CN106948859B - 一种网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法 - Google Patents
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Abstract
一种网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法，尤其适用于煤层上方直覆坚硬顶板条件下顶板内部网络化裂隙通道的主动构建和瓦斯导流治理。该方法提出在超前应力变化区之前工作面两侧巷道内分别向顶板施工裂隙发生孔、裂隙导向发展孔、侧向破断孔和裂隙连通孔，在坚硬顶板内部主动构建形成人工导向裂隙，在采动应力作用下，人工导向裂隙采动裂隙相互交织贯通形成网络化优势瓦斯运移通道，同时人工导向裂隙钻孔加快顶板破断形成顶板破断离层裂隙区，瓦斯及时高效的沿网络化裂隙通道流动运移，并在顶板破断离层裂隙区内形成富集，人工导向裂隙钻孔为顶板瓦斯抽采钻空的施工方位提供了参考，使采场瓦斯的导流治理更加集中高效。
Description
技术领域
本发明涉及一种网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法，尤其适用于煤层上方直覆坚硬顶板条件下顶板内部网络化裂隙通道的主动构建和瓦斯导流治理。
背景技术
我国地下煤层赋存条件复杂，煤层顶底板赋存条件影响着采场应力的分布和煤岩层裂隙的演化，从而影响着采动瓦斯的运移规律和流动去向。当存在直覆厚层坚硬顶板条件时，由于顶板坚硬致密裂隙产生和演化困难，仅凭采动应力作用难以迅速在顶板内形成裂隙通道，加之坚硬顶板强度较大不易破断，采空区易形成大面积悬顶，坚硬顶板内部的裂隙通道和离层空间难以通过采动效应自主快速构建形成，瓦斯难以沿顶板裂隙通道运移富集，采空区积聚大量瓦斯，造成瓦斯超限，同时大面积悬顶的突然垮落，使得采空区积聚的瓦斯挤压涌入工作面，工作面生产安全面临较大威胁，瓦斯治理困难；如何在直覆厚层坚硬顶板条件下煤层上方顶板内部构建瓦斯运移通道，实现瓦斯的高效导流治理，成为煤层安全高效开采亟需解决的问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种简单主动、科学高效，能有效解决厚层坚硬顶板内部裂隙产生困难、瓦斯积聚在采空区难以沿优势运移通道流动汇集、瓦斯难导流等问题的网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法。
为实现上述目的，本发明的网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法，采用深孔预裂爆破的方法施工裂隙发生孔、裂隙导向发展孔、侧向破断孔和裂隙连通孔的人工导向裂隙钻孔，包括如下步骤：
a.根据煤层和顶板赋存情况确定工作面的应力分布特征曲线，确定超前应力变化区的长度L；
b.在主进风巷和留巷侧进风巷内相对位置，分别在距离工作面前方超前应力变化区的长度L位置处，沿迎向工作面方向的煤层上方坚硬顶板内施工一个裂隙发生孔，对裂隙发生孔进行深孔预裂爆破，使坚硬顶板内部的裂隙发生孔周围爆破诱导形成大量裂隙，削弱坚硬顶板与坚硬顶板上覆岩层的联系，诱导和加速离层裂隙的产生；
