CN109899037A - 一种大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，公开了一种大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法：在煤层回风巷中顶板方向水平距离15米以上的岩层中布置两个左右钻场；钻场与钻场之间的钻孔长度要有20m以上的重叠；每个钻场中，各自布置五个钻孔，每个钻孔的倾角和方位角各有不同；钻孔呈五花眼布置，钻孔直径为Ф70—130；密封钻孔，并用软管接入矿井负压瓦斯抽采系统，便于检测瓦斯的抽采流量、抽采负压、抽采瓦斯浓度等；钻孔布置到工作面开切眼上方，距离开切眼10m，等待开切眼推进后顶板裂隙带发育到相应位置后进行瓦斯抽采。本发明钻孔施工效率高，可以加快施工速度60％以上，瓦斯抽采浓度可达80％以上，提高了瓦斯的抽采效率。
Description
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：大倾角煤层开采的矿井，特别是大倾角高瓦斯和突出矿井，具有“三高二低”(倾角较高、瓦斯压力高、瓦斯含量高，井型偏低、瓦斯抽采效率低)的生产地质特征。在采煤工作面开采过程中的瓦斯抽采方法，一般采用本煤层中实施顺层扇形钻孔抽采、顺层平行钻孔抽采、交叉钻孔抽采等等，但钻孔工程量大，人力、物力投入较多，抽采过程中易出现单孔负压值低，瓦斯抽采效率低等一系列工程问题；且经常出现工作面上隅角瓦斯超限的问题，现场一般采用风障隔离瓦斯、点式高位钻孔抽采瓦斯、采空区埋管抽采瓦斯、采空区气室埋管抽采瓦斯等，使得工作面生产过程中存在重大的安全隐患，是现场急待解决的工程技术问题之一。采煤工作面采后瓦斯高富集区一般在工作面后方采空区30—50m的地方，其抽采方法采取裂隙带抽采瓦斯，一般采用地面钻孔抽采、高位巷抽采、高位大直径(Ф300以上)钻孔抽采，但这些抽采技术的成本居高不下，大倾角煤层矿井根本无法承担，所以，寻求解决大倾角高瓦斯或突出煤层采后的低成本瓦斯抽采技术也是现场之急需。
保护层开采工作面瓦斯治理分为保护层本身工作面的瓦斯治理和被保护层卸压瓦斯的治理这两项，防突规定中要求在开采保护层的同时，必须对被保护层的瓦斯进行抽采，现场一般的做法是采用钻孔进行穿层抽采，但效果并不能达到预期；如采用我们提供的方法，就可以将被保护层瓦斯进行拦截抽采，既不影响保护层工作面的日常工作，又能提高被保护层瓦斯的抽采效果。
为了寻求大倾角高瓦斯或突出煤层的瓦斯抽采技术，既能解决煤层开采过程中的瓦斯抽采技术，又能解决煤层采后的瓦斯抽采技术，工程中一般采用两种途径：一种是利用裂隙带进行瓦斯抽采，实现真正的高位钻孔抽采技术，如高位大直径钻孔瓦斯抽采技术，但在中小矿井中很难适用，主要体现在如下几方面：
①大直径钻孔一般只有一个，对有效判断煤层顶板裂隙带存在缺陷，需多钻孔探测煤层顶板裂隙带的有效范围。
②大直径钻孔需要较大的施工场地，中小矿井由于巷道断面一般都偏小，不具备这个条件；
③大直径钻孔的钻机需要上千万元以上的投资，中小矿井不具备这么大的资金投入。
另一种加大瓦斯抽采的负压，实践表明，单纯增大负压很难解决瓦斯抽采的问题。主要是负压与抽采瓦斯量不成正比，根据计算公式：
抽采负压越大，负压值在钻孔内部传递的就越远，钻孔的有效抽采长度就越长，抽采效果就越好。但抽采负压不能无休止的增加，单孔的抽采负压的提高必然要增加整个抽采系统的负荷，增加抽采成本，而且整个系统内抽采负压的增高会导致抽采总支管及封孔段两端压差的增大，容易导致漏气现象，致使抽采浓度降低。因此在瓦斯抽采设计中要对孔口抽采负压进行试验确定合理最优的抽采负压，最高效的进行瓦斯抽采。
揭示出了影响负压变化的主要因素，包括摩擦阻力系数、煤层透气性系数、钻孔直径、封孔质量等负压影响因素，并分析了钻孔在封孔段漏气、串孔和垮孔情况下，负压分布的变化趋势。
负压影响其中一个系数，负压高会导致流量低，实际生产过程中，负压增高表明管道内阻力增加，可能出现堵塞有水等情况发生应及时处理；但是对于抽放泵选型来说，负压的大小是衡量其抽放能力的一个值。综上，如果抽放泵空转，负压大说明能力大，有利于抽放。负载时，负压大说明阻力大，不利于抽放。
为此，综合提高大倾角煤层回采工作面开采过程中和开采后的瓦斯抽采效率是目前现场急需要解决的主要技术问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)利用裂隙带进行瓦斯抽采，实现真正的高位钻孔抽采技术，如高位大直径钻孔瓦斯抽采技术，但在中小矿井中很难适用。
(2)加大瓦斯抽采的负压，实践表明，单纯增大负压很难解决瓦斯抽采的问题。
