CN104213932A

CN104213932A - 一种突出煤层水力相变致裂石门揭煤方法

Info

Publication number: CN104213932A
Application number: CN201410387448.3A
Authority: CN
Inventors: 翟成; 林柏泉; 彭深; 余旭; 向贤伟; 徐吉钊; 倪冠华; 李全贵; 杨威; 许彦明; 汤宗情; 武世亮; 仲超
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2034-08-07
Also published as: CN104213932B

Abstract

一种突出煤层水力相变致裂石门揭煤方法，适用于高瓦斯突出煤层石门揭煤作业。在石门揭煤工作面距煤层的最小法向距离大于或等于7m位置处，向揭煤区域分别多个钻孔，采用常规胶囊封孔煤层注水技术，将水通过钻孔注入煤层，注水结束后，通过常规制冷冻结技术将注水孔周围煤层冻结，冻结过程中煤层中的自由水逐渐由液态转化为固态，水在相变过程中体积膨胀9.1％；冻结结束后，冻结煤层吸收井下环境热量逐渐融解。冻融结束后，将注水孔与瓦斯抽采管路连接进行瓦斯抽采、或者在相变致裂区域向煤层实施瓦斯抽采钻孔进行瓦斯抽采。当煤层瓦斯含量小于8m³/t时停止瓦斯抽采，再次向注水孔注水，完成煤层的二次冻结，然后按照常规揭煤方法揭开煤层。

Description

一种突出煤层水力相变致裂石门揭煤方法

技术领域

本发明涉及一种石门揭煤方法，尤其是一种适用于高瓦斯突出的煤层水力相变致裂石门揭煤方法。

技术背景

煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一，尤其是石门揭穿煤层时突出强度最大、最危险。石门揭煤工作面前方煤岩应力状态易发生突然变化，岩石、煤层的弹性潜能以及瓦斯能量大量释放而发生高强度突出。石门揭煤突出的平均强度为其他各类巷道突出强度的6倍以上，80％以上的特大型突出都发生在石门揭煤过程中。由于石门揭煤施工工艺的特殊性，揭穿突出煤层全过程都有突出危险，并可能发生连续突出、延期突出和自行揭开突出，比一般类型突出防治难度更大。

目前，高瓦斯突出煤层石门揭煤方法主要从卸压和加固两个方面实施，在煤层卸压增透方面主要有水力冲孔、松动爆破和水力割缝等措施，在煤层加固方面主要有金属骨架和注浆加固等措施。这些措施在石门揭煤防突工作中取得了一定的成效，但是也存在很大的局限性，水力割缝等措施能有效卸除地应力和瓦斯压力，但同时破坏了煤层完整性，揭煤区域煤层强度降低；注浆加固能有效提高煤层强度，但是水泥砂浆只能在裂隙中渗透扩散，由于煤层裂隙开度小，水泥浆扩散半径有限，只能小范围的实现揭煤区域煤层强度，无法实现区域性加固。因此，迫切需要提供一种石门揭煤方法，既能满足卸压增透高效抽采煤层瓦斯，又能强化加固揭煤区煤层强度，实现安全快速揭煤。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种突出煤层水力相变致裂石门揭煤方法，利用水的相变原理，利用煤层注水技术与制冷技术相结合，对煤层相变致裂对目标煤层进行卸压透气，通过实施瓦斯抽采有效降低煤层的瓦斯含量，然后重复注水和冻结作业对煤层进行二次冻结，提高煤层的强度和抗冲击能力，从而消除石门揭煤过程中的突出危险性。

技术方案：本发明的突出煤层水力相变致裂石门揭煤方法，包括以下步骤：

a.在石门揭煤工作面距煤层的最小法向距离大于或等于7m位置处，穿过保护岩柱向煤层分组布置相变致裂单元，每个相变致裂单元包括一个注水孔、两个冻结孔和两个测温孔，实施过程如下：

首先施工注水孔，然后在注水孔的两侧分别施工一个冻结孔，冻结孔距离注水孔孔口距离为0.2～0.5m，终孔距离为5～10m，然后在注水孔与两个冻结孔中间分别施工一个测温孔；

b.向注水孔中送入高压注水管，采用胶囊封孔器对注水孔进行封孔；将温度传感器送入测温孔中，对测温孔进行注浆封孔；将冻结管送入冻结孔内，送入深度为不小于冻结孔深度的80％；

c.将高压注水管和注水孔相连接，采用高压注水泵通过高压注水管向注水孔中注入高压水，注水的压力为3-15MPa，待注水孔周围煤壁出现渗水现象、或注水压力突然降低、或持续注水压力无明显变化时停止注水；

d.将冻结孔内的冻结管与井下冻结系统相连接，通过冻结管对煤层进行冻结相变致裂，相变致裂过程中，设在两个测温孔内的温度传感器分别经数据线将煤层内的温度信号传输给数字温度显示仪，通过数字温度显示仪实时监测两个测温孔内煤层的温度，当两个测温孔内煤层的温度达到-3℃时，则判断出该相变致裂单元内的注水煤层已经冻结；

