CN112240221B - 一种基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法，包括以下步骤：步骤S1，在回风巷内向煤层预定位置处钻孔，钻机进入煤层后保持水平方向前进，完成初段施工；步骤S2，增加钻机的钻头竖向倾角，使钻头倾斜向上前进，进入顶板；步骤S3，钻头继续按原倾角倾斜向上前进，分别经过垮落带、裂隙带，进入断裂带后，调整钻头倾角至水平方向，完成中段施工；步骤S4，钻头继续向水平方向前，进行入采空区，直至到达预定位置，完成末段施工；步骤S5，对煤层内的瓦斯进行预抽；步骤S6，对裂隙带和采空区的瓦斯进行抽采。本发明实现了煤层内瓦斯预抽与采空区瓦斯抽采两种功能，提高了开采效率，降低了开采成本，确保了安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下瓦斯抽采领域，尤其是涉及一种基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法，能兼顾煤层未开采预抽与采空区瓦斯抽采的功能。
背景技术
煤炭作为我国最主要的能源，在一次能源生产和消费结构中始终占70％左右。但由于煤层赋存条件复杂多变，含瓦斯煤层多，煤矿瓦斯储量大，因而，我国煤炭工业长期受到各种自然灾害的威胁，这严重影响了矿井的安全生产和可持续发展。瓦斯灾害即是煤矿开采过程中最严重的灾害之一。随着开采深度的不断增加，瓦斯涌出量不断加大，煤与瓦斯突出危险也在不断的增加，高瓦斯矿井的数量也在增加。
高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井一般富含高浓度和大体积的瓦斯量，伴随着煤层采动，采场覆岩的原始应力遭到破坏，形成采动裂隙，根据覆岩的位移形变并按照由下到上的顺序，可将其划分为垮落带、断裂带和弯曲下沉带。采空区在顶板未完全垮落前，透气性较好，深部瓦斯受风流影响易被带到工作面回风巷一侧，聚集在上隅角。在顶板垮落后，采空区瓦斯在气体压力差驱使下集于顶板断裂带内，形成瓦斯富集区，形成严重安全隐患；另外，在未开采前，煤层内部也会存留少量瓦斯，也是安全隐患之一。
现有技术中，针对上述问题，多采用的方法是高抽巷、回风埋管及高位钻场顶板钻孔待采掘方法，但高抽巷掘进工作量大、施工周期长、成本高；回风埋管易破损，稳定性不好；高位钻场顶板钻孔的钻孔轨迹不可控，无法保证钻孔轨迹在裂隙带内延伸；另外，这些方法也不能同时实现钻孔初期煤层内部的预抽功能；随着对煤炭开采安全性要求越来越高，前述方法越来越难以满足需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法，在分析采煤工作面上覆岩层裂隙发育和瓦斯运移规律基础上，对定向长钻孔的钻孔方式进行改进，将钻孔初段设置在煤层中，实现了煤层内未开采瓦斯预抽与采空区瓦斯抽采两种功能，具有一孔两用的效果，既提高了开采效率，也降低了开采成本，确保了开采的安全性。其通过以下技术方案实现：
一种基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法，包括以下步骤：
步骤S1，设置钻场，在回风巷内通过钻机向煤层预定位置处钻孔，利用钻机的随钻测量技术以及定向控制功能，在钻机进入煤层后保持水平方向前进，直至到达预定位置后，停止钻孔，完成所述定向长钻孔的初段施工；
步骤S2，增加钻机的钻头竖向倾角，使钻头倾斜向上前进，进入顶板；
步骤S3，所述钻头继续按原倾角倾斜向上前进，分别经过垮落带、裂隙带，进入断裂带后，调整钻头倾角至水平方向，即到达预定的钻孔高度，完成所述定向长钻孔的中段施工；
步骤S4，所述钻头继续向水平方向前，进行入采空区，直至到达预定位置，完成所述定向长钻孔的末段施工；
步骤S5，在所述定向长钻孔的初段位置和位于煤层中的中段部分，对煤层内的瓦斯进行预抽；