解决上述技术问题的难度和意义：
解决上述技术问题的难度：如何准确判断煤层顶板裂隙带的大小及有效位置。在本专利中先采用“三下采煤规程”的计算公式进行煤层顶板裂隙带的试算，再实行不同倾角和方位的多个钻孔进行施工，最后通过钻孔注水考察钻孔水的容积损失是否超过10％来判断煤层顶板裂隙带大小。
解决上述技术问题的意义：既解决大倾角煤层工作面开采过程中上隅角瓦斯超限问题，又解决大倾角煤层工作面开采后采空区瓦斯聚集问题，还能够解决大倾角多煤层开采中被保护层卸压瓦斯的抽采问题，最大限度地减低瓦斯钻孔的工程量，提高瓦斯抽放效率低等一系列问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法。
本发明是这样实现的，一种大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法，所述大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法包括：
第一步，在煤层回风巷中顶板方向水平距离15米以上的岩层中布置两个左右钻场；
第二步，钻场与钻场之间的钻孔长度要有20m以上的重叠；
第三步，每个钻场中，各自布置五个钻孔，每个钻孔的倾角和方位角各有不同；
第四步，钻孔呈五花眼布置；钻孔直径为Ф70—130；
第五步，密封钻孔，并用软管接入矿井负压瓦斯抽采系统，便于检测瓦斯的抽采流量、抽采负压、抽采瓦斯浓度等；
第六步，钻孔布置到工作面开切眼上方，距离开切眼10m，等待开切眼推进后顶板裂隙带发育到相应位置后进行瓦斯抽采。
进一步，所述第一步中钻场的间距为150-500m。
进一步，所述第三步中布置五个钻孔，第三钻孔为水平布置，第一钻孔和第二钻孔布在第三钻孔的上部，分别向两边以一定的倾角和方位角进行上向布置，第四钻孔和第五钻孔布在第三钻孔的下部，分别向两边以一定的倾角和方位角进行下向布置。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：在大倾角煤层1的回风巷3向煤层1顶板15m以上水平距离的岩层中布置钻场5或钻场6等，每个钻场相隔的距离在150m—500m不等，钻场与钻场之间的钻孔长度要有20m以上的重叠，确保上一个钻场抽采完毕之前，有下一个钻场接替上一个钻场实施瓦斯抽采；每个钻场均布置不同倾角及方位角的钻孔五个左右，即(1)—(5)，钻场内的钻孔(1)—(5)采取钻场五花眼的布置方式，钻孔直径为Ф70—130；每个钻孔用软管与矿井瓦斯抽采系统的管道相连，且在软管处可以测试瓦斯的抽采流量、抽采负压、抽采瓦斯浓度等；实现了大倾角煤层顶板岩层真正意义上的高位中小直径(Ф70—130)钻孔的瓦斯抽采，相比倾斜煤层和缓倾斜煤层的高位巷和大直径(Ф300以上)走向钻孔，本发明为大倾角煤层进行的瓦斯抽采，在每个钻场中施工五个左右的小直径(Ф70—130)钻孔，其钻孔施工效率高。可以加快施工速度60％以上，瓦斯抽采浓度可达80％以上，提高了瓦斯的抽采效率。既从根本上解决了工作面开采过程中出现的上隅角瓦斯超限问题，又解决了工作面采空区一定范围内高瓦斯聚集区的瓦斯抽采问题；多煤层开采时，还可以拦截被保护层卸压瓦斯，解决了大倾角煤层在开采过程中和开采后的瓦斯抽采问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法流程图。
图2是本发明实施例提供的大倾角煤层工作面瓦斯抽采方法施工平面图。
图3是本发明实施例提供的大倾角煤层工作面瓦斯抽采方法施工走向剖面图。
图4是本发明实施例提供的大倾角煤层工作面瓦斯抽采方法施工倾斜剖面图。
图中：1、大倾角煤层；2、工作面运输巷道；3、工作面回风巷道；4、采煤工作面；5、6钻场；7、顶板冒落带；8、顶板裂隙带；(1)-(5)为钻场中的每个钻孔。
图5是本发明实施例提供的钻孔抽采瓦斯浓度变化曲线图。
图6是本发明实施例提供的Fluent求解计算的基本程序结构示意图。
图7是本发明实施例提供的数值模拟的网格划分图。
图8是本发明实施例提供的抽采时间为2d时的瓦斯压力分布图。
图9是本发明实施例提供的抽采时间为4d时的瓦斯压力分布图。
图10是本发明实施例提供的抽采时间为10d时的瓦斯压力分布图。
图11是本发明实施例提供的抽采时间为20d时的瓦斯压力分布图。
图12是本发明实施例提供的抽采时间为50d时的瓦斯压力分布。
图13是本发明实施例提供的抽采2d时钻孔径向煤层瓦斯压力分布曲线图。
图14是本发明实施例提供的抽采10d时钻孔径向煤层瓦斯压力分布曲线图。
图15是本发明实施例提供的抽采50d时钻孔径向煤层瓦斯压力分布曲线图。
图16是本发明实施例提供的抽采4d时钻孔径向瓦斯压力分布曲线图。
