CN109763857B - 水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法 - Google Patents

Abstract

一种水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其包括如下步骤：步骤一：施工形成定向长钻孔，步骤二：施工形成水射流密集梳状钻孔，步骤三：封孔抽采瓦斯。本发明利用在煤矿井下待掘巷道底板施工极小半径水射流密集梳状分支钻孔，减少了单个分支孔的钻孔深度，大大增加了分支孔的数量，提高了定向长钻孔的煤层增透和瓦斯抽放效果，实现了待掘进巷道煤层瓦斯预抽消突目的，保障了煤层巷道安全掘进。

Description

水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法

技术领域

本发明涉及煤层瓦斯治理的技术领域，尤其涉及一种水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法。

背景技术

随着我国煤炭开采深度的增加，地应力、瓦斯梯度、瓦斯含量及瓦斯涌出量不断增大，高瓦斯矿井和突出矿井也不断增多，发生煤与瓦斯突出和瓦斯超限的频率和强度也日益增大，因此井下煤巷掘进中必须做好防治煤与瓦斯突出和瓦斯超限措施。采用钻孔预抽瓦斯是治理瓦斯突出和超限的有效手段，目前对于待掘进煤巷瓦斯的治理主要采用的方法是，先在煤巷底板岩层施工瓦斯抽采岩巷，再在抽采巷内向待掘煤层施工穿层钻孔抽采瓦斯从而实现消突及预抽的目的；也有沿待掘巷道煤层施工顺层定向长钻孔或沿待掘巷道煤层顶底板施工定向梳状钻孔预抽瓦斯的措施。利用抽采巷施工穿层钻孔预抽瓦斯的效果最好，但施工周期长且成本高昂；利用煤层顺层定向长钻孔预抽瓦斯的经济性和周期性均较好，但面临的主要问题是高瓦斯或突出矿井的煤层较破碎，施工的定向长钻孔容易在高地应力和高瓦斯压力下发生塌孔甚至发生卡埋钻事故，从而极大影响抽采防突效果；利用煤层顶底板定向梳状钻孔进行预抽虽能一定程度避免主孔事故，但存在分支钻孔数量有限，且整孔煤层钻遇率低，抽采效果难以保障的问题。

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，研究设计出一种水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其操作方便，能有效提高分支钻孔数量和分支孔煤层钻遇率，降低钻孔事故率，节省底板抽采巷，同时确保钻孔覆盖到位。

为解决上述问题，本发明公开了一种水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：施工形成定向长钻孔，其包含如下子步骤：

a.确定定向长钻孔的位置，根据待开掘巷道区域地层资料确定定向长钻孔的位置，所述开掘巷道区域地层资料包含已探测的煤层顶板、待掘巷道煤层和煤层底板，所述定向长钻孔位于煤层底板中，所述定向长钻孔的延伸方向与待掘巷道煤层的方向相同；

b.定向长钻孔开孔：根据步骤a中定向长钻孔的确定，在施工钻场确定开孔点，通过回转钻进方法开孔后提出孔内钻具；

c.定向长钻孔的定向钻入；

d.定向长钻孔的扩孔，在钻机上连接扩孔钻具，采用回转钻进方法进行分级扩孔，扩孔完成后停止钻进，将孔内钻具提出孔外终孔；

步骤二：施工形成水射流密集梳状钻孔，其可包含如下子步骤：

a.确定定向长钻孔中射流的多个间隔设置的分支点和从各分支点横向呈扇面向待掘巷道煤层按角度间隔设置的多个疏状钻孔；

b.下入定位转向装置；

c.下入射流钻具；

d.单分支点的各疏状钻孔钻进，打开高压泵给射流钻具提供高压水源，完成一个疏状钻孔后把射流钻具提回钻杆内，旋转一定方位角继续按继续另一疏状钻孔的钻入步骤，如此反复后完成一个分支点的各疏状钻孔钻孔；

f.多分支点的钻进：当一个分支点的疏状钻孔钻进完成后，把定位转向装置提离孔底一定距离继续施钻下一个分支点的疏状钻孔；

g.提钻终孔；

步骤三：封孔抽采瓦斯。

其中：所述定向长钻孔距离待掘巷道煤层的底部的垂深小于20m。

其中：在定向长钻孔的定向钻入步骤中，在钻机上依次连接包含钻头、螺杆马达、下无磁钻杆、测量短节、上无磁钻杆和通缆钻杆的定向钻具，旋转螺杆马达的弯头朝向，螺杆马达启动后钻头回转，孔口正常返水后开始定向钻入。

