一种松软煤层区域递进式瓦斯抽采方法

1.本发明涉及一种松软煤层区域递进式瓦斯抽采方法，属于瓦斯治理技术领域。


背景技术：

2.我国煤层赋存地质条件复杂，煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大，瓦斯事故频发，我国含松软煤层的煤矿数量庞大，广泛分布于贵州、两淮、阳泉等地矿区，占比达到了50％以上。受地质构造运动影响，这类煤层原生结构被破坏，煤体变松、变软，煤体力学强度低，松软煤层一般定义为抗松强度低于50％、坚固性系数不超过1.0的煤层。同时还具有渗透率低、瓦斯含量大、压力大等特点。高瓦斯和煤与瓦斯突出问题一直制约着矿井的安全高效生产。生产实践表明，瓦斯抽采是防治瓦斯事故、实现瓦斯合理利用的有效技术手段。
3.公开号为cn107740677a的中国专利文献，公开了一种横穿工作面的碎软煤层顺层定向长钻孔瓦斯抽采方法，包括：钻孔施工步骤，在煤层工作面一侧已掘进巷道内沿煤层施工顺层瓦斯抽采长钻孔至另一侧待掘进巷道；筛管放置步骤，在所述顺层瓦斯抽采长钻孔内下入护孔筛管；瓦斯抽采步骤，将护孔筛管连接瓦斯抽采管路以进行瓦斯预抽。能够实现煤矿井下松软煤层顺层长钻孔施工，通过对钻孔轨迹有效控制，能够提高钻孔深度，大大提高煤层钻遇率。通过对钻孔轨迹测量，能够确定实际钻孔轨迹，尽可能避免常规钻孔施工中存在的抽采盲区，有利于实现区域瓦斯治理。
4.但是，该瓦斯抽采方法存在以下不足：
5.第一，每个碎软煤层顺层定向长钻孔均从已掘进巷道延伸到待掘进巷道，长钻孔的钻进深度长，容易出现塌孔、卡钻现象，成孔率低；
6.第二，长钻孔呈扇形布置时会存在抽采盲区，导致瓦斯抽采不充分，提高了松软煤层开采的安全风险；而长钻孔呈平行布置时，由于每个长钻孔均须要从已掘进巷道延伸到待掘进巷道，且成孔率较低，导致钻孔工作量巨大，明显降低了瓦斯抽采效率。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种松软煤层区域递进式瓦斯抽采方法。
8.本发明通过以下技术方案得以实现：
9.一种松软煤层区域递进式瓦斯抽采方法，包括以下主要步骤：
10.a、第一片区瓦斯抽采施工：
11.a、在煤层工作面一侧的已掘进巷道内沿煤层顺层向待掘进巷道方向施工第一阶段瓦斯抽采钻孔，第一阶段瓦斯抽采钻孔的深度为d1；
12.b、利用第一阶段瓦斯抽采钻孔抽采瓦斯，瓦斯抽采时长为t1，形成第一阶段有效抽采区域；
13.c、在已掘进巷道内沿煤层顺层向待掘进巷道方向施工第二阶段瓦斯抽采钻孔，第二阶段瓦斯抽采钻孔的深度为d2，d1＜d2＜已掘巷道与待掘巷道之间的距离，且第二阶段瓦斯抽采钻孔贯穿第一阶段有效抽采区域；
14.d、利用第二阶段瓦斯抽采钻孔抽采瓦斯，瓦斯抽采时长为t2，t2＞t1，形成第二阶段有效抽采区域；
15.e、在已掘进巷道内沿煤层顺层向待掘进巷道方向施工第三阶段瓦斯抽采钻孔，第三阶段瓦斯抽采钻孔的深度为d3，且第三阶段瓦斯抽采钻孔贯穿第二阶段有效抽采区域和待掘进巷道；
16.f、利用第三阶段瓦斯抽采钻孔抽采瓦斯，瓦斯抽采时长为t3，t3＞t2，形成第三阶段有效抽采区域；
17.b、其它片区瓦斯抽采施工：重复步骤a中的步骤a至步骤f，且后一片区中的第一阶段瓦斯抽采钻孔位于前一片区中的第三阶段有效抽采区域中；
