CN110617103B - 煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，以解决常规的瓦斯抽采技术难以沟通赋存瓦斯的纳米孔隙与渗流裂隙，导致难以提高瓦斯解吸能力的问题。该煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，包括以下步骤，对待增透改造的煤层开设增透钻孔，并在其一侧设定距离上布置数个观察钻孔；在增透钻孔内实施冲击波增透作业，通过多次试验可确定出适合待增透改造煤层的作业参数；安装四通封闭装置；将水压计与可控冲击波产生设备的控制器联锁，并设置水压计发出信号的触发压力值；用钻机将可控冲击波产生设备送入钻孔内；对所有作业点实施冲击波增透作业；通过钻机将可控冲击波产生设备抽出钻孔，将钻孔接通矿井抽放系统，负压抽放瓦斯。
Description
技术领域
本发明属于能源开采领域，具体涉及煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法。
背景技术
我国大陆煤层地质条件复杂，主要煤田经受了多期次、多方向和强度较大的改造，且煤层多强烈变形，多数煤田煤体构造破碎严重，Ⅲ、Ⅳ类煤所占比例较大，煤质松软、坚固性系数偏小，煤层透气性低，渗透率低。
煤层具有双孔隙特征，既有丰富的原生裂隙，还有丰富的此生裂隙。根据对煤层孔裂隙的分析，瓦斯赋存于大量的纳米孔隙中，同时，煤层拥有足够的亚毫米渗流裂隙。导致煤层低渗透的主要原因是沟通渗流裂隙与赋存瓦斯的纳米孔隙的微米级中等裂隙欠缺。
随着采掘活动向纵深延伸，煤层瓦斯赋存以“三高一低”(高应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量及低渗透性)为主要特征，常规的瓦斯抽采技术难以发挥作用，使得瓦斯抽采率低下，抽采效果不明显，瓦斯事故仍时有发生。
发明内容
本发明的目的是提供煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，以解决常规的瓦斯抽采技术难以沟通赋存瓦斯的纳米孔隙与渗流裂隙，导致难以提高瓦斯解吸能力的问题。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，包括以下步骤；
S1、确定可控冲击波产生设备作业时的参数；所述参数包括孔口距最近的实际作业点距离、最佳增透作业次数和两个不同位置的最佳增透作业距离；
S2、通过可控冲击波产生设备对煤层实施冲击波增透作业；
步骤a、安装四通封闭装置，四通封闭装置的前端与孔口法兰连接，上端与水压计和进水管道连接，下端与气水分离器连接，后端与钻杆连接；
步骤b、将水压计与可控冲击波产生设备的控制器联锁，设置水压计发出信号的触发压力值为0.1MPa，使得进水管道给孔中注水压力在0.1MPa以上时，水压计能将信号发送至所述控制器，进而给可控冲击波产生设备供电；
步骤c、将可控冲击波产生设备穿过孔口四通封闭装置，并用钻机通过中心通缆式钻杆将可控冲击波产生设备送入钻孔内最深部的作业点；
步骤d、关闭孔口四通封闭装置；钻机向孔内注水，注水压力至0.1MPa以上，可控冲击波产生设备的控制器加电并开始对煤层实施冲击波增透作业；完成一个作业点的冲击波增透作业后，打开孔口密封四通封闭装置卸掉水压，利用钻机、钻杆回抽可控冲击波产生设备到下一个作业段的作业点位置；冲击波增透作业期间，利用气水分离器将抽风管道内瓦斯抽出；
步骤e、重复步骤d，直到完成所有作业点的冲击波增透作业；
步骤f、通过钻机将可控冲击波产生设备抽出钻孔，将钻孔接通矿井抽放系统，负压抽放瓦斯。
优选的，对待增透改造的煤层开设增透钻孔，并在其一侧设定距离上布置数个观察钻孔；
确定孔口距最近的实际作业点距离包括以下步骤；
在增透钻孔内实施冲击波增透作业，同时用瓦检仪监测增透孔内各处的瓦斯含量，在瓦斯含量不超限的临界位置与增透作业的位置之间的距离为增透作业的安全距离；所述安全距离作为孔口距最近的实际作业点距离。
优选的，确定最佳增透作业次数包括以下步骤；
在增透钻孔内实施设定次数的冲击波增透作业后，分别从增透钻孔、各个观察钻孔监测瓦斯流量，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈衰减趋势，则否定该次的作业次数，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈现不衰减趋势，且瓦斯流量最大时的作业次数为该煤层的最佳增透作业次数；