步骤S6，在所述定向长钻孔的位于煤层外的中段和末段位置，对裂隙带和采空区的瓦斯进行抽采。
通过上述步骤，只钻孔一次，即实现了煤层内未开采瓦斯预抽与采空区瓦斯抽采两种功能，具有一孔两用的效果，钻孔方式改变，提高了开采效率，增加了开采的安全性。
优选地，当钻孔完成所述末段施工时，更换扩孔钻具，继续按照原轨迹行进，增大全段孔径，以提高瓦斯抽采效率。
优选地，所述钻孔有多个，钻孔均匀分布，所述钻孔数量及钻孔间距根据煤层性质确定，具体需要提前测量确定，在保证安全的前提下，尽可能高效地开采。
优选地，所述钻场至少有两个，所述钻场数量及钻场间距根据煤层性质确定，具体需要提前测量确定，在保证安全的前提下，尽可能高效地开采。
本发明相对现有技术，具有如下有益效果：
(1)此类定向长钻孔可以利用位于煤层内的钻孔部分对工作面提前预抽，并且对裂隙带和采空区瓦斯进行抽采，尤其是采空区的O形圈内的瓦斯进行抽采，实现一孔两用的目的。
(2)施工成本低，工程周期短，有效节省经济和时间成本。
(3)实现开采工作面的煤体以及采空区的瓦斯进行全方面立体抽采，根本上消除了工作面开采期间的突出危险性和瓦斯的大量涌出，保障了矿井安全高效生产。
(4)既能保证抽采效果、提高工作效率高，也能够有效解决上隅角和采空区瓦斯积聚超限问题，确保了开采的安全性。
附图说明
图1是本发明的基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法的单个钻孔的轨迹分布水平示意图；
图2是本发明的基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法的相邻钻场之间的整体俯视图；
图3是本发明的基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法的钻孔末段部分剖面示意图。
附图标记说明：
1—采煤工作面，2—垮落带，3—裂隙带，4—弯曲下沉带，5—定向长钻孔，6—进风巷，7—钻场，8—采空区，9—回风巷，A—倾角改变点，B—离开煤层点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的一个较佳实施例，如图1所示，本发明的基于定向长钻孔5的瓦斯抽采方法，在分析采煤工作面1上覆岩层裂隙发育和瓦斯运移规律基础上，对定向长钻孔5的钻孔方式进行改进，具体包括以下步骤：
步骤S1，设置钻场7，在回风巷9内通过钻机向煤层预定位置处钻孔，利用钻机的随钻测量技术以及定向控制功能，在钻机进入煤层后保持水平方向前进，直至到达预定位置后，停止钻孔，完成定向长钻孔5的初段施工；如此，钻孔的初段被设置在煤层内，以便在未开采时对煤层内的瓦斯进行预抽。
步骤S2，增加钻机的钻头竖向倾角，使钻头倾斜向上前进，进入顶板；
步骤S3，钻头继续按原倾角倾斜向上前进，分别经过垮落带2、裂隙带3，进入断裂带后，调整钻头倾角至水平方向，即到达预定的钻孔高度，完成定向长钻孔5的中段施工；
步骤S4，钻头继续向水平方向前，进行入采空区8，直至到达预定位置，完成定向长钻孔5的末段施工；
步骤S5，在定向长钻孔5的初段位置和位于煤层中的中段部分，对煤层内的瓦斯进行预抽；
步骤S6，在定向长钻孔5的位于煤层外的中段和末段位置，对裂隙带3和采空区8的瓦斯进行抽采。
通过上述步骤，只钻孔一次，即实现了煤层内未开采瓦斯预抽与采空区8瓦斯抽采两种功能，具有一孔两用的效果，钻孔方式改变，提高了开采效率，增加了开采的安全性。
为提高预抽作业效率，钻孔在煤层中的分布方式如图2所示，可以分为两个阶段，设A点为倾角改变点，也即本发明钻孔初段的终点，B点为离开煤层点，A点之前与AB阶段均位于煤层内，均可以进行未开采预同。在钻头到达A点之前，所有钻头经过的轨迹基本位于同一水平，在当前水平面内进行角度调整，转向工作面方向。待到达A点后，水平内角度不变，提高倾向角度开始倾斜向上前进，然后，到达B点离开煤层进入顶板。正如步骤S1和S2所述。
