一种机械扩孔增透后顺层钻孔注水参数优化方法

1.本发明属于煤矿煤层注水技术领域，具体涉及一种机械扩孔增透后顺层钻孔注水参数优化方法。


背景技术：

2.采煤工作面的产尘量较大，为了达到降尘的效果，通常在工作面采用喷雾的方式来达到降尘的目的。但是，这种方式是一种对粉尘产生后的治理方式，因而在产生的粉尘量较大时，无法起到良好的降尘效果。为了解决这种方式效果有限的问题，出现了主动防尘的方法。煤层注水是一种较为理想的主动防尘方法，但是现有的煤层注水方法存在用水量大、注水半径有限的问题，导致注水的效果不够理想，同时，也造成了水资源的浪费。此外，煤层注水也是一种煤与瓦斯的有效消突措施。向煤层中注水不仅可以软化煤层，降低煤体的强度，而且还能对煤层内部的瓦斯进行封闭，进而减少了瓦斯的涌出量。但是，现有的煤层注水方式并不合理，其注水半径有限，导致消突的效果不理想，同时，也产生了水资源浪费的问题。因此，亟需研发一种能够有效提高煤层注水半径，并能节约用水量的方法，以能有效提高防尘效果和消突效果。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的一些问题，本发明提供一种机械扩孔增透后顺层钻孔注水参数优化方法，该方法工艺简单，实施成本低，能有效提高防尘和消突效果，并能显著的节约用水量，其具有广泛的适用范围和良好的推广价值。
4.为了实现上述目的，本发明提供了一种机械扩孔增透后顺层钻孔注水参数优化方法，包括以下步骤：
5.步骤一：顺层钻孔作业准备；
6.在钻杆上连接钻头ⅰ，所述钻头ⅰ为常规钻头；在待作业煤层断面规划出若干条顺层抽采钻孔的钻取位置，确保相邻顺层抽采钻孔之间的间距为5～10m；
7.步骤二：钻取顺层抽采钻孔；
8.利用钻机带动钻头ⅰ从巷道壁向煤层钻取若干条水平顺层抽采钻孔，在钻取过程中，待钻头ⅰ水平钻进指定距离后，停止钻进并退出钻具；
9.步骤三：扩孔作业准备；
10.将钻头ⅰ拆下并替换为钻头ⅱ，所述钻头ⅱ为扩孔钻头；
11.步骤四：在选定的顺层抽采钻孔中进行扩孔造穴作业；
12.s1：先利用钻机将钻头ⅱ送入顺层抽采钻孔的最深处，再通过提高钻机转速的方式带动钻头ⅱ高速旋转，利用旋出主钻头的扩孔刀在顺层抽采钻孔的末端进行扩孔造穴作业，从而使煤体受冲击破坏形成一个近似椭圆型的不规则的扩孔孔穴空间和破碎松动圈，并在扩孔孔穴空间和破碎松动圈之间形成若干裂隙；
13.s2：使钻头ⅱ较上一作业位置后退5～10m后再次进行下一位置的扩孔造穴作业，
依此重复作业，直至在整个顺层抽采钻孔中沿水平方向间隔形成多个不规则的扩孔孔穴空间和破碎松动圈，在钻头ⅱ旋转过程中，利用钻杆外壁上的螺旋刀片将破碎煤体排出顺层抽采钻孔；
14.步骤五：依次在其余各个顺层抽采钻孔中进行扩孔造穴作业；
15.依次在其余各个顺层抽采钻孔中重复执行步骤二，直至完成最后一个顺层抽采钻孔的扩孔造穴作业，再将钻头ⅱ由最后一个顺层抽采钻孔中退出；
16.步骤六：对所有的顺层抽采钻孔进行瓦斯抽采作业；；
17.先利用孔口密封装置依次对扩孔增透后的顺层抽采钻孔进行封堵，再于顺层抽采钻孔上连接瓦斯抽采管路，进行瓦斯抽采作业；
18.步骤七：测定所有顺层抽采钻孔中扩孔孔穴的孔穴参数；
19.当抽采钻孔靠近采煤工作面20～30m时，先撤掉瓦斯抽采管路，再通过可伸缩钻杆将孔径测量仪探头和位移传感器沿着顺层抽采钻孔匀速向前推进，直至到达顺层抽采钻孔的最深处时停止推进作业，然后回拉钻杆，使钻杆退出顺层抽采钻孔；该过程中，利用孔径测量仪探头和位移传感器对各个扩孔孔穴的孔径和对应的孔深位置进行实时同步监测，并将监测到的信号实时传输给外部的处理器，处理器根据接收到的信号获得各个扩孔孔穴的孔穴参数，孔穴参数为孔径和对应的孔深位置数据；
