CN105909254A - 突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法 - Google Patents

突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法 Download PDF

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Abstract

一种突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，包括步骤一：在开采煤层的待掘煤巷下方的底部巷道准备多个钻场；步骤二：通过钻场施工底板上仰穿层定向孔，探明待掘煤巷影响区内的煤层变化情况和隐蔽地质异常体情况，安装瓦斯抽采管路超前预抽煤层内瓦斯，采用密闭取样装置对瓦斯抽采效果进行取样检查，若煤层残余瓦斯含量≤8m3/t或者瓦斯压力≤0.74MPa，则停止抽采；步骤三：根据探明的煤层变化情况和隐蔽地质异常体情况进行煤巷掘进；由此，本发明减少了现有技术的物探工程量、钻孔工程施工量和底抽巷掘进工程量，缩短了施工周期、探查和瓦斯抽采达标周期，保障了突出煤层巷道掘进安全高效进行。

Description

突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法
技术领域
本发明涉及突出煤层掩护煤巷掘进的技术领域，尤其涉及一种突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法。
背景技术
高瓦斯、瓦斯突出矿井煤炭产量占我国煤炭产量30％，煤与瓦斯突出事故常发生在高瓦斯、瓦斯突出矿井突出煤层煤巷掘进过程中，对矿井安全生产造成很大威胁，且煤巷掘进速度影响了工作面圈闭速度和回采速度，制约了矿井采煤速度。
影响突出煤层煤巷掘进的主要问题有：一是突出煤层瓦斯含量高，必须提前进行瓦斯预抽采，达到安全标准后，才可进行巷道掘进；二是巷道掘进前方煤层变化情况和是否存在隐蔽致灾因素不明，需要提前进行探查，提前制定预防措施和技术方案。
针对瓦斯抽采问题，目前一般采用待掘煤层底板下部的底抽巷结合常规穿层钻孔进行瓦斯预预抽，但是其施工钻孔数量多，工程量大，覆盖面积小，生产成本高；针对超前探查问题，目前主要采用井下物探技术进行初探，然后采用常规回转钻进成孔进行查明，探测距离短，且需与巷道掘进交叉进行，效率低，影响施工进度。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，针对目前煤矿井下采用不同办法分别进行瓦斯抽采和超前探查存在的不足，研究设计出一种突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，针对目前煤矿井下突出煤层巷道掘进掩护方法存在的不足，减少了现有技术的物探工程量、钻孔工程施工量和底抽巷掘进工程量，缩短了施工周期、探查和瓦斯抽采达标周期，保障了突出煤层巷道掘进安全高效进行。
为解决上述问题，本发明公开了一种突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：在开采煤层的待掘煤巷下方的底部巷道准备多个钻场；
步骤二：通过钻场施工底板上仰穿层定向孔，探明待掘煤巷影响区内的煤层变化情况和隐蔽地质异常体情况，安装瓦斯抽采管路超前预抽煤层内瓦斯，预抽一定时间后采用密闭取样装置对瓦斯抽采效果进行取样检查，若煤层残余瓦斯含量≤8m3/t或者瓦斯压力≤0.74MPa，则停止抽采；
步骤三：根据探明的煤层变化情况和隐蔽地质异常体情况进行煤巷掘进。
