CN107489444B - 一种用于在煤层中形成瓦斯通道的瓦斯通道形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于在煤层中形成瓦斯通道的瓦斯通道形成方法，包括如下步骤：S001：对煤层中的瓦斯压力、瓦斯浓度、瓦斯流量进行动态监测，并确定施工方案；S002：在采煤巷道的两侧巷帮上朝向所述煤层中水平开设钻孔；S003：将冲击波产生装置放入所述钻孔内；S004：将孔口密封盖密封在所述孔口上；S005：向所述钻孔内注满水；S006：开启所述冲击波产生装置，在每个所述作业点进行冲击作业，使所述煤层产生裂缝以形成瓦斯通道；S007：将所述冲击波产生装置从所述钻孔内移出。通过在钻孔内使用冲击波产生装置进行可控、重复脉冲增透作业，使煤层产生裂隙等瓦斯解吸的通道(瓦斯通道)，最终达到提高钻孔瓦斯抽放效果的目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采过程中瓦斯抽放技术领域，尤其涉及一种用于在煤层中形成瓦斯通道的瓦斯通道形成方法。
背景技术
瓦斯安全是煤矿安全生产的重中之重。随着我国大部分煤矿开采深度的不断增加，煤层的瓦斯含量和压力也在不断增大，存在着煤层瓦斯预抽时间长、瓦斯抽采率低、工作面瓦斯治理困难等问题，已经严重影响煤矿企业的正常生产及安全。
目前，我国煤矿常规的瓦斯治理方式主要有深孔预裂爆破等技术。
深孔预裂爆破技术的主要缺陷就是用药量的掌控和煤层的适应性，用药量掌控不好，则会造成钻孔坍塌或钻孔报废；松软煤层对其限制性更大，难以取得较好的增透效果，且爆炸性的火药也是一个危险源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种施工安全、能够扩大钻孔预抽范围和缩短钻孔预抽时间的瓦斯通道形成方法。
本发明技术方案提供一种用于在煤层中形成瓦斯通道的瓦斯通道形成方法，包括如下步骤：
S001：对煤层中的瓦斯压力、瓦斯浓度、瓦斯流量进行动态监测，并确定施工方案；
S002：在采煤巷道的两侧巷帮上朝向所述煤层中水平开设钻孔；
在所述钻孔内沿着孔底至孔口的方向上划分设置多个作业点；
S003：将冲击波产生装置放入所述钻孔内，并在所述冲击波产生装置的尾端连接有操纵杆，所述操纵杆伸出于所述钻孔之外；
S004：将孔口密封盖密封在所述孔口上，所述孔口密封盖上设置有水阀，所述操纵杆穿过所述孔口密封盖；
S005：打开所述水阀，向所述钻孔内注满水，之后拧紧所述水阀；
S006：开启所述冲击波产生装置，并通过所述操纵杆移动所述冲击波产生装置，使所述冲击波产生装置沿着从所述孔底至所述孔口的方向上移动，并在每个所述作业点进行冲击作业，使所述煤层产生裂缝以形成瓦斯通道；
S007：对所有的所述作业点完成冲击作业后，打开所述孔口密封盖，将所述冲击波产生装置从所述钻孔内移出。
较佳地，在所述步骤S005中，将所述水阀拧紧至半封闭状态。
较佳地，在所述步骤S006中，在每个所述作业点进行多次冲击作业。
较佳地，还包括步骤S008：
在每个所述钻孔的四周按照预设距离开设探查钻孔，每个所述探查钻孔内都设置有用于监测瓦斯流量的孔板流量计，每个所述孔板流量计分别与外部的控制系统通信连接。
较佳地，所述探查钻孔与所述钻孔平行。
较佳地，在每侧的所述巷帮上设置有多个所述钻孔，并依次对每个所述钻孔按照所述步骤S003至所述步骤S007进行作业。
较佳地，在每侧的所述巷帮上设置有多个所述钻孔，并同时对每个所述钻孔按照所述步骤S003至所述步骤S007进行作业。
较佳地，在所述步骤S002中，采用钻孔机开设所述钻孔；
在所述步骤S003中，将所述钻孔机与所述操纵杆连接，并通过钻孔机和所述操纵杆将所述冲击波产生装置放置在所述孔底；
