CN107729700B - 煤层瓦斯抽采钻孔割缝封孔的参数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤层瓦斯抽采钻孔割缝封孔的参数确定方法，属于煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔技术领域。该方法首先通过数值模拟和现场测试，确定不同瓦斯抽采区域内巷道围岩应力分布区间，以此指导环形缝槽施工的具体位置和数量，并根据煤层条件和割缝水力参数确定封孔空间大小，使得能够通过监测封孔材料用量，保证钻孔封孔段和环形缝槽能够被封孔材料完全填满，形成密实的钻孔封堵段。本发明简单准确，针对不同抽采区域进行精细化管理，能够有效的保障钻孔封孔质量，提高钻孔瓦斯抽采效果，具有较高的现场推广应用价值。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔技术领域，尤其涉及到钻孔封孔段进行割缝封孔的相关参数确定方法。
背景技术
我国煤层地质结构复杂，高瓦斯和突出矿井的煤炭产量在总产量的占比达到了30％以上，并随着我国煤矿开采深度的不断加深，高瓦斯、突出矿井和煤层越来越多，瓦斯灾害风险越来越高。瓦斯抽采是治理瓦斯的根本性措施，瓦斯抽采效果的优劣除受煤层地质赋存条件及煤层渗透率等自然因素制约外，封孔质量也是一个重要影响因素。
目前，煤矿常用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺根据使用材料类型分为三种：机械式封孔、高分子聚合材料封孔、无机化学材料封孔。近年来，随着兼具流动性好、膨胀性高的特点的无机封孔材料的研发成功，基于“两堵一注”原理的带压注浆封孔工艺在现场取得了显著的效果。“两堵一注”带压注浆封孔是利用封孔器对封孔段两端进行封堵以形成一个相对密闭的空间，然后利用注浆设备以一定注浆压力向密闭空间注入具有膨胀性的无机封孔材料浆体，待浆体材料有效渗入到煤体裂隙后膨胀硬化，完成封孔。“两堵一注”封孔工艺成功的关键是注浆段两端的封堵和封孔材料能否有效封堵钻孔裂隙以提供主动的支撑作用。该工艺的特点是克服了机械式封孔、高分子发泡聚合材料封孔等工艺存在的不能有效封孔钻孔周围裂隙的弊端。然而在现场施工中发现，对于采用风钻的松软煤层，钻孔内遗留煤渣浮煤较多，影响封孔材料与钻孔壁的有效结合，造成钻孔的封孔注浆压力不高，封堵效果不佳；此外，通过对抽采条件下钻孔内不同气体浓度及抽采负压分布特征分析表明，当封孔深度过浅时，在负压作用下，钻孔可以通过裂隙与外部空间形成回路循环，导致空气经裂隙进入钻孔内，进而使瓦斯抽采浓度降低，钻孔寿命缩短。封孔深度过深，则影响经济性，且容易造成抽采的空白带。
为了解决这一问题，有学者提出了在钻孔周围沿径向切割形成环形缝槽，并利用封孔注浆将环形缝槽充满形成封堵墙的新技术途径。但该方法仅仅是概念性的解决手段，对割缝封孔的相关参数缺乏明确的确定方法，使得该方法的具体操作针对性不强。如中国发明专利(201610950226.7)公开的一种顺层瓦斯抽采钻孔封孔方法及其封孔结构，其提出环形缝槽的外径与钻孔孔径大小比值不小于5:1，环形缝槽在距钻孔孔口的距离5～18m范围内设置，每一环形缝槽的半径为0.5～3m，轴向宽度5～20cm，都只是简单直接的罗列的参数确定的大致范围；只提出了注浆压力达到2.0MPa的要求，没有对注浆量进行预估计算。因此，该技术需要研发配套参数确定方法，才能更好地指导工程实践，达到提高瓦斯抽采效果的最终目标。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤层瓦斯抽采钻孔割缝封孔的参数确定方法，主要通过数值模拟和现场测试分析巷道围岩应力分布区间，进而确定割缝位置、宽度、深度和割缝数量等参数，并提出封孔注浆压力和注浆量的确定方法，提高封孔质量和瓦斯抽采效果。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