18.c、重复步骤b，即可逐步完成已掘进巷道和待掘进巷道之间整个煤层的瓦斯抽采工作。
19.所述步骤a中已掘巷道与待掘巷道之间的距离的1/3＜d1＜已掘巷道与待掘巷道之间的距离的1/2。
20.所述步骤a中d2＝2
×
d1。
21.所述第一阶段瓦斯抽采钻孔、第二阶段瓦斯抽采钻孔和第三阶段瓦斯抽采钻孔的直径均大于85mm。
22.所述第一阶段瓦斯抽采钻孔、第二阶段瓦斯抽采钻孔和第三阶段瓦斯抽采钻孔的钻进速度为0.5～1m/min。
23.所述第二阶段瓦斯抽采钻孔靠近第一阶段有效抽采区域边缘，第三阶段瓦斯抽采钻孔靠近第二阶段有效抽采区域边缘，后一片区中的第一阶段瓦斯抽采钻孔靠近前一片区中第三阶段有效抽采区域边缘。
24.所述步骤a中抽采瓦斯的抽采负压为8～20kpa。
25.所述步骤a中的t1＝10天，t2＝30天，t3＝40天。
26.所述第一阶段有效抽采区域、第二阶段有效抽采区域和第三阶段有效抽采区域的有效抽采半径r＝aln(t)+b，其中t为瓦斯抽采时长，单位为天，a、b为系数。
27.所述煤层工作面的倾向长度为160m～200m。
28.本发明的有益效果在于：
29.1、在同一片区中，后一阶段的瓦斯抽采钻孔贯穿前一阶段有效抽采区域，而前一阶段有效抽采区域经瓦斯抽采后其范围内的煤层硬度已得到有效提升，显著降低了后阶段瓦斯抽采钻孔出现塌孔、卡钻的几率，大大提高了成孔率。
30.2、同一片区内布置三个瓦斯抽采钻孔，且第一阶段瓦斯抽采钻孔深度＜第二阶段瓦斯抽采钻孔深度＜已掘巷道与待掘巷道之间的距离，由此可见，同一片区内的瓦斯抽采钻孔数量少，且第一阶段瓦斯抽采钻孔和第二阶段瓦斯抽采钻孔的深度小，在降低钻孔工作量的同时，提高了第一阶段瓦斯抽采钻孔和第二阶段瓦斯抽采钻孔的成孔率和成孔效率。
31.3、设计同一片区内各阶段瓦斯抽采钻孔的深度，及各阶段有效抽采区域的瓦斯抽采时长，确保后一阶段有效抽采区域完全覆盖前一阶段有效抽采区域，且第三阶段有效抽采区域覆盖了待掘进巷道，完全消除了该片区的瓦斯抽采盲区，保证了该片区的瓦斯能够得到充分抽采，显著提高了该片区松软煤层开采的安全性。
32.4、后一片区中的第一阶段瓦斯抽采钻孔位于前一片区中的第三阶段有效抽采区域中，在提高后一片区中第一阶段瓦斯抽采钻孔成孔率的同时，使前后片区的第三阶段有效抽采区域部分重叠，完全消除了相邻片区之间的瓦斯抽采盲区，提高了已掘进巷道延伸和待掘进巷道之间松软煤层开采的安全性。
33.5、同一片区中各阶段瓦斯抽采钻孔的孔深递进掘进，而相邻片区的第三阶段有效抽采区域重叠递进布置，在减少钻孔工作量，提高成孔率的同时，提高了瓦斯抽采效率和松软煤层开采安全性。
附图说明
34.图1为本发明的松软煤层区域递进式钻孔设计示意图；
35.图2为本发明的松软煤层区域递进式有效抽采区域布置示意图；
36.图3为本发明的瓦斯有效抽采半径r与抽采时长t的拟合曲线图。
具体实施方式
37.下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
38.如图1和图2所示，本发明所述的一种松软煤层区域递进式瓦斯抽采方法，包括以下主要步骤：
39.a、第一片区瓦斯抽采施工：
40.a、在煤层工作面一侧的已掘进巷道内沿煤层顺层向待掘进巷道方向施工第一阶段瓦斯抽采钻孔，第一阶段瓦斯抽采钻孔的深度为d1。在使用时，选用zuw-1900r型钻机，在钻机上连接钻头，校准孔位后下钻至设计孔深。