在所述步骤S006中，通过所述钻孔机带动所述操纵杆和所述冲击波产生装置从所述孔底向所述孔口移动；
在所述步骤S007中，通过所述钻孔机带动所述操纵杆和所述冲击波产生装置从所述孔口移出。
较佳地，所述钻孔的孔径在110mm-130mm之间，所述钻孔的孔深在180m-220m之间；
每个所述钻孔内任意相邻的两个所述作业点之间的距离为4-6m；
任意相邻的两个所述钻孔之间的距离在20m-45m之间；
每个所述钻孔距离所述采煤巷道的巷底的距离在1m-1.5m之间。
较佳地，在所述步骤S001中还包括：
预先在所述巷帮上施工预设数量的试验钻孔，所述试验钻孔水平延伸至所述煤层内；
在每个所述试验钻孔内设置有瓦斯流量计，并将所有的所述瓦斯流量计与外部的控制系统通信连接，
所述试验钻孔施工完成后，将所有的所述试验钻孔封孔密封；
在需要执行所述步骤S002时：
将所有的所述试验钻孔开封，将每个所述试验钻孔内的所述瓦斯流量计取出，并按照所述步骤S002-所述步骤S007的方式对所述试验钻孔进行冲击作业。
采用上述技术方案，具有如下有益效果：
本发明提供的瓦斯通道形成方法，以可控、重复脉冲增透技术为核心，通过在钻孔内使用冲击波产生装置进行可控、重复脉冲增透作业，以电能产生动能，最后动能驱动化学能产生强冲击波作用到煤层，使煤层产生裂隙等瓦斯解吸的通道(瓦斯通道)，最终达到提高钻孔瓦斯抽放效果的目的，提高钻孔抽采效率、扩大钻孔预抽范围和缩短钻孔预抽时间。
附图说明
图1为布置有钻孔的采煤巷道和煤层沿着垂直方向的剖视图；
图2为布置有钻孔的采煤巷道和煤层沿着水平方向的剖视图；
图3为在钻孔内布置有冲击波产生装置的示意图；
图4为在钻孔的四周布置有探查钻孔的示意图。
附图标记对照表：
1-煤层； 2-采煤巷道； 21-巷帮；
22-巷底； 3-钻孔； 31-孔底；
32-孔口； 33-作业点； 34-孔口密封盖；
35-水阀； 4-试验钻孔； 41-瓦斯流量计；
5-探查钻孔； 51-孔板流量计； 6-冲击波产生装置；
61-操纵杆。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1-3所示，本发明一实施例提供的一种用于在煤层中形成瓦斯通道的瓦斯通道形成方法，包括如下步骤：
S001：对煤层1中的瓦斯压力、瓦斯浓度、瓦斯流量进行动态监测，并确定施工方案。作业前的抽采数据检验使用现有的技术手段，对区域内煤层1的瓦斯压力、瓦斯流量、浓度等相关参数进行动态监测。冲击作业增透前、后均对煤层1进行监测。
根据测得的瓦斯数据，确定施工方案，例如确定钻孔之间的距离，钻孔的深度等等。
S002：在采煤巷道2的两侧巷帮21上朝向煤层1中水平开设钻孔3。
并在钻孔3内沿着孔底31至孔口32的方向上划分设置多个作业点33。
采用钻机钻进，钻进过程中保证钻孔3水平、孔壁光滑，钻孔水平误差不大于5°。
在完成钻孔施工的同时完成所需抽采、监测管路的改造和安装。
在钻孔3内自孔底31向孔口32依次设置多个作业点33，用于冲击波产生装置6在每个作业点33进行冲击作业。
S003：将冲击波产生装置6放入钻孔3内，并在冲击波产生装置6的尾端连接有操纵杆61，操纵杆61伸出于钻孔3之外。
通过推动操纵杆61将冲击波产生装置6放入钻孔3内，在后续过程中还可以通过拉动操纵杆61使冲击波产生装置6从孔底31向孔口32移动，并可以在每个作业点33停留进行冲击作业。
冲击波产生装置6为能够通过脉冲对负载进行冲击作业的仪器，其可以为现有技术中的冲击波生成设备。