c.在裂隙发生孔施工位置处，沿迎向工作面方向的煤层上方坚硬顶板内施工一个裂隙导向发展孔，对裂隙导向发展孔进行深孔预裂爆破后，在裂隙导向发展孔周围形成大量裂隙，与裂隙发生孔形成的裂隙相互连通，导向裂隙的演化和发展；
d.在裂隙发生孔施工位置处，沿迎向工作面方向的煤层上方坚硬顶板内施工一个侧向破断孔，弱化坚硬顶板的侧向区域，控制坚硬顶板的侧向破断位置；
e.在裂隙发生孔施工位置处，沿背向工作面方向的煤层上方坚硬顶板内施工一个裂隙连通孔，对裂隙连通孔进行深孔预裂爆破，使裂隙连通孔与裂隙发生孔、裂隙导向发展孔、侧向破断孔形成的裂隙相互连通，最终在坚硬顶板内部超前应力变化区的长度L位置处形成了具有特定方向和形态特点的一组人工导向裂隙；
f.按常规对工作面进行回采，在回采过程中，采动应力升高达到应力峰值点，采动应力诱导煤层和坚硬顶板产生裂隙，煤层内部瓦斯开始发生解吸扩散，坚硬顶板内部已形成的一组人工导向裂隙周围产生大量新生裂隙，并和采动形成的裂隙相互连通发展；
g.工作面每向前推进1/2超前应力变化区的长度L时，重复步骤b-e，施工一组人工导向裂隙孔；
h.随着工作面的推进，采动应力从应力峰值点开始下降，围压的降低使得坚硬顶板内裂隙大量发育，裂隙连通孔开始发挥组间裂隙连通作用，相邻的人工导向裂隙开始相互耦合连通起来，在坚硬顶板内部形成网络化优势瓦斯运移通道，同时坚硬顶板内部裂隙发育导致其刚度和承载性降低，坚硬顶板开始发生下沉，离层裂隙开始形成，煤体内解吸的瓦斯开始沿网络化优势瓦斯运移通道向上运移流动，向离层裂隙内汇聚；
i.随着工作面的继续推进，在工作面的后方，坚硬顶板内部裂隙进一步发展，网络化优势瓦斯运移通道逐级发育成熟，同时顶板离层裂隙进一步发展，瓦斯逐渐沿网络化优势瓦斯运移通道向顶板离层裂隙内富集；
坚硬顶板内部网络化优势瓦斯运移通道的形成使得坚硬顶板的整体强度和刚度发生下降，坚硬顶板冒落破断时间和距离缩短，在工作面后方发生破断，在采空区上部形成破断离层裂隙区，采空区瓦斯向上运移在破断离层裂隙区内形成富集；
j.根据已施工的裂隙发生孔和裂隙导向发展孔的方位和顶板的赋存特征，确定采空区上部顶板破断离层裂隙区的位置和留巷内瓦斯导流抽采钻孔的方位；
k.在工作面后方的留巷内向采空区上部破断离层裂隙区施工瓦斯导流抽采钻孔，对破断离层裂隙区内的瓦斯进行集中导流抽采。
所述裂隙发生孔的终孔高度在坚硬顶板上方2～3m处。
所述在主进风巷和留巷侧进风巷内相对施工的两个裂隙导向发展孔的末端距离a不超过20m，两个裂隙发生孔的末端距离b不超过工作面长度的1/3。
所述留巷内施工的瓦斯导流抽采钻孔为多个。
所述留巷内施工的瓦斯导流抽采钻孔的仰角α大于裂隙发生孔的仰角。
有益效果：本发明针对坚硬顶板条件下顶板瓦斯运移通道形成困难，瓦斯难以实现优势汇聚集中抽采等问题，在工作面超前应力变化区前主动向坚硬顶板内施工人工导向裂隙钻孔，在煤体内部产生人工导向裂隙网络，借助采动应力变化，进一步形成网络化优势瓦斯运移通道，瓦斯沿顶板内的网络化优势运移通道向上流动，解决了坚硬顶板裂隙产生困难，导致高浓度瓦斯长时间在采空区积聚的问题；同时人工导向裂隙钻孔在坚硬顶板内部诱导形成网络化裂隙，使坚硬顶板强度和刚度降低，缩短了顶板破断周期，加快了采空区破断离层裂隙区的形成，采空区瓦斯沿顶板网络化裂隙通道向破断离层裂隙区富集，为顶板瓦斯抽采钻空的施工方位提供了参考，从而为采场瓦斯集中导流治理创造了良好的条件。通过超前主动施工人工导向裂隙钻孔，在坚硬顶板内部主动构建形成网络化优势瓦斯运移通道，加快了顶板破断，使得瓦斯能够及时沿优势通道向顶板破断离层裂隙区运移富集，有利于煤层采场瓦斯的集中导流治理。有效解决了坚硬顶板带来的一系列瓦斯问题，实现了对采场瓦斯的主动导向流动和科学控制治理，其方法简单，操作方便，效果好，在本技术领域内具广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的网络化优势瓦斯运移通道构建方法的示意图；