e.完成相变致裂之后，关闭冻结系统，使冻结后的煤层吸收井下环境热量逐渐融解，当数字温度显示仪显示两个测温孔内的温度均大于3℃时，则认为相变致裂范围内冻结煤层中的水全部从固态转化为液态，完成一个单元的相变致裂过程；

f.将注水孔与瓦斯抽采管路相连，按常规技术在相变致裂后的单元内进行瓦斯抽采；

g.重复步骤a、b、c、d、e、f，进行下一单元的相变致裂和瓦斯抽采，周而复始，直至完成所有单元内的相变致裂和瓦斯抽采；

h.当煤层瓦斯含量小于8m³/t时，停止瓦斯抽采，再依次向所有相变致裂单元的注水孔注水并进行冻结，当所有测温孔内煤层的温度都达到-3℃时，则判断相变致裂单元内的注水煤层已经冻结；

i.按照常规揭煤方法揭开煤层。

当相变致裂区域进行瓦斯抽采过程中，瓦斯浓度、流量变化异常，可对该相变致裂单元重复进行注水、冻结，增强相变致裂区域内的煤层透气性，以达到强化瓦斯抽采的效果。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明适用于高瓦斯突出煤层石门揭煤作业。将常温的水通过钻孔注入煤层，注水结束后关闭注阀门，注入的水存留在煤层中并持续渗流进入更微小的裂隙；然后通过常规制冷冻结技术将注水钻孔周围煤层冻结，冻结过程中煤层裂隙中的自由水逐渐由液态转化为固态，发生相变变化；冻结结束后，冻结煤层吸收井下环境热量开始融解。完成冻融之后将注水孔内的高压注水管连接到瓦斯抽采管路进行瓦斯抽采，利用冻结影响区域煤层受到膨胀力的作用，迫使煤层中的较大裂隙扩展联通，并促使微小孔裂隙形成和逐渐张开，形成新的再生裂隙网，提供瓦斯在煤层中的流动通道，改变了煤层力学性质，提高了高瓦斯煤层的透气性，改善了煤层中的瓦斯流动状态。钻孔瓦斯抽采影响半径达10～40m，与普通抽采钻孔相比，单孔有效抽采影响半径扩大5～20倍，瓦斯抽采钻孔数减少20％～60％。同时，水力相变在煤层中产生的次生裂隙不断的产生和扩展，从宏观和微观层面都能有效的增加冻结区域煤层瓦斯的流动通道，煤层的透气性系数提高30～200倍，单孔瓦斯抽采量平均为0.8m³/min，瓦斯抽采浓度为30～90％，回采工作面瓦斯抽采率达到50％以上，解决了高瓦斯地透气性煤层瓦斯抽采效率低、抽采周期长、抽采钻孔影响范围小的问题。

附图说明

图1是本发明的揭煤工作面整体结构示意图。

图2是图1的A－A揭煤工作面相变致裂单元布置图。

图3是本发明的注水孔连接注水系统示意图。

图4是本发明的测温孔连接测温系统示意图。

图5是本发明的冻结孔连接冻结系统示意图。

图中：1－煤层，2—揭煤工作面，3—岩巷，4—保护岩柱，5—注水孔，6—测温孔，7—冻结孔，8—高压注水泵，9—高压注水管，10—截止阀，11—抽采管，12—胶囊封孔器，13—数字温度显示仪，14—数据线，15—钻孔封孔段，16—温度传感器，17—冻结管，18—冻结系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的突出煤层水力相变致裂石门揭煤方法，具体步骤如下：

a.在岩巷石门揭煤工作面2距煤层1的最小法向距离大于或等于7m位置处，穿过保护岩柱4向煤层1分组布置相变致裂单元，每个相变致裂单元包括一个注水孔5、两个冻结孔7和两个测温孔6，实施过程如下：

首先施工注水孔5，孔径75～130mm，孔深80～200m，成孔之后退出钻杆，然后在注水孔5的两侧分别施工一个冻结孔7，冻结孔7距离注水孔5孔口距离为0.2～0.5m，终孔距离为5～10m，然后在注水孔5与两个冻结孔7中间分别施工一个测温孔6；

b.将高压注水管9送入注水孔5中，采用胶囊封孔器12对注水孔5进行封孔，将温度传感器16送入测温孔6中，送入深度不小于20m，对测温孔6进行注浆封孔，封孔段15长度不小于5m；将冻结管17送入冻结孔7内，送入深度为不小于冻结孔7深度的80％；

c.将高压注水管9和注水孔5内的抽采管11相连接，采用高压注水泵8通过高压注水管9和抽采管11向注水孔5中注入高压水，注水的压力为3-15MPa，待注水孔5周围煤壁出现渗水现象、或注水压力突然降低、或持续注水压力无明显变化时停止注水，关闭注水孔5孔口的截止阀10；