图17是本发明实施例提供的负压为-8KPa抽采50d时的瓦斯压力分布图。
图18是本发明实施例提供的负压为-15KP抽采50d时的瓦斯压力分布图。
图19是本发明实施例提供的负压为-30KPa抽采50d时的瓦斯压力分布图。
图20是本发明实施例提供的抽采负压对瓦斯抽采量的影响曲线。
图21是本发明实施例提供的煤层渗透率为1.78×10-15m2时瓦斯压力分布图。
图22是本发明实施例提供的煤层渗透率为1.78×10-17m2时瓦斯压力分布图。
图23是本发明实施例提供的煤层渗透率为1.78×10-19m2时瓦斯压力分布图。
图24是本发明实施例提供的钻孔孔径75mm抽采10d的瓦斯压力分布图。
图25是本发明实施例提供的钻孔孔径95mm抽采10d的瓦斯压力分布图。
图26是本发明实施例提供的钻孔孔径105mm抽采10d的瓦斯压力分布图。
图27是本发明实施例提供的各钻孔瓦斯抽采浓度曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种大倾角煤层开采过程中和开采后的瓦斯抽采方法，既解决大倾角煤层工作面开采过程中上隅角瓦斯超限问题，又解决大倾角煤层工作面开采后采空区瓦斯聚集问题，还能够解决大倾角多煤层开采中被保护层卸压瓦斯的抽采问题，最大限度地减低瓦斯钻孔的工程量，提高瓦斯抽放效率低的问题。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法包括以下步骤：
S101：在煤层回风巷中顶板方向水平距离15米以上的岩层中布置两个左右钻场；
S102：钻场与钻场之间的钻孔长度要有20m以上的重叠；
S103：每个钻场中，各自布置五个钻孔，每个钻孔的倾角和方位角各有不同；
S104：钻孔呈五花眼布置；钻孔直径为Ф70—130；
S105：密封钻孔，并用软管接入矿井负压瓦斯抽采系统，便于检测瓦斯的抽采流量、抽采负压、抽采瓦斯浓度等；
S106：钻孔布置到工作面开切眼上方，距离开切眼10m左右，等待开切眼推进后顶板裂隙带发育到相应位置后即可进行瓦斯抽采。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明实施例提供的大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法包括以下步骤：
步骤一：在煤层1回风巷中顶板方向水平距离15米以上的岩层(大倾角煤层顶板裂隙带范围内)中布置两个左右钻场5或6，钻场的间距主要视工作面走向的长度而决定，一般为150-500m；
步骤二：钻场与钻场之间必须要有20m以上的重叠，确保上一个钻场抽采完毕之前，有下一个钻场接替上一个钻场实施瓦斯抽采；
步骤三：每个钻场中，各自布置五个钻孔(1)—(5)，每个钻孔的倾角和方位角各有不同，其中钻孔(3)为水平布置，钻孔(1)和钻孔(2)布在钻孔(3)的上部，分别向两边以一定的倾角和方位角进行上向布置，钻孔(4)和钻孔(5)布在钻孔(3)的下部，分别向两边以一定的倾角和方位角进行下向布置；
步骤四：钻孔(1)—(5)呈五花眼布置；钻孔直径为中小直径(Ф70—130)；
步骤五：密封钻孔(1)—(5)，并用软管接入矿井负压瓦斯抽采系统，便于检测瓦斯的抽采流量、抽采负压、抽采瓦斯浓度等；
步骤六：钻孔布置到工作面开切眼上方，距离开切眼10m左右，等待开切眼推进后顶板裂隙带发育到相应位置后即可进行瓦斯抽采。
以上参数均经过室内的多次数值计算和煤矿现场工业性实验得到验证。
本发明的在大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法，具有：
1)改变了大倾角煤层工作面瓦斯在本煤层抽采的方式，采用工作面顶板岩层中高位钻场钻孔抽采瓦斯。创新了瓦斯抽采模式。
2)大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法，先通过计算大倾角煤层开采后顶板裂隙带高度最大计算公式：H2＝100M/(1.6M+3.6),得出裂隙带范围在10-30m,再在现场通过注水验证，取15m为最佳，这种通过计算和现场验证的方式得出裂隙带的高度是真实有效的，创新了裂隙带布置钻孔的方式。
3)这种钻场钻孔布置方式是在煤层顶板中进行，给正常生产没有影响，所以在工作面开采过程中出现的上隅角瓦斯超限和采空区一定范围内高瓦斯聚集区的瓦斯抽采难题或多煤层开采时被保护层卸压瓦斯的抽采难题时，可以采取这种钻孔抽采方式，创新了瓦斯抽采和工作面煤层开采互不干扰的生产方式。
证明部分(具体实施例/实验/仿真/)