41.b、利用第一阶段瓦斯抽采钻孔抽采瓦斯，瓦斯抽采时长为t1，形成第一阶段有效抽采区域。
42.c、在已掘进巷道内沿煤层顺层向待掘进巷道方向施工第二阶段瓦斯抽采钻孔，第二阶段瓦斯抽采钻孔的深度为d2，d1＜d2＜已掘巷道与待掘巷道之间的距离，且第二阶段瓦斯抽采钻孔贯穿第一阶段有效抽采区域。
43.d、利用第二阶段瓦斯抽采钻孔抽采瓦斯，瓦斯抽采时长为t2，t2＞t1，形成第二阶段有效抽采区域。
44.e、在已掘进巷道内沿煤层顺层向待掘进巷道方向施工第三阶段瓦斯抽采钻孔，第三阶段瓦斯抽采钻孔的深度为d3，且第三阶段瓦斯抽采钻孔贯穿第二阶段有效抽采区域和待掘进巷道。
45.f、利用第三阶段瓦斯抽采钻孔抽采瓦斯，瓦斯抽采时长为t3，t3＞t2，形成第三阶段有效抽采区域。第三阶段瓦斯抽采钻孔贯穿待掘进巷道，且瓦斯抽采时长为t3＞t2，确保该片区瓦斯抽采无盲区，第三阶段有效抽采区域的面积即为对应片区的有效瓦斯抽采面积。
46.b、其它片区瓦斯抽采施工：重复步骤a中的步骤a至步骤f，且后一片区中的第一阶段瓦斯抽采钻孔位于前一片区中的第三阶段有效抽采区域中。确保相邻片区之间没有瓦斯抽采盲区。
47.c、重复步骤b，即可逐步完成已掘进巷道和待掘进巷道之间整个煤层的瓦斯抽采
工作。
48.完成瓦斯抽采钻孔后，将护孔筛管的一端下入瓦斯抽采钻孔的孔底，另一端则延伸到孔外，在护孔筛管的孔外段套上pvc管或钢管并进行封孔，将护孔筛管与负压瓦斯抽采管路连接，即可开始按照设计时长抽采瓦斯，以形成相应的有效抽采区域。
49.所述步骤a中已掘巷道与待掘巷道之间的距离的1/3＜d1＜已掘巷道与待掘巷道之间的距离的1/2。
50.所述步骤a中d2＝2
×
d1。
51.所述第一阶段瓦斯抽采钻孔、第二阶段瓦斯抽采钻孔和第三阶段瓦斯抽采钻孔的直径均大于85mm。在煤层顺向钻孔抽采过程中，直径大的钻孔较之直径小的钻孔，成孔效果更好，成孔直径大于85mm更有利于提高抽采效果。
52.所述第一阶段瓦斯抽采钻孔、第二阶段瓦斯抽采钻孔和第三阶段瓦斯抽采钻孔的钻进速度为0.5～1m/min。钻进速度过小，则会降低钻孔效率；钻孔速度过大，则容易导致塌孔；所以，将钻进速度设计为0.5～1m/min，在确保成孔率的同时，保证了钻孔效率。
53.所述第二阶段瓦斯抽采钻孔靠近第一阶段有效抽采区域边缘，第三阶段瓦斯抽采钻孔靠近第二阶段有效抽采区域边缘，后一片区中的第一阶段瓦斯抽采钻孔靠近前一片区中第三阶段有效抽采区域边缘。在确保成孔率和消除瓦斯抽采盲区的前提下，尽可能地增大了孔与孔之间的间距，以减少钻孔数量，降低钻孔工作量的同时提高瓦斯抽采效率。
54.所述步骤a中抽采瓦斯的抽采负压为8～20kpa。
55.所述步骤a中的t1＝10天，t2＝30天，t3＝40天。
56.所述第一阶段有效抽采区域、第二阶段有效抽采区域和第三阶段有效抽采区域的有效抽采半径r＝aln(t)+b，其中t为瓦斯抽采时长，单位为天，a、b为系数。根据公式可以得出，有效抽采半径r随着抽采时长t的延长而增大，但是存在极限，当抽采时长t大于10天时，抽采采负压的变化对于有效抽采半径r的影响可以忽略不计。设计了有效抽采半径r的计算公式，方便确定孔间距，在确保成孔率的同时消除瓦斯抽采盲区。
57.公式r＝aln(t)+b为实际工况中有效抽采半径r与抽采长t的拟合关系式，旨在说明瓦斯抽采的有效抽采半径r与抽采时长t的对数关系，其系数a、b在不同工况下取值不同。
