CN101382073A - “三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法 - Google Patents

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张树良
孙飞
程东全
王志坚
孟宪义
高爱民
郑明宗
郭智君
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Abstract

本发明公开了一种“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法，在煤层下方底板岩内布置岩石巷道，在底板岩层内施工瓦斯预抽的穿层钻孔，钻孔穿煤层后将钻头拉回到煤层底板位置，接压力水对钻孔进行冲孔，冲孔深度≤3米，冲孔控制半径为2－6米，实现连续抽放孔内瓦斯，在瓦斯抽放量为每小时0.1立方米时，停止对钻孔进行抽放；利用抽放过瓦斯的钻孔对煤层进行注水，注水压力控制在10－15MPa，煤层内注水效果达到施工要求时停止注水；工作面回采后，用该钻孔进行采空区抽放。利用本发明增加了“三软”低透气煤层瓦斯解析速度，提高了瓦斯抽放效果，使高瓦斯煤层实现低瓦斯施工，实现了一孔三用，不但保证了施工期间的安全，而且，最大限度的提高了巷道的掘进速度。

Description

“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法
技术领域：
本发明涉及一种煤层掘进方法，尤其涉及一种适用于煤质松软的“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法。
背景技术：
煤质松软适合手镐落煤，煤质呈小颗粒或粉状极易发生漏顶现象；煤层干燥，工作面粉尘大，巷道掘进前煤层必须注水否则无法施工。因为煤质松软瓦斯释放钻孔和掘进巷道预抽钻孔因塌孔严重而无法施工，所以巷道掘进过程中会受到瓦斯的严重制约；巷道围岩松软压力大，煤巷维护困难，很难布置长距离掘进工作面。掘进工作面施工过程中瓦斯涌出量大，掘进工作面长度超过30米时，仅靠风排已不能彻底解决瓦斯。严重影响煤巷掘进速度，月掘进进尺仅为30-40米。
采用煤层注水，对煤体有一定的固化作用，在掘进施工中发生漏顶的现象明显减少，也很好的改善了施工环境，但掘进工作面的瓦斯涌出量不能得到解决，无法从根本上排除瓦斯隐患。
发明内容：
为了解决“三软”煤层掘进工作速度慢，瓦斯无法及时排除的问题，本发明的目的是提供一种掘进速度快、煤层瓦斯及时排出、适于松软煤层，提高煤层掘效率，提高煤层掘进安全性的“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法。
本发明的技术方案是以下述方式实现的：
一种“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法，它是利用底板岩巷打穿层钻孔，采用水力冲孔的方式增加钻孔内部煤体暴露面积，再进行抽放瓦斯，其具体步骤为：
(1)、在煤层下方底板岩内按照回采工作面走向位置布置岩石巷道，在底板岩巷形成完善的通风系统，利用底板岩巷做安全屏障，在底板岩层内采用风动冲击器钻进瓦斯预抽的穿层钻孔，钻孔穿煤层后将钻头拉回到煤层底板位置，接压力水对钻孔进行冲孔，冲孔深度≤3米，冲孔半径为2-6米；
(2)、对冲孔连续抽放孔内瓦斯，在瓦斯抽放量低于每小时0.1立放米时停止对钻孔进行抽放；利用抽放过瓦斯的钻孔对煤层进行注水，注水压力控制在10-15MPa，煤层内注水效果达到施工要求时停止注水；工作面回采后利用该钻孔进行采空区抽放。
所述的底板岩巷道为上、下两个连通的岩巷，底板岩上岩巷在煤层回采工作面的工作面上顺槽的下方，底板岩下岩巷在煤层回采工作面的工作面下顺槽的下方，底板岩上岩巷、底板岩下岩巷通过连巷连通。
