CN112832766B - 基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿瓦斯突出防治领域，基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，本方法为利用地面钻孔向立井井筒待揭煤层施工定向钻孔分支孔网提前预抽煤层瓦斯消突的方法，在立井井筒施工之前，通过地面定向钻机向煤层施工定向钻孔分支形成预抽井网，对井筒预揭煤区域进行长时间的预抽消突，与现有立井消突技术相比，避免了在立井井筒的有限空间内施工揭煤钻孔，实现立井井筒煤层超前消突，大幅缩短井筒揭煤时间，实现安全快速消突，对于煤矿立井揭煤有着至关重要的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯突出防治领域，特别涉及基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法。
背景技术
随着煤矿采深加大，我国高突矿井的数目逐渐增多，瓦斯事故为煤矿生产中最严重的自然灾害之一。传统的高突出矿井立井井筒揭煤的消突方法是在立井井筒掘至煤层10-20m时，向下对煤层施工大量密集的穿层抽采钻孔进行预抽消突，此方法消突工作量大，消突时间长，封孔消突差，且井筒作业空间狭小，施工钻孔效率低下，抽采效率低，安全性无法得到保障，严重影响揭煤进度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，避免在立井井筒的有限空间内施工揭煤钻孔，达到对井筒揭煤影响范围内的煤层进行消突的目的，保障立井井筒揭煤的安全性，提高瓦斯抽采的有效抽采时间，大幅提高揭煤进度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，包括如下步骤：
步骤1、距离立井井口一定距离处施工至少两口地面定向消突钻井，首先施工煤层上井段，煤层上井段施工至煤层顶板，煤层上井段固井后施工煤层定向井段，煤层定向井段在煤层中行进一段距离后，煤层定向井段开始分支施工形成分支孔，部分分支孔施工至煤层底板为探底分支孔，部分分支孔施工至煤层顶板为探顶分支孔，部分分支孔位于煤层中部为水平分支孔，探底分支孔、探顶分支孔和水平分支孔间距相等；地面定向消突钻井中包括倾向消突钻井和走向消突钻井，沿煤层倾向施工的地面定向消突钻井为倾向消突钻井，沿煤层走向施工的地面定向消突钻井为走向消突钻井；倾向消突钻井的分支孔与走向消突钻井的分支孔相互交叉，形成消突钻孔网格，即消突钻孔有效覆盖区域；
步骤2、两组地面定向消突钻井施工完成后，在孔内安装抽水设备，抽水设备的抽水进水端下至煤层顶板处，将地面定向消突钻井内的水抽出，随着水位的下降，煤层瓦斯所受围压不断降低，瓦斯开始解吸并上升至地面定向消突钻井进口，瓦斯集中回收；
步骤3、在立井掘进至距煤层10m时，向下施工穿层钻孔，测定煤层瓦斯压力，进行消突效果检验，消突效果检验合格即可采用局部防突措施，开始揭煤作业。
作为优选的，在步骤1中，地面定向消突钻井的施工方法如下：自地面穿过软土层及风化岩石层到达基岩为一开井段，一开井段为垂直井，一开井段钻至设计深度后下入套管，一开井段采用水泥固井；一开井段固井完成后，施工基岩至煤层顶板的二开井段，二开井段开始采用定向技术，二开井段施工至煤层顶板处钻孔接近煤层倾角后，下入套管，二开井段采用水泥固井；二开井段固井完成后，开始进入煤层施工煤层定向井段。
作为优选的，所述一开井段钻使用泥浆钻进；二开井段使用泥浆钻进；煤层定向井段采用清水钻进。
作为优选的，所述地面定向消突钻井有2口，且倾向消突钻井的分支孔与走向消突钻井的分支孔相互垂直交叉。
作为优选的，所述地面定向消突钻井数量大于2口，倾向消突钻井的分支孔与走向消突钻井的分支孔在消突钻孔有效覆盖区域内等夹角放射状分布。
作为优选的，在步骤1中，对于较为软弱的煤层及破碎区域，在煤层定向井段、探底分支孔、探顶分支孔和水平分支孔下入筛管，保证钻孔的抽采效果。
作为优选的，在步骤1中，在施工探底分支孔和探顶分支孔时，利用探底分支孔和探顶分支孔探明待揭煤区域的煤层顶板、底板位置，确定煤层厚度，以及探明构造信息，为揭煤提供准确的煤层位置信息。
作为优选的，所述抽水设备为脉冲式抽水设备或潜水泵。
作为优选的，在步骤3中，当钻孔水位下降至抽水管下部时或煤层中贫水时，可将排气口连接负压管路进行抽放。
使用本发明的有益效果是：
基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，在立井井筒未掘至煤层之前，采用定向分支网格钻孔对待揭煤层进行超前预抽消突，避免了在立井井筒的有限空间内施工揭煤钻孔，保障了立井井筒揭煤的安全性，大幅缩短了井筒揭煤时间，降低了立井井筒揭煤的风险性，为立井井筒揭煤提供了新的理论方法和技术支撑，可产生明显的经济效益和社会效益，对高突矿井立井揭煤具有广泛的应用前景。
附图说明
图1倾向消突钻井钻孔布置剖面示意图；
图2走向消突钻井钻孔布置剖面示意图；