此时能够监测到瓦斯的最远观察钻孔与增透钻孔之间的距离为该煤层中
冲击波有效增透半径R1；
优选的，确定两个不同位置的最佳增透作业距离包括以下步骤；
在增透钻孔内两个不同位置的作业点实施冲击波增透作业，分别从增透钻孔、各个观察钻孔监测瓦斯流量，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈现衰减趋势，则否定该两个作业点的距离值，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈现不衰减趋势，且瓦斯流量最大时的作业距离值为该煤层两个不同位置的最佳增透作业距离；
此时能够监测到瓦斯的最远观察钻孔与增透钻孔之间的距离为该煤层中冲击波有效增透半径R2。
优选的，可控冲击波产生设备实施冲击波增透作业时，冲击波的最小强度为能够对煤层起增透作用并创造新的裂缝，冲击波的最大强度为不足以伤害煤层、能够保持煤层结构并保持煤层内部空隙，冲击波的具体强度依据煤层物理力学性质、参数设定。
优选的，可控冲击波产生设备的冲击波的冲量小于等于3000Pa·s。
优选的，所述设定距离为5m、10m、20m、30m。
优选的，所述作业次数为5次以上。
优选的，根据煤层的力学强度、参数与瓦斯含量设定钻孔的孔口预留长度，孔口预留长度能够使得煤层钻孔在增透作业时不喷孔。
优选的，两个相邻增透孔之间的距离为R1和R2中较小的数值。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，通过对待改造的煤层试验，确定可控冲击波产生设备作业时的参数，保证冲击波增透作业的过程中不伤害煤层，进而实施全孔段的精准增透作业，避免了能量可控性差引起的冲击矿压问题；可控冲击波产生设备在钻孔周围形成冲击波裂隙带和冲击波解吸带，能够提高煤层的渗流能力、解吸能力和抑制煤层的再吸附能力，同时降低了钻孔施工量，提高了钻孔抽放流量、缩短了钻孔预抽时间，最终能够保障矿井生产接续和降低安全生产成本。
2.本发明的方法在煤层中以冲击波、压缩应力波和高强声波的方式作用于不同区域的煤层，在钻孔周围形成冲击波裂隙带和冲击波解析带，在冲击波作用区形成裂缝、沟通钻孔与更多的煤层；在压缩应力波作业区撕裂煤层，以剪切、拉张方式破裂煤层，形成多方向裂隙网络系统；在高强声波作业区交剪煤层，剥离煤粉，疏通渗流通道；强烈削弱毛管力，打开孔喉，促进解吸。
附图说明
图1为本发明煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法的流程图；
图2为工艺参数试验布孔图；
图3为冲击波增透作业后瓦斯流量随时间的变化曲线图；
图4为冲击波增透作业后观察钻孔瓦斯流量变化曲线图一；
图5为冲击波增透作业后观察钻孔瓦斯流量变化曲线图二。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，如图1至图5所示，包括以下步骤：
S1、确定可控冲击波产生设备作业时的参数；
可控冲击波产生设备实施冲击波增透作业时，冲击波的最小强度为能够对煤层起增透作用并创造新的裂缝，冲击波的最大强度为不足以伤害煤层、能够保持煤层结构并保持煤层内部空隙，避免煤层内部出现空隙堵塞和煤层出现坍塌的问题，冲击波的具体强度依据煤层物理力学性质、参数设定。
其中，经多次试验可控冲击波产生设备的冲击波的冲量小于等于3000Pa·s。当冲击波的冲量大于这个限制值时，在冲击波增透作业时也给煤层带来不可估算的伤害，导致增透效果不彰。
整个增透区域划分为多个增透作业点，确定作业点间距的依据为相邻作业点的冲击波增透作业叠加效果不伤害煤层。
根据煤层的力学强度、参数与瓦斯含量设定钻孔的孔口预留长度，孔口预留长度能够保证煤层钻孔在增透作业时不喷孔，进而保证增透作业过程的安全。
步骤a、如图2所示，对待增透改造的煤层开设增透钻孔，并在其一侧设定距离上布置数个观察钻孔。
步骤b、在增透钻孔内实施冲击波增透作业，同时用瓦检仪监测巷道内各处的瓦斯含量，在瓦斯含量不超限的临界位置与增透作业的位置之间的距离为增透作业的安全距离；所述安全距离作为孔口距最近的实际作业点距离；
所述设定距离为5m、10m、20m、30m。