实施例1、2011-2012年在湖南煤业集团洪山殿矿业有限公司蛇形山矿进行过现场实验，是下保护层开采(采4煤2344工作面保护3煤)，3煤的瓦斯参数为：瓦斯压力3MPa，瓦斯含量26m3/t，4煤的瓦斯参数为：瓦斯压力1.5MPa，瓦斯含量16m3/t，3煤与4煤的平均垂直间距为30m，煤层倾角平均为43°。原来采4煤时，工作面上隅角总是瓦斯超限，采取了多种措施都没有解决，采用本发明专利时，在煤层顶板中距4煤回风巷15m处(4煤裂隙带)布置走向五个钻孔(见表1各钻孔的施工参数)，经施工和检测，发现钻孔4不在裂隙带内,其余钻孔均在裂隙带内,该钻孔布置方式抽采的瓦斯浓度均在85％以上,每一个钻孔的施工时间为4个小班(8小时一个小班),施工速度提高了65％以上,有效地解决了3煤卸压瓦斯涌入工作面的问题,同时也解决工作面瓦斯超限的问题(见图5)。
表1 2344高抽巷钻孔实际测试数据
| 序号 | 孔号 | 倾角 | 方位 | 孔深 |
| 1 | 1# | 4° | 84° | 150m |
| 2 | 2# | 4° | 82° | 150m |
| 3 | 3# | 8° | 80° | 150m |
| 4 | 4# | 4° | 78° | 150m |
| 5 | 5# | 9° | 80° | 150m |
反应了5个钻孔抽采的瓦斯浓度变化规律，其中，4号孔的浓度在40％以下变化，并随时间逐渐增大的趋势，说明该钻孔的孔底是落在冒落带以外；其余各钻孔抽采瓦斯浓度均在80％～90％以上变化，说明这些钻孔的孔底均落在预先设计的裂隙带内。
数值计算例2抽采钻孔瓦斯渗流数值模拟分析
本章运用流体力学软件FLUENT建立数值模型，模拟抽采钻孔周围煤体中瓦斯压力分布，研究抽采过程中煤体瓦斯渗流规律。通过改变模型参数及边界条件模拟抽采时间、煤层渗透率、抽采负压、瓦斯压力及钻孔直径等因素对抽采钻孔周围煤体瓦斯压力分布的影响规律，得出抽采钻孔瓦斯渗流规律及影响因素，为抽采半径测定提供理论指导。
1.1数值模型建立
1.1.1数值模拟软件简介
Fluent是目前国际上较领先的CFD软件之一，在流体建模中有广泛的应用。用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而达到了最佳的收敛速度和求解精度。Fluent软件有如下特点：
(1)惯性或非惯性坐标系、复数基准坐标系、滑移网格以及动静翼相互作用模型化后的接续界面在Fluent中可以很方便地找到并设置。
(2)Fluent内部集存大量的物性参数的数据库，里面提供了多种材料属性参数，此外用户可以非常便捷地指定自己的材料。
(3)高效并行计算能力，提供相关自动/手动分区算法；内设MPI并行机制，大幅提高了并行运算速度。此外，Fluent的动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算。
(4)Fluent软件开发出便捷的图形窗口面向广大用户，并向用户提供了二次开发接口(UDF)。
(5)Fluent具有后续数据导出功能，可对图形分析处理后的数据进行整理分析，而后创建可视化的图形并且给出相应的图表、曲线分析图等。
Fluent计算主要步骤有：(1)绘制几何模型，生成网格；(2)选择适当的求解器；(3)导入网格文件，检查网格；(4)选择计算模型，确定解的基本模型方程：无粘流、层流还是湍流、考虑有无化学反应、考虑传热与否、是否使用多孔介质模型；(5)确定附加模型，指定材料的物理性质；(6)确定边界条件；(7)调节解的控制参数，计算求解。图6为Fluent求解计算的基本程序结构示意图。
1.1.2钻孔瓦斯渗流模型的建立
(1)基本假设
模拟方案中需要假设的条件包括：
①煤层各向同性，煤层中的瓦斯压力变化不影响其透气性系数及孔隙率，但在钻孔周围内的卸压范围内增大；
②可将瓦斯按理想气体，瓦斯渗流过程视为等温过程处理；
③煤层中瓦斯解析在瞬间完成；
④可以将煤层顶底板视为不透气岩层；
⑤瓦斯在煤层中的流动符合达西定律；
⑥煤层中的瓦斯含量满足以下方程：
式中，a—煤的最大瓦斯吸附量，单位m3/t；
b—煤的吸附常数，单位MPa-1；
p—瓦斯压力，单位MPa
ρ—煤的密度，单位t/m3；
Φ—煤的孔隙体积，单位m3/m3；
A—煤的灰分，单位％；
M—煤的水分，单位％。
(2)几何模型的建立
根据现场实际情况建立了顺层抽采钻孔的二维模型，包括水平与竖直走向的切面模型，并进行网格划分，水平走向的横切面模型其中煤储层沿钻口方向距离设置为120m，煤储层宽50m，钻孔长60m，钻孔在煤层中间位置，封孔深度为10m，共划分了14410个网格，其中对钻孔加密部分5140个网格。煤壁切面的数值模型的大小为20×3(长×宽)，钻孔孔径分别设置为75mm、95mm、105mm，共划分了2796个网格，其中对钻孔加密部分为876个网格。通过模型建立与网格划分后的二维模型图，如图7所示。整个模型区域采用了结构化网格，由于钻孔周围压力梯度比较大，对此处网格进行了加密。
