CN108894814A - 一种用于穿层钻孔注高温氮气快速掘进的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于穿层钻孔注高温氮气快速掘进的方法,采用分组穿层钻孔然后向穿层钻孔内逐级注入高温氮气的方式，通过低位抽采巷道的穿层钻孔重复逐级注高温氮气，穿层钻孔之间的煤体不但受到高温氮气能量对煤体的加热而加快瓦斯解吸，而且还在不同时间受到不同方向高温氮气的压裂增透；能加快煤体裂隙的发育、张开和沟通；此外，煤体在“温度+压力”耦合作用下更易开裂、增透；重复逐级注入高温氮气避免了抽采过程中裂隙闭合、瓦斯浓度和流量衰减的问题，保证了穿层钻孔高浓度大流量抽采瓦斯，致使煤层掘进巷道控制范围内的煤体瓦斯被高效安全的快速抽出，大大加快了单一松软具有高突危险性煤层巷道的掘进速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速掘进的方法，具体是一种用于穿层钻孔注高温氮气快速掘进的方法。
背景技术
目前煤矿井下的规定要求，突出矿井的采掘工作要做到不掘突出头、不采突出面。未按要求采取区域综合防突措施的，严禁进行采掘活动。为了保证无保护层开采条件的单一低透具有高突出危险性的煤层在巷道掘进过程中的安全，目前行业内很多煤矿常常采用在煤层掘进巷道垂直下方10～20m范围中选择无突出危险性的岩层内布置平行于掘进巷道的低位抽采巷道。在低位抽采巷道内向煤巷掘进工作面煤体超前位置打设穿层钻孔，然后通过穿层钻孔进行卸压和抽采瓦斯，确保煤层巷道掘进时没有突出危险性。但是由于煤层透气性低，常规的穿层钻孔后在后续瓦斯抽采过程中存在抽采范围小，抽采时间长，抽采困难的问题，由于无法及时降低巷道内的瓦斯浓度，导致煤层工作面巷道的掘进速度较慢，造成煤矿掘采失衡，严重影响了煤矿的安全和效益。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于穿层钻孔注高温氮气快速掘进的方法，能提高对煤层瓦斯的抽采效率及缩短瓦斯抽采达标时间，从而保证煤层巷道的安全快速掘进。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于穿层钻孔注高温氮气快速掘进的方法，具体步骤为：
A、在低位抽采巷道内每间隔一段距离向煤层方向施工一组呈线性分布的穿层钻孔，确保每组穿层钻孔穿透煤层进入煤层顶板不少于0.5m，且使穿层钻孔处于巷道掘进控制范围内；所述每组穿层钻孔的数量为奇数，每组处于最中间的穿层钻孔为一级钻孔，与一级钻孔相邻的两个穿层钻孔为二级钻孔，以此类推为三级钻孔，直至确定每组最外侧的两个穿层钻孔为N级钻孔；
B、每个穿层钻孔施工完成后均插入与穿层钻孔等深的护孔管，采用高压注浆法对穿层钻孔进行密封，通过瓦斯抽采管、支管将穿层钻孔连入井下抽采系统，对煤层巷道掘进控制范围内的瓦斯进行抽采；
C、当一组穿层钻孔中各个钻孔均连入井下抽采系统后，先将其中的一级钻孔停止瓦斯抽采并连接注高温氮气管路，向一级钻孔内注入一段时间的高温氮气；
D、完成后关闭一级钻孔的注高温氮气管路，并将一级钻孔连接到抽采系统继续进行瓦斯抽采；
E、重复步骤C和D，逐级对该组穿层钻孔中的二级钻孔、三级钻孔、……N级钻孔注入高温氮气，完成整组穿层钻孔的注高温氮气作业；
F、重复步骤C、D和E，继续向下一组穿层钻孔注入高温氮气，直至完成在低位抽采巷道内所有穿层钻孔的注高温氮气作业；
G、在巷道掘进过程中，每当一组穿层钻孔中任一钻孔抽采出的气体中瓦斯浓度低于30％时，即对该组穿层钻孔按照步骤C、D和E进行重复逐级注高温氮气作业，直至完成巷道掘进控制范围内的瓦斯抽采。
进一步，所述每组穿层钻孔中最外侧的两个穿层钻孔间距为3～4m，相邻两组穿层钻孔的间距为3～4m。