步骤c、在增透钻孔内实施设定次数的冲击波增透作业后，分别从增透钻孔、各个观察钻孔监测瓦斯流量，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈衰减趋势，则否定该次的作业次数，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈现不衰减趋势，且瓦斯流量最大时的作业次数为该煤层的最佳增透作业次数，如图4所示，此时能够监测到瓦斯的最远观察钻孔与增透钻孔之间的距离为该煤层中冲击波有效增透半径R1；
经试验，所述作业次数为5次以上。
步骤d、在增透钻孔内两个不同位置的作业点实施冲击波增透作业，分别从增透钻孔、各个观察钻孔监测瓦斯流量，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈现衰减趋势，则否定该两个作业点的距离值，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈现不衰减趋势，且瓦斯流量最大时的作业距离值为该煤层两个不同位置的最佳增透作业距离，如图5所示，此时能够监测到瓦斯的最远观察钻孔与增透钻孔之间的距离为该煤层中冲击波有效增透半径R2；
两个相邻增透孔之间的距离为R1和R2中较小的数值，因此可以保证两个相邻增透孔能够将之间的煤层进行增透，同时尽量减少布孔数量，降低瓦斯抽采的成本。
通过可控冲击波产生设备作业时的参数试验，可对待作业的煤层实施的冲击波冲量值、作业段长度、作业点和作业次数进行最佳配合，进而实现对煤层的精准增透，避免了能量可控性差引起的冲击矿压问题。
S2、通过可控冲击波产生设备对煤层实施冲击波增透作业；
步骤e、安装四通封闭装置，四通封闭装置的前端与孔口法兰连接，上端与水压计和进水管道连接，下端与气水分离器连接，后端与钻杆连接；
可控冲击波产生设备在水中工作可实现防爆作业，为确保可控冲击波产生设备在水中工作，首先必须给钻孔中注满水，其次加装一个孔口密封装置，并在其上安装水压计，当水压达到一定值后，给出信号，才能给可控冲击波产生设备的控制器供电。作业中，当孔中水压降低后，冲击波产生设备的控制器自动断电。当注水管再次补充注水并达到设定水压后，才能继续增透作业。
步骤f、将水压计与可控冲击波产生设备的控制器联锁，设置水压计发出信号的触发压力值为0.1MPa，使得进水管道给孔中注水压力在0.1MPa以上时，水压计能将信号发送至所述控制器，进而给可控冲击波产生设备供电；
步骤g、将可控冲击波产生设备穿过孔口四通封闭装置，并用钻机通过中心通缆式钻杆将可控冲击波产生设备送入钻孔内最深部的作业点；
步骤h、关闭孔口四通封闭装置；钻机向孔内注水，注水压力至0.1MPa以上，可控冲击波产生设备的控制器加电并开始对煤层实施冲击波增透作业；完成一个作业点的冲击波增透作业后，打开孔口密封四通封闭装置卸掉水压，利用钻机、钻杆回抽可控冲击波产生设备到下一个作业段的作业点位置；
冲击波增透作业期间，当冲击波增透作业产生大量瓦斯时，利用气水分离器将抽风管道内瓦斯抽出；
步骤i、重复步骤h，直到完成所有作业点的冲击波增透作业；
步骤j、通过钻机将可控冲击波产生设备抽出钻孔，将钻孔接通矿井抽放系统，负压抽放瓦斯。
冲击波增透作业后瓦斯流量随时间的变化曲线如图3所示，本发明的方法在钻孔周围形成冲击波裂隙带和冲击波解吸带，能够提高煤层的渗流能力、解吸能力和抑制煤层的再吸附能力，同时降低了钻孔施工量，提高了钻孔抽放流量、缩短了钻孔预抽时间，最终能够保障矿井生产接续和降低安全生产成本。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，其特征在于：包括以下步骤；
S1、确定可控冲击波产生设备作业时的参数；所述参数包括孔口距最近的实际作业点距离、最佳增透作业次数和两个不同位置的最佳增透作业距离；
S2、通过可控冲击波产生设备对煤层实施冲击波增透作业；
步骤a、安装四通封闭装置，四通封闭装置的前端与孔口法兰连接，上端与水压计和进水管道连接，下端与气水分离器连接，后端与钻杆连接；
步骤b、将水压计与可控冲击波产生设备的控制器联锁，设置水压计发出信号的触发压力值为0.1MPa，使得进水管道给孔中注水压力在0.1MPa以上时，水压计能将信号发送至所述控制器，进而给可控冲击波产生设备供电；