图2是本发明的人工导向裂隙钻孔和瓦斯导流抽采钻孔平面布置示意图；
图3是本发明的采空区位置A-A’方向瓦斯导流抽采钻孔布置剖面示意图。
图中：1-留巷侧进风巷，2-主进风巷，3-侧向破断孔，4-裂隙导向发展孔，5-裂隙发生孔，6-裂隙连通孔，7-工作面，8-煤层，9-采空区，10-留巷，11-瓦斯抽采钻孔，12-瓦斯管路，13-顶板，14-坚硬顶板，15-人工导向裂隙，16-瓦斯，17-优势瓦斯运移通道，18-离层裂隙，19-破断离层裂隙区，20-坚硬顶板上覆岩层，21-应力分布特征曲线，22-坚硬顶板破断方向，23-液压支架，24-充填墙体。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
本发明的网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法，采用深孔预裂爆破的方法施工裂隙发生孔4、裂隙导向发展孔5、侧向破断孔3和裂隙连通孔6的人工导向裂隙钻孔，具体步骤如下：
a.根据煤层8和顶板13赋存情况确定工作面的应力分布特征曲线21，确定超前应力变化区的长度L；
b.在主进风巷2和留巷侧进风巷1内相对位置，分别在距离工作面7前方超前应力变化区的长度L位置处，沿迎向工作面7方向的煤层8上方坚硬顶板14内施工一个裂隙发生孔4，裂隙发生孔4的终孔高度在坚硬顶板14上方2～3m处。对裂隙发生孔4进行深孔预裂爆破，使坚硬顶板14内部的裂隙发生孔4周围爆破诱导形成大量裂隙，削弱坚硬顶板14与坚硬顶板上覆岩层20的联系，诱导和加速离层裂隙18的产生；所述在主进风巷2和留巷侧进风巷1内相对施工的两个裂隙导向发展孔5的末端距离a不超过20m，两个裂隙发生孔4的末端距离b不超过工作面7长度的1/3；
c.在裂隙发生孔4施工位置处，沿迎向工作面7方向的煤层8上方坚硬顶板14内施工一个裂隙导向发展孔5，对裂隙导向发展孔5进行深孔预裂爆破后，在裂隙导向发展孔5周围形成大量裂隙，与裂隙发生孔4形成的裂隙相互连通，导向裂隙的演化和发展；
d.在裂隙发生孔4施工位置处，沿迎向工作面7方向的煤层8上方坚硬顶板14内施工一个侧向破断孔3，弱化坚硬顶板14的侧向区域，控制坚硬顶板14的侧向破断位置；
e.在裂隙发生孔4施工位置处，沿背向工作面7方向的煤层8上方坚硬顶板14内施工一个裂隙连通孔6，对裂隙连通孔6进行深孔预裂爆破，使裂隙连通孔6与裂隙发生孔4、裂隙导向发展孔5、侧向破断孔3形成的裂隙相互连通，最终在坚硬顶板14内部超前应力变化区的长度L位置处形成了具有特定方向和形态特点的一组人工导向裂隙15；
f.按常规对工作面7进行回采，在回采过程中，采动应力升高达到应力峰值点，采动应力诱导煤层8和坚硬顶板14产生裂隙，煤层8内部瓦斯16开始发生解吸扩散，坚硬顶板14内部已形成的一组人工导向裂隙15周围产生大量新生裂隙，并和采动形成的裂隙相互连通发展；
g.工作面每向前推进1/2超前应力变化区的长度L时，重复步骤b-e，施工一组人工导向裂隙孔；