其中：所述底部巷道布置在与待掘煤巷底板垂直距离10～20m的稳定煤岩层中，所述底部巷道的长度等于待掘煤巷长度减去底板上仰穿层定向钻孔的水平投影长度并加上超前距离50m。
其中：所述底板上仰穿层定向孔由上仰套管孔段和定向煤层孔段两部分组成，所述上仰套管孔段为从钻孔底板开孔点至见煤点之间的孔段，所述定向煤层孔段为钻孔在煤层中顺层延伸的孔段。
其中：所述上仰套管孔段的开孔点的倾角和见煤点的倾角均控制在8-15°。
其中：所述上仰套管孔段采用回转钻进技术施工，下入2级套管；第一级套管外径为Φ146mm，下入深度≥6m，从而能超过底部巷道围岩变形破坏圈；第二级套管外径为Φ127mm，下入至进入煤层，所述第一级和第二级套管的材质为钢材，其壁厚≥4mm。
其中：所述定向煤层孔段的直径不小于96mm，全孔倾角均大于0°，在煤层中部延伸，向前前进施工时，每隔80m施工上向分支，通过上向分支探查出煤层的顶板高度；钻孔深度达到设计值后退钻过程中，每隔100m施工一个下向分支，探查出煤层底板的高度。
其中：煤层的变化情况包含煤层起伏倾角变化和煤层厚度变化，不同孔深的顶板高度差值除于孔深差值后进行反正弦计算确定起伏倾角；同一孔深顶板高度和底板高度的差值即为煤层厚度；煤层中隐蔽地质异常体情况通过底板上仰穿层定向孔钻进过程进行确定，顺利钻进通过则不存在隐蔽地质异常体，钻进中存在返水减少或增加、坍塌卡钻等异常钻进现象，标记下异常点孔深，即为隐蔽致灾地质异常体所在位置。
其中：待掘煤巷是1个单独巷道，待掘煤巷影响区为待掘煤巷上帮和下帮各30m，同一钻场内的底板上仰穿层定向钻孔数量≥3个，每个底板上仰穿层定向钻孔为多分支枝状钻孔结构，相邻钻孔开孔点相距0.5～1m，定向煤层孔段钻孔间距≤5m。
其中：待掘煤巷是相距50m以内的几个待掘煤巷组成的待掘煤巷群；此时底部巷道位于煤巷群下方正中；待掘煤巷影响区为待掘煤巷上帮和下帮各30m，同一钻场内底板上仰穿层定向钻孔施工数量≥3个，每个底板上仰穿层定向钻孔为多分支枝状钻孔结构，相邻钻孔开孔点相距0.5～1m，定向煤层孔段钻孔间距≤5m。
其中：底板上仰穿层定向钻孔平面布置位于待掘煤巷内时，每钻进100m取出孔内定向钻具，从钻孔内下入密闭取样装置，进行煤样密闭采集；煤样取出钻孔后，将气密性测试合格的煤样进行现场瓦斯解吸，获得取样点煤层瓦斯含量，底板上仰穿层定向钻孔预抽一定时间后，沿待掘煤巷延伸方向在待掘煤巷影响区内每间隔20～30m布置1个检验测试点，采用密闭取样装置进行煤样密闭采集；煤样取出钻孔后，将气密性测试合格的煤样进行现场瓦斯解吸，获得煤层残余瓦斯含量，完成对瓦斯抽采效果的检查。
通过上述结构可知，本发明的突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法具有如下效果：
1、既可超前对煤层变化情况和隐蔽地质异常体进行探查，又可同时超前抽采瓦斯，煤层孔段延伸率长，减少了现有技术的物探工程量、钻孔工程施工量和底抽巷掘进工程量，缩短了施工周期、探查和瓦斯抽采达标周期，保障了突出煤层巷道掘进安全高效进行。
2、利用待掘煤巷下方已有底部巷道施工底板上仰穿层定向钻孔对待掘煤巷影响区进行超前探查和区域瓦斯抽采，从而掩护煤巷掘进的技术方法。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1是突出煤层底板上仰穿层定向孔和待掘煤巷剖面正视图。
图2是单个待掘煤巷时突出煤层底板上仰穿层定向孔平面俯视图。
图3是多个待掘煤巷时突出煤层底板上仰穿层定向孔平面俯视图。
附图标记：
煤层1、待掘煤巷2、底部巷道3、钻场4、底板上仰穿层定向孔5、上仰套管孔段6、定向煤层孔段7、开孔点8、见煤点9、上向分支10、顶板11、下向分支12、底板13。