进一步，所述高温氮气的注入时间为0.5～1h，温度和压力满足0.001T-0.0238P+0.1411＝0，其中：T为氮气温度，P为氮气压力，且氮气温度高于煤体温度。
与现有技术相比，本发明采用分组穿层钻孔然后向穿层钻孔内逐级注入高温氮气的方式，通过低位抽采巷道的穿层钻孔重复逐级注高温氮气，穿层钻孔之间的煤体不但受到高温氮气能量对煤体的加热而加快瓦斯解吸，而且还在不同时间受到不同方向高温氮气的压裂增透，产生相互贯通便于瓦斯抽采的裂隙通道；注入高温氮气过程中，其他级钻孔还保持抽采状态，使穿层钻孔之间的煤体受力是同一个方向，加快煤体裂隙的发育、张开和沟通；此外，煤体在“温度+压力”耦合作用下更易开裂、增透；重复逐级注入高温氮气避免了抽采过程中裂隙闭合、瓦斯浓度和流量衰减的问题，保证了穿层钻孔高浓度大流量抽采瓦斯，致使煤层掘进巷道控制范围内的煤体瓦斯被高效安全的快速抽出，消除巷道掘进范围内的瓦斯灾害，大大加快了单一松软具有高突危险性煤层巷道的掘进速度。
采用本发明能使穿层钻孔控制区域煤体透气性提高20～50倍，瓦斯抽采效率提高10倍以上，掘进巷道范围内瓦斯的抽出率提高25～50％，瓦斯抽采达标时间缩短为原来的10％～20％，实现了煤层巷道的安全快速掘进。该方法操作简单，效果好、巷道掘进速度快且安全，具有广泛的实用性和极好的推广价值。
附图说明
图1是本发明的钻孔布置图；
图2是图1的A-A向剖面示意图。
图中：1、煤层；2、掘进巷道；3、低位抽采巷道；4、一级钻孔；5、二级钻孔；6、三级钻孔。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的具体步骤为：
A、在低位抽采巷道内每间隔3～4m距离向煤层方向施工一组呈线性分布的穿层钻孔，确保每组穿层钻孔穿透煤层进入煤层顶板不少于0.5m，且使穿层钻孔处于巷道掘进控制范围内；所述巷道掘进的控制范围具体是：倾斜、急倾斜煤层1巷道上帮轮廓线外至少20m，下帮至少10m，其他为巷道两侧轮廓线外至少各15m；所述每组穿层钻孔的数量为奇数，每组处于最中间的穿层钻孔为一级钻孔，与一级钻孔相邻的两个穿层钻孔为二级钻孔，以此类推为三级钻孔，直至确定每组最外侧的两个穿层钻孔为N级钻孔；所述每组穿层钻孔中N级钻孔之间的距离为3～4m；
B、每个穿层钻孔施工完成后均插入与穿层钻孔等深的护孔管，这样防止瓦斯抽采过程中由于煤层1松软出现塌孔影响瓦斯抽采效果的问题出现；采用高压注浆法对穿层钻孔进行密封，确保穿层钻孔具有很好的蓄压环境，有助于后续注入高温氮气的压裂增透；通过瓦斯抽采管、支管将穿层钻孔连入井下抽采系统，对煤层巷道掘进控制范围内的瓦斯进行抽采，并观测穿层钻孔瓦斯浓度变化情况；
C、当一组穿层钻孔中各个钻孔均连入井下抽采系统后，先将其中的一级钻孔停止瓦斯抽采并连接注高温氮气管路，向一级钻孔内注入高温氮气，高温氮气的注入时间为0.5～1h，温度和压力满足0.001T-0.0238P+0.1411＝0，其中：T为氮气温度，P为氮气压力，且氮气温度高于煤体温度；对一级钻孔4注入高温氮气过程中，高温氮气具有的能量对煤体进行加热，加快瓦斯脱离煤体速度，使煤体中难以解吸的瓦斯转化为游离瓦斯，便于瓦斯被大流量、快速抽采；持续稳定的压力足以压开煤体小尺度裂隙，促使煤层1中原始闭合裂隙展开、张开裂隙进一步扩展；另外，一级钻孔4附近的该组二级钻孔5和相邻组的一级钻孔处于负压抽采阶段，使穿层钻孔之间的煤体受力是同一个方向，从而加快煤体裂隙的发育、张开和沟通；此外，煤体在“温度+压力”耦合作用下更易开裂、增透；
D、完成后关闭一级钻孔的注高温氮气管路，并将一级钻孔连接到抽采系统继续进行瓦斯抽采；
