牛每平方米；为埋深，单位为千米；为围岩的黏聚力，单位为兆帕；为围岩的内摩擦角。
32.若掘进工作面受已知底板承压水威胁，且底抽巷位于目标煤层掘进巷道松动圈范围内，则沿目标煤层掘进巷道底板下进行补充钻孔，且补充钻孔覆盖巷道底板下方两帮范围，补充钻孔终孔位置超过目标煤层掘进巷道松动圈至少1米。
33.若掘进工作面受已知顶板水威胁，则底抽巷穿层钻孔的终孔位置超过目标煤层掘进巷道松动圈半径至少1米；穿层钻孔终孔位置位于松动圈范围之内，或者，距离松动圈范围小于1米，不需要补充钻孔。即若受顶板水威胁区域与松动圈重合或在松动圈内，穿层钻孔即可达到探查目的。
34.在本技术实施例中，沿目标煤层掘进巷道底板下方至少布置2个钻孔，且沿巷道中线两侧至少各有1个钻孔位于目标煤层掘进巷道正下方，其中，大于等于2，如图8所示。
35.在本技术实施例中，对于物探异常区域，首先，结合井田水文地质条件和物探结果，确定物探异常区域与底抽巷相对位置；然后，在底抽巷物探异常区域施工至少1个钻孔，终孔位置进入异常区域范围内（如图7所示）；若钻孔施工后出现水文异常，查明导含水情况，并利用超前疏放或注浆加固方式对其进行治理。
36.在本技术实施例中，底抽巷穿层钻孔必须超前煤巷巷道掘进前方30米；穿层钻孔的指令验收到达标，确保钻孔真实有效；当遇到断层、陷落柱、破碎带等地质条件变化较大时，需进行针对性的煤层探放水。
37.在本技术实施例中，底抽巷超前于煤巷掘进施工，且穿层钻孔多组探测施工工艺，能有效满足掘进巷道掘进过程中前方留设30米放水煤柱的要求；穿层钻孔在巷道内呈扇形布置，钻孔终孔位置完全覆盖上方煤层巷道两侧20米范围，能有效满足探放水帮距不小于20米要求；穿层钻孔从底抽巷穿过上方煤层至煤层顶板进行整体覆盖，可确保上方煤层在巷道掘进中不受底板水影响；回采工作面施工时，在满足梳放水要求的同时，解决了瓦斯抽采问题，提高了钻孔的利用率，达到一孔多用的效果。
38.图9为根据本技术的一些实施例提供的一种基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的系统的结构示意图；如图9所示，该基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的系统包括：区域划分单元901、穿层钻孔单元902和补充钻孔单元903。
39.区域划分单元901，配置为从多个不同的探测方向对井下掘进巷道在超前探放水前进行物探探测，将井下掘进巷道划分为安全区域、受水威胁区域和异常区域；其中，安全
区域为掘进巷道工作面不存在水体威胁，且无顶板水或顶板水为弱富水性，底板带压系数＜0.06的区域；受水威胁区域为掘进工作面受已知水体威胁的区域；异常区域为物探异常、存在对矿井水害有诱导作用的地质构造和钻探出水的区域。
40.穿层钻孔单元902，配置为在安全区域内，实施底抽巷穿层钻孔；补充钻孔单元903，配置为根据目标煤层掘进巷道松动圈范围、掘进工作面所受的水体威胁、以及底抽巷穿层钻孔的终孔位置，确定是否在受水威胁区域补充钻孔。
41.本技术实施例提供的基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的系统能够实现上述任一基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法实施例的步骤、流程，并达到相同的有益效果，在此不再一一赘述。
42.以上所述仅为本技术的优选实施例，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。