具体实施方式
参见图1至图3，显示了本发明的突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法。
所述突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法包括如下步骤：
步骤一：在开采煤层1的待掘煤巷2侧下方的底部巷道3准备多个钻场4，可选的是，所述底部巷道3的走向与待掘煤巷2相同，布置在与待掘煤巷2底板垂直距离10～20m的稳定煤岩层中，其高度随煤层1的起伏而变化，保持两者相对平衡，所述底部巷道3的长度等于待掘煤巷2长度减去底板上仰穿层定向钻孔5的水平投影长度并加上超前距离50m；
优选的是，所述钻场4可位于底部巷道3掘进迎头或侧帮，相邻钻场4间的距离等于底板上仰穿层定向钻孔5的水平投影长度，为提高钻场4的可操作性，所述钻场4的长不小于6m、宽不小于5.5m、高不小于3m。
步骤二：通过钻场4施工底板上仰穿层定向孔5，所述底板上仰穿层定向孔5进入待掘煤巷影响区，探明待掘煤巷影响区内的煤层1变化情况和隐蔽地质异常体情况，安装瓦斯抽采管路超前预抽煤层1内瓦斯，预抽一定时间后采用密闭取样装置对瓦斯抽采效果进行取样检查，若煤层1残余瓦斯含量≤8m3/t或者瓦斯压力≤0.74MPa，则可停止抽采；
可选的是，所述底板上仰穿层定向孔5在各钻场4中采用上仰方向开孔，穿过底板后进入煤层1，并在煤层1中长距离延伸，其中，所述底板上仰穿层定向孔5可由上仰套管孔段6和定向煤层孔段7两部分组成，所述上仰套管孔段6为从钻孔底板开孔点8至见煤点9之间的孔段，所述定向煤层孔段7为钻孔在煤层1中顺层延伸的孔段，所述上仰套管孔段6采用回转钻进技术施工，而定向煤层孔段7采用双驱动定向钻进施工，通过不同施工配置，即提高钻孔效率，又保证了钻孔轨迹沿设计延伸。
其中，由于需要从上仰方向进行开孔，其角度的设置非常重要，其角度设置既要保证上仰套管孔段的套管顺利下放，又要确保定向煤层孔段在煤层中部延伸和安全钻进，因此，将所述上仰套管孔段6的开孔点8的倾角和见煤点9的倾角均控制在8-15°，优选为10-12°，通过这些特定的角度设置，保证了后续步骤的顺利进行。
其中，在所述上仰套管孔段6进行回转钻进技术施工中，可下入2级套管，第一级套管外径为Φ146mm，下入深度≥6m，从而能超过底部巷道3围岩变形破坏圈；第二级套管外径为Φ127mm，下入至进入煤层1；所述第一级和第二级套管的材质为钢材，其壁厚≥4mm。
其中，所述定向煤层孔段7采用双驱动定向钻进施工中，所述定向煤层孔段7的直径不小于96mm，全孔倾角均大于0°，在煤层1中部延伸，向前前进施工时，每隔80m施工上向分支10，通过上向分支10探查出煤层1顶板11高度；钻孔深度达到设计值后退钻过程中，每隔100m施工一下向分支12，探查出煤层1底板13的高度。
其中，煤层1的变化情况可包含煤层起伏倾角变化和煤层厚度变化，不同孔深的顶板11高度差值除于孔深差值后进行反正弦计算，即可得到待掘煤巷2延伸方向上的煤层1起伏倾角；同一孔深顶板11高度和底板13高度的差值即为煤层1厚度。
其中，煤层1中隐蔽地质异常体情况可通过底板上仰穿层定向孔5钻进过程进行确定，顺利钻进通过则不存在隐蔽地质异常体，钻进中存在返水减少或增加、坍塌卡钻等异常钻进现象，标记下异常点孔深，即为隐蔽致灾地质异常体所在位置。
步骤三：根据探明的煤层变化情况和隐蔽地质异常体情况进行煤巷掘进。
其中，底板上仰穿层定向钻孔5之间彼此搭接，相邻钻场4的底板上仰穿层定向钻孔5搭接长度为上仰套管孔段6水平投影长度。