煤层瓦斯抽采钻孔割缝封孔的参数确定方法，该方法包括以下步骤：
S1：钻孔设计完毕后，根据该瓦斯抽采区域的煤层地质条件、巷道断面参数，结合钻屑量法实际测量，确定在巷道煤壁钻孔施工范围内，随钻进深度不同，煤层破碎区、应力集中区和原始应力区的分布范围；
S2：按照设计参数进行施工煤层瓦斯抽采钻孔；
S3：在步骤S1中确定的应力集中区和原始应力区内进行水力割缝，在钻孔壁周围形成环形缝槽；
S4：对钻孔进行注浆封孔。
进一步，所述应力集中区分为应力升高区和应力降低区。
进一步，所述环形缝槽在应力升高区和原始应力区内均有分布，首条环形缝槽处于应力升高区和应力降低区交界处，按照确定缝槽间隔均匀分布，原始应力区内保证至少有1条环形缝槽；对于巷道两帮有措施孔的情况，应尽量避免环形缝槽与措施孔贯通。
进一步，所述环形缝槽的宽度是缝槽沿钻孔深度方向形成的缝槽的宽度，缝槽的深度是缝槽沿钻孔径向方向形成的深度，钻孔周围塑性区半径<缝槽深度<钻孔间距的一半，缝槽宽度为0.1～0.25m，缝槽间隔与缝槽宽度比为10～15:1；其中，钻孔周围塑性区半径
a为钻孔半径，λP为塑性摩擦系数，εcP为煤岩体塑性粘性，P为煤层应力。
进一步，在所述环形缝槽的施工过程中，对钻孔内排出煤渣进行收集，根据收集的煤渣量，判断形成的环形缝槽空间大小。
进一步，所述注浆封孔的材料用量是根据设计封孔参数、孔径及环形缝槽空间大小计算得到的。
进一步，在所述注浆封孔的过程中，注浆压力不小于2MPa，注浆量不小于确定的封孔空间所需量。
本发明的有益效果在于：本发明的煤层瓦斯抽采钻孔割缝封孔的参数确定方法，首先通过数值模拟和现场测试，确定不同瓦斯抽采区域内巷道围岩应力分布区间，以此指导环形缝槽施工的具体位置和数量，并根据煤层条件和割缝水力参数确定封孔空间大小，使得能够通过监测封孔材料用量，保证钻孔封孔段和环形缝槽能够被封孔材料完全填满，形成密实的钻孔封堵段。本发明简单准确，针对不同抽采区域进行精细化管理，能够有效的保障钻孔封孔质量，提高钻孔瓦斯抽采效果，具有较高的现场推广应用价值。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明方法的模拟结果示意图。
图2为本发明方法的缝槽和封孔施工示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示，I—卸压区，II—应力升高区，III—应力降低区，IV—原始应力区。
步骤1、根据实施例瓦斯抽采区域的煤层地质参数、巷道布置情况和钻孔施工参数等资料，构建数值模型并进行解算，并利用钻屑量法综合得出随钻孔深度分布的煤层破碎区I、由应力升高区II和应力降低区III组成的应力集中区、原始应力区IV，四个区域距孔口距离分别为0～3m，3～7m，7～15m，＞15m。
步骤2、在瓦斯抽采区域按照钻孔设计施工参数施工钻孔，钻孔7孔径为113mm，钻孔间距为4m。
步骤3、钻孔施工完成后，在钻孔口安装煤渣收集装置，距孔口7m处施工第一道环形缝槽，缝槽宽度0.25m，通过计算公式得到钻孔周围塑性区半径为0.82m，钻孔间距一半为2m，根据现场情况，确定缝槽深度1m，缝槽间隔与缝槽宽度比取值为15:1，因此缝槽间隔为3.75m。第二道缝槽在距孔口10.75m处施工，以此类推，第4道缝槽距孔口18.25m，已处于原始应力区IV范围内，共施工4道环形缝槽。按照四道环形缝槽的设计参数，在钻头退至距孔口18.25m、14.5m、10.75m和7m施工缝槽，最后完成退钻。