20.步骤八：优化煤层注水参数，对选定的顺层抽采钻孔进行压力水的注入；
21.先通过密封钻杆将高压注水器送至顺层抽采钻孔的内部，再利用密封钻杆带动高压注水器旋转前进并根据获得的孔穴参数同步的向顺层抽采钻孔内的扩孔段和常规钻孔段注入不同压力和不同时间的压力水流，直至高压注水器移动至顺层抽采钻孔的最深处时停止推进和注水作业，然后回拉密封钻杆，使其退出顺层抽采钻孔；该过程中，在高压注水器移动至扩孔段时，通过调节供水泵5来提高注水压力和注水时间，在高压注水器移出扩孔段进入常规钻孔段时恢复正常的注水压力和注水时间。
22.步骤九：依次对其余的各个顺层抽采钻孔进行压力水的注入；
23.依次在其余的各个顺层抽采钻孔中重复执行步骤八，直至完成所有扩孔孔穴的注水过程。
24.进一步，为了提高对煤层的冲击破坏效果，以形成尺寸更大形状更不规则的扩孔孔穴空间和破碎松动圈，在步骤四的s1和s2中，扩孔作业时钻机的钻速为150～200r/min。
25.进一步，为了确保能更充分的对待作业范围内的煤层进行注水，以最大限度的提高煤层的注水效果，步骤五中，多个相邻顺层抽采钻孔中的扩孔孔穴呈叉花式分布。
26.进一步，为了能在显著提高煤层注水有效半径的同时，还能有效的节约用水量，在步骤八和步骤九中，所述扩孔段的注水压力p1和常规钻孔段注水压力p2满足公式(1)，所述扩孔段注水时间t1和常规钻孔段注水压力t2满足公式(2)；
[0027][0028][0029]
式中，表示第m排第n个扩孔段最大截面半径，单位为m；r2表示常规钻孔段截面半径均值，单位为m；a表示半径修正系数；r
mmax
表示第m排中扩孔段最大截面半径，单位为
m；b表示半径修正系数，其中，注水时间快慢通过控制高压注水器的移动速度来实现。
[0030]
本发明中，先利用常规钻头在煤层中钻取若干条水平的顺层抽采钻孔，再利用扩孔钻头在顺层抽采钻孔的扩孔段中间隔的钻取多个不规则的扩孔孔穴空间和破碎松动圈，便可在顺层抽采钻孔的扩孔段周围形成复杂度较高的裂隙网络；由于相邻顺层抽采钻孔之间的间距为5～10m，且相邻扩孔造穴之间的间距为5～10m，便可以利用形成的裂隙网络有效的连通相邻顺层抽采钻孔之间的区域，进而能便于待作业煤层断面中的瓦斯更充分的释放出来，同时，可以为后续注水作业提供范围更大的通路。在形成裂隙网络的基础上，对孔口进行封堵并连接瓦斯抽采管路后，便可以将待作业煤层中的瓦斯更高效更彻底的抽采出来，进而可以有效的消除瓦斯突出的问题。利用匀速前进的钻杆携带孔径测量仪探头和位移传感器对顺层抽采钻孔的内部进行实时监测，可以便捷的获得顺层抽采钻孔内部各个扩孔孔穴的孔径数据和对应的孔深位置数据，进而能便于根据孔穴参数优化煤层注水参数。向煤层中注水一方面能软化煤层，降低煤体强度，减少瓦斯的涌出量，进一步提高了消突的效果，另一方面能从煤尘产生的根源入手，最大限度的提高防尘效果。在进入扩孔段时提高注水压力和注水时间，可以使压力水流能够更充分的进入裂隙网络中，从而可以有效提高注水效果，并能显著提高煤层注水有效半径。在进入常规钻孔段时降低注水压力和注水时间，可以在满足常规钻孔段注水需求的同时，有效的节约注水量。这样，通过优化注水参数的方式在煤层内部的扩孔段和常规钻孔段注入压力水流，不仅可以确保对煤层的注水效果，而且能有效的节约用水量，避免了水资源的大量浪费，实现了节能的目的。该方法充分利用采煤工作面采动应力卸压区裂隙发育特点，通过长距离本煤层机械造穴钻孔二次卸压，促进钻孔周围裂隙与采动卸压区裂隙沟通，提高了注水半径，其具体实施步骤简单，实施成本低，其能够同时达到防尘、消突和节能的目的，其经济效益良好，有利于大面积推广应用。