其中：定向钻进时采用复合钻进方法来保证钻进效率和钻孔轨迹平滑，当钻遇地层性质变差或实际钻孔轨迹与设计钻孔轨迹偏差较大时，旋转钻杆，改变螺杆马达弯头朝向后采用滑动定向钻进进行纠偏，纠偏完成后继续回转复合钻进，如此交替进行。

其中：各疏状钻孔从分支点穿过煤层底板和待掘巷道煤层至顶板岩层。

其中：在下入定位转向装置的步骤中，将定位转向装置的钻具导向装置、方位角测量短节和转向钻杆依次连接并通过钻机下入到定向长钻孔预定施钻位置。

其中：在下入射流钻具的步骤中，将射流钻具的水射流旋转钻头、测量装置和高压胶管依次连接并从定位转向装置的转向钻杆内通径下入，通过钻具导向装置后将射流钻具由分支点垂直向上准备钻进。

其中：在单分支点的各疏状钻孔钻进的步骤中，水射流旋转钻头实现自旋转并有前后喷嘴，前向喷嘴用于破岩，后向喷嘴可提供一定的自推进力，经钻具导向装置实现90°换向后进行射流破岩钻进，先后钻穿底板岩层和目标煤层后至顶板岩层完成一个疏状钻孔的钻入。

其中：步骤三还包含在钻孔完成后，下入孔口管进行封孔。

其中：所述两个分支点的疏状钻孔之间的间距不大于瓦斯抽采直径且不大于2m。

通过上述结构可知，本发明的水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法解决了现有技术的待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法中，施工底抽巷经济和周期性差，施工顺层长钻孔和顶底板梳状钻孔抽采消突效果较差的问题，能够大大提高分支钻孔数量和分支孔煤层钻遇率，降低钻孔事故率，节省底板抽采巷，同时确保钻孔覆盖到位。

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显示了本发明的水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法的原理示意图。

图2显示了本发明的水射流密集梳状钻孔的剖面布置示意图。

图3显示了本发明的极小半径水射流分支钻孔钻进示意图。

附图标记：

1-煤层顶板；2-待掘巷道煤层；3-煤层底板；4-施工钻场；5-定向长钻孔；6-梳状钻孔；11-钻杆；12-方位角测量短节；13-钻具导向装置；14-高压胶管；15-测量装置；16-水射流旋转钻头；Ι-定向长钻孔距待开掘巷道底板垂深；Ⅱ-单孔位的扇形分支孔覆盖范围。

具体实施方式

参见图1和2，显示了本发明的水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法。

所述水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法包括如下步骤：

步骤一：施工形成定向长钻孔，其可包含如下子步骤：

a.确定定向长钻孔的位置，如图1所示，根据待开掘巷道区域地层资料确定定向长钻孔5的位置，所述开掘巷道区域地层资料包含已探测的煤层顶板1、待掘巷道煤层2和煤层底板3，所述待掘巷道煤层2在煤层顶板1下方延伸，所述煤层底板3在待掘巷道煤层2的下方延伸，所述定向长钻孔5位于煤层底板3中，优选的位于煤层底板3的较稳定岩层中，所述定向长钻孔5的延伸方向与待掘巷道煤层2的方向相同，所述定向长钻孔5距离待掘巷道煤层2的底部的垂深越小越好，优选的垂深Ι小于20m，优选的垂深I可大于5m，且所述定向长钻孔5的轨迹应尽量平滑。

b.定向长钻孔开孔：根据步骤a中定向长钻孔5的确定，在施工钻场4确定开孔点调整钻机和钻具的倾角和方位角，优选采用120mm钻头，通过回转钻进方法开孔后提出孔内钻具，开孔深度优选为10-30m。

c.定向长钻孔5的定向钻入，在钻机上依次连接包含钻头、螺杆马达、下无磁钻杆、测量短节、上无磁钻杆和通缆钻杆的定向钻具，旋转螺杆马达的弯头朝向，校准工具面后缓慢下钻至定向长钻孔的孔底；在定向钻入时先打开水泵，螺杆马达启动后钻头回转，孔口正常返水后开始定向钻入，每钻进6m后测量钻孔轨迹(即包含钻孔倾角、方位角、工具面向角等的钻孔参数)，通过测量短节测得上述钻孔轨迹后将轨迹的信号传输到孔口，由孔口的接收装置接收信号，接收装置显示测量结果和钻孔轨迹；优选的是，定向钻进时可采用复合钻进方法来保证钻进效率和钻孔轨迹平滑，当钻遇地层性质变差或实际钻孔轨迹与设计钻孔轨迹偏差较大时，旋转钻杆，改变螺杆马达弯头朝向后采用滑动定向钻进进行纠偏，纠偏完成后继续回转复合钻进，如此交替进行。钻孔轨迹控制过程中，根据孔口接收装置显示的钻孔轨迹情况，判断如何进行调整，从而使钻孔轨迹尽可能沿着设计方向延伸，定向钻孔达到设计孔深后将定向钻具提出孔内。

