一种降低煤层静载和瓦斯压力的钻孔联合施工方法

本发明涉及一种降低煤层静载和瓦斯压力的钻孔联合施工方法，属于煤矿安全生产。

背景技术：

1、中国的能源结构是“富煤、贫油、少气”，这从根本上决定了煤炭对我国能源安全至关重要。另外我国煤层储存条件复杂，其中70％的矿井为高瓦斯矿井，这其中30％为突出矿井。特别是有些矿区的煤层，是典型构造煤为主的突出煤层，其透气性差，瓦斯压力和含量大，存在冲击地压和瓦斯突出双重灾害叠加的可能性；即冲击地压和瓦斯突出任一种灾害发生均会对矿区造成极大影响，因此对灾害进行防治是重要手段，但是目前的防治措施都是对单一灾害进行防治，在对具有单一灾害的矿井具有较好的效果，但是对存在冲击地压和瓦斯突出双重灾害叠加的可能性的矿井，对单一灾害进行防治过程中，存在诱发另一灾害发生的可能性。

2、因此如何提供一种新的方法，能同时对冲击地压和瓦斯突出双重灾害进行同时防治，实现冲击地压防治和瓦斯治理效果的协调，另外同时治理能有效减少瓦斯抽采钻孔工程量，从而达到降本增效的目的，是本行业亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种降低煤层静载和瓦斯压力的钻孔联合施工方法，采用卸压钻孔和瓦斯抽采钻孔特定的布设方式，能同时对冲击地压和瓦斯突出双重灾害进行同时防治，实现冲击地压防治和瓦斯治理效果的协调，另外同时治理能有效减少瓦斯抽采钻孔工程量，从而达到降本增效的目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种降低煤层静载和瓦斯压力的钻孔联合施工方法，具体步骤为：

3、①划分冲击地压危险区域：在综合指数法基础上利用多因素耦合法对采掘煤层的区域进行冲击地压危险区域评定，从而获得冲击地压危险区域不同位置的冲击地压危险程度，并对不同冲击地压危险程度的区域进行划分；其中多因素耦合法是指综合分析综合指数法中对应的各类(种)影响因素及权重，考虑多因素相互叠加影响，评估不同地段冲击地压危险多因素叠加指数和冲击地压危险程度，最终将冲击地压等级为无和弱的区域剔除，剩余冲击地压危险区域划分出中等冲击危险区域和强冲击危险区域。

4、②确定卸压钻孔施工间距d’与钻孔参数：先根据步骤①划分的冲击地压危险区域确定不同区域内的卸压钻孔参数，其包括卸压钻孔直径和深度；接着在每个区域内根据卸压钻孔参数计算得出初步的卸压钻孔间距d，同时获取该区域的煤层瓦斯抽采有效半径r1，比较每个区域内r1与d的大小，取两者较小值为每个区域内最终的卸压钻孔施工间距d’；

5、③卸压钻孔及瓦斯抽采钻孔施工：在运输顺槽和回风顺槽分别按照步骤②确定的卸压钻孔施工间距及钻孔参数施工卸压钻孔，卸压钻孔垂直于煤帮并沿煤层倾向；完成施工后，设定瓦斯抽采钻孔直径及深度，在部分卸压钻孔基础上继续进行钻孔施工形成瓦斯抽采钻孔，具体施工过程为：先确定一个卸压钻孔作为瓦斯抽采钻孔，在该卸压钻孔基础上按照设定的瓦斯抽采钻孔直径及深度完成该瓦斯抽采钻孔的施工，接着间隔一个卸压钻孔，选择下一卸压钻孔作为瓦斯抽采钻孔进行施工，如此重复，直至完成所有瓦斯抽采钻孔的施工；

6、④瓦斯抽采及卸压：在步骤③每施工完成一个瓦斯抽采钻孔，则封孔处理后进行瓦斯抽采，直至所有瓦斯抽采钻孔均进行瓦斯抽采；当测得瓦斯抽采总量达到煤层总瓦斯含量的65％～80％，并且瓦斯抽采时间不低于60天后，结束抽采；

7、⑤卸压效果评价：采用钻屑法和应力监测法对完成瓦斯抽采的各个冲击地压危险区域进行卸压效果评价，若某一冲击地压危险区域未达到卸压效果，则需要在该区域中相邻卸压钻孔间距d’的中点处增设爆破孔进行爆破卸压，直至使该区域达到所需的卸压效果；

8、⑥工作面回采：待步骤⑤评价各个冲击地压危险区域均达到卸压效果后，开始进行工作面回采工作。

9、进一步，所述步骤①中将冲击地压危险区域根据冲击地压危险程度划分成中等冲击危险区域和强冲击危险区域。

10、进一步，所述步骤②中计算得出初步的卸压钻孔间距d的具体公式为：

11、

12、式中：d—卸压钻孔间距，单位m；k—卸压钻孔间距的危险性修正系数，与钻孔排粉有关，排粉质量比b＝m'/m，m'为单个卸压钻孔单位长度实际排粉质量，m为单个卸压钻孔单位长度计算排粉质量；m＝ρπd2/4，其中ρ为煤层密度,单位为kg/m3；中等冲击危险区2≤b≤3，k＝12.56；强冲击危险区b>3，k＝6.28；d—卸压钻孔施工钻头直径，单位为m；k—变形模量指数，k＝λ/e；λ—应力应变曲线峰值后软化模量,单位为mpa；e—应力应变曲线峰值前弹性模量，单位为mpa；根据上述公式计算得出，初步的卸压钻孔间距d，计算后的数据根据需要可以采用经验类比法再进行部分调整。