在上下底板岩巷内每30米布置一个钻场，每个钻场布置5—7个钻孔，每个钻孔控制半径≤2.5米，钻孔在煤层内煤巷预掘位置呈线性布置。
所述的钻孔间距5-8米。
所述的连续抽放孔内瓦斯时间最低为15天。
钻孔分别布置在上顺槽超前预掘进煤巷和下顺槽超前预掘进煤巷的两侧以尽可能的减小因冲孔对于掘巷道位置煤层的破坏。
所述的工作面上顺槽施工巷道长度为75米，巷道掘进50米以内时瓦斯绝对涌出量为1.2-1.8立方米/分钟，瓦斯涌出量同比明显减小，单趟风筒配300米3/min风，以满足掘进工作面的需要。
本发明的发明点是：利用底板岩巷做安全屏障，实施卸压抽放和煤层注水的措施工程，以水力冲孔为技术手段提高煤层的透气性。通过抽放使高瓦斯区域变成低瓦斯掘进，并通过抽放钻孔对煤层进行注水，将原来在煤巷掘进工作面中进行的工作环节移到底板岩巷中进行。
本发明的积极效果是：
1、通过在底板岩巷布置钻孔进行水力冲孔，增加了“三软”低透气煤层瓦斯解析速度，提高了瓦斯抽放效果，使高瓦斯煤层实现低瓦斯施工，消除了因掘进巷道瓦斯涌出量大对掘进施工的制约。
2、同时，利用抽放钻孔进行煤层注水和采空区抽放，实现了一孔三用，减少了施工工序，将在煤巷掘进工作面实施的措施工程提前移到底板岩行中进行，不但保证了施工期间的安全，而且，最大限度的提高了巷道的掘进速度。
附图说明：
图1为本发明的底板岩巷抽放瓦斯回采工作面巷道布置示意图。
图2为底板岩巷钻场布置示意图。
图3为钻孔剖面图。
图4为水力冲孔效果示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例一：
由图1可以看出：在煤层回采工作面1上下方灰岩内按照回采工作面走向位置布置底板岩巷道，由于该岩层质地坚硬赋存稳定，可以施工裸体巷道，从而提高掘进速度；由图2可以看出：在底板岩上下岩巷形成完善的通风系统11后打瓦斯预抽的穿层钻孔13；
由图1还可以看出：底板岩巷道为上、下两个连通的岩巷，底板岩上岩巷4在煤层回采工作面1的工作面上顺槽2的上方沿上顺槽超前掘进煤巷6设置，底板岩下岩巷5在煤层回采工作面1的工作面下顺槽3的下方沿下顺槽超前掘进煤巷7设置，底板岩上岩巷4、底板岩下岩巷5通过底板岩上岩巷8、底板岩下岩巷9和上下底板岩连巷10联通；
由图2可以看出：在上下底板岩巷内每30米布置一个钻场12，每个钻场布置5—7个钻孔13，每个钻孔控制半径≤2.5米，钻孔在煤层内煤巷预掘位置呈线性布置，钻孔间距6-8米。
由图3、图4还可以看出：钻孔13穿煤层后将钻头拉回到煤层底板位置，接压力水对钻孔进行冲孔使钻孔在煤层中扩大膨胀，冲孔深度≤3米；
本发明在永华二矿进行实验如下：实验编号为21021
永华二矿所采的主采煤层为二1煤层，其发热量29.56MJ/kg，容重1.5t/m3。二1煤属低～中灰、低硫、低磷、中高发热量粉状无烟煤。该煤层顶板为6米厚的砂质泥岩，质地松软极易垮落。煤层底板为0.3米的胶质泥岩，其次是2-4米厚的泥质页岩层理发育易破碎，下部为质地坚硬4-6米厚的灰岩。二1煤层机械强度低，硬度系数0.1-0.2，松软易碎，多呈粉状及小碎粒状产出，以亮煤为主，暗煤次之，参差状断口，玻璃光泽，是典型的“三软”煤层，该煤层厚度6—10米极利于放顶煤回采。根据河南理工大学提供的瓦斯取样结果，测定-200m以上，瓦斯相对涌出量为17m3/t.d左右，-200m以下瓦斯最高相对涌出量可达23m3/t.d，煤层厚度变化大，带来瓦斯赋存不均一，特厚煤层处瓦斯含量较高。在煤层内尝试打释放孔，但因煤层软塌孔严重而无法施工，直径75mm钻孔，只能打3米深就发生夹钻现象，钻杆拔出后钻孔随即消失，直径42mm钻孔最多打6米，钻杆拔除后不到30分钟钻孔就全部消失，无法达到瓦斯释放效果。采用深孔爆破，炸药在煤体内起爆后，因软煤体的吸收作用，对瓦斯释放没有效果。