附图说明
[0031]
图1是本发明中扩孔造穴过程的结构示意图；
[0032]
图2是本发明中的煤层区域经过顺层抽采钻孔和扩孔作业后的状态示意图；
[0033]
图3是本发明中多个相邻顺层抽采钻孔的扩孔孔穴布置模式的断面示意图；
[0034]
图4是本发明中煤层注水工艺的示意图。
[0035]
图中：1、煤层，2、顺层抽采钻孔，3、扩孔孔穴，4、裂隙，5、供水泵，6、压力水流，7、破碎松动圈。
具体实施方式
[0036]
下面对本发明作进一步说明。
[0037]
如图1至图4所示，本发明提供了一种机械扩孔增透后顺层钻孔注水参数优化方法，包括以下步骤：
[0038]
步骤一：顺层钻孔作业准备；
[0039]
在钻杆上连接钻头ⅰ，所述钻头ⅰ为常规钻头；在待作业煤层1断面规划出若干条顺层抽采钻孔2的钻取位置，确保相邻顺层抽采钻孔2之间的间距为5～10m；
[0040]
步骤二：钻取顺层抽采钻孔2；
[0041]
利用钻机带动钻头ⅰ从巷道壁向煤层1钻取若干条水平顺层抽采钻孔2，在钻取过程中，待钻头ⅰ水平钻进指定距离后，停止钻进并退出钻具；
[0042]
步骤三：扩孔作业准备；
[0043]
将钻头ⅰ拆下并替换为钻头ⅱ，所述钻头ⅱ为扩孔钻头；
[0044]
步骤四：在选定的顺层抽采钻孔2中进行扩孔造穴作业；
[0045]
s1：先利用钻机将钻头ⅱ送入顺层抽采钻孔2的最深处，再通过提高钻机转速的方式带动钻头ⅱ高速旋转，利用旋出主钻头的扩孔刀在顺层抽采钻孔2的末端进行扩孔造穴作业，从而使煤体受冲击破坏形成一个近似椭圆型的不规则的扩孔孔穴3空间和破碎松动圈7，并在扩孔孔穴3空间和破碎松动圈7之间形成若干裂隙4；
[0046]
s2：使钻头ⅱ较上一作业位置后退5～10m后再次进行下一位置的扩孔造穴作业，依此重复作业，直至在整个顺层抽采钻孔2中沿水平方向间隔形成多个不规则的扩孔孔穴3空间和破碎松动圈7，在钻头ⅱ旋转过程中，利用钻杆外壁上的螺旋刀片将破碎煤体排出顺层抽采钻孔2；
[0047]
步骤五：依次在其余各个顺层抽采钻孔2中进行扩孔造穴作业；
[0048]
依次在其余各个顺层抽采钻孔2中重复执行步骤二，直至完成最后一个顺层抽采钻孔2的扩孔造穴作业，再将钻头ⅱ由最后一个顺层抽采钻孔2中退出；
[0049]
步骤六：对所有的顺层抽采钻孔2进行瓦斯抽采作业；
[0050]
先利用孔口密封装置依次对扩孔增透后的顺层抽采钻孔2进行封堵，再于顺层抽采钻孔2上连接瓦斯抽采管路，进行瓦斯抽采作业；
[0051]
步骤七：测定所有顺层抽采钻孔2中扩孔孔穴3的孔穴参数；
[0052]
当抽采钻孔靠近采煤工作面20～30m时，工作面前方形成应力卸压区，卸压区裂隙与顺层钻孔连通便于注水水体渗流。先撤掉瓦斯抽采管路，再通过可伸缩钻杆将孔径测量仪探头和位移传感器沿着顺层抽采钻孔2匀速向前推进，直至到达顺层抽采钻孔2的最深处时停止推进作业，然后回拉钻杆，使钻杆退出顺层抽采钻孔2；该过程中，利用孔径测量仪探头和位移传感器对各个扩孔孔穴3的孔径和对应的孔深位置进行实时同步监测，并将监测到的信号实时传输给外部的处理器，处理器根据接收到的信号获得各个扩孔孔穴3的孔穴参数，孔穴参数为孔径和对应的孔深位置数据；
[0053]
步骤八：优化煤层注水参数，对选定的顺层抽采钻孔2进行压力水的注入；
[0054]