如图1和3所示，本领域中，随着发煤层采动，顶板从下至上可划分为垮落带2、裂隙带3和弯曲下沉带4，对于步骤S3，钻头出煤层区域后，继续按原倾角倾斜向上前进，分别经过垮落带2、裂隙带3，进入裂隙带3后，调整钻头倾角至水平方向，即到达预定的钻孔高度，完成定向长钻孔5的中段施工；在实际操作中，为保证钻孔的抽采效果，首先应保证钻孔完整性，避免成孔后孔壁坍塌堵塞钻孔，所以在钻孔布置层位选择时，必须考虑岩层的稳定性和成孔性。钻孔层位的选取高度与煤层顶板垮落带2、裂隙带3的高度相关。
步骤S5中，对煤层内的瓦斯进行预抽，其工作原理与顺层钻孔预抽开采煤层瓦斯相同。钻孔的具体轨迹要根据钻头的转弯半径和煤层性质来规划。
当钻孔完成末段施工时，更换扩孔钻具，继续按照原轨迹行进，增大全段孔径。
具体地，钻孔有多个，钻孔均匀分布，钻孔数量及钻孔间距根据煤层性质、确定，钻场7有至少两个，钻场7数量及钻场7间距根据煤层性质、顶板性能及钻孔的难易程度确定，具体需要提前测量确定，在保证安全的前提下，尽可能高效地开采。如一个钻场7，设置9个均匀分布的钻孔，同时进行开采。另外，钻孔的具体轨迹也要根据钻头的转弯半径和煤层性质来规划。
另外，本发明所称的定向长钻孔具体采用行业内的千米定向钻孔5来实施。
本实施例提供的一种基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法，相对现有技术，具有如下有益效果：
(1)此类定向长钻孔可以利用位于煤层内的钻孔部分对工作面提前预抽，并且对裂隙带和采空区瓦斯进行抽采，尤其是采空区的O形圈内的瓦斯进行抽采，实现一孔两用的目的。
(2)施工成本低，工程周期短，有效节省经济和时间成本。
(3)实现开采工作面的煤体以及采空区的瓦斯进行全方面立体抽采，根本上消除了工作面开采期间的突出危险性和瓦斯的大量涌出，保障了矿井安全高效生产。
(4)既能保证抽采效果、提高工作效率高，也能够有效解决上隅角和采空区瓦斯积聚超限问题，确保了开采的安全性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，设置钻场，在回风巷内通过钻机向煤层预定位置处钻孔，利用钻机的随钻测量技术以及定向控制功能，在钻机进入煤层后保持水平方向前进，直至到达预定位置后，停止钻孔，完成所述定向长钻孔的初段施工；
步骤S2，增加钻机的钻头竖向倾角，使钻头倾斜向上前进，进入顶板；
步骤S3，所述钻头继续按原倾角倾斜向上前进，分别经过垮落带、裂隙带，进入裂隙带后，调整钻头倾角至水平方向，即到达预定的钻孔高度，完成所述定向长钻孔的中段施工；
步骤S4，所述钻头继续向水平方向前进，进入采空区，直至到达预定位置，完成所述定向长钻孔的末段施工；
步骤S5，在所述定向长钻孔的初段位置和位于煤层中的中段部分，对煤层内的瓦斯进行预抽；
步骤S6，在所述定向长钻孔的位于煤层外的中段和末段位置，对裂隙带和采空区的瓦斯进行抽采。
2.根据权利要求1所述的基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法，其特征在于，当钻孔完成所述末段施工时，更换扩孔钻具，继续按照原轨迹，增大全段孔径。
3.根据权利要求1所述的基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法，其特征在于，所述钻孔有多个，钻孔均匀分布，所述钻孔数量及钻孔间距根据煤层性质确定。
4.根据权利要求1所述的基于定向长钻孔的瓦斯抽采方法，其特征在于，所述钻场至少有两个，所述钻场数量及钻场间距根据煤层性质确定。
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