h.随着工作面的推进，采动应力从应力峰值点开始下降，围压的降低使得坚硬顶板14内裂隙大量发育，裂隙连通孔6开始发挥组间裂隙连通作用，相邻的人工导向裂隙15开始相互耦合连通起来，在坚硬顶板14内部形成网络化优势瓦斯运移通道17，同时坚硬顶板14内部裂隙发育导致其刚度和承载性降低，坚硬顶板14开始发生下沉，离层裂隙18开始形成，煤体8内解吸的瓦斯16开始沿网络化优势瓦斯运移通道17向上运移流动，向离层裂隙18内汇聚；
i.随着工作面7的继续推进，在工作面7的后方，坚硬顶板14内部裂隙进一步发展，网络化优势瓦斯运移通道17逐级发育成熟，同时顶板离层裂隙18进一步发展，瓦斯16逐渐沿网络化优势瓦斯运移通道17向顶板离层裂隙18内富集；
坚硬顶板14内部网络化优势瓦斯运移通道17的形成使得坚硬顶板14的整体强度和刚度发生下降，坚硬顶板14冒落破断时间和距离缩短，在工作面7后方发生破断，在采空区9上部形成破断离层裂隙区19，采空区9瓦斯16向上运移在破断离层裂隙区19内形成富集；
j.根据已施工的裂隙发生孔4和裂隙导向发展孔5的方位和顶板13的赋存特征，确定采空区9上部顶板破断离层裂隙区19的位置和留巷10内瓦斯导流抽采钻孔11的方位；所述留巷10内施工的瓦斯导流抽采钻孔11为多个。所述留巷10内施工的瓦斯导流抽采钻孔11的仰角α大于裂隙发生孔4的仰角；
k.在工作面7后方的留巷10内向采空区9上部破断离层裂隙区19施工瓦斯导流抽采钻孔11，对破断离层裂隙区19内的瓦斯16进行集中导流抽采。
实施例1、某煤层顶板直覆厚层坚硬顶板14，坚硬顶板厚度为17m，工作面长度为150m，网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法：
如图1所示，首先，根据煤层8和顶板13赋存情况分析工作面前方应力分布特征，由于坚硬顶板的存在使得超前应力变化区长度增加，从工作面的超前应力分布特征曲线21确定超前应力变化区的长度为50m，即为人工导向裂隙钻孔的超前施工距离。如图2所示，工作面7的主进风巷2和留巷侧进风巷1超前工作面50m位置处，迎向工作面7方向，向煤层8上方坚硬顶板14内施工裂隙发生孔4，裂隙发生孔4末端高度在坚硬顶板14上方2～3m处，确定其高度为20m。对裂隙发生孔4进行深孔预裂爆破，在坚硬顶板14内部爆破诱导形成具有一定方向的裂隙，同时削弱坚硬顶板14与坚硬顶板上覆岩层20的联系，诱导和加速离层裂隙18的产生。迎向工作面7向煤层8上方坚硬顶板14内施工裂隙导向发展孔5，对裂隙导向发展孔5进行深孔预裂爆破后，在裂隙导向发展孔5周围形成裂隙，与裂隙发生孔4形成的裂隙相互连通，导向裂隙的演化和发展。为保证人工导向裂隙钻孔对坚硬顶板14处理效果和范围，确定工作面7的主进风巷2和留巷侧进风巷1内裂隙导向发展孔5末端距离20m，裂隙发生孔4末端距离不超过工作面长度的1/3，距离为50m。迎向工作面7向煤层8上方坚硬顶板14内施工侧向破断孔3，弱化坚硬顶板14的侧向区域，控制坚硬顶板14侧向破断位置。背向工作面7向煤层8上方坚硬顶板14内施工裂隙连通孔6，对裂隙连通孔6进行深孔预裂爆破，裂隙连通孔6与裂隙发生孔4、裂隙导向发展孔5、侧向破断孔3形成的裂隙相互连通，最终在坚硬顶板14内部超前工作面50位置形成了具有特定方向和形态特点的人工导向裂隙15。