13、进一步，所述步骤②中，当该区域为中等冲击危险区域时，确定卸压钻孔的直径为133mm，当该区域为强冲击危险区域时，确定卸压钻孔的直径为153mm，在实际操作过程中，可视情况进行调整但应为100～200mm；当煤层开采厚度小于3.5m时，卸压钻孔的深度不小于15m，且卸压钻孔的开孔位置在煤层厚度方向的中间区域；当煤层开采厚度为3.5m～8m时，卸压钻孔的深度不小于20m，且卸压钻孔的开孔位置分上下两层布置，其中下层卸压钻孔的开孔高度为距巷道底板1.6m，上层卸压钻孔的开孔高度位于巷道底板以上2m；当煤层开采厚度大于8m时，卸压钻孔的深度不小于25m，将卸压钻孔分三层布置，其中上层卸压钻孔沿煤层顶板以下3m施工，中层卸压钻孔沿煤层顶板以下6m施工，下层卸压钻孔沿煤层底板以上3m施工。采用这种分情况进行分别布设，能保证对不同煤层厚度和冲击程度的区域针对性进行卸压，从而保证不同情况下的各个区域均具有较好的卸压效果。

14、进一步，所述步骤②中，采用瓦斯压力降低法或瓦斯流量测试法测试煤层瓦斯抽采有效半径r1，也可以采用其他现有成熟的测试瓦斯抽采半径的方法。

15、进一步，所述步骤③中，瓦斯抽采钻孔的直径不小于94mm，孔深不小于运输顺槽和回风顺槽之间工作面宽度的二分之一。采用这种钻孔参数，能保证瓦斯抽采钻孔对煤层工作面内部瓦斯抽采效果。

16、进一步，所述步骤③中，施工后的卸压钻孔与瓦斯抽采钻孔需布满整个工作面前方的冲击地压危险区域，并且沿工作面回采方向的长度不小于200m。这样布设能保证后续工作面回采时的安全性。

17、进一步，所述运输顺槽和回风顺槽施工的瓦斯抽采钻孔在工作面内交错布设。采用这种布设方式，能保证瓦斯抽采钻孔均匀分布在工作面内，使瓦斯抽采达到最佳效果，从而有效降低煤层内部的瓦斯量，保证后续工作面回采过程中的安全性。

18、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

19、1、本发明先确定工作面前方冲击危险区域内各个位置的冲击危险程度，并将冲击危险区域内划分成中等和强，评价为无或弱的区域剔除；这样就能有针对性的实施卸压工作，使得卸压范围更精准；然后根据冲击危险程度确定卸压钻孔的直径，接着根据卸压钻孔直径计算得出初步的钻孔间距及每个瓦斯抽采钻孔的煤层瓦斯抽采有效半径，最后两者比较取较小值作为最终的卸压钻孔施工间距，使得中等冲击危险区域和强冲击危险区域分别采用不同的卸压钻孔间距，这样能保证卸压钻孔达到所需的卸压效果，同时瓦斯抽采钻孔在后续布设时能覆盖整个煤层工作面；卸压钻孔施工后，冲击危险区域进行卸压，同时将部分卸压钻孔改造成瓦斯抽采钻孔，实现对煤层工作面内部的瓦斯抽采，最终能同时对冲击地压和瓦斯突出双重灾害进行同时防治，实现冲击地压防治和瓦斯治理效果的协调，另外由于瓦斯抽采钻孔是利用的部分卸压钻孔改造形成，因此能有效减少瓦斯抽采钻孔工程量，从而达到降本增效的目的。

20、2、本发明中在卸压钻孔进行布设时，其钻孔深度及布设方式根据煤层厚度确定，其中煤层开采厚度小于3.5m时，卸压钻孔成一排布设；当煤层开采厚度大于3.5m时，则采用三花眼布置方式，且根据厚度的情况，分别采用两层或三层的布置方式，这种根据不同煤厚分别采用不同布设方式进行布设，能在不额外增加卸压钻孔数量的前提下，有效保证对不同煤层厚度的卸压效果，从而在保证后续工作面回采过程安全性的前提下，有效节约施工成本并提高施工效率。

21、3、本发明在卸压钻孔和瓦斯抽采钻孔施工后进行卸压效果评价，当某一冲击地压危险区域未达到卸压效果，则需要在该区域中相邻卸压钻孔间距d’的中点处增设爆破孔进行爆破卸压，通过多重卸压方式，最终保证冲击危险区域的卸压效果，从而保证后续工作面回采过程中的安全性。