d.定向长钻孔的扩孔，在钻机上连接扩孔钻具，采用回转钻进方法进行分级扩孔至满足定位导向装置所需钻孔直径，最终将定向长钻孔的直径扩孔在200mm以上，扩孔完成后停止钻进，水泵开至最大排量反复冲孔至孔内钻屑排干净后，将孔内钻具提出孔外终孔。

步骤二：施工形成水射流密集梳状钻孔，其可包含如下子步骤：

a.根据待开掘巷道煤层厚度、透气性、瓦斯含量、瓦斯压力等参数确定定向长钻孔5中射流的多个间隔设置的分支点和从各分支点横向呈扇面(如图2所示)向待掘巷道煤层2按角度间隔设置的多个疏状钻孔6，其中各疏状钻孔6需要从分支点穿过煤层底板3和待掘巷道煤层2至顶板岩层1，每个分支点设置的多个扇形分布的疏状钻孔6覆盖范围Ⅱ结合煤矿安全生产实际条件和经验确定且满足《防治煤与瓦斯突出规定》的要求覆盖待开掘巷道两侧轮廓线外至少各15m。

b.下入定位转向装置：将定位转向装置的钻具导向装置13、方位角测量短节12和转向钻杆11依次连接并通过钻机下入到定向长钻孔5预定施钻位置(即各个分支点)。

c.下入射流钻具：将射流钻具的水射流旋转钻头16、测量装置15和高压胶管14依次连接并从定位转向装置的转向钻杆11内通径下入，通过钻具导向装置13后将射流钻具由分支点的近水平方向在极小半径内转向90°垂直向上准备钻进(参见图3)。

d.单分支点的各疏状钻孔6钻进：打开高压泵给射流钻具提供高压水源，水射流旋转钻头16实现自旋转并有前后喷嘴，钻头前部旋转切割头布置有多个前喷嘴用于破岩，与钻头轴线呈0～90°不等夹角且与轴线方向有一定偏移角使钻头产生旋转扭矩，钻头后部非旋转部分布置有多个后喷嘴，与钻头轴线呈一定角度向后喷射，提供向前的推进力，经钻具导向装置13实现极小半径内的90°换向后进行射流破岩钻进，先后钻穿底板岩层3和目标煤层2后至顶板岩层1完成一个疏状钻孔6的钻入，完成一个疏状钻孔6后把射流钻具提回钻杆内，将钻具导向装置13旋转一定方位角继续按继续另一疏状钻孔6的钻入步骤，如此反复后完成一个分支点的各疏状钻孔6钻孔，这样多个疏状钻孔6共同构成了一个分支点的扇形分支的疏状钻孔6。

f.多分支点的钻进：当一个分支点的疏状钻孔6钻进完成后，把定位转向装置提离孔底一定距离继续施钻下一个分支点的疏状钻孔6，全部分支点的钻孔施工顺序为从孔底向孔口方向依次进行。

g.提钻终孔：待全部分支点的射流钻孔完成后，将定位转向装置和射流钻具从钻孔内提出孔外。

步骤三：封孔抽采瓦斯，其可包含如下子步骤：

a.在钻孔完成后，下入孔口管进行封孔，优选的采用“两堵一注”钻孔封孔工艺进行封孔。

b.连接瓦斯抽采管路，通过管路对待掘进巷道瓦斯进行预抽，并在孔口管路上设置瓦斯监测仪器，收集记录瓦斯抽采流量、负压、浓度等数据用于监测和评价抽放效果。

优选的是，所述两个分支点的疏状钻孔6之间的间距不大于瓦斯抽采直径且不大于2m。

由此可见，本发明的优点在于：

1.水射流钻具可在极小半径内由近水平转向垂直射流钻进完成开分支，分支点位置可根据需要确定，不需要在施工主孔时预留，且一个分支点可施工多个方位的分支孔，提高了分支孔数量，利于合理设计瓦斯消突抽采钻孔，提高瓦斯抽采效果；