E、重复步骤C和D，逐级对该组穿层钻孔中的二级钻孔、三级钻孔、……N级钻孔注入高温氮气，完成整组穿层钻孔的注高温氮气作业；
F、重复步骤C、D和E，继续向下一组穿层钻孔注入高温氮气，直至完成在低位抽采巷道内所有穿层钻孔的注高温氮气作业；
G、在瓦斯抽采过程中，每当一组穿层钻孔中任一钻孔抽采出的气体中瓦斯浓度低于30％时，即对该组穿层钻孔按照步骤C、D和E进行重复逐级注高温氮气作业，直至完成巷道掘进控制范围内的瓦斯抽采。这样避免了穿层钻孔抽采过程中煤体裂隙闭合、瓦斯浓度和流量衰减的问题，保证了穿层钻孔高浓度大流量抽采瓦斯。以二级钻孔5为例，在二级钻孔5注入高温氮气过程中，一级钻孔4和二级钻孔5之间煤体的受力方向与一级钻孔4注高温氮气时刚好相反，有利于穿层钻孔之间的裂隙的发育和贯通。穿层钻孔之间的煤体在不同时间受到不同方向力的作用，进一步增加了煤体的增透效果。
Claims (3)
1.一种用于穿层钻孔注高温氮气快速掘进的方法，其特征在于，具体步骤为：
A、在低位抽采巷道内每间隔一段距离向煤层方向施工一组呈线性分布的穿层钻孔，确保每组穿层钻孔穿透煤层进入煤层顶板不少于0.5m，且使穿层钻孔处于巷道掘进控制范围内；所述每组穿层钻孔的数量为奇数，每组处于最中间的穿层钻孔为一级钻孔，与一级钻孔相邻的两个穿层钻孔为二级钻孔，以此类推为三级钻孔，直至确定每组最外侧的两个穿层钻孔为N级钻孔；
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C、当一组穿层钻孔中各个钻孔均连入井下抽采系统后，先将其中的一级钻孔停止瓦斯抽采并连接注高温氮气管路，向一级钻孔内注入一段时间的高温氮气；
D、完成后关闭一级钻孔的注高温氮气管路，并将一级钻孔连接到抽采系统继续进行瓦斯抽采；
E、重复步骤C和D，逐级对该组穿层钻孔中的二级钻孔、三级钻孔、……N级钻孔注入高温氮气，完成整组穿层钻孔的注高温氮气作业；
F、重复步骤C、D和E，继续向下一组穿层钻孔注入高温氮气，直至完成在低位抽采巷道内所有穿层钻孔的注高温氮气作业；
G、在巷道掘进过程中，每当一组穿层钻孔中任一钻孔抽采出的气体中瓦斯浓度低于30％时，即对该组穿层钻孔按照步骤C、D和E进行重复逐级注高温氮气作业，直至完成巷道掘进控制范围内的瓦斯抽采。
2.根据权利要求1所述的一种用于穿层钻孔注高温氮气快速掘进的方法，其特征在于，所述每组穿层钻孔中最外侧的两个穿层钻孔间距为3～4m，相邻两组穿层钻孔的间距为3～4m。
3.根据权利要求1所述的一种用于穿层钻孔注高温氮气快速掘进的方法，其特征在于，所述高温氮气的注入时间为0.5～1h，温度和压力满足0.001T-0.0238P+0.1411＝0，其中：T为氮气温度，P为氮气压力，且氮气温度高于煤体温度。
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Application publication date: 20181127 Assignee: Xuzhou Runyue Network Technology Co.,Ltd. Assignor: XUZHOU University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023320000181 Denomination of invention: A method for rapid excavation using high-temperature nitrogen gas injection in layered drilling Granted publication date: 20191122 License type: Common License Record date: 20230731 |