本实施例中，根据步骤3中环形缝槽的相关参数，由于缝槽施工采用水力径向钻孔工艺，成孔近似于圆形空间，可以近似计算出所有缝槽空间体积V1＝4×12×3.14×0.25＝3.14m3。
步骤4、收集4道环形缝槽施工过程中产生的全部煤渣，将其在内径一定的圆筒内捣碎压实，测量出所有煤渣的体积V2。
本实施例中，比较V1和V2，取其较大者作为缝槽空间最终体积V，既能排出缝槽施工成型过大或过小对封孔空间计算不准确的影响，也能排出煤渣收集不全对钻孔封孔空间计算不准确的影响。
步骤5、对环形缝槽施工完成的瓦斯抽采钻孔进行注浆封孔。
如图2所示，1—注浆管，2—封孔管，3—封孔器，4—环形缝槽，5—注浆封孔段，6—煤层，7—钻孔，8—应力分布曲线。
本实施例步骤5中，封孔管2外径为75mm，封孔位置从距孔口5m至19m全段注浆封孔。
本实施例中，根据步骤2、3、4和5中相关参数，计算出注浆封孔段5所需理论注浆量L＝V+(19-5)×3.14×(0.1132-0.0752)。
本实施例中，可以通过理论注浆量来检测判断注浆封孔工作的状态是否正常，当注浆量超过理论注浆量的20％后，注浆压力仍无明显上升，说明钻孔浆液存在泄漏可能，需对封孔段进行处理后继续注浆，避免了注浆封孔的盲目性。
本实施例步骤5中，注浆封孔压力达到2MPa以上后，同时注浆量超过L，封孔工作完成。
本实施例中，环形缝槽内的封孔材料相当于楔进煤体内，充分有效的增加了封孔材料与煤体的结合，提高了钻孔的密封效果，并使得封孔材料能够与煤体一起承受地应力的变化，而不会存在封孔材料与煤体分离，形成漏气通道，使得抽采效果不断下降。封孔材料在封孔段环形缝槽内形成的挡板，还起到阻断煤壁漏风通道的作用，进一步提高瓦斯抽采钻孔封堵效果。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (4)
1.煤层瓦斯抽采钻孔割缝封孔的参数确定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：钻孔设计完毕后，根据瓦斯抽采区域的煤层地质条件、巷道断面参数，结合钻屑量法实际测量，确定在巷道煤壁钻孔施工范围内，随钻进深度不同，煤层破碎区、应力集中区和原始应力区的分布范围；
S2：按照设计参数进行施工煤层瓦斯抽采钻孔；
S3：在步骤S1中确定的应力集中区和原始应力区内进行水力割缝，在钻孔壁周围形成环形缝槽；
S4：对钻孔进行注浆封孔；
所述应力集中区分为应力升高区和应力降低区；
所述环形缝槽在应力集中区和原始应力区内均有分布，首条环形缝槽处于应力升高区和应力降低区交界处，按照确定缝槽间隔均匀分布，原始应力区内保证至少有1条环形缝槽；
所述环形缝槽的宽度是缝槽沿钻孔深度方向形成的缝槽的宽度，缝槽的深度是缝槽沿钻孔径向方向形成的深度，钻孔周围塑性区半径<缝槽深度<钻孔间距的一半，缝槽宽度为0.1～0.25m，缝槽间隔与缝槽宽度比为10～15:1；其中，钻孔周围塑性区半径
a为钻孔半径，λP为塑性摩擦系数，εcP为煤岩体塑性粘性，P为煤层应力。
2.根据权利要求1所述的煤层瓦斯抽采钻孔割缝封孔的参数确定方法，其特征在于：在所述环形缝槽的施工过程中，对钻孔内排出煤渣进行收集，根据收集的煤渣量，判断形成的环形缝槽空间大小。
3.根据权利要求1所述的煤层瓦斯抽采钻孔割缝封孔的参数确定方法，其特征在于：所述注浆封孔的材料用量是根据设计封孔参数、孔径及环形缝槽空间大小计算得到的。
4.根据权利要求1或3所述的煤层瓦斯抽采钻孔割缝封孔的参数确定方法，其特征在于：在所述注浆封孔的过程中，注浆压力不小于2MPa，注浆量不小于确定的环形缝槽所需量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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