CN112709574B - 基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤层消突方法，具体涉及一种基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法。本发明的目的是解决现有突出煤层井下顺层钻孔消突技术中存在使用成本高、抽吸效果差、易塌孔等技术问题，而提供一种基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法。该方法包括以下步骤：1)施钻掩护掘进用增透钻孔；2)对掩护掘进用增透钻孔进行冲击波增透作业和抽采瓦斯；3)掘进巷道；4)施钻、增透与掘进；411)施钻多个区域消突用增透钻孔，并进行冲击波增透作业和抽采瓦斯；421)施钻掩护掘进用增透钻孔；431)再次掘进巷道；5)重复直至掘进至预设切眼位置处；6)掘进预设切眼和另一侧预设巷道处，对采煤工作面进行回采。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤层消突方法，具体涉及一种基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法。
背景技术
煤矿中的突出是指在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤(岩)和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常动力现象。煤(岩)与瓦斯突出持续时间极短，一般为数秒或数十秒，由于大量的煤(岩)和瓦斯突然抛至采掘空间，且伴随着强烈的力学效应，因而具有极大的破坏性。如突出时遇有明火，则会造成瓦斯爆炸并伴随煤尘爆炸等二次事故的发生，是煤矿井下最严重的灾害之一。
针对突出煤层而言，煤矿安全生产原则上要求：煤巷掘进工作面应当选用超前钻孔预抽瓦斯、超前钻孔排放瓦斯的防突措施或者其他经试验证实有效的防突措施。目前针对突出煤层主要采取地面井、井下穿层钻孔和井下顺槽钻孔实施煤层消突。但是，由于要控制煤炭生产的成本，地面井预抽煤层瓦斯技术并不具备普适性，现阶段多数矿区以井下穿层钻孔或顺槽(顺层)钻孔为主，同时以回采区域煤层瓦斯抽采为辅的区域防突措施。
其中，对于存在保护层，且保护层足以保护被保护层的突出煤层，一般采用井下穿层钻孔进行消突，如图1所示，由底板瓦斯抽采巷01向待开采突出煤层03辐射式开采预抽钻孔02进行消突；对于不存在保护层，或保护层不足以保护被保护层的煤层，一般采用本煤层顺槽钻孔进行消突，而我国大部分煤矿为单一煤层，不具备保护层开采条件，故多适用本煤层顺槽钻孔消突方法，如图2所示，在待开采突出煤层001中首先掘进一侧预设巷道002(预设切眼004和另一侧预设巷道003先不挖掘，图中用虚线表示)，然后从该已掘巷道向采帮施钻顺层预抽钻孔005进行消突。消突过程中，因采用的预抽钻孔005为常规钻孔，抽放半径较小，往往只有0.5-1.5m，煤矿为了预抽煤层瓦斯达标，预抽钻孔005的布孔间距只有1-3m，如图3所示，在巷道采帮处采用上下双排孔的钻孔布置，钻孔过于密集，导致钻孔施工、管路安装和后期维护成本投入非常巨大。
随着科技的进步，为了解决煤层的突出问题，同时减少钻孔布置，国内外专家学者针对提高煤层透气性研发出了各种各样的工艺措施和手段，如千米多分支钻孔/穿层钻孔群增透、深孔预裂爆破、液态CO2相变致裂增透等技术和措施，主要目的是通过提高钻孔揭露煤层的面积来达到降低煤层瓦斯含量。但实际应用中，由于抽采管路负压有限，千米多分支孔/穿层钻孔群接抽后钻孔内的有效抽吸负压不足50％，而钻孔较深，钻孔内一旦有塌孔堵塞，极易造成孔内压力的聚集，导致喷孔事故发生，且针对易突出的松软煤层，大于100m的钻孔极难成孔；深孔预裂爆破由于采用火工品，用药量掌握困难，爆破时大量能量消耗在粉碎圈上，在压实煤体、堵塞原生渗流通道的同时，还会影响煤层顶和底板的稳定，尤其是对于易突出的松软煤层；液态CO2相变致裂增透技术与深孔预裂爆破类似，原理上CO2可以驱替吸附在煤基质上的瓦斯，但是，其体积相变时对煤体有压实作用，不会产生渗流通道，导致CO2难以进入煤体深部，也难以驱替吸附的瓦斯。