本发明中，钻机采用西安煤科院生产的MK-3型全液压钻机，在底板岩层内采用风动冲击器钻进，进入煤层后改用合金钻头钻进，使用压风排粉。钻孔穿煤层后将钻头拉回到煤层底板位置，接压力水进行冲孔，水压为0.5-1MPa。经过现场观察冲孔深度不超过3米，否则很难形成空间。冲出煤量以不超过10吨为宜，否则，冲孔后很快就出现塌方现象，影响瓦斯抽放效果。
用瓦斯抽放系统连续抽放孔内瓦斯，连续抽放时间超过15天，单孔瓦斯抽放量小于每小时为0.1立方时，停止对钻孔进行抽放，并利用抽放过的钻孔对煤层进行注水，注水压力控制在10-15MPa，从掘进工作面揭露的煤体可以看出，煤层内注水效果达到施工要求即停止注水。
注水时间为掘进工作面注水时间的4倍，一般定位16个小时。
钻孔按照煤巷预掘位置布置时，当钻孔冲出煤量大于10吨时，巷道掘进时压力明显增大，冲出煤量不超过10吨时，巷道压力不明显，为减少水力冲孔对煤层原始应力的破坏，钻孔布置在预掘巷道的两侧，尽可能的减小因冲孔对于掘巷道位置煤层的破坏。
工作面上顺槽施工巷道长度75米，经过对该巷道位置的煤层进行水力冲孔预抽，巷道掘进50米以内时瓦斯绝对涌出量为1.2-1.8立方米/分钟，瓦斯涌出量同比明显减小，单趟风筒配300米3/min风，就可以满足掘进工作面的需要。
采用本发明后，巷道掘进长度超过50米后瓦斯涌出量有所增加才开双趟风筒配500米3/min风掘进。上顺槽75米掘进巷道在施工过程中基本杜绝了瓦斯超限。工作面下顺槽外段在施工时没有进行瓦斯预抽，掘进过程中配600米3/min风，曾造成的多次瓦斯超限。工作面下顺槽里段施工巷道长度55米瓦斯涌出量和施工下顺槽外端没有进行地板瓦斯预抽相比较明显减小，配风300米3/min就以满足通风要求。出现的几次短时间的瓦斯超限都是顶板漏煤造成的。采用底板岩巷打钻水利冲孔泄压抽放效果明显。
实验中上岩巷一联巷在揭煤前，采用下花管预抽，揭煤时瓦斯涌出量大，严重影响施工进度。下岩巷一联巷在揭煤前采用水力冲孔泄压预抽，抽放时间7天，揭煤时瓦斯涌出量很小，没有发生一次瓦斯超限现象。
通过在底板岩巷布置钻孔进行水力冲孔，增加了“三软”低透气煤层瓦斯解析速度，提高了瓦斯抽放效果，使高瓦斯煤层实现低瓦斯施工，消除了因掘进巷道瓦斯涌出量大对掘进施工的制约，同时，利用抽放钻孔进行煤层注水和采空区抽入，实现了一孔三用，减少了施工工序，将在煤巷掘进工作面实施的措施工程提前移到底板岩行中进行，不但保证了施工期间的安全，而且，最大限度的提高了巷道的掘进速度。
从上、下顺槽掘进情况看，煤层经过泄压预抽，瓦斯问题已基本不影响煤巷掘进，煤巷掘进速度明显加快，原先每月掘进尺不超过40米，经过预抽后每月掘进进尺达到80-90米水平。采用底板岩巷水力冲孔泄压瓦斯抽放工艺，在二矿瓦斯防治方面起到很好的作用，创造了良好的技术和经济效益。此项技术在“三软”低透气高瓦斯煤层的瓦斯治理方面，开辟了新的思路，值得应用和推广。
本发明中、底板巷道的布置方式，岩巷可以超前掘进，形成完善通风系统，为形成抽放系统创造环境。打钻和煤层注水过程中有岩层的天然屏障，施工安全可靠。打钻和煤层注水等措施工程在岩层内进行，对煤巷施工没有任何影响；煤巷分段施工减少因“三软”煤层压力大造成的巷道修复量大的弊端。岩石巷道在布置上，为上、下两个煤巷工作面共同使用，以提高岩巷的利用率。
由于煤层松软，底板岩巷的穿层钻孔抽放效果并不好，连接20个钻孔，瓦斯抽放浓度不超过0.5％，每天的抽放量100左右立方瓦斯。经检查发现钻孔被煤粉堵死，无法达到抽放效果。
瓦斯抽不出来的原因是煤层内没有瓦斯释放空间和通道，根据二矿煤质松软的特点，使用压力水很容易将钻孔扩大，形成瓦斯解析空间。使用压力水进行冲孔，在一个钻孔内冲出几吨煤炭，冲孔后钻孔内瓦斯涌出量明显加大，增加1个钻孔瓦斯抽放量由原来的每天70-80立方米猛增到920立方米以上，效果十分明显。
2007年2月份1个经过冲孔钻孔的抽放量
 