随着工作面7向前推进，采动应力先升高达到应力峰值点，此过程中采动应力诱导煤层8和坚硬顶板14产生裂隙，煤层8内部瓦斯16开始发生解吸扩散，坚硬顶板14内部已形成的人工导向裂隙15周围产生大量新生裂隙，并和采动形成的裂隙相互连通发展。采动应力达到应力峰值点后发生下降，围压的降低使得坚硬顶板14内裂隙大量发育，裂隙连通孔6开始发挥组间裂隙连通作用，相邻的人工导向裂隙15开始相互耦合连通起来，在坚硬顶板14内部形成网络化优势瓦斯运移通道17，同时坚硬顶板14内部裂隙发育导致其刚度和承载性降低，坚硬顶板14开始发生下沉，离层裂隙18开始形成，煤体8内解吸的瓦斯16开始沿网络化优势瓦斯运移通道17向上运移流动，向离层裂隙18内汇聚。随着工作面7的继续推进，在工作面7后方，坚硬顶板14内部裂隙进一步发展，网络化优势瓦斯运移通道17逐级发育成熟，同时顶板离层裂隙18进一步发展，瓦斯16逐渐沿网络化优势瓦斯运移通道17向顶板离层裂隙18内富集。坚硬顶板14内部网络化优势瓦斯运移通道17的形成使得坚硬顶板14的整体强度和刚度发生下降，坚硬顶板14冒落破断时间和距离缩短，在工作面7后方一定距离发生破断，在采空区9上部形成破断离层裂隙区19，采空区9瓦斯16向上运移在破断离层裂隙区19内形成富集。根据已施工人工导向裂隙钻孔的方位和顶板13赋存特征，确定采空区9上部顶板破断离层裂隙区19的位置和留巷10瓦斯导流钻孔11的方位，要求留巷10内施工的瓦斯导流抽采钻孔11的仰角α大于裂隙发生孔4的仰角，根据裂隙发生孔4的高度和宽度求得裂隙发生孔4的仰角为22°，根据岩层破断特征，确定瓦斯导流抽采钻孔11的仰角α为25～30°，如图3所示，在工作面7后方留巷10内向采空区9上部破断离层裂隙区19，施工瓦斯导流抽采钻孔11，对破断离层裂隙区19内的瓦斯16进行集中导流抽采治理。
Claims (5)
1.一种网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法，采用深孔预裂爆破的方法施工裂隙发生孔（4）、裂隙导向发展孔（5）、侧向破断孔（3）和裂隙连通孔（6）的人工导向裂隙钻孔，其特征在于，包括如下步骤：
a.根据煤层（8）和顶板（13）赋存情况确定工作面的应力分布特征曲线（21），确定超前应力变化区的长度L；
b. 在主进风巷（2）和留巷侧进风巷（1）内相对位置，分别在距离工作面（7）前方超前应力变化区的长度L位置处，沿迎向工作面（7）方向的煤层（8）上方坚硬顶板（14）内施工一个裂隙发生孔（4），对裂隙发生孔（4）进行深孔预裂爆破，使坚硬顶板（14）内部的裂隙发生孔（4）周围爆破诱导形成大量裂隙，削弱坚硬顶板（14）与坚硬顶板上覆岩层（20）的联系，诱导和加速离层裂隙（18）的产生；
c. 在裂隙发生孔（4）施工位置处，沿迎向工作面（7）方向的煤层（8）上方坚硬顶板（14）内施工一个裂隙导向发展孔（5），对裂隙导向发展孔（5）进行深孔预裂爆破后，在裂隙导向发展孔（5）周围形成大量裂隙，与裂隙发生孔（4）形成的裂隙相互连通，导向裂隙的演化和发展；
d. 在裂隙发生孔（4）施工位置处，沿迎向工作面（7）方向的煤层（8）上方坚硬顶板（14）内施工一个侧向破断孔（3），弱化坚硬顶板（14）的侧向区域，控制坚硬顶板（14）的侧向破断位置；
e. 在裂隙发生孔（4）施工位置处，沿背向工作面（7）方向的煤层（8）上方坚硬顶板（14）内施工一个裂隙连通孔（6），对裂隙连通孔（6）进行深孔预裂爆破，使裂隙连通孔（6）与裂隙发生孔（4）、裂隙导向发展孔（5）、侧向破断孔（3）形成的裂隙相互连通，最终在坚硬顶板（14）内部超前应力变化区的长度L位置处形成了具有特定方向和形态特点的一组人工导向裂隙（15）；