其中，所述待掘煤巷2位于开采煤层1，可以是1个单独巷道，也可以是相距50m以内的几个待掘煤巷组成的待掘煤巷群，待掘煤巷影响区为待掘煤巷2上帮和下帮各30m。
参见图2，待掘煤巷2可以是1个单独巷道，此时底部巷道3位于待掘煤巷2侧下方，待掘煤巷影响区为待掘煤巷2上帮和下帮各30m。在同一钻场4内的底板上仰穿层定向钻孔5施工数量≥3个，钻孔的数量由待掘煤巷2影响区宽度确定；底板上仰穿层定向钻孔5应能覆盖待掘煤巷2影响区；每个底板上仰穿层定向钻孔5为多分支枝状钻孔结构，多个底板上仰穿层定向钻孔5呈集束型布置，相邻钻孔开孔点8相距0.5～1m，定向煤层孔段7钻孔间距≤5m。底板上仰穿层定向钻孔5平面布置位于待掘煤巷2内时，施工过程中，每钻进100m，取出孔内定向钻具，从钻孔内下入密闭取样装置，进行煤样密闭采集；煤样取出钻孔后，将气密性测试合格的煤样进行现场瓦斯解吸，获得取样点煤层1瓦斯含量。底板上仰穿层定向钻孔5预抽一定时间后，沿待掘煤巷2延伸方向在待掘煤巷2影响区内每间隔20～30m布置1个检验测试点，采用密闭取样装置进行煤样密闭采集；煤样取出钻孔后，将气密性测试合格的煤样进行现场瓦斯解吸，获得煤层1残余瓦斯含量，完成对瓦斯抽采效果的检查。
参见图3，待掘煤巷2也可以是相距50m以内的几个待掘煤巷组成的待掘煤巷群；此时底部巷道3位于煤巷群下方正中；待掘煤巷影响区为待掘煤巷2上帮和下帮各30m。底板上仰穿层定向钻孔5施工数量≥3个，钻孔的数量由待掘煤巷2影响区宽度确定；底板上仰穿层定向钻孔5应能覆盖待掘煤巷2影响区；每个底板上仰穿层定向钻孔5为多分支枝状钻孔结构，多个底板上仰穿层定向钻孔5呈集束型布置，相邻钻孔开孔点8相距0.5～1m，定向煤层孔段7钻孔间距≤5m。其瓦斯抽采效果的检查和图2中一致，在此不再进行累述。
由此可见，通过本发明的方法，利用在待掘煤巷侧下方的底部巷道准备钻场；然后施工底板上仰穿层定向孔覆盖待掘煤巷影响区，探明待掘煤巷影响区内的煤层变化情况和隐蔽地质异常体情况，局部孔段采用密闭取心装置获得待掘煤巷影响区内瓦斯含量，并安装瓦斯抽采管路超前预抽煤层瓦斯；预抽一定时间后采用密闭取心装置对瓦斯抽采效果进行取样检查，若低于安全要求则停止抽采，根据探明的煤层变化情况和隐蔽地质异常体情况进行煤巷掘进。该方法既可超前对煤层变化情况和隐蔽地质异常体进行探查，又可同时超前抽采瓦斯，煤层孔段延伸率长，减少了现有技术的物探工程量、钻孔工程施工量和底抽巷掘进工程量，缩短了施工周期、探查和瓦斯抽采达标周期，保障了突出煤层巷道掘进安全高效进行。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (10)

1.一种突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：在开采煤层的待掘煤巷下方的底部巷道准备多个钻场；
步骤二：通过钻场施工底板上仰穿层定向孔，探明待掘煤巷影响区内的煤层变化情况和隐蔽地质异常体情况，安装瓦斯抽采管路超前预抽煤层内瓦斯，预抽一定时间后采用密闭取样装置对瓦斯抽采效果进行取样检查，若煤层残余瓦斯含量≤8m3/t或者瓦斯压力≤0.74MPa，则停止抽采；
步骤三：根据探明的煤层变化情况和隐蔽地质异常体情况进行煤巷掘进。
2.如权利要求1所述的突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，其特征在于：所述底部巷道布置在与待掘煤巷底板垂直距离10～20m的稳定煤岩层中，所述底部巷道的长度等于待掘煤巷长度减去底板上仰穿层定向钻孔的水平投影长度并加上超前距离50m。
