CN111535848A - 碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法 - Google Patents
碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，通过对地面水平井进行空气动力掏煤，能大大提高掏煤的数量，形成大直径的洞穴，有效降低洞穴井筒周围煤体的应力，起到掏煤卸压的作用，同时也提高洞穴周围煤体的渗透性和导流能力；洞穴充填钻孔完井方式，避免了煤层垮塌堵塞流体通道，从而提高瓦斯抽采效率，降低瓦斯含量和压力，可达到对顺槽掘进条带煤层进行区域消突目的，与现有的井下钻孔预抽瓦斯消突方式相比更加高效、经济、安全。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全的技术领域，尤其涉及一种碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法。
背景技术
煤与瓦斯突出矿井开采的煤层是碎软、低渗的突出煤层。解决顺槽条带区域消突的问题，现在煤矿普遍采用的是底抽巷穿层钻孔瓦斯预抽的方法。这种方法不仅钻孔工程量大、还要施工专门的底抽巷来布置钻场，面临着瓦斯消突难度大、抽采时间长、投入成本高，施工风险大等一系列问题。
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，研究设计出一种碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，能克服现有技术的缺陷，更好的解决碎软、低渗、高瓦斯煤层顺槽条带区域消突难度大、周期长、成本高、风险大等问题。
为实现上述目的，本发明公开了一种碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在碎软煤层中施工L型水平井，在水平井的前端留一段裸眼，其它部位下入非金属制成的易锻铣材料套管以进行护孔；
步骤二：在水平井筒中下入带有锻铣钻头的注气管柱；
步骤三：对水平井筒前端的裸眼的井段进行高压空气动力掏煤造穴作业，以形成前端的洞穴；
步骤四：从注气管柱中注入材料对洞穴进行限量充填；
步骤五：利用注气管柱前段的锻铣钻头进行后退式磨铣，以对一定长度的易锻铣材料套管进行磨铣；
步骤六：对被磨铣掉一定长度易锻铣材料套管的裸井段进行高压空气动力掏煤造穴作业；
步骤七：从注气管柱中注入材料对空气掏出的洞穴再次进行限量充填；
步骤八：重复步骤五-步骤七，直到逐步完成整个水平井在煤层水平段的易锻铣材料套管的磨铣、高压空气动力掏煤造穴和限量充填支护作业；
步骤九：水平段施工完毕后提出带有锻铣钻头的注气管柱；
步骤十：在充填物全部凝固后，重新从水平井口下入钻具沿着形成的巷道状充填体施工水平井，形成新的水平井井筒，施工完成后提出钻具。
其中：还包含步骤十一：在水平井口安装地面负压抽采装置负压抽采瓦斯。
其中：所述L型水平井为三开结构，其对表层套管以及技术套管进行固井。
其中：所述高压空气动力掏煤造穴作业包括替水、试压、注气蹩压、放喷和返排。
其中：所述高压空气动力掏煤造穴作业利用地面空压机、增压机以及地面管汇系统，将空气通过注气管柱注入井内，把井内液体全部排出，利用注气蹩压造成井筒的裸露煤层及其周围出现应力集中现象；然后通过快速放喷卸压，引起应力瞬间释放，造成剧烈的煤储层激动，一方面使井筒附近的煤层结构受到一定程度的破坏，产生坍塌和剥落，部分剥落的煤粉裹挟于高速气体中喷出地面，形成洞穴，另一方面进入煤层裂隙的气体由于压力激荡，将携带出裂隙中的煤粉，疏通裂隙通道，同时使原有的裂隙系统得到扩大和延伸；最后利用空压机压风返排，将其余脱落的煤粉或煤粒返排至地面。
其中：替水是指将水平井筒内存在的混合液体通过压风排水排出井口。
其中：试压是指注气蹩压前通过空压机、增压机检查地面管汇、防喷器密闭性确定满足施工需求。
其中：注气蹩压是指注入高压空气直到达到设计压力值，并控制井口压力保持不变，稳定一定时间。
其中：放喷是指蹩压时间达到设计时间后，通过井口进行快速放气卸压，利用高速气体将部分剥落的煤粉携带出地面的过程。
其中：返排是指通过压风返排，将垮落在井筒内的煤粉或煤粒返排至地面的过程。
通过上述内容可知，本发明的碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法具有如下效果：
1、通过对地面水平井进行空气动力掏煤，能大大提高掏煤的数量，形成大直径的洞穴，有效降低洞穴井筒周围煤体的应力，起到掏煤卸压的作用，同时也提高洞穴周围煤体的渗透性和导流能力。
2、洞穴充填钻孔完井方式，避免了煤层垮塌堵塞流体通道，从而提高瓦斯抽采效率，降低瓦斯含量和压力，可达到对顺槽掘进条带煤层进行区域消突目的，与现有的井下钻孔预抽瓦斯消突方式相比更加高效、经济、安全。
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显示了本发明的碎软煤层易锻铣材料套管护孔示意图。
图2显示了本发明的碎软煤层水平井筒最前端裸露井段掏煤造穴示意图。
图3显示了本发明的碎软煤层水平井筒最前端巷道状充填支护示意图。
图4显示了本发明的碎软煤层水平井筒分段锻铣套管示意图。
图5显示了本发明的碎软煤层水平井筒分段掏煤造穴示意图。
图6显示了本发明的碎软煤层水平井筒分段巷道状充填支护示意图。
图7显示了本发明的碎软煤层水平井筒整段巷道状充填支护示意图。
图8显示了本发明的碎软煤层巷道状充填体瓦斯抽采水平井示意图。
附图标记：
1-碎软煤层；2-表层套管；3-技术套管；4-易锻铣材料套管；5-注气管柱；6-锻铣钻头；7-洞穴；8-巷道状充填体；9-水平井井筒；10-未充填空腔。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例子仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
参见图1至图8，显示了本发明的碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法。
所述碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法可包括以下步骤：
步骤一：在碎软煤层1中施工L型水平井，在水平井的前端留一段裸眼，其它部位下入非金属(如：玻璃钢)制成的易锻铣材料套管4以进行护孔(参见图1)。
优选的是，所述L型水平井的井位在充分考虑煤矿采掘设计、煤层展布、煤层厚度等因素，L型水平井优选设计三开井身结构，其采用高性能护壁泥浆，确保水平段的长度满足设计要求；对表层套管2、技术套管3进行固井，三开预留前端一段裸眼孔眼以便后续进行第一段的空气动力造穴施工，其余水平孔眼段下入易锻铣材料套管4进行护孔，三开套管优选不固井。
步骤二：在水平井筒中下入带有锻铣钻头6的注气管柱5(参见图2)。
其中，所述锻铣钻头除了能在地面钻机的配合下实现对易锻铣材料套管4进行磨铣外，还同时满足形成注气通道和处理孔眼堵塞等功能。
步骤三：对水平井筒除前端的裸眼的井端进行高压空气动力掏煤造穴作业，以形成图2所示的前端洞穴7。
其中，所述高压空气动力掏煤造穴作用包括替水、试压、注气蹩压、放喷和返排。利用地面空压机、增压机以及地面管汇系统，将空气通过注气管柱注入井内，把井内液体全部排出，利用注气蹩压造成井筒的裸露煤层及其周围出现应力集中现象；然后通过快速放喷卸压，引起应力瞬间释放，造成剧烈的煤储层激动，一方面使井筒附近的煤层结构受到一定程度的破坏，产生坍塌和剥落，部分剥落的煤粉裹挟于高速气体中喷出地面，形成洞穴，另一方面进入煤层裂隙的气体由于压力激荡，将携带出裂隙中的煤粉，疏通裂隙通道，同时使原有的裂隙系统得到扩大和延伸；最后利用空压机压风返排，将其余脱落的煤粉或煤粒返排至地面。
其中，替水是指将水平井筒内存在的混合液体通过压风排水排出井口；试压是指注气蹩压前通过空压机、增压机检查地面管汇、防喷器密闭性是否满足施工需求；注气蹩压是指注入高压空气直到达到设计压力值，并控制井口压力保持不变，稳定一定时间；放喷是指蹩压时间达到设计时间后，通过井口进行快速放气卸压，利用高速气体将部分剥落的煤粉携带出地面的过程；返排是指通过压风返排，将垮落在井筒内的煤粉或煤粒返排至地面的过程。
高压空气动力掏煤造穴作业后能有效地使水平井筒周围煤层卸压，并且提高洞穴周围煤体的渗透性。
步骤四：从注气管柱5中注入高孔隙、高渗透率材料(可由胶凝材料、骨料和水按照一定比例混合而成)对空气掏出的洞穴7进行限量充填。
其中，限量充填通过地面注入高孔隙、高渗透率的材料对掏煤形成的洞穴7进行充填保护，充填后巷道状充填体8的上部形成有未充填空腔10，以有利于后期排采过程中洞穴7周边碎软煤层进一步垮塌卸压，又有效防治了洞穴的堵塞。
步骤五：利用注气管柱5前段的锻铣钻头6进行后退式磨铣作业，磨铣掉一定长度的易锻铣材料套管4。具体而言，根据每次高压空气动力掏煤长度的设计，地面钻机利用锻铣钻头6对易锻铣材料套管4进行磨铣，将计划掏穴段的煤层裸露出来。
步骤六：对被磨铣掉一定长度易锻铣材料套管4的裸井段进行高压空气动力掏煤造穴作业。
具体而言，通过和步骤三施工相同的工艺过程，完成对露出的裸井段进行高压空气动力掏煤造穴作业。
步骤七：从注气管柱5中注入高孔隙、高渗透率材料对空气掏出的洞穴7进行限量充填。
步骤八：重复步骤五-步骤七，直到逐步完成整个水平井在煤层水平段的易锻铣材料套管4的磨铣、高压空气动力掏煤造穴和限量充填支护作业，在煤层中形成巷道状充填体8。
具体而言，重复步骤五-步骤七的施工过程，依次施工水平段第三段水平井筒套管磨铣、高压空气动力掏煤造穴和限量充填支护作业。以此类推，依次完成第四段、第五段，直至按设计要求完成整个水平井筒作业，在煤层中形成巷道状充填体8。
步骤九：水平段施工完毕后提出带有锻铣钻头6的注气管柱5(可参见图7)。
步骤十：在充填物全部凝固后，重新从水平井口下入钻具沿着形成的巷道状充填体8施工水平井，形成新的水平井井筒9，施工完成后提出钻具(参见图8)。