1.2模拟参数设置
1.2.1模型基础参数设置
根据实验要求，将煤层设置为多孔介质渗流边界，k-ε模型应用于层流条件下的计算，瓦斯在煤层中的渗流模型选择多孔介质，分组进行五种不同条件下的模拟实验，条件参数设置如下：
抽采时间分别为(2d、4d、10d、20d、50d)
钻孔抽采负压分别为(-8KPa、-15KPa、-30KPa)
煤层渗透率分别为(1.78×10-15、1.78×10-17、1.78×10-19单位：m2)
钻孔直径分别为(75mm、95mm、105mm)
煤层原始瓦斯压力分别为(1MPa、2MPa、3MPa)
1.2.2模型边界设置
将上面得到的网格模型(图1-2)导出，采用FLUENT进行解算。假设气体为理想气体，加入能量方程；由于煤层中瓦斯流速很小，设为层流；气体流动采用标准的k-ε模型，煤体采用多孔介质模型；由于抽采与时间有关，流体设为非稳态流；通过不同抽采时间、改变煤层抽采负压、渗透率、钻孔直径等参数，来模拟不同参数下流场抽采规律，在对进口边界进行初始化后，进行数值解算。
1.3数值模拟结果及分析
1.3.1抽采时间的影响
图8～12是在煤层渗透率为1.78×10-17m2，钻孔直径75mm，瓦斯压力1MPa及抽采负压-8KPa情况下，不同抽采时间(2d、4d、10d、20d、50d)阶段煤层压力分布。
钻孔抽采瓦斯时，煤体中的某点瓦斯压力与抽采负压的压差超过渗流启动压力时，瓦斯开始向钻孔流动，吸附瓦斯解吸为游离瓦斯补充流走的瓦斯，同时更远处的瓦斯也缓慢的向该点扩散。从钻孔边缘至煤体瓦斯压力梯度为0处，就是钻孔抽采瓦斯的影响范围。影响范围额定大小主要由煤体透气性决定，随抽采时间的延长向外延伸，并存在一个极限影响范围。影响范围内达到消除煤与瓦斯突出危险性的区域认为有效，由此可确定有效抽采半径。相关规定对消突指标的确定不一致，《防治煤与瓦斯突出规定》认为残余瓦斯压力小于0.74Mpa或残余瓦斯含量小于8m3/t为突出危险区。《煤矿安全规程》规定以预抽率大于30％为指标。本次数值模拟选择抽采率大于30％为评价指标，煤层瓦斯压力下降30％的等压线位置距离钻孔中心线的距离即为钻孔瓦斯抽采半径。从图8-12可以看出，随着抽采时间的增加，抽采影响区域逐渐增加。钻孔附近的瓦斯压力衰减范围逐渐向钻孔两帮，煤层深部延伸；沿y轴方向瓦斯压力则沿垂直煤壁向煤层深部呈逐渐衰减趋势。
图13至15是不同抽采时间下(2d、10d、50d)，不同孔深(横坐标分别为x＝30m、x＝60m、x＝80m)处钻孔径向煤层瓦斯压力分布曲线。由图可知，随着抽采时间延长，钻孔深部(x＝80m)附近煤层瓦斯压力基本无变化；x＝60m与x＝30m处钻孔径向压力变化规律一致，都呈衰减趋势，且50d时的抽采影响范围明显大于抽采2d与10d的范围。图15可知，当抽采50d后有效抽采半径为3.8m，抽采影响半径为19m。
图13是煤层渗透率为1.78×10-17m2，抽采负压-8KPa条件下，抽采2d时，沿y轴方向分别为x＝30m、x＝60m、x＝80m处钻孔瓦斯压力分布状况，从图中可以明显看出，在x＝80处，由于不在钻孔的抽采卸压范围之内，瓦斯压力值等于煤层原始瓦斯压力。x＝60处(即钻孔末端位置)，瓦斯压力最低衰减至1.77MPa，相比原始煤层瓦斯压力衰减了11.5％。x＝30m处(距离钻孔末端30m位置)，瓦斯压力变化最大，最低衰减至1.55MPa，在原基础上衰减了22.5％。由此可知，钻孔周围瓦斯衰减规律为：随着抽采时间的增加，沿钻孔径向向钻孔两帮深部延伸，且越靠近钻孔，瓦斯压力衰减越快，沿煤巷(钻口两侧煤帮)，受钻孔瓦斯径向渗流作用、钻孔抽采时间影响，向煤储层深部延伸，且越靠近钻孔衰减区域逐渐扩大，衰减速度越快。
图16是煤层渗透率为1.78×10-17m2，抽采负压-8KPa条件下，抽采4d时，沿x方向分别为y＝27m、y＝30m、y＝35m处(即距钻孔中线线径向距离分别为2m、5m、10m)瓦斯压力分布状况。分析图可知，径向距离2m处瓦斯压力最早出现下降，其次是y＝30m与y＝35m区域，且y＝27m区域瓦斯压力下降幅度大于y＝30m、y＝35m处区域。这也符合了钻孔周围瓦斯渗流的基本规律，即在钻孔周围卸压区内，由于钻孔施工，使煤层地应力卸载，煤层透气性升高，促使瓦斯流动的趋势加强，但孔周围瓦斯的流动并不受卸压半径的限制，当瓦斯流场到达卸压区边界时会向卸压区外扩展，只是在卸压区外的流动趋势和流场的扩展速度大为减弱，减弱的程度与原始煤层瓦斯参数有关。