58.范例：有效抽采半径r的界定指标是残存瓦斯含量小于6m3/t或已达到抽采率30％时确定有效抽采半径。根据抽采率不低于30％的要求，计算煤层瓦斯残存含量，当抽采钻孔周围某处的煤层瓦斯残存含量降低到计算值时，即确定该位置处于抽采钻孔的有效影响范围之内。
59.对实施瓦斯抽采后的煤层残余瓦斯含量与原始瓦斯含量对比测定结果如下表所示：
[0060][0061]
4组抽采钻孔在抽采后瓦斯含量下降均大于30％，认为抽采达标。系数a＝0.6853，系数b＝1.0606时，根据公式r＝0.6853ln(t)-1.0606计算有效抽采半径r，并得到如图3所示的有效抽采半径r与抽采时长t的拟合曲线，由该拟合曲线可以看出，有效抽采半径r与抽采时长t成对数关系，有效抽采半径r随抽采时长t的延长而扩增，但增大趋势愈来愈缓慢，这表明超出一定的抽采时长t后继续抽采的意义不大。
[0062]
所述煤层工作面的倾向长度为160m～200m。在使用时，煤层工作面的倾向长度为180m。煤层工作面的倾向长度是结合矿井生产能力、煤层开采条件、技术装备和管理水平，在设计初期就须要明确的工艺参数。加大工作面长度有利于高效生产，但工作面过长会导致设备管理及安全管理困难，推进度下降，不利于稳产高产。工作面倾向长度过小会导致机械设备无法进入或工作空间太小，造成工作困难，生产效率低下。
[0063]
本发明所述的松软煤层区域递进式瓦斯抽采方法，其有益效果如下：
[0064]
1、在同一片区中，后一阶段的瓦斯抽采钻孔贯穿前一阶段有效抽采区域，而前一阶段有效抽采区域经瓦斯抽采后其范围内的煤层硬度已得到有效提升，显著降低了后阶段瓦斯抽采钻孔出现塌孔、卡钻的几率，大大提高了成孔率。
[0065]
2、同一片区内布置三个瓦斯抽采钻孔，且第一阶段瓦斯抽采钻孔深度＜第二阶段瓦斯抽采钻孔深度＜已掘巷道与待掘巷道之间的距离，由此可见，同一片区内的瓦斯抽采钻孔数量少，且第一阶段瓦斯抽采钻孔和第二阶段瓦斯抽采钻孔的深度小，在降低钻孔工作量的同时，提高了第一阶段瓦斯抽采钻孔和第二阶段瓦斯抽采钻孔的成孔率和成孔效率；如果同一片区内布置三个以下的瓦斯抽采钻孔，则会导致深度小于已掘巷道与待掘巷道之间距离的孔的深度加长，从而导致该孔成孔率下降；而如果同一片区内布置三个以上的瓦斯抽采钻孔，虽然有助于提高成孔率，但同时也增加了钻孔工作量，导致瓦斯抽采效率下降。
[0066]
3、设计同一片区内各阶段瓦斯抽采钻孔的深度，及各阶段有效抽采区域的瓦斯抽采时长，确保后一阶段有效抽采区域完全覆盖前一阶段有效抽采区域，且第三阶段有效抽采区域覆盖了待掘进巷道，完全消除了该片区的瓦斯抽采盲区，保证了该片区的瓦斯能够得到充分抽采，显著提高了该片区松软煤层开采的安全性。
[0067]
4、后一片区中的第一阶段瓦斯抽采钻孔位于前一片区中的第三阶段有效抽采区域中，在提高后一片区中第一阶段瓦斯抽采钻孔成孔率的同时，使前后片区的第三阶段有效抽采区域部分重叠，完全消除了相邻片区之间的瓦斯抽采盲区，提高了已掘进巷道延伸和待掘进巷道之间松软煤层开采的安全性。
[0068]
5、同一片区中各阶段瓦斯抽采钻孔的孔深递进掘进，而相邻片区的第三阶段有效抽采区域重叠递进布置，在减少钻孔工作量，提高成孔率的同时，提高了瓦斯抽采效率和松软煤层开采安全性。