冲击波产生装置6以相对缓慢的速度积攒电能，最后在各种开关的快速切换下瞬间将积攒的电能释放，以电能产生动能，最后动能驱动化学能产生强冲击波作用到煤层，能够使煤层1产生裂隙等瓦斯解吸的通道，最终达到提高钻孔瓦斯抽放效果的目的。
S004：将孔口密封盖34密封在孔口32上，孔口密封盖34上设置有水阀35，操纵杆61穿过孔口密封盖34。
S005：打开水阀35，向钻孔3内注满水，之后拧紧水阀35。
通过钻机对钻孔3进行注水，当水阀35中开始向外溢出水预设时间后，例如5分钟，表示钻孔3内已经注满水。
S006：开启冲击波产生装置6，并通过操纵杆61移动冲击波产生装置6，使冲击波产生装置6沿着从孔底31至孔口32的方向上移动，并在每个作业点33进行冲击作业，使煤层1产生裂缝以形成瓦斯通道。
在冲击波产生装置6作业时，首先通过冲击波在每个作业点33对煤层1进行冲击，并在煤层1中形成裂缝。同时由于冲击波的作用，钻孔3内的水压急剧增大，起到进一步压裂缝隙，使缝隙可以成为复杂结构的网状缝隙，拓展了瓦斯通道。
S007：对所有的作业点33完成冲击作业后，打开孔口密封盖34，将冲击波产生装置6从钻孔3内移出。
冲击波产生装置6所携带的聚能棒为99发，每冲击一次观察记录脉冲电源控制器参数。每完成99次冲击作业后，开启孔口密封盖进行泄压，抽出冲击波产生装置6到孔口，补充聚能棒。
补充好聚能棒后，将冲击波产生装置6推送至预设的作业点33处，循环往复直至完成全部的作业点的冲击作业。
如图1所示，在垂直方向上，可以设置多排钻孔33。如图2所示，在水平方向上，也设置有多排钻孔33。可以使相邻的两排钻孔33交错设置，提高冲击波对煤层的冲击效果，利于压迫煤层1形成裂缝，拓展瓦斯通道。
可控、重复脉冲式冲击波的影响范围达到20m，达到了降低钻孔3布孔量、缩短钻孔瓦斯抽采时间、提高钻孔瓦斯抽采量和扩大钻孔预抽半径，减少了因瓦斯治理问题引起的掘进效率低、巷道掘进速度慢的问题，降低了安全生产成本，保障了矿井安全生产。
较佳地，在步骤S005中，将水阀35拧紧至半封闭状态，保证施工安全，当钻孔3内冲击力超过预设的力值时，一部分水会从半封闭状态的水阀35中流出，起到缓冲作业，避免钻孔3坍塌或报废。
较佳地，在每个作业点33进行多次冲击作业，例如5次冲击作业，提高冲击波对煤层1的冲击效果，利于压迫煤层1形成裂缝，拓展瓦斯通道。
较佳地，如图4所示，该瓦斯通道形成方法还包括步骤S008：
在每个钻孔3的四周按照预设距离开设探查钻孔5，每个探查钻孔5内都设置有用于监测瓦斯流量的孔板流量计51，每个孔板流量计51分别与外部的控制系统通信连接。
孔板流量计51是将标准孔板与多参数差压变送器(或差压变送器、温度变送器及压力变送器)配套组成的高量程比差压流量装置，可测量气体、蒸汽、液体及引的流量。
后期通过监测探查钻孔5内的瓦斯流量，即可获知对钻孔3的冲击波增透作业是否符合要求。
如探查钻孔5内的瓦斯流量大于作业开始前步骤S001中确定的瓦斯流量，则说明对钻孔3的冲击波增透作业符合要求。
如探查钻孔5内的瓦斯流量等于或小于作业开始前步骤S001中确定的瓦斯流量，则说明对钻孔3的冲击波增透作业符合要求。
探查钻孔5与钻孔3之间的距离，可以根据需要任意设定。
如监测到距离钻孔3为X的探查钻孔5中出现负压，则说明该探查钻孔5通过煤层中的缝隙或瓦斯通道与钻孔3连通，此时，煤层1中瓦斯会通过瓦斯通道快速进入探查钻孔5内，探查钻孔5内的瓦斯流量大于作业开始前步骤S001中确定的瓦斯流量。
如监测到距离钻孔3为Y(X＜Y)的探查钻孔5中没有出现负压，则说明该探查钻孔5与钻孔3并未连通，此时，探查钻孔5内的瓦斯流量小于或等于作业开始前步骤S001中确定的瓦斯流量。
根据上述方式，可以确定冲击波的影响距离L≥X，且L＜Y。
较佳地，如图4所示，探查钻孔5与钻孔3平行，利于精确地测得冲击波的影响距离L。