1.3.2抽采负压的影响
构建了三种抽采负压下(-8KPa、-15KPa、-30KPa)，钻孔周围煤体瓦斯渗流模型，得出不同抽采负压下钻孔周围煤体瓦斯压力分布见图17～19。
图20是煤层渗透率为1.78×10-17m2时，不同抽采负压下钻孔抽采量随抽采时间变化规律，可以看出，钻孔瓦斯抽采量随抽采时间增加呈下降趋势，且抽采负压越大，瓦斯抽出量越大，但抽采流量增幅不高。受管路及钻孔密封性的影响，且对抽采设备的要求也有所提高，因而现场提高抽采负压会受到一定限制，想把抽采负压提高很多是比较困难的。因此应根据抽采情况选择合理的抽采负压，根据模拟结果及相关规定，钻孔的抽采负压应保持在-15～-30kPa。
1.3.3煤层渗透率的影响
根据煤层渗透率与垂向应力(埋深)关系可知，主煤储层渗透率具有随埋深加大呈指数减小、随煤储层压力增大而减小的趋势。渗透率在相似埋深条件下的变化可高达一个数量级。因此，本次模拟对煤层渗透率的影响研究根据矿井实际情况选择在10-15～10-19数量级之间。构建了三种煤层渗透率条件下，抽采钻孔周围煤体瓦斯渗流模型，钻孔周围煤体瓦斯压力分布见图21～23。
从图中可以看出，当煤层渗透率为1.78×10-15m2时，钻孔周围瓦斯压力下降梯度比较明显，影响瓦斯压力下降的区域较大；当煤层渗透率为1.78×10-17m2时，煤层渗透率较小，负压带集中在钻孔附近，因此，钻孔附近瓦斯压力下降幅度最大。由数据分析得出结论，当抽采率大于30％时，抽采10d时的抽采影响半径在20m以上，远远大于煤层渗透率分别为1.78×10-17与1.78×10-19时的抽采影响半径。由此可以得到，原始煤层渗透率越大，瓦斯抽采半径越大，抽采效果越好。
1.3.4钻孔孔径的影响
钻孔直径对瓦斯抽采效果的影响主要表现在两个方面：一是增大钻孔直径相应增大了与煤体的接触面积；二是增大钻孔直径导致钻孔周围煤体的卸压圈增大，因而对瓦斯抽采产生一定的影响，但影响是有限的。本节构建了三种孔径条件下(孔径分别为75mm、95mm、105mm)，抽采钻孔周围煤体瓦斯渗流模型，钻孔周围煤体瓦斯压力分布见图24～26。
由图24～26可知，钻孔孔径对钻孔瓦斯抽采半径有影响，当抽采时间一定时，孔径越大的，钻孔周围煤体卸压越明显，瓦斯抽采量相对提高，钻孔周围煤体瓦斯压力下降加快，但瓦斯压力下降幅度远小于钻孔孔径增加幅度。现场实践表明，钻孔孔径也不是越大越好，因受施工难度及封孔质量影响，过度增加孔径会影响瓦斯抽采效果。蛇形山矿多年抽采经验表明，选用75mm～105mm的钻孔孔径较为合适。
实施例2、2015年在湖南煤业集团嘉禾矿业有限公司浦溪井矿进行过现场实验，是上保护层开采(采5煤2152工作面保护6煤)。5煤的瓦斯参数为：瓦斯压力0.99MPa，瓦斯含量10.34m3/t，5煤煤层地质构造复杂；6煤的瓦斯参数为：瓦斯压力1.42MPa，瓦斯含量11.77m3/t，本煤层结构较简单；5煤与6煤的平均垂直间距为40m，煤层倾角平均为45°。原来采5煤时，工作面上隅角总是瓦斯超限，采取了多种措施都没有解决，采用本发明专利时，在煤层顶板中距5煤回风巷17m处(6煤裂隙带)布置走向12个钻孔(见表2-1各钻孔的施工参数)，经施工和检测，该钻孔布置方式抽采的瓦斯浓度均在85％以上,每一个钻孔的施工时间为6个小班(8小时一个小班),施工速度提高了70％以上,有效地解决了6煤卸压瓦斯涌入工作面的问题,同时也解决工作面瓦斯超限的问题。
表2-1 2162高抽巷钻孔实际测试数据
| 序号 | 孔号 | 倾角 | 方位 | 孔深 |
| 1 | 1# | 6° | 84° | 220m |
| 2 | 2# | 6° | 82° | 220m |
| 3 | 3# | 9° | 80° | 220m |
| 4 | 4# | 6° | 78° | 220m |
| 5 | 5# | 9° | 80° | 220m |
| 6 | 6 | 10° | 65° | 220m |
| 7 | 7 | 10° | 65° | 220m |
| 8 | 8 | 12° | 68° | 220m |
| 9 | 9 | 12° | 68° | 220m |
| 10 | 10 | 13° | 69° | 220m |
| 11 | 11 | 13° | 69° | 220m |
| 12 | 12 | 11° | 70° | 220m |
各钻孔的瓦斯浓度均在65-85％以上，见图27所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法，其特征在于，所述大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法包括：