3.如权利要求1所述的突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，其特征在于：所述底板上仰穿层定向孔由上仰套管孔段和定向煤层孔段两部分组成，所述上仰套管孔段为从钻孔底板开孔点至见煤点之间的孔段，所述定向煤层孔段为钻孔在煤层中顺层延伸的孔段。
4.如权利要求3所述的突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，其特征在于：所述上仰套管孔段的开孔点的倾角和见煤点的倾角均控制在8-15°。
5.如权利要求3所述的突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，其特征在于：所述上仰套管孔段采用回转钻进技术施工，下入2级套管；第一级套管外径为Φ146mm，下入深度≥6m，从而能超过底部巷道围岩变形破坏圈；第二级套管外径为Φ127mm，下入至进入煤层；所述第一级和第二级套管的材质为钢材，其壁厚≥4mm。
6.如权利要求3所述的突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，其特征在于：所述定向煤层孔段的直径不小于96mm，全孔倾角均大于0°，在煤层中部延伸，向前前进施工时，每隔80m施工上向分支，通过上向分支探查出煤层的顶板高度；钻孔深度达到设计值后退钻过程中，每隔100m施工一个下向分支，探查出煤层底板的高度。
7.如权利要求3所述的突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，其特征在于：煤层的变化情况包含煤层起伏倾角变化和煤层厚度变化，不同孔深的顶板高度差值除于孔深差值后进行反正弦计算确定起伏倾角；同一孔深顶板高度和底板高度的差值即为煤层厚度；煤层中隐蔽地质异常体情况通过底板上仰穿层定向孔钻进过程进行确定，顺利钻进通过则不存在隐蔽地质异常体，钻进中存在返水减少或增加、坍塌卡钻等异常钻进现象，标记下异常点孔深，即为隐蔽致灾地质异常体所在位置。
8.如权利要求1-7中任一所述的突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，其特征在于：待掘煤巷是1个单独巷道，待掘煤巷影响区为待掘煤巷上帮和下帮各30m，同一钻场内的底板上仰穿层定向钻孔数量≥3个，每个底板上仰穿层定向钻孔为多分支枝状钻孔结构，相邻钻孔开孔点相距0.5～1m，定向煤层孔段钻孔间距≤5m。
9.如权利要求1-7中任一所述的突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，其特征在于：待掘煤巷是相距50m以内的几个待掘煤巷组成的待掘煤巷群；此时底部巷道位于煤巷群下方正中；待掘煤巷影响区为待掘煤巷上帮和下帮各30m，同一钻场内底板上仰穿层定向钻孔施工数量≥3个，每个底板上仰穿层定向钻孔为多分支枝状钻孔结构，相邻钻孔开孔点相距0.5～1m，定向煤层孔段钻孔间距≤5m。
10.如权利要求8或9所述的突出煤层底板上仰穿层定向孔超前区域掩护煤巷掘进方法，其特征在于：底板上仰穿层定向钻孔平面布置位于待掘煤巷内时，每钻进100m取出孔内定向钻具，从钻孔内下入密闭取样装置，进行煤样密闭采集；煤样取出钻孔后，将气密性测试合格的煤样进行现场瓦斯解吸，获得取样点煤层瓦斯含量；底板上仰穿层定向钻孔预抽一定时间后，沿待掘煤巷延伸方向在待掘煤巷影响区内每间隔20～30m布置1个检验测试点，采用密闭取样装置进行煤样密闭采集；煤样取出钻孔后，将气密性测试合格的煤样进行现场瓦斯解吸，获得煤层残余瓦斯含量，完成对瓦斯抽采效果的检查。
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