较佳地，如图1-2所示，在每侧的巷帮21上设置有多个钻孔3，并依次对每个钻孔3按照步骤S003至步骤S007进行作业。也就是，每次仅针对一个钻孔3进行操作，按照一定的次序对所有的钻孔3进行冲击作业。该种操作方式的优点是需要的冲击波产生装置6和操作人员少，能够降低成本。
较佳地，如图1-2所示，在每侧的巷帮21上设置有多个钻孔3，并同时对每个钻孔3按照步骤S003至步骤S007进行作业。也就是，一次仅针对所有钻孔3进行冲击作业。该种操作方式的优点是作业时间短，节省时间，提高了瓦斯的抽采效率。
较佳地，在步骤S002中，采用钻孔机开设钻孔。
在步骤S003中，将钻孔机与操纵杆连接，并通过钻孔机和操纵杆将冲击波产生装置放置在孔底。
在步骤S006中，通过钻孔机带动操纵杆和冲击波产生装置从孔底向孔口移动。
在步骤S007中，通过钻孔机带动操纵杆和冲击波产生装置从孔口移出。
采用钻孔机实现上述作业，方便操作，并节约了人工，提高了作业的安全性。
较佳地，钻孔3的孔径在110mm-130mm之间，钻孔3的孔深在180m-220m之间。每个钻孔3内任意相邻的两个作业点33之间的距离为4-6m。任意相邻的两个钻孔3之间的距离在20m-45m之间。每个钻孔3距离采煤巷道2的巷底21的距离在1m-1.5m之间。降低钻孔3的布孔量、钻孔3日抽放瓦斯量4000m3/天，缩短了瓦斯抽采时间、提高钻孔瓦斯抽采量和扩大钻孔预抽半径，减少了因瓦斯治理问题引起的掘进效率低、巷道掘进速度慢的问题，降低了安全生产成本，保障了矿井安全生产。
较佳地，如图2所示，在步骤S001中还包括：
预先在巷帮21上施工预设数量的试验钻孔4，试验钻孔4水平延伸至煤层1内。
在每个试验钻孔4内设置有瓦斯流量计41，并将所有的瓦斯流量计41与外部的控制系统通信连接。
在试验钻孔4施工完成后，将所有的试验钻孔4封孔密封。
在需要执行步骤S002时：
将所有的试验钻孔4开封，将每个试验钻孔4内的瓦斯流量计41取出，并按照步骤S002-步骤S007的方式对试验钻孔4进行冲击作业。
在执行步骤S001时，可以通过瓦斯流量计41实时监测煤层1中的瓦斯流量，该瓦斯流量计41可以为孔板流量计。
在执行步骤S002时，该试验钻孔4作为钻孔3的一种补充，按照步骤S002-步骤S007的方式，在试验钻孔4内放置冲击波产生装置6，然后在试验钻孔4设置带有水阀35的孔口密封盖34，再向试验钻孔4内注满水，在试验钻孔4内沿着孔底至孔口的方向设置多个作业点33，然后启动冲击波产生装置6，并拉动冲击波产生装置6从试验钻孔4的孔底向孔口侧移动，同时在试验钻孔4内的每个作业点33进行多次冲击作业，使煤层1产生裂缝以形成瓦斯通道。在对试验钻孔4内所有的作业点33完成冲击作业后，打开试验钻孔4内上的孔口密封盖34，将冲击波产生装置6从试验钻孔4内移出。
从而使得试验钻孔4在作业前用于动态监测煤层中的瓦斯数据，在作业时，作为钻孔通过冲击波冲击增透煤层，拓展了煤层裂缝出现的区域，拓展了煤层中的瓦斯通道，提高了瓦斯抽采效率。
本发明中的控制系统，可以为计算机，用于与瓦斯流量计41和孔板流量计51通信连接，以获得各种瓦斯数据。
本发明提供的瓦斯通道形成方法，单就煤矿瓦斯治理方面，可将原来2m的钻孔布孔间距扩大至20m以上，单个工作面就可节省钻孔施工量近百口，附加可节约管网安装和维护费用，提高钻孔的瓦斯抽采量，降低了瓦斯突出等安全隐患，可使巷道实现快速掘进，工作面快速形成其还可应用到煤矿放顶煤松动落煤方面，提高煤炭回采率。
根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。