先通过密封钻杆将高压注水器送至顺层抽采钻孔2的内部，再利用密封钻杆带动高压注水器旋转前进并根据获得的孔穴参数同步的向顺层抽采钻孔2内的扩孔段和常规钻孔段注入不同压力和不同时间的压力水流6，直至高压注水器移动至顺层抽采钻孔2的最深处时停止推进和注水作业，然后回拉密封钻杆，使其退出顺层抽采钻孔2；该过程中，在高压注水器移动至扩孔段时，通过调节供水泵5来提高注水压力和注水时间，在高压注水器移出扩孔段进入常规钻孔段时恢复正常的注水压力和注水时间。
[0055]
步骤九：依次对其余的各个顺层抽采钻孔2进行压力水的注入；
[0056]
依次在其余的各个顺层抽采钻孔2中重复执行步骤八，直至完成所有扩孔孔穴3的注水过程。
[0057]
为了提高对煤层的冲击破坏效果，以形成尺寸更大形状更不规则的扩孔孔穴空间和破碎松动圈，在步骤四的s1和s2中，扩孔作业时钻机的钻速为150～200r/min。
[0058]
为了确保能更充分的对待作业范围内的煤层进行注水，以最大限度的提高煤层的注水效果，在步骤五中，多个相邻顺层抽采钻孔2中的扩孔孔穴3呈叉花式分布。
[0059]
为了能在显著提高煤层注水有效半径的同时，还能有效的节约用水量，在步骤八和步骤九中，所述扩孔段的注水压力p1和常规钻孔段注水压力p2满足公式(1)，所述扩孔段注水时间t1和常规钻孔段注水压力t2满足公式(2)；
[0060][0061][0062]
式中，表示第m排第n个扩孔段最大截面半径，单位为m；r2表示常规钻孔段截面半径均值，单位为m；a表示半径修正系数；r
mmax
表示第m排中扩孔段最大截面半径，单位为m；b表示半径修正系数，其中，注水时间快慢通过控制高压注水器的移动速度来实现。
[0063]
本发明中，先利用常规钻头在煤层中钻取若干条水平的顺层抽采钻孔，再利用扩孔钻头在顺层抽采钻孔的扩孔段中间隔的钻取多个不规则的扩孔孔穴空间和破碎松动圈，便可在顺层抽采钻孔的扩孔段周围形成复杂度较高的裂隙网络；由于相邻顺层抽采钻孔之间的间距为5～10m，且相邻扩孔造穴之间的间距为5～10m，便可以利用形成的裂隙网络有效的连通相邻顺层抽采钻孔之间的区域，进而能便于待作业煤层断面中的瓦斯更充分的释放出来，同时，可以为后续注水作业提供范围更大的通路。在形成裂隙网络的基础上，对孔口进行封堵并连接瓦斯抽采管路后，便可以将待作业煤层中的瓦斯更高效更彻底的抽采出来，进而可以有效的消除瓦斯突出的问题。利用匀速前进的钻杆携带孔径测量仪探头和位移传感器对顺层抽采钻孔的内部进行实时监测，可以便捷的获得顺层抽采钻孔内部各个扩孔孔穴的孔径数据和对应的孔深位置数据，进而能便于根据孔穴参数优化煤层注水参数。向煤层中注水一方面能软化煤层，降低煤体强度，减少瓦斯的涌出量，进一步提高了消突的效果，另一方面能从煤尘产生的根源入手，最大限度的提高防尘效果。在进入扩孔段时提高注水压力和注水时间，可以使压力水流能够更充分的进入裂隙网络中，从而可以有效提高注水效果，并能显著提高煤层注水有效半径。在进入常规钻孔段时降低注水压力和注水时间，可以在满足常规钻孔段注水需求的同时，有效的节约注水量。这样，通过优化注水参数的方式在煤层内部的扩孔段和常规钻孔段注入压力水流，不仅可以确保对煤层的注水效果，而且能有效的节约用水量，避免了水资源的大量浪费，实现了节能的目的。该方法充分利用采煤工作面采动应力卸压区裂隙发育特点，通过长距离本煤层机械造穴钻孔二次卸压，促进钻孔周围裂隙与采动卸压区裂隙沟通，提高了注水半径，其具体实施步骤简单，实施成本低，其能够同时达到防尘、消突和节能的目的，其经济效益良好，有利于大面积推广应用。