步骤c、将可控冲击波产生设备穿过孔口四通封闭装置，并用钻机通过中心通缆式钻杆将可控冲击波产生设备送入钻孔内最深部的作业点；
步骤d、关闭孔口四通封闭装置；钻机向孔内注水，注水压力至0.1MPa以上，可控冲击波产生设备的控制器加电并开始对煤层实施冲击波增透作业；完成一个作业点的冲击波增透作业后，打开孔口密封四通封闭装置卸掉水压，利用钻机、钻杆回抽可控冲击波产生设备到下一个作业段的作业点位置；冲击波增透作业期间，利用气水分离器将抽风管道内瓦斯抽出；
步骤e、重复步骤d，直到完成所有作业点的冲击波增透作业；
步骤f、通过钻机将可控冲击波产生设备抽出钻孔，将钻孔接通矿井抽放系统，负压抽放瓦斯。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，其特征在于：对待增透改造的煤层开设增透钻孔，并在其一侧设定距离上布置数个观察钻孔；
确定孔口距最近的实际作业点距离包括以下步骤；
在增透钻孔内实施冲击波增透作业，同时用瓦检仪监测增透孔内各处的瓦斯含量，在瓦斯含量不超限的临界位置与增透作业的位置之间的距离为增透作业的安全距离；所述安全距离作为孔口距最近的实际作业点距离。
3.根据权利要求2所述的煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，其特征在于：确定最佳增透作业次数包括以下步骤；
在增透钻孔内实施设定次数的冲击波增透作业后，分别从增透钻孔、各个观察钻孔监测瓦斯流量，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈衰减趋势，则否定该次的作业次数，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈现不衰减趋势，且瓦斯流量最大时的作业次数为该煤层的最佳增透作业次数；
此时能够监测到瓦斯的最远观察钻孔与增透钻孔之间的距离为该煤层中冲击波有效增透半径R1。
4.根据权利要求3所述的煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，其特征在于：确定两个不同位置的最佳增透作业距离包括以下步骤；
在增透钻孔内两个不同位置的作业点实施冲击波增透作业，分别从增透钻孔、各个观察钻孔监测瓦斯流量，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈现衰减趋势，则否定该两个作业点的距离值，若监测的瓦斯流量随时间的变化呈现不衰减趋势，且瓦斯流量最大时的作业距离值为该煤层两个不同位置的最佳增透作业距离；
此时能够监测到瓦斯的最远观察钻孔与增透钻孔之间的距离为该煤层中冲击波有效增透半径R2。
5.根据权利要求4所述的煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，其特征在于：可控冲击波产生设备实施冲击波增透作业时，冲击波的最小强度为能够对煤层起增透作用并创造新的裂缝，冲击波的最大强度为不足以伤害煤层、能够保持煤层结构并保持煤层内部空隙，冲击波的具体强度依据煤层物理力学性质、参数设定。
6.根据权利要求5所述的煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，其特征在于：可控冲击波产生设备的冲击波的冲量小于等于3000Pa·s。
7.根据权利要求6所述的煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，其特征在于：所述设定距离为5m、10m、20m、30m。
8.根据权利要求7所述的煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，其特征在于：所述作业次数为5次以上。
9.根据权利要求8所述的煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，其特征在于：两个相邻增透孔之间的距离为R1和R2中较小的数值。
10.根据权利要求9所述的煤矿井下瓦斯抽放钻孔增透改造方法，其特征在于：根据煤层的力学强度、参数与瓦斯含量设定钻孔的孔口预留长度，孔口预留长度能够使得煤层钻孔在增透作业时不喷孔。
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