f.按常规对工作面（7）进行回采，在回采过程中，采动应力升高达到应力峰值点，采动应力诱导煤层（8）和坚硬顶板（14）产生裂隙，煤层（8）内部瓦斯（16）开始发生解吸扩散，坚硬顶板（14）内部已形成的一组人工导向裂隙（15）周围产生大量新生裂隙，并和采动形成的裂隙相互连通发展；
g.工作面每向前推进1/2超前应力变化区的长度L时，重复步骤b-e，施工一组人工导向裂隙孔；
h.随着工作面的推进，采动应力从应力峰值点开始下降，围压的降低使得坚硬顶板（14）内裂隙大量发育，裂隙连通孔（6）开始发挥组间裂隙连通作用，相邻的人工导向裂隙（15）开始相互耦合连通起来，在坚硬顶板（14）内部形成网络化优势瓦斯运移通道（17），同时坚硬顶板（14）内部裂隙发育导致其刚度和承载性降低，坚硬顶板（14）开始发生下沉，离层裂隙（18）开始形成，煤层（8）内解吸的瓦斯（16）开始沿网络化优势瓦斯运移通道（17）向上运移流动，向离层裂隙（18）内汇聚；
i.随着工作面（7）的继续推进，在工作面（7）的后方，坚硬顶板（14）内部裂隙进一步发展，网络化优势瓦斯运移通道（17）逐级发育成熟，同时顶板离层裂隙（18）进一步发展，瓦斯（16）逐渐沿网络化优势瓦斯运移通道（17）向顶板离层裂隙（18）内富集；
坚硬顶板（14）内部网络化优势瓦斯运移通道（17）的形成使得坚硬顶板（14）的整体强度和刚度发生下降，坚硬顶板（14）冒落破断时间和距离缩短，在工作面（7）后方发生破断，在采空区（9）上部形成破断离层裂隙区（19），采空区（9）瓦斯（16）向上运移在破断离层裂隙区（19）内形成富集；
j.根据已施工的裂隙发生孔（4）和裂隙导向发展孔（5）的方位和顶板（13）的赋存特征，确定采空区（9）上部顶板破断离层裂隙区（19）的位置和留巷（10）内瓦斯导流抽采钻孔（11）的方位；
k.在工作面（7）后方的留巷（10）内向采空区（9）上部破断离层裂隙区（19）施工瓦斯导流抽采钻孔（11），对破断离层裂隙区（19）内的瓦斯（16）进行集中导流抽采。
2.根据权利要求1所述的一种网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法，其特征在于：所述裂隙发生孔（4）的终孔高度在坚硬顶板（14）上方2~3m处。
3.根据权利要求1所述的一种网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法，其特征在于：所述在主进风巷（2）和留巷侧进风巷（1）内相对施工的两个裂隙导向发展孔（5）的末端距离a不超过20m，两个裂隙发生孔（4）的末端距离b不超过工作面（7）长度的1/3。
4.根据权利要求1所述的一种网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法，其特征在于：所述留巷（10）内施工的瓦斯导流抽采钻孔（11）为多个。
5.根据权利要求1或4所述的一种网络化优势瓦斯运移通道构建及瓦斯导流抽采方法，其特征在于：所述留巷（10）内施工的瓦斯导流抽采钻孔（11）的仰角α大于裂隙发生孔（4）的仰角。
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