以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于在煤层中形成瓦斯通道的瓦斯通道形成方法，其特征在于，包括如下步骤：
S001：预先在巷帮上施工预设数量的试验钻孔，所述试验钻孔水平延伸至所述煤层内；
在每个所述试验钻孔内设置有瓦斯流量计，并将所有的所述瓦斯流量计与外部的控制系统通信连接，
在所述试验钻孔施工完成后，将所有的所述试验钻孔封孔密封；
对煤层中的瓦斯压力、瓦斯浓度、瓦斯流量进行动态监测，并确定施工方案；
S002：将所有的所述试验钻孔开封，将每个所述试验钻孔内的所述瓦斯流量计取出；
在采煤巷道的两侧巷帮上朝向所述煤层中水平开设钻孔；
在所述钻孔内沿着孔底至孔口的方向上划分设置多个作业点；
每个所述钻孔内任意相邻的两个所述作业点之间的距离为4-6m；
任意相邻的两个所述钻孔之间的距离在20m-45m之间；
S003：将冲击波产生装置放入所述钻孔内，并在所述冲击波产生装置的尾端连接有操纵杆，所述操纵杆伸出于所述钻孔之外；
S004：将孔口密封盖密封在所述孔口上，所述孔口密封盖上设置有水阀，所述操纵杆穿过所述孔口密封盖；
S005：打开所述水阀，向所述钻孔内注满水，之后将所述水阀拧紧至半封闭状态，当所述钻孔内冲击力超过预设的力值时，一部分水会从半封闭状态的所述水阀中流出，起到缓冲作业，避免所述钻孔坍塌或报废；
S006：开启所述冲击波产生装置，并通过所述操纵杆移动所述冲击波产生装置，使所述冲击波产生装置沿着从所述孔底至所述孔口的方向上移动，并在每个所述作业点进行冲击作业，使所述煤层产生裂缝以形成瓦斯通道；
S007：对所有的所述作业点完成冲击作业后，打开所述孔口密封盖，将所述冲击波产生装置从所述钻孔内移出；
S008：在每个所述钻孔的四周按照预设距离开设探查钻孔，每个所述探查钻孔内都设置有用于监测瓦斯流量的孔板流量计，每个所述孔板流量计分别与外部的控制系统通信连接；
通过监测所述探查钻孔内的瓦斯流量，即可获知对所述钻孔的冲击波增透作业是否符合要求；
如所述探查钻孔内的瓦斯流量大于作业开始前步骤S001中确定的瓦斯流量，则对所述钻孔的冲击波增透作业符合要求；
如所述探查钻孔内的瓦斯流量等于或小于作业开始前步骤S001中确定的瓦斯流量，则对所述钻孔的冲击波增透作业不符合要求。
2.根据权利要求1所述的瓦斯通道形成方法，其特征在于，在所述步骤S006中，在每个所述作业点进行多次冲击作业。
3.根据权利要求1所述的瓦斯通道形成方法，其特征在于，所述探查钻孔与所述钻孔平行。
4.根据权利要求1所述的瓦斯通道形成方法，其特征在于，在每侧的所述巷帮上设置有多个所述钻孔，并依次对每个所述钻孔按照所述步骤S003至所述步骤S007进行作业。
5.根据权利要求1所述的瓦斯通道形成方法，其特征在于，在每侧的所述巷帮上设置有多个所述钻孔，并同时对每个所述钻孔按照所述步骤S003至所述步骤S007进行作业。
6.根据权利要求1所述的瓦斯通道形成方法，其特征在于，
在所述步骤S002中，采用钻孔机开设所述钻孔；
在所述步骤S003中，将所述钻孔机与所述操纵杆连接，并通过钻孔机和所述操纵杆将所述冲击波产生装置放置在所述孔底；
在所述步骤S006中，通过所述钻孔机带动所述操纵杆和所述冲击波产生装置从所述孔底向所述孔口移动；
在所述步骤S007中，通过所述钻孔机带动所述操纵杆和所述冲击波产生装置从所述孔口移出。
7.根据权利要求1所述的瓦斯通道形成方法，其特征在于，
所述钻孔的孔径在110mm-130mm之间，所述钻孔的孔深在180m-220m之间；
每个所述钻孔距离所述采煤巷道的巷底的距离在1m-1.5m之间。
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