第一步，在煤层回风巷中顶板方向水平距离15米以上的岩层中布置两个左右钻场；
第二步，钻场与钻场之间的钻孔长度要有20m以上的重叠；
第三步，每个钻场中，各自布置五个钻孔，每个钻孔的倾角和方位角各有不同；
第四步，钻孔呈五花眼布置；钻孔直径为Ф70—130；
第五步，密封钻孔，并用软管接入矿井负压瓦斯抽采系统，便于检测瓦斯的抽采流量、抽采负压、抽采瓦斯浓度等；
第六步，钻孔布置到工作面开切眼上方，距离开切眼10m，等待开切眼推进后顶板裂隙带发育到相应位置后进行瓦斯抽采。
2.如权利要求1所述的大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法，其特征在于，所述第一步中钻场的间距为150-500m。
3.如权利要求1所述的大倾角煤层开采过程中及开采后的瓦斯抽采方法，其特征在于，所述第三步中布置五个钻孔，第三钻孔为水平布置，第一钻孔和第二钻孔布在第三钻孔的上部，分别向两边以一定的倾角和方位角进行上向布置，第四钻孔和第五钻孔布在第三钻孔的下部，分别向两边以一定的倾角和方位角进行下向布置。
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|---|---|
| CN (1) | CN109899037A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112881170A (zh) * | 2021-01-11 | 2021-06-01 | 中国矿业大学 | 一种煤炭地下气化实际采厚的计算方法 |
| CN113309567A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-08-27 | 河南理工大学 | 基于中压注水精准测定煤层顶板裂隙带位置的方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1513153A1 (ru) * | 1988-01-25 | 1989-10-07 | Восточный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности | Способ дегазации угольного пласта при столбовой системе разработки |
| SU1652620A1 (ru) * | 1989-03-13 | 1991-05-30 | Институт горного дела им.А.А.Скочинского | Способ дегазации углевмещающей толщины выработанного пространства |
| CN102162367A (zh) * | 2011-03-23 | 2011-08-24 | 彬县水帘洞煤炭有限责任公司 | 高瓦斯综放工作面瓦斯抽放钻场布置方法 |
| RU2445462C1 (ru) * | 2010-10-26 | 2012-03-20 | Анатолий Николаевич Осипов | Способ дегазации шахтного поля |
| CN102644477A (zh) * | 2012-05-10 | 2012-08-22 | 中国矿业大学 | 保护层风巷高位钻场穿层钻孔抽采被保护层瓦斯的方法 |
| CN102644476A (zh) * | 2012-05-10 | 2012-08-22 | 中国矿业大学 | 保护层机巷高位钻场穿层钻孔抽采被保护层瓦斯的方法 |
| RU2534881C1 (ru) * | 2013-07-02 | 2014-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Способ предварительной дегазации угольного пласта |
| CN104481540A (zh) * | 2014-10-08 | 2015-04-01 | 六盘水师范学院 | 一种利用高位钻孔注浆控制多种煤矿开采灾害的方法 |
| CN104564127A (zh) * | 2015-02-12 | 2015-04-29 | 湖南科技大学 | 一种上覆巨厚火成岩下煤层瓦斯的抽采方法 |
| CN207847676U (zh) * | 2017-12-28 | 2018-09-11 | 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 | 一种高突矿井采煤工作面u型通风系统 |
-
2019
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Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1513153A1 (ru) * | 1988-01-25 | 1989-10-07 | Восточный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности | Способ дегазации угольного пласта при столбовой системе разработки |
| SU1652620A1 (ru) * | 1989-03-13 | 1991-05-30 | Институт горного дела им.А.А.Скочинского | Способ дегазации углевмещающей толщины выработанного пространства |
| RU2445462C1 (ru) * | 2010-10-26 | 2012-03-20 | Анатолий Николаевич Осипов | Способ дегазации шахтного поля |
| CN102162367A (zh) * | 2011-03-23 | 2011-08-24 | 彬县水帘洞煤炭有限责任公司 | 高瓦斯综放工作面瓦斯抽放钻场布置方法 |
| CN102644477A (zh) * | 2012-05-10 | 2012-08-22 | 中国矿业大学 | 保护层风巷高位钻场穿层钻孔抽采被保护层瓦斯的方法 |
| CN102644476A (zh) * | 2012-05-10 | 2012-08-22 | 中国矿业大学 | 保护层机巷高位钻场穿层钻孔抽采被保护层瓦斯的方法 |
| RU2534881C1 (ru) * | 2013-07-02 | 2014-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Способ предварительной дегазации угольного пласта |
| CN104481540A (zh) * | 2014-10-08 | 2015-04-01 | 六盘水师范学院 | 一种利用高位钻孔注浆控制多种煤矿开采灾害的方法 |
| CN104564127A (zh) * | 2015-02-12 | 2015-04-29 | 湖南科技大学 | 一种上覆巨厚火成岩下煤层瓦斯的抽采方法 |
| CN207847676U (zh) * | 2017-12-28 | 2018-09-11 | 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 | 一种高突矿井采煤工作面u型通风系统 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 何国益 编著: "《矿井瓦斯治理实用技术 第3版》", 30 November 2017, 煤炭工业出版社 * |
| 刘德政 等编著: "《煤矿"一通三防"实用技术》", 31 October 2007, 山西科学技术出版社 * |
| 程卫民 等编著: "《矿井通风与安全》", 29 February 2016, 煤炭工业出版社 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112881170A (zh) * | 2021-01-11 | 2021-06-01 | 中国矿业大学 | 一种煤炭地下气化实际采厚的计算方法 |
| CN112881170B (zh) * | 2021-01-11 | 2021-10-26 | 中国矿业大学 | 一种煤炭地下气化实际采厚的计算方法 |
| CN113309567A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-08-27 | 河南理工大学 | 基于中压注水精准测定煤层顶板裂隙带位置的方法 |
| CN113309567B (zh) * | 2021-05-26 | 2023-04-25 | 河南理工大学 | 基于中压注水精准测定煤层顶板裂隙带位置的方法 |
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