随着煤矿开采的深入，煤层条件越来越复杂，高瓦斯压力、低透气性、高应力、煤(岩)体破碎松软等问题越来越显著，对于不存在保护层，或保护层不足以保护被保护层的煤层，目前亟需一种在不破坏钻孔结构的条件下，能在煤体中创造裂隙、沟通渗流通道，对吸附瓦斯进行扰动，促进瓦斯解吸的井下顺层钻孔增透瓦斯的消突技术。
发明内容
本发明的目的是解决现有突出煤层井下顺层钻孔消突技术中存在使用成本高、抽吸效果差、易塌孔等技术问题，而提供一种基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)在待开采突出煤层一侧预设巷道迎头处设置第一钻场，在第一钻场中沿一侧预设巷道掘进方向施钻掩护掘进用增透钻孔；
2)利用可控冲击波产生设备对掩护掘进用增透钻孔进行冲击波增透作业，然后抽采孔内瓦斯，直到孔内的瓦斯含量降至达标值以下；
3)从掩护掘进用增透钻孔的孔口起，沿一侧预设巷道的掘进方向掘进巷道，巷道掘进长度占掩护掘进用增透钻孔长度的三分之一至三分之二；
4)施钻增透钻孔、进行增透作业与掘进巷道
411)在已掘进巷道末端设置区域消突用钻场，在区域消突用钻场中向采帮施钻多个区域消突用增透钻孔，多个区域消突用增透钻孔呈扇形分布；
412)利用可控冲击波产生设备对区域消突用增透钻孔进行冲击波增透作业，然后抽采孔内瓦斯，直到孔内瓦斯含量降至达标值以下；
421)从掩护掘进用增透钻孔孔底起，沿一侧预设巷道的掘进方向再次施钻掩护掘进用增透钻孔；
422)利用可控冲击波产生设备对再次施钻的掩护掘进用增透钻孔进行冲击波增透作业，然后抽采孔内瓦斯，直到孔内瓦斯含量降至达标值以下；
431)从已掘进巷道末端起，沿一侧预设巷道的掘进方向再次掘进巷道，所述再次掘进巷道的末端位于步骤3)所述掩护掘进用增透钻孔孔底处；
5)重复步骤3)至步骤431)，直至所述一侧预设巷道掘进至预设切眼位置处；
6)在预设切眼和另一侧预设巷道处进行掘进，然后在切眼位置处布置回采设备对采煤工作面进行回采。
进一步地，所述步骤411)、412)，步骤421)、422)和步骤431)同步进行。
进一步地，步骤2)、步骤411)和步骤421)中，在掩护掘进用增透钻孔和区域消突用增透钻孔内进行增透作业和抽采瓦斯的方法均相同，具体为：
21)根据待开采突出煤层的厚度、煤质特征和煤层瓦斯参数，设定钻孔中相邻作业点的间距以及每个作业点的作业次数；
22)安装封孔管、孔口法兰和孔口密封装置；
23)利用钻机通过钻杆将可控冲击波产生设备送至孔底；
24)利用封孔管、孔口法兰和孔口密封装置关闭孔口，向钻孔内注水；
25)当钻孔内水压达到0.1-0.5MPa后，使可控冲击波产生设备按照步骤21)中确定的钻孔中相邻作业点的间距以及每个作业点的作业次数，从位于孔底的作业点开始实施增透作业；
26)每完成一个作业点的作业量后，打开孔口，利用钻机将钻杆回抽使可控冲击波产生设备到达下一作业点，再次关闭孔口，向钻孔内注水，当钻孔内水压达到0.1-0.5MPa后，再继续作业；
27)重复步骤26)，待所有作业点处理完毕后，钻机将可控冲击波产生设备抽出钻孔，结束该钻孔的增透作业；将该钻孔接入矿井瓦斯抽采管线进行联管抽采，直到孔内瓦斯含量降至达标值以下。
进一步地，所述可控冲击波产生设备的增透影响范围为20±5m。
进一步地，步骤1)和步骤422)中，每次施钻掩护掘进用增透钻孔的深度为150-210m。
进一步地，步骤411)中，所述区域消突用增透钻孔的孔深为200-240m。
进一步地，步骤411)中，所述区域消突用增透钻孔的孔深为200m。
进一步地，步骤3)中，所述掘进巷道的长度占掩护掘进用增透钻孔长度的三分之二。
进一步地，步骤21)中，所述煤质特征和煤层瓦斯参数包括透气性系数、瓦斯压力和瓦斯含量。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，在巷道掘进中优化了布孔方式，设计有沿巷道走向的掩护掘进用增透钻孔、朝向采煤工作面采帮的区域消突用增透钻孔，并采用可控冲击波增透技术对这两种钻孔进行增透作业，而后抽采瓦斯，由于冲击波作业时能量大小可控，使得各个钻孔的增透作用均衡，进而使得煤体深部吸附的瓦斯得以解吸后被抽采管线的负压抽出，降低了煤层瓦斯突出的危险性，使采煤工作面提前预抽瓦斯达标，实现巷道的快速掘进和采煤工作面回采速度的提高。即在消除煤层突出危险性的同时，兼顾了巷道的掩护掘进。
2、本发明提供的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，采用可控冲击波增透技术对掩护掘进用增透钻孔和区域消突用增透钻孔进行增透作业，由于可控冲击波的增透影响半径可达20±5m，相比于现有的密集钻孔方式，钻孔间距显著增大，使得钻孔过程中易成孔难塌孔，进而使得钻孔施工量、管路安装和后期维护成本极大降低，安全性显著提高。
3、本发明提供的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，掩护掘进用增透钻孔和区域消突用增透钻孔的施钻、增透作业，以及掩护掘进用增透钻孔处的巷道掘进可以同时进行，互不影响，节约施工时间。
4、本发明提供的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，在增透作业期间向钻孔注水，在创造了渗流通道、解吸瓦斯的同时，使得煤体中的水分提高，减少了回采期间煤尘的产生。
5、本发明提供的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，在采煤工作面采帮上根据采煤工作面的宽度，施钻孔深为200-240m的区域消突用增透钻孔，使得整个采煤工作面上的若干个扇形布置的区域消突用增透钻孔区域基本上可以实现整个工作面的消突。
附图说明
图1为现有井下穿层钻孔示意图；
图2为现有井下顺槽钻孔示意图，其中虚线部分表示未挖掘部分；
图3为现有井下顺槽钻孔中的双排孔布置示意图；
图4为本发明基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法的钻孔布置示意图，其中虚线表示未挖掘部分；
图5为本发明基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法的现场施工示意图；
图6为本发明使用可控冲击波产生设备的结构示意图；
附图标记说明：
图1中：
01-底板瓦斯抽采巷；02-预抽钻孔；03-待开采突出煤层；
图2和图3中：
001-待开采突出煤层；002-一侧预设巷道；003-另一侧预设巷道；004-预设切眼；005-预抽钻孔；
图4至6中：
1-待开采突出煤层；2-一侧预设巷道；3-掩护掘进用增透钻孔；4-区域消突用增透钻孔；5-预设切眼；6-另一侧预设巷道；
7-钻机；8-钻杆；9-可控冲击波产生设备；10-孔口密封装置；11-封孔管；12-孔口法兰；
91-钻杆接手；92-防爆电池组；93-高压直流电源板；94-储能电容器和能量控制器；95-能量转换器；96-聚能棒推送器；97-增透型聚能棒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
一种基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，包括以下步骤：
1)在待开采突出煤层1一侧预设巷道2迎头处设置第一钻场，在第一钻场中沿一侧预设巷道2掘进方向施钻掩护掘进用增透钻孔3；施钻掩护掘进用增透钻孔3的深度为150-210m；
2)利用可控冲击波产生设备9对掩护掘进用增透钻孔3进行冲击波增透作业，然后抽采孔内瓦斯，直到孔内瓦斯压力降至0.74MPa以下，且吨煤瓦斯含量降至6-8m3以下(在此范围内的具体数值需根据施工地当地相关煤矿法规而定)，瓦斯抽采时间为30-90天，在该时间段内，掘进方向的瓦斯足够降至达标值以下；所述可控冲击波产生设备9的增透影响范围为20±5m；
3)从掩护掘进用增透钻孔3的孔口起，沿一侧预设巷道2的掘进方向掘进巷道，巷道掘进长度占掩护掘进用增透钻孔3长度的三分之一至三分之二，剩余部分作为安全屏障，优选三分之二；
4)施钻增透钻孔、进行增透作业与掘进巷道
411)在已掘进巷道末端设置区域消突用钻场，在区域消突用钻场中向采帮施钻多个区域消突用增透钻孔4，多个区域消突用增透钻孔4呈扇形分布；所述区域消突用增透钻孔4的孔深为200-240m，具体根据采煤工作面的宽度而定，优选200m；当然，所述区域消突用增透钻孔4的孔深还可以为100m左右，此时则需要在两侧采帮上均布置区域消突用增透钻孔，从而实现整个采煤工作面的增透；
412)利用可控冲击波产生设备9对区域消突用增透钻孔4进行冲击波增透作业，然后抽采孔内瓦斯，直到孔内瓦斯含量降至达标值以下；
421)从掩护掘进用增透钻孔3孔底起，沿一侧预设巷道2的掘进方向再次施钻掩护掘进用增透钻孔3；施钻掩护掘进用增透钻孔3的深度为150-210m；
422)利用可控冲击波产生设备9对再次施钻的掩护掘进用增透钻孔(3)进行冲击波增透作业，然后抽采孔内瓦斯，直到孔内瓦斯含量降至达标值以下；
431)从已掘进巷道末端起，沿一侧预设巷道2的掘进方向再次掘进巷道，所述再次掘进巷道的末端位于步骤3)所述掩护掘进用增透钻孔3孔底处；
5)重复步骤3)至步骤431)，通过这种反复交替，直至所述一侧预设巷道2掘进至预设切眼5位置处，实现掩护巷道快速掘进的目的；
6)在预设切眼5和另一侧预设巷道6处进行掘进，然后在切眼位置处布置回采设备对采煤工作面进行回采。
当然，所述步骤411)、412)，步骤421)、422)和步骤431)也可以根据需要同步进行，互不影响，节约施工时间；
步骤2)、步骤411)和步骤421)中，在掩护掘进用增透钻孔3和区域消突用增透钻孔4内进行增透作业和抽采瓦斯的方法均相同，具体为：
21)根据待开采突出煤层1的厚度、煤质特征和煤层瓦斯参数，设定钻孔中相邻作业点的间距以及每个作业点的作业次数；所述煤质特征和煤层瓦斯参数包括透气性系数、瓦斯压力和瓦斯含量；
22)安装封孔管11、孔口法兰12和孔口密封装置10；
23)利用钻机7通过钻杆8将可控冲击波产生设备9送至孔底；
24)利用封孔管11、孔口法兰12和孔口密封装置10关闭孔口，向钻孔内注水；
25)当钻孔内水压达到0.1-0.5MPa后，使可控冲击波产生设备9按照步骤21)中确定的钻孔中相邻作业点的间距以及每个作业点的作业次数，从位于孔底的作业点开始实施增透作业；
26)每完成一个作业点的作业量后，打开孔口，利用钻机7将钻杆8回抽使可控冲击波产生设备9到达下一作业点，再次关闭孔口，向钻孔内注水，当钻孔内水压达到0.1-0.5MPa后，再继续作业；
27)重复步骤26)，待所有作业点处理完毕后，钻机7将可控冲击波产生设备9抽出钻孔，结束该钻孔的增透作业；将该钻孔接入矿井瓦斯抽采管线进行联管抽采，直到孔内瓦斯含量降至达标值以下。
一般采煤工作面长度约为2000m，故仅需在一侧巷道施工约10-20个钻场，即可覆盖整个工作面。
如图6所示，所述可控冲击波产生设备9包含同轴依次连接集成一个整体的钻杆接手91、防爆电池组92、高压直流电源板93、储能电容器和能量控制器94、能量转换器95和聚能棒推送器96，所述高压直流电源板93起逆变、升压和整流作用；高压直流电源板93给储能电容器充电，当储能电容器充电到击穿阈值时，大电流击穿能量控制器，储能电容器所储存的电能经能量控制器传递给能量转换器95中的增透型聚能棒97，大电流将增透型聚能棒97气化、电离、爆炸后产生冲击波；所述聚能棒推送器96中可视作业需要装载一定数量的增透型聚能棒97，每消耗一颗增透型聚能棒97再由聚能棒推送器96向能量转换器95处推送下一颗增透型聚能棒97。本发明中的可控冲击波产生设备9可使用由西安闪光能源科技有限公司生产的QZ-Ⅲ型的可控冲击波产生设备9及其相应的聚能棒，其中的聚能棒采用增透型聚能棒97。当然，本发明中的可控冲击波产生设备9亦可以使用能够实现相同功能的其他可控冲击波产生设备。
本发明通过在采煤工作面形成前，对区域消突用增透钻孔4的增透作业和预先瓦斯抽采，使得采煤工作面内的瓦斯压力和吨煤瓦斯含量达标，达到采煤工作面形成后可以快速布置设备进行回采的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在待开采突出煤层(1)一侧预设巷道(2)迎头处设置第一钻场，在第一钻场中沿一侧预设巷道(2)掘进方向施钻掩护掘进用增透钻孔(3)；
2)利用可控冲击波产生设备(9)对掩护掘进用增透钻孔(3)进行冲击波增透作业，在增透作业期间向钻孔注水，然后抽采孔内瓦斯，直到孔内的瓦斯含量降至达标值以下；
3)从掩护掘进用增透钻孔(3)的孔口起，沿一侧预设巷道(2)的掘进方向掘进巷道，巷道掘进长度占掩护掘进用增透钻孔(3)长度的三分之一至三分之二；
4)施钻增透钻孔、进行增透作业与掘进巷道
411)在已掘进巷道末端设置区域消突用钻场，在区域消突用钻场中向采帮施钻多个区域消突用增透钻孔(4)，多个区域消突用增透钻孔(4)呈扇形分布；
412)利用可控冲击波产生设备(9)对区域消突用增透钻孔(4)进行冲击波增透作业，在增透作业期间向钻孔注水，然后抽采孔内瓦斯，直到孔内瓦斯含量降至达标值以下；
421)从掩护掘进用增透钻孔(3)孔底起，沿一侧预设巷道(2)的掘进方向再次施钻掩护掘进用增透钻孔(3)；
422)利用可控冲击波产生设备(9)对再次施钻的掩护掘进用增透钻孔(3)进行冲击波增透作业，在增透作业期间向钻孔注水，然后抽采孔内瓦斯，直到孔内瓦斯含量降至达标值以下；
431)从已掘进巷道末端起，沿一侧预设巷道(2)的掘进方向再次掘进巷道，所述再次掘进巷道的末端位于步骤3)所述掩护掘进用增透钻孔(3)孔底处；
5)重复步骤3)至步骤431)，直至所述一侧预设巷道(2)掘进至预设切眼(5)位置处；
6)在预设切眼(5)和另一侧预设巷道(6)处进行掘进，然后在切眼位置处布置回采设备对采煤工作面进行回采。
2.根据权利要求1所述的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，其特征在于：所述步骤411)、412)，步骤421)、422)和步骤431)同步进行。
3.根据权利要求1或2所述的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，其特征在于：步骤2)、步骤411)和步骤421)中，在掩护掘进用增透钻孔(3)和区域消突用增透钻孔(4)内进行增透作业和抽采瓦斯的方法均相同，具体为：
21)根据待开采突出煤层(1)的厚度、煤质特征和煤层瓦斯参数，设定钻孔中相邻作业点的间距以及每个作业点的作业次数；
22)安装封孔管(11)、孔口法兰(12)和孔口密封装置(10)；
23)利用钻机(7)通过钻杆(8)将可控冲击波产生设备(9)送至孔底；
24)利用封孔管(11)、孔口法兰(12)和孔口密封装置(10)关闭孔口，向钻孔内注水；
25)当钻孔内水压达到0.1-0.5MPa后，使可控冲击波产生设备(9)按照步骤21)中确定的钻孔中相邻作业点的间距以及每个作业点的作业次数，从位于孔底的作业点开始实施增透作业；
26)每完成一个作业点的作业量后，打开孔口，利用钻机(7)将钻杆(8)回抽使可控冲击波产生设备(9)到达下一作业点，再次关闭孔口，向钻孔内注水，当钻孔内水压达到0.1-0.5MPa后，再继续作业；
27)重复步骤26)，待所有作业点处理完毕后，钻机(7)将可控冲击波产生设备(9)抽出钻孔，结束该钻孔的增透作业；将该钻孔接入矿井瓦斯抽采管线进行联管抽采，直到孔内瓦斯含量降至达标值以下。
4.根据权利要求3所述的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，其特征在于：所述可控冲击波产生设备(9)的增透影响范围为20±5m。
5.根据权利要求3所述的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，其特征在于：步骤1)和步骤422)中，每次施钻掩护掘进用增透钻孔(3)的深度为150-210m。
6.根据权利要求5所述的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，其特征在于：步骤411)中，所述区域消突用增透钻孔(4)的孔深为200-240m。
7.根据权利要求6所述的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，其特征在于：步骤411)中，所述区域消突用增透钻孔(4)的孔深为200m。
8.根据权利要求1或2所述的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，其特征在于：步骤3)中，所述掘进巷道的长度占掩护掘进用增透钻孔(3)长度的三分之二。
9.根据权利要求3所述的基于可控冲击波增透的突出煤层消突方法，其特征在于：步骤21)中，所述煤质特征和煤层瓦斯参数包括透气性系数、瓦斯压力和瓦斯含量。
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