d.将冻结孔7内的冻结管17与井下冻结系统18相连接，通过冻结管17对煤层1进行冻结相变致裂，相变致裂过程中，设在两个测温孔6内的温度传感器16分别经数据线14将煤层1内的温度信号传输给数字温度显示仪13，通过数字温度显示仪13实时监测两个测温孔6内煤层的温度，当两个测温孔6内煤层的温度达到-3℃时，则判断出该相变致裂单元内的注水煤层已经冻结；

e.完成相变致裂之后，关闭冻结系统18，使冻结后的煤层1吸收井下环境热量逐渐融解，当数字温度显示仪13显示两个测温孔6内的温度均大于3℃时，则认为相变致裂范围内冻结煤层1中的水全部从固态转化为液态，完成一个单元的相变致裂过程；

f.将注水孔5与瓦斯抽采管路相连，按常规技术在相变致裂后的单元内进行瓦斯抽采，也可在相变致裂影响区域内向煤层1施工多个瓦斯抽采钻孔进行瓦斯抽采，以提高瓦斯抽采的效率；

当相变致裂区域进行瓦斯抽采过程中，瓦斯浓度、流量变化异常，可对该相变致裂单元重复进行注水、冻结，增强相变致裂区域内的煤层透气性，以达到强化瓦斯抽采的效果，异常情况包括瓦斯的流量、浓度突然降低，流量在短时间(<10天)衰减至较低水平(<0.005m³/min)。

h.当煤层1瓦斯含量小于8m³/t时，停止瓦斯抽采，再依次向所有相变致裂单元的注水孔5注水并进行冻结，当所有测温孔6内煤层的温度都达到-3℃时，则判断相变致裂单元内的注水煤层已经冻结；

i.按照常规揭煤方法揭开煤层。

Claims

1.一种突出煤层水力相变致裂石门揭煤方法，其特征在于，包括以下步骤：

a．在石门揭煤工作面（2）距煤层（1）的最小法向距离大于或等于7m位置处，穿过保护岩柱（4）向煤层（1）分组布置相变致裂单元，每个相变致裂单元包括一个注水孔（5）、两个冻结孔（7）和两个测温孔(6)，实施过程如下：

首先施工注水孔（5），然后在注水孔（5）的两侧分别施工一个冻结孔（7），冻结孔（7）距离注水孔（5）孔口距离为0.2~0.5m，终孔距离为5~10m，然后在注水孔（5）与两个冻结孔（7）中间分别施工一个测温孔（6）；

b．向注水孔（5）中送入高压注水管（9），采用胶囊封孔器（12）对注水孔（5）进行封孔；将温度传感器（16）送入测温孔（6）中，对测温孔（6）进行注浆封孔；将冻结管（17）送入冻结孔（7）内，送入深度为不小于冻结孔（7）深度的80%；

c．将高压注水管（9）和注水孔（5）相连接，采用高压注水泵（8）通过高压注水管（9）向注水孔（5）中注入高压水，注水的压力为3-15MPa，待注水孔（5）周围煤壁出现渗水现象、或注水压力突然降低、或持续注水压力无明显变化时停止注水；

d．将冻结孔（7）内的冻结管（17）与井下冻结系统（18）相连接，通过冻结管（17）对煤层（1）进行冻结相变致裂，相变致裂过程中，设在两个测温孔（6）内的温度传感器（16）分别经数据线(14)将煤层（1）内的温度信号传输给数字温度显示仪(13)，通过数字温度显示仪(13)实时监测两个测温孔（6）内煤层的温度，当两个测温孔（6）内煤层的温度达到-3℃时，则判断出该相变致裂单元内的注水煤层已经冻结；

e．完成相变致裂之后，关闭冻结系统（18），使冻结后的煤层（1）吸收井下环境热量逐渐融解，当数字温度显示仪(13)显示两个测温孔（6）内的温度均大于3℃时，则认为相变致裂范围内冻结煤层（1）中的水全部从固态转化为液态，完成一个单元的相变致裂过程；

f．将注水孔（5）与瓦斯抽采管路相连，按常规技术在相变致裂后的单元内进行瓦斯抽采；

h．当煤层（1）瓦斯含量小于8m³/t时，停止瓦斯抽采，再依次向所有相变致裂单元的注水孔（5）注水并进行冻结，当所有测温孔（6）内煤层的温度都达到-3℃时，则判断相变致裂单元内的注水煤层已经冻结；

i．按照常规揭煤方法揭开煤层。

2.根据权利要求1所述的一种突出煤层水力相变致裂石门揭煤方法，其特征在于：当相变致裂区域进行瓦斯抽采过程中，瓦斯浓度、流量变化异常，可对该相变致裂单元重复进行注水、冻结，增强相变致裂区域内的煤层透气性，以达到强化瓦斯抽采的效果。