2.射流分支孔仅需要穿透底板岩层即进入待掘煤层，且穿岩层时与岩层走向为近垂直，减少了无效进尺，一定程度提高了分支孔的煤层钻遇率；

3.水射流分支钻孔由底板向上部施钻，有利于煤岩钻屑的排出，同时在遇到局部卡埋钻时，水射流钻头本身具有前后喷嘴，可实现前后破障特性，且单个分支孔的钻孔深度有限，有利于孔内事故的处理；

4.通过对各分支钻孔轨迹读取，能够得到实际钻孔轨迹，有利于确定钻孔覆盖范围，合理评价后续瓦斯抽采影响区域，提高瓦斯治理效果；

5.采用主孔定向成孔，并在主孔内向待掘煤层密集射流钻孔增透消突的方法，能够确保煤层增透消突效果，节省了底抽巷，也节约了施工时间。

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 (9)

1.一种水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：施工形成定向长钻孔，其包含如下子步骤：

a.确定定向长钻孔的位置，根据待开掘巷道区域地层资料确定定向长钻孔的位置，所述开掘巷道区域地层资料包含已探测的煤层顶板、待掘巷道煤层和煤层底板，所述定向长钻孔位于煤层底板中，所述定向长钻孔的延伸方向与待掘巷道煤层的方向相同；

b.定向长钻孔开孔：根据步骤a中定向长钻孔的确定，在施工钻场确定开孔点，通过回转钻进方法开孔后提出孔内钻具；

c.定向长钻孔的定向钻入；

d.定向长钻孔的扩孔，在钻机上连接扩孔钻具，采用回转钻进方法进行分级扩孔，扩孔完成后停止钻进，将孔内钻具提出孔外终孔；

步骤二：施工形成水射流密集梳状钻孔，其包含如下子步骤：

a.确定定向长钻孔中射流的多个间隔设置的分支点和从各分支点横向呈扇面向待掘巷道煤层按角度间隔设置的多个梳状钻孔；

b.下入定位转向装置；

c.下入射流钻具；

d.单分支点的各梳状钻孔钻进，打开高压泵给射流钻具提供高压水源，完成一个梳状钻孔后把射流钻具提回钻杆内，旋转一定方位角继续按继续另一梳状钻孔的钻入步骤，如此反复后完成一个分支点的各梳状钻孔钻孔；

e.多分支点的钻进：当一个分支点的梳状钻孔钻进完成后，把定位转向装置提离孔底一定距离继续施钻下一个分支点的梳状钻孔；

f.提钻终孔；

步骤三：封孔抽采瓦斯。

2.如权利要求1所述的水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其特征在于：所述定向长钻孔距离待掘巷道煤层的底部的垂深小于20m。

3.如权利要求1所述的水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其特征在于：在定向长钻孔的定向钻入步骤中，在钻机上依次连接包含钻头、螺杆马达、下无磁钻杆、测量短节、上无磁钻杆和通缆钻杆的定向钻具，旋转螺杆马达的弯头朝向，螺杆马达启动后钻头回转，孔口正常返水后开始定向钻入。

4.如权利要求3所述的水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其特征在于：定向钻进时采用复合钻进方法来保证钻进效率和钻孔轨迹平滑，当钻遇地层性质变差或实际钻孔轨迹与设计钻孔轨迹偏差较大时，旋转钻杆，改变螺杆马达弯头朝向后采用滑动定向钻进进行纠偏，纠偏完成后继续回转复合钻进，如此交替进行。

5.如权利要求1所述的水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其特征在于：各梳状钻孔从分支点穿过煤层底板和待掘巷道煤层至顶板岩层。

6.如权利要求1所述的水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其特征在于：在下入定位转向装置的步骤中，将定位转向装置的钻具导向装置、方位角测量短节和转向钻杆依次连接并通过钻机下入到定向长钻孔预定施钻位置。

7.如权利要求1所述的水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其特征在于：在下入射流钻具的步骤中，将射流钻具的水射流旋转钻头、测量装置和高压胶管依次连接并从定位转向装置的转向钻杆内通径下入，通过钻具导向装置后将射流钻具由分支点垂直向上准备钻进。

8.如权利要求7所述的水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其特征在于：在单分支点的各梳状钻孔钻进的步骤中，水射流旋转钻头实现自旋转并有前后喷嘴，前向喷嘴用于破岩，后向喷嘴可提供一定的自推进力，经钻具导向装置实现90°换向后进行射流破岩钻进，先后钻穿底板岩层和目标煤层后至顶板岩层完成一个梳状钻孔的钻入。

9.如权利要求1所述的水射流密集梳状钻孔式待掘巷煤层瓦斯消突预抽治理方法，其特征在于：步骤三还包含在钻孔完成后，下入孔口管进行封孔。

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