18日 19日 20日 21日 22日 23日 24日 25日 26日
927m3 760m3 752m3 731m3 648m3 533m3 421m3 379m3 320m3
从上面一个钻孔的抽放量可以看出，采用水力冲孔措施，效果是很有效的，抽放量衰减的速度也很快，和掘进工面内瓦斯释放的规律是一致的。可以看出采用底板岩巷水力冲孔方案治理二矿的瓦斯是有效的方案。
对已经打好的钻孔全部进行冲孔，在冲孔过程中能够在钻孔内形成空间有瓦斯涌出的，占钻孔总数的89％；其中有一部分钻孔在冲的过程中无法形成空间，最多的一个钻孔冲出36吨煤不见有瓦斯涌出，但这个钻孔对煤层一起到充分的泄压作用。有部分钻孔抽放两三天后又被煤粉堵死，需要重新冲孔；冲孔效果见下表：
21021上岩巷2号钻场钻孔参数
Figure A200710189657D00101
Figure A200710189657D00111
冲孔成功率统计如下表：
 
统计钻孔数 有瓦斯涌出率         1次冲孔率 2次冲孔率 3次冲孔率     
34个 89％ 21％ 58％ 21％
钻孔按照煤巷预掘位置布置时，当钻孔冲出煤量大于10吨时，巷道掘进时压力明显增大，冲出煤量不超过10吨时，巷道压力不明显，为减少水力冲孔对煤层原始应力的破坏，钻孔布置在预掘巷道的两侧，尽可能的减小因冲孔对于掘巷道位置煤层的破坏。
从2月17日开始时用水力冲孔后，抽防效果十分明显。
 
2月份瓦斯抽放量 3月份瓦斯抽放量 4月份瓦斯抽放量
3490.507立方米 13468.646立方米 40913.72立方米

Claims (6)

1、一种“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法，它是利用底板岩巷打穿层钻孔，采用水力冲孔的方式增加钻孔内部煤体暴露面积，再进行抽放瓦斯，其具体步骤为：
(1)、在煤层下方底板岩内按照回采工作面走向位置布置岩石巷道，在底板岩巷形成完善的通风系统，利用底板岩巷做安全屏障，在底板岩层内采用风动冲击器钻进瓦斯预抽的穿层钻孔，钻孔穿煤层后将钻头拉回到煤层底板位置，接压力水对钻孔进行冲孔，冲孔深度≤3米，冲孔控制半径为2-6米；
(2)、对冲孔连续抽放孔内瓦斯，在瓦斯抽放量低于每小时0.1立放米时停止对钻孔进行抽放；利用抽放过瓦斯的钻孔对煤层进行注水，注水压力控制在10-15MPa，煤层内注水效果达到施工要求时停止注水；工作面回采后利用该钻孔进行采空区抽放。
2、根据权利要求1所述的“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法，其特征在于：所述的底板岩巷道为上、下两个连通的岩巷，底板岩上岩巷(4)在煤层回采工作面(1)的工作面上顺槽(2)的上方，底板岩下岩巷(5)在煤层回采工作面(1)的工作面下顺槽(3)的下方，底板岩上岩巷(4)、底板岩下岩巷(5)通过连巷(10)连通。
3、根据权利要求2所述的“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法，其特征在于：在上下底板岩巷内每30米布置一个钻场(12)，每个钻场布置5—7个钻孔(13)，每个钻孔控制半径≤2.5米，钻孔在煤层内煤巷预掘位置呈线性布置。
4、根据权利要求3所述的“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法，其特征在于：所述的钻孔(13)间距5-8米。
5、根据权利要求1、2、3或4所述的“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法，其特征在于：所述的连续抽放孔内瓦斯时间最低为15天。
6、根据权利要求5所述的“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法，其特征在于：钻孔(13)分别布置在上顺槽超前预掘进煤巷(6)和下顺槽超前预掘进煤巷(7)的两侧以尽可能的减小因冲孔对于掘巷道位置煤层的破坏。
7、根据权利要求6所述的“三软”低透气性高瓦斯煤层快速掘进方法，其特征在于：工作面上顺槽(2)施工巷道长度为75米，巷道掘进50米以内时瓦斯绝对涌出量为1.2-1.8立方米/分钟，瓦斯涌出量同比明显减小，单趟风筒配300米3/min风，以满足掘进工作面的需要。
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