具体而言，在充填物凝固后，重新从水平井口下入钻具沿着形成的巷道状充填体8施工水平井，形成新的水平井井筒9，施工完成后提出钻具。高孔隙、高渗透率材料的应用可实现煤层与形成新的水平井井筒9的沟通，为后期瓦斯抽采提供条件。
步骤十一：在水平井口安装地面负压抽采装置负压抽采瓦斯。
具体而言，以上施工结束后安装地面负压抽采装置进行负压抽采瓦斯，最终达到对顺槽掘进条带煤层进行区域消突目的。
由此可见，本发明的优点在于：
1、通过对地面水平井进行空气动力掏煤，能大大提高掏煤的数量，形成大直径的洞穴，有效降低洞穴井筒周围煤体的应力，起到掏煤卸压的作用，同时也提高洞穴周围煤体的渗透性和导流能力。
2、洞穴充填钻孔完井方式，避免了煤层垮塌堵塞流体通道，从而提高瓦斯抽采效率，降低瓦斯含量和压力，可达到对顺槽掘进条带煤层进行区域消突目的，与现有的井下钻孔预抽瓦斯消突方式相比更加高效、经济、安全。
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 (10)
1.一种碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在碎软煤层中施工L型水平井，在水平井的前端留一段裸眼，其它部位下入非金属制成的易锻铣材料套管以进行护孔；
步骤二：在水平井筒中下入带有锻铣钻头的注气管柱；
步骤三：对水平井筒前端的裸眼的井段进行高压空气动力掏煤造穴作业，以形成前端的洞穴；
步骤四：从注气管柱中注入材料对洞穴进行限量充填；
步骤五：利用注气管柱前段的锻铣钻头进行后退式磨铣，以对一定长度的易锻铣材料套管进行磨铣；
步骤六：对被磨铣掉一定长度易锻铣材料套管的裸井段进行高压空气动力掏煤造穴作业；
步骤七：从注气管柱中注入材料对空气掏出的洞穴再次进行限量充填；
步骤八：重复步骤五-步骤七，直到逐步完成整个水平井在煤层水平段的易锻铣材料套管的磨铣、高压空气动力掏煤造穴和限量充填支护作业；
步骤九：水平段施工完毕后提出带有锻铣钻头的注气管柱；
步骤十：在充填物全部凝固后，重新从水平井口下入钻具沿着形成的巷道状充填体施工水平井，形成新的水平井井筒，施工完成后提出钻具。
2.如权利要求1所述的碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，其特征在于：还包含步骤十一：在水平井口安装地面负压抽采装置负压抽采瓦斯。
3.如权利要求1所述的碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，其特征在于：所述L型水平井为三开结构，其对表层套管以及技术套管进行固井。
4.如权利要求1所述的碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，其特征在于：所述高压空气动力掏煤造穴作业包括替水、试压、注气蹩压、放喷和返排。
5.如权利要求1所述的碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，其特征在于：所述高压空气动力掏煤造穴作业利用地面空压机、增压机以及地面管汇系统，将空气通过注气管柱注入井内，把井内液体全部排出，利用注气蹩压造成井筒的裸露煤层及其周围出现应力集中现象；然后通过快速放喷卸压，引起应力瞬间释放，造成剧烈的煤储层激动，一方面使井筒附近的煤层结构受到一定程度的破坏，产生坍塌和剥落，部分剥落的煤粉裹挟于高速气体中喷出地面，形成洞穴，另一方面进入煤层裂隙的气体由于压力激荡，将携带出裂隙中的煤粉，疏通裂隙通道，同时使原有的裂隙系统得到扩大和延伸；最后利用空压机压风返排，将其余脱落的煤粉或煤粒返排至地面。
6.如权利要求4所述的碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，其特征在于：替水是指将水平井筒内存在的混合液体通过压风排水排出井口。
7.如权利要求4所述的碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，其特征在于：试压是指注气蹩压前通过空压机、增压机检查地面管汇、防喷器密闭性确定满足施工需求。
8.如权利要求4所述的碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，其特征在于：注气蹩压是指注入高压空气直到达到设计压力值，并控制井口压力保持不变，稳定一定时间。
9.如权利要求4所述的碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，其特征在于：放喷是指蹩压时间达到设计时间后，通过井口进行快速放气卸压，利用高速气体将部分剥落的煤粉携带出地面的过程。
10.如权利要求4所述的碎软煤层水平井空气掏煤成巷充填支护抽采瓦斯消突方法，其特征在于：返排是指通过压风返排，将垮落在井筒内的煤粉或煤粒返排至地面的过程。
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