图3相互垂直布置的两组消突钻井及其消突范围俯视示意图。
附图标记包括：
1.地面定向消突钻井，其中1-1.倾向消突钻井，1-2.走向消突钻井；2.一开井段；3.二开井段；4.煤层定向井段，其中4-1.探底分支孔，4-2.探顶分支孔，4-3.水平分支孔；5.立井井口；6.立井井壁；7.立井掘进工作面；8.立井设计到底轮廓；9.煤层；10.磕头机；11.抽水杆；12.抽水管；13.排气口；14.消突钻孔有效覆盖区域。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，包括如下步骤：
步骤1、距离立井井口5一定距离处施工至少两口消突钻井，首先施工煤层上井段，煤层上井段施工至煤层9顶板，煤层上井段固井后施工煤层定向井段4，煤层定向井段4在煤层9中行进一段距离后，煤层定向井段4开始分支施工形成分支孔，部分分支孔施工至煤层9底板为探底分支孔4-1，部分分支孔施工至煤层9顶板为探顶分支孔4-2，部分分支孔位于煤层9中部为水平分支孔4-3，探底分支孔4-1、探顶分支孔4-2和水平分支孔4-3间距相等；消突钻井中包括倾向消突钻井1-11-1和走向定向消突钻井1-2，沿煤层9倾向施工的消突钻井为倾向消突钻井1-11-1，沿煤层9走向施工的消突钻井为走向定向消突钻井1-2；倾向消突钻井1-1的分支孔与走向消突钻井1-2的分支孔相互交叉，形成消突钻孔网格，即消突钻孔有效覆盖区域14；
步骤2、两组消突钻井施工完成后，在孔内安装抽水设备，抽水设备的抽水进水端下至煤层9顶板处，将消突钻井内的水抽出，随着水位的下降，煤层9内瓦斯所受围压不断降低，瓦斯开始解吸并上升至消突钻井进口，瓦斯集中回收；
步骤3、在立井掘进至煤层9顶板10m时，向下施工穿层钻孔，测定煤层9内瓦斯压力，进行消突效果检验，消突效果检验合格即可采用局部防突措施，开始揭煤作业。
在步骤1中，消突钻井的施工方法如下：自地面穿过软土层及风化岩石层到达基岩为一开井段2，一开井段2为垂直井，一开井段2钻至设计深度后下入套管，一开井段2采用水泥固井；一开井段2固井完成后，施工基岩至煤层9顶板的二开井段3，二开井段3开始采用定向技术，二开井段3施工至煤层9顶板处钻孔接近煤层9倾角后，下入套管，二开井段3采用水泥固井；二开井段3固井完成后，开始进入煤层9施工煤层定向井段4。
作为优选的，一开井段2钻使用泥浆钻进；二开井段3使用泥浆钻进；煤层定向井段4采用清水钻进。消突钻井有2口，且倾向消突钻井1-1的分支孔与走向消突钻井1-2的分支孔相互垂直交叉。消突钻井数量大于2口，倾向消突钻井1-1的分支孔与走向消突钻井1-2的分支孔在消突钻孔有效覆盖区域14内等夹角放射状分布。
在步骤1中，对于较为软弱的煤层9及破碎区域，在煤层定向井段4、探底分支孔4-1、探顶分支孔4-2和水平分支孔4-3下入筛管，保证钻孔的抽采效果。在施工探底分支孔4-1和探顶分支孔4-2时，利用探底分支孔4-1和探顶分支孔4-2探明待揭煤区域的煤层9顶板、底板位置，确定煤层9厚度，以及探明构造信息，为揭煤提供准确的煤层9位置信息。抽水设备为脉冲式抽水设备或潜水泵。当钻孔水位下降至抽水管12下部时或煤层9中贫水时，可将排气口13连接负压管路进行抽放。
实施例1
本实施例采用地面定向消突钻井1为2口，抽水设备采用磕头机10为动力源，抽水设备还包括抽水杆11和抽水管12。
具体的，距离立井井口5一定距离处，沿煤层9倾向施工一口倾向消突钻井1-1，沿煤层9走向施工一口走向消突钻井1-2，如图3所示。两种消突钻井形式相同，具体结构为：自地面穿过软土层及风化岩石层到达基岩为一开井段2，一开井段2为垂直井，使用泥浆钻进，钻至设计深度后下入套管，采用水泥固井。固井完成后，施工基岩至煤层9顶板的二开井段3，二开井段3开始采用定向技术，使用泥浆钻进，施工至煤层9顶板处钻孔接近煤层9倾角后，下入套管，采用水泥固井。固井完成后，开始进入煤层9施工煤层定向井段4，采用清水钻进，在煤层9中行进一段距离后，开始分支，部分分支施工至煤层9底板，为探底分支孔4-1，部分分支施工至煤层9顶板，为探顶分支孔4-2，部分分支位于煤层9中部，为水平分支孔4-3，各水平分支孔4-3间距相等。倾向消突钻井1-1的水平分支孔4-3与走向消突钻井1-2的水平分支孔4-3相互垂直交叉，形成消突钻孔网格，即消突钻孔有效覆盖区域14。本实施例中，立井井口5、立井井壁6、立井掘进工作面7和立井设计到底轮廓8如图所示。
两组地面定向消突钻井1施工完成后，在孔内安装抽水管12，将抽水管12下至煤层9顶板处，抽水管12内部为抽水杆11，抽水杆11连接在地面井口的磕头机10上，磕头机10通过上下运动带动抽水杆11，将钻孔内的水从抽水管12中排出，随着水位的下降，煤层9瓦斯所受围压不断降低，瓦斯开始解吸，瓦斯沿着抽水管12与钻孔壁的空隙上升至井口的排气口13，通过管道运输至瓦斯泵房。
随着煤层9内瓦斯抽采，煤层9内瓦斯含量下降，瓦斯压力降低，瓦斯突出危险性随即消除，在立井掘进至距煤层910m时，向下施工穿层钻孔，测定煤层9瓦斯压力，进行消突效果检验，消突效果检验合格即可采用局部防突措施，开始揭煤作业。
本方法中，可根据煤层9内瓦斯压力的大小、水文地质条件的复杂情况及煤层9透气性大小选择增减消突钻井的数量及分支密度以及交叉方式。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
Claims (9)
1.基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、距离立井井口一定距离处施工至少两口地面定向消突钻井，首先施工煤层上井段，煤层上井段施工至煤层顶板，煤层上井段固井后施工煤层定向井段，煤层定向井段在煤层中行进一段距离后，煤层定向井段开始分支施工形成分支孔，部分分支孔施工至煤层底板为探底分支孔，部分分支孔施工至煤层顶板为探顶分支孔，部分分支孔位于煤层中部为水平分支孔，探底分支孔、探顶分支孔和水平分支孔间距相等；地面定向消突钻井中包括倾向消突钻井和走向消突钻井，沿煤层倾向施工的地面定向消突钻井为倾向消突钻井，沿煤层走向施工的地面定向消突钻井为走向消突钻井；倾向消突钻井的分支孔与走向消突钻井的分支孔相互交叉，形成消突钻孔网格，即消突钻孔有效覆盖区域；
步骤2、两组地面定向消突钻井施工完成后，在孔内安装抽水设备，抽水设备的抽水进水端下至煤层顶板处，将地面定向消突钻井内的水抽出，随着水位的下降，煤层瓦斯所受围压不断降低，瓦斯开始解吸并上升至地面定向消突钻井进口，瓦斯集中回收；
步骤3、在立井掘进至距煤层10m时，向下施工穿层钻孔，测定煤层瓦斯压力，进行消突效果检验，消突效果检验合格即可采用局部防突措施，开始揭煤作业。
2.根据权利要求1所述的基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，其特征在于：在步骤1中，地面定向消突钻井的施工方法如下：自地面穿过软土层及风化岩石层到达基岩为一开井段，一开井段为垂直井，一开井段钻至设计深度后下入套管，一开井段采用水泥固井；一开井段固井完成后，施工基岩至煤层顶板的二开井段，二开井段开始采用定向技术，二开井段施工至煤层顶板处钻孔接近煤层倾角后，下入套管，二开井段采用水泥固井；二开井段固井完成后，开始进入煤层施工煤层定向井段。
3.根据权利要求2所述的基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，其特征在于：所述一开井段钻使用泥浆钻进；二开井段使用泥浆钻进；煤层定向井段采用清水钻进。
4.根据权利要求1所述的基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，其特征在于：所述地面定向消突钻井有2口，且倾向消突钻井的分支孔与走向消突钻井的分支孔相互垂直交叉。
5.根据权利要求1所述的基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，其特征在于：所述地面定向消突钻井数量大于2口，倾向消突钻井的分支孔与走向消突钻井的分支孔在消突钻孔有效覆盖区域内等夹角放射状分布。
6.根据权利要求1所述的基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，其特征在于：在步骤1中，对于较为软弱的煤层及破碎区域，在煤层定向井段、探底分支孔、探顶分支孔和水平分支孔下入筛管，保证钻孔的抽采效果。
7.根据权利要求1所述的基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，其特征在于：在步骤1中，在施工探底分支孔和探顶分支孔时，利用探底分支孔和探顶分支孔探明待揭煤区域的煤层顶板、底板位置，确定煤层厚度，以及探明构造信息，为揭煤提供准确的煤层位置信息。
8.根据权利要求1所述的基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，其特征在于：所述抽水设备为脉冲式抽水设备或潜水泵。
9.根据权利要求1所述的基于地面定向钻孔的立井井筒揭煤超前消突方法，其特征在于：在步骤3中，当钻孔水位下降至抽水管下部时或煤层中贫水时，可将排气口连接负压管路进行抽放。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 113122 No.11 Binhe Road, Shenfu demonstration area, Fushun City, Liaoning Province Applicant after: Shenyang Research Institute Co.,Ltd. Address before: 113122 No.11 Binhe Road, Shenfu New District, Liaoning Province Applicant before: CCTEG SHENYANG Research Institute |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |