CN112832850A - 一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，属于煤矿瓦斯治理技术领域；包括以下步骤：底板岩巷掘进期间进行探煤；统计并确定探煤钻孔的相对位置参数，计算层位标高绘制出煤层顶板折线图；公式一求出底板巷对应顶板抽采孔孔深与标高；公式二求出其他顶板抽采孔孔深与标高；求得参数作为定向钻机轨迹参数施工顶板抽采孔；对顶板抽采孔进行分段压裂；底板巷穿层孔进入顶板3m并冲煤封孔；顶板抽采孔封孔连抽。本发明解决了底板穿层钻孔易塌孔、积水、工作面采掘期间卸压带范围内瓦斯抽采效果差的问题，实现了顶板钻孔以孔代巷瓦斯抽采的目的；该种方法极大的降低了工作面治理成本，实现了工作面立体式、全过程的瓦斯治理目的。

Description

一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法
技术领域
本发明涉及一种立体式瓦斯抽采通道的构造方法，具体涉及一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，属于煤矿瓦斯治理技术领域。
背景技术
目前穿层钻孔的施工已经成为我国最为主要、最为有效的瓦斯灾害治理技术，已经在全国进行推广应用。但是由于地质条件和成本费用的限制，往往只采用“顶板穿层钻孔”或“底板穿层钻孔”与“顺层钻孔”相结合，并不能将瓦斯抽采有效空间进行轴向延伸，实现“立体式”抽采；且在工作面采掘期间已有钻孔因为塌孔、堵塞等问题失去利用价值，不能达到“全过程”瓦斯治理的目的，使得穿层钻孔的最佳瓦斯治理效果不能发挥最大的利用价值。
同时，当前的“定向钻车”仅仅作为“随钻测斜装备”进行钻孔施工，不能“有目的”的与其他瓦斯治理技术和措施相结合，亦浪费了“定向钻进”的最大价值，不能力促瓦斯治理技术朝着“立体化、全过程”的目的发展。
为了提升穿层钻孔瓦斯治理效果，实现“以孔代巷”的“立体式、全过程”抽采，特提出了一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法。
发明内容
本发明的目的是：解决当前底板穿层钻孔易塌孔、积水，以及工作面采掘期间卸压带范围内瓦斯抽采效果差的问题，提供一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，该种方法借助底板巷施工期间的探煤情况，结合底板巷穿层钻孔的设计参数，从而选定顶板抽采钻孔的最佳布置层位轨迹和最佳水平布置间距，通过以孔代巷瓦斯抽采的方式极大的降低工作面治理成本，建立一个覆盖面积大、通道保存时间长的顶板抽采孔，为矿井瓦斯治理提供一种全新的顶板穿层相结合的瓦斯抽采通道，实现“以孔代巷”的“立体式、全过程”的瓦斯治理目的。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，包括以下步骤：
S0、在底板岩巷掘进期间，通过施工短探煤钻孔探明顶板煤岩赋存情况，并记录1#-n#探孔处的相对位置参数，将巷道深度、底板标高、开孔高度、见煤长度和见顶长度分别标记为Wn、An、Hn、Ln和Mn，其中n表示探煤钻孔的孔号；
S1、利用S0中记录的探煤钻孔的相对位置参数，计算出底板巷道内n#探孔处对应的煤层顶板层位标高，并连接底板巷道内所有探煤钻孔处对应的煤层顶板点绘制出煤层顶板折线图；
S2、依据S1中煤层顶板折线图绘制的煤层顶板情况，规划出n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的层位轨迹，确保其始终处在煤层顶板垂距3.0m左右处，并计算出n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的孔深与层位标高关系；
S3、根据工作面设计的底板巷1#-14#穿层钻孔的终孔位置情况，以及煤层平均倾角，并以顶板抽采孔处在对应底板巷穿层钻孔末端的标准，确定出相互平行(走向方向近似平行)的两个顶板抽采孔之间的相对水平位置，计算得出其他x#顶板抽采孔的孔深与层位标高关系；
S4、统计并整理S2、S3中求出的底板巷道内x#顶板主抽采孔和其他x#顶板抽采孔的孔深与对应的层位标高数据，将其作为顶板抽采孔施工期间定向钻孔的轨迹参数利用定向钻车进行施工；
S5、待所有顶板抽采孔施工完毕后，采用相互交叉方式进行分段压裂，确保压裂后的裂隙范围达到最大覆盖范围；
S6、随后施工底板巷1#-14#穿层钻孔，并进入顶板3m与顶板压裂钻孔及裂隙相贯通；进行冲煤卸压后，对x#顶板主抽采孔和底板巷1#-14#穿层钻孔进行封孔抽采。
所述步骤S0中，探煤钻孔的施工方法为：在底板岩巷掘进期间，底板巷道内在钻头施工90°垂直于巷道顶板方向依次施工1#-n#探孔。
所述步骤S1中，底板巷道内n#探孔处对应的煤层顶板层位标高等于n#探孔处的巷道深度Wn，故n#探孔处对应的煤层顶板层位标高的计算公式为：煤层顶板层位标高＝An+Hn+Mn，
其中An、Hn、Mn分别表示n#探孔处的底板标高、开孔高度和见顶长度，n表示探煤钻孔的孔号。
所述步骤S2中，n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的孔深与n#探孔处的巷道深度Wn一致，故n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的层位标高的计算公式为：Wn＝An+Hn+Mn+3(公式一)，
其中Wn为x#顶板主抽采孔的孔深，n表示对应探煤钻孔的孔号；An、Hn、Mn分别表示n#探孔处的底板标高、开孔高度和见顶长度，3表示顶板主抽采孔在距离煤层顶板垂距3m处。
所述步骤S3中，两个顶板抽采孔之间的相对水平距离的确定方法为：根据顶板抽采孔处在对应底板巷穿层钻孔末端的标准，以顶板抽采钻孔水平距离不低于15m，查看相邻两个底板巷穿层钻孔的终孔位置(大于15m的两个相邻钻孔距离)作为相对水平距离。
假定煤层倾角为6°(以剖面图为例，左低右高)，两个顶板抽采孔之间的斜长为Lxn；故其他x#顶板抽采孔的孔深与层位标高的计算公式为：
Figure BDA0002993557380000041
其中Wx为x#顶板抽采孔的孔深，x表示所要计算的顶板抽采孔的孔号，n表示对应探煤钻孔的孔号；An、Hn、Mn分别表示n#探孔处的底板标高、开孔高度和见顶长度，3表示顶板主抽采孔在距离煤层顶板垂距3m处。
所述步骤S5中，最大覆盖范围通过采用分段压裂的方式来逐段进行压裂，以确保每段的压力范围足够大，从而确保整个钻孔的压力范围足够大；相互交叉的分段压裂方法：指相邻的两个钻孔压裂位置相互交错，假定顶板压裂钻孔孔深200m，每段压裂长度为30m；则1#顶板抽采孔分段压裂位置分别为孔底向外200m～170m、110～140m、50m～80m；其相邻的钻孔分段压裂位置为孔底向外140m～170m、80～110m、20m～50m；以确保相邻两个钻孔压裂位置不一样，但又互补。
本发明的有益效果是：1)本发明借助底板巷施工期间的探煤情况，结合底板巷穿层钻孔的设计参数，从而选定顶板抽采钻孔的最佳布置层位轨迹和最佳水平布置间距，并通过实施分段压裂延展裂隙范围，将“顶底板”瓦斯治理钻孔相贯通，为瓦斯抽采提供一条“不受塌孔和积水影响的、工作面全覆盖的半永久性”抽采通道，从而实现了瓦斯治理的高效抽采目的。
2)本发明结合瓦斯“向上逸散”的特征，在煤层顶板施工近煤层定向(距煤层顶板3.0m左右)大直径的顶板抽采孔，通过分段压裂工艺使得该钻孔在径向和纵向上产生裂隙，延展裂隙覆盖范围，使得顶板抽采孔与底板巷施工的穿层钻孔相贯通，通过优化选择该近煤层顶板抽采孔的设计参数，从而使得底板巷穿层钻孔内的高浓度瓦斯借助顶板抽采孔进行抽采，实现最优的半永久以孔代巷瓦斯抽采通道的方法。
3)本发明将底板穿层钻孔与顶板抽采钻孔相结合，并借助顶板压裂技术使得顶板抽采钻孔裂隙延展范围足够大，从而使得底板穿层钻孔与顶板抽采钻孔及裂隙相互贯通，使得底板穿层钻孔内瓦斯可以通过浮升运移至顶板裂隙，并通过顶板抽采孔(永久抽采通道)进行瓦斯抽采，真正实现了煤层瓦斯灾害治理的“低、顺、顶”三维立体抽采；该方法极大的降低了钻孔塌孔而造成的修复、下筛管导通等费用，为矿井安全生产提供了基础保障。
附图说明
图1为本发明的施工工艺流程图；
图2为顶板抽采孔的平面示意图；
图3为顶板抽采孔的断面示意图；
图4为顶板抽采孔的剖面示意图。
图中，1#-14#为底板巷穿层钻孔，15#-16#探孔为底板巷探煤钻孔，主抽采1#-5#孔为顶板抽采孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释说明。
实施例：如图1-4所示，图2中，1#-14#为工作面穿层钻孔的平面设计位置，主抽采1#-5#孔为顶板抽采孔的平面分别位置，其中主抽采3#孔的位置与底板岩巷相对应。
图3中，1#-14#为工作面穿层钻孔的断面设计位置，相邻两个顶板抽采钻孔的水平距离不低于15m，在相邻两个顶板穿层钻孔的终孔位置(大于15m的两个相邻钻孔距离)作为相对水平距离；图中所表示的20.59、19.48、24.19、26.1均是相邻两个钻孔的相对水平距离。
图4中，宽道折线为煤层顶板的折线图，W15＝34.4m是指探煤钻孔所处的相对水平距离，指代为15#探孔的相对水平距离为34.4m，W16＝77.5m指代为16#探孔的相对水平距离为77.5m。
本发明所述的一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，包括以下步骤：
S0、在底板岩巷掘进期间，通过施工短探煤钻孔探明顶板煤岩赋存情况，并记录1#-n#探孔处的相对位置参数，将巷道深度、底板标高、开孔高度、见煤长度和见顶长度分别标记为Wn、An、Hn、Ln和Mn，其中n表示探煤钻孔的孔号。
探煤钻孔的施工方法为：在底板岩巷掘进期间，底板巷道内在钻头施工90°垂直于巷道顶板方向依次施工1#-n#探孔。
S1、利用S0中记录的探煤钻孔的相对位置参数，计算出底板巷道内n#探孔处对应的煤层顶板层位标高，并连接底板巷道内所有探煤钻孔处对应的煤层顶板点绘制出煤层顶板折线图。
底板巷道内n#探孔处对应的煤层顶板层位标高等于n#探孔处的巷道深度Wn，故n#探孔处对应的煤层顶板层位标高的计算公式为：煤层顶板层位标高＝An+Hn+Mn，其中An、Hn、Mn分别表示n#探孔处的底板标高、开孔高度和见顶长度，n表示探煤钻孔的孔号。
S2、依据S1中煤层顶板折线图绘制的煤层顶板情况，规划出n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的层位轨迹(该处为主抽采3#孔)，确保其始终处在煤层顶板垂距3.0m左右处，并计算出n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的孔深与层位标高关系。
n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的孔深与n#探孔处的巷道深度Wn一致，故n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的层位标高的计算公式为：Wn＝An+Hn+Mn+3(公式一)，
其中Wn为x#顶板主抽采孔的孔深，n表示对应探煤钻孔的孔号；An、Hn、Mn分别表示n#探孔处的底板标高、开孔高度和见顶长度，3表示顶板主抽采孔在距离煤层顶板垂距3m处。
S3、根据工作面设计的底板巷1#-14#穿层钻孔的终孔位置情况，以及煤层平均倾角，并以顶板抽采孔处在对应底板巷穿层钻孔末端的标准，确定出相互平行(走向方向近似平行)的两个顶板抽采孔之间的相对水平位置，计算得出其他x#顶板抽采孔的孔深与层位标高关系。
两个顶板抽采孔之间的相对水平距离的确定方法为：根据顶板抽采孔处在对应底板巷穿层钻孔末端的标准，以顶板抽采钻孔水平距离不低于15m，查看相邻两个底板巷穿层钻孔的终孔位置(大于15m的两个相邻钻孔距离)作为相对水平距离。
假定煤层倾角为6°(以剖面图为例，左低右高)，两个顶板抽采孔之间的斜长为Lxn；故其他x#顶板抽采孔的孔深与层位标高的计算公式为：
Figure BDA0002993557380000071
其中Wx为x#顶板抽采孔的孔深，x表示所要计算的顶板抽采孔的孔号，n表示对应探煤钻孔的孔号；An、Hn、Mn分别表示n#探孔处的底板标高、开孔高度和见顶长度，3表示顶板主抽采孔在距离煤层顶板垂距3m处。
S4、统计并整理S2、S3中求出的底板巷道内x#顶板主抽采孔和其他x#顶板抽采孔的孔深与对应的层位标高数据，将其作为顶板抽采孔施工期间定向钻孔的轨迹参数利用定向钻车进行施工。
S5、待所有顶板抽采孔施工完毕后，采用相互交叉方式进行分段压裂，确保压裂后的裂隙范围达到最大覆盖范围。
最大覆盖范围通过采用分段压裂的方式来逐段进行压裂，以确保每段的压力范围足够大，从而确保整个钻孔的压力范围足够大；相互交叉的分段压裂方法：指相邻的两个钻孔压裂位置相互交错，假定顶板压裂钻孔孔深200m，每段压裂长度为30m；则1#顶板抽采孔分段压裂位置分别为孔底向外200m～170m、110～140m、50m～80m；其相邻的钻孔分段压裂位置为孔底向外140m～170m、80～110m、20m～50m；以确保相邻两个钻孔压裂位置不一样，但又互补。
S6、随后施工底板巷1#-14#穿层钻孔，并进入顶板3m与顶板压裂钻孔及裂隙相贯通；进行冲煤卸压后，对x#顶板主抽采孔和底板巷1#-14#穿层钻孔进行封孔抽采。
本发明结合瓦斯“向上逸散”的特征，在煤层顶板施工近煤层定向(距煤层顶板3.0m左右)大直径的顶板抽采孔，通过分段压裂工艺使得该钻孔在径向和纵向上产生裂隙，延展裂隙覆盖范围，使得顶板抽采孔与底板巷施工的穿层钻孔相贯通，通过优化选择该近煤层顶板抽采孔的设计参数，从而使得底板巷穿层钻孔内的高浓度瓦斯借助顶板抽采孔进行抽采，实现最优的半永久以孔代巷瓦斯抽采通道的方法。
本发明借助底板巷施工期间的探煤情况，结合底板巷穿层钻孔的设计参数，从而选定顶板抽采钻孔的最佳布置层位轨迹和最佳水平布置间距，并通过实施分段压裂延展裂隙范围，将“顶底板”瓦斯治理钻孔相贯通，为瓦斯抽采提供一条“不受塌孔和积水影响的、工作面全覆盖的半永久性”抽采通道，从而实现了瓦斯治理的高效抽采目的；并极大的降低了钻孔塌孔而造成的修复、下筛管导通等费用，为矿井安全生产提供了基础保障。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，其特征在于：包括以下步骤：
S0、在底板岩巷掘进期间，通过施工短探煤钻孔探明顶板煤岩赋存情况，并记录1#-n#探孔处的相对位置参数，将巷道深度、底板标高、开孔高度、见煤长度和见顶长度分别标记为Wn、An、Hn、Ln和Mn，其中n表示探煤钻孔的孔号；
S1、利用S0中记录的探煤钻孔的相对位置参数，计算出底板巷道内n#探孔处对应的煤层顶板层位标高，并连接底板巷道内所有探煤钻孔处对应的煤层顶板点绘制出煤层顶板折线图；
S2、依据S1中煤层顶板折线图绘制的煤层顶板情况，规划出n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的层位轨迹，确保其始终处在煤层顶板垂距3.0m处，并计算出n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的孔深与层位标高关系；
S3、根据工作面设计的底板巷1#-14#穿层钻孔的终孔位置情况，以及煤层平均倾角，并以顶板抽采孔处在对应底板巷穿层钻孔末端的标准，确定出两个顶板抽采孔之间的相对水平位置，计算得出其他x#顶板抽采孔的孔深与层位标高关系；
S4、统计并整理S2、S3中求出的底板巷道内x#顶板主抽采孔和其他x#顶板抽采孔的孔深与对应的层位标高数据，将其作为顶板抽采孔施工期间定向钻孔的轨迹参数利用定向钻车进行施工；
S5、待所有顶板抽采孔施工完毕后，采用相互交叉方式进行分段压裂，确保压裂后的裂隙范围达到最大覆盖范围；
S6、随后施工底板巷1#-14#穿层钻孔，并进入顶板3m与顶板压裂钻孔及裂隙相贯通；进行冲煤卸压后，对x#顶板主抽采孔和底板巷1#-14#穿层钻孔进行封孔抽采。
2.根据权利要求1所述的一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，其特征在于：所述步骤S0中，探煤钻孔的施工方法为：在底板岩巷掘进期间，底板巷道内在钻头施工90°垂直于巷道顶板方向依次施工1#-n#探孔。
3.根据权利要求1所述的一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，其特征在于：所述步骤S1中，底板巷道内n#探孔处对应的煤层顶板层位标高等于n#探孔处的巷道深度Wn，故n#探孔处对应的煤层顶板层位标高的计算公式为：煤层顶板层位标高＝An+Hn+Mn，
其中An、Hn、Mn分别表示n#探孔处的底板标高、开孔高度和见顶长度，n表示探煤钻孔的孔号。
4.根据权利要求1所述的一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，其特征在于：所述步骤S2中，n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的孔深与n#探孔处的巷道深度Wn一致，故n#探孔处对应的x#顶板主抽采孔的层位标高的计算公式为：Wn＝An+Hn+Mn+3(公式一)，
其中Wn为x#顶板主抽采孔的孔深，n表示对应探煤钻孔的孔号；An、Hn、Mn分别表示n#探孔处的底板标高、开孔高度和见顶长度，3表示顶板主抽采孔在距离煤层顶板垂距3m处。
5.根据权利要求1所述的一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，其特征在于：所述步骤S3中，两个顶板抽采孔之间的相对水平距离的确定方法为：根据顶板抽采孔处在对应底板巷穿层钻孔末端的标准，以顶板抽采钻孔水平距离不低于15m，查看相邻两个底板巷穿层钻孔的终孔位置(大于15m的两个相邻钻孔距离)作为相对水平距离。
6.根据权利要求5所述的一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，其特征在于：煤层倾角为θ，两个顶板抽采孔之间的斜长为Lxn；故其他x#顶板抽采孔的孔深与层位标高的计算公式为：
Figure FDA0002993557370000031
其中Wx为x#顶板抽采孔的孔深，x表示所要计算的顶板抽采孔的孔号，n表示对应探煤钻孔的孔号；An、Hn、Mn分别表示n#探孔处的底板标高、开孔高度和见顶长度，3表示顶板主抽采孔在距离煤层顶板垂距3m处。
7.根据权利要求1所述的一种以孔代巷半永久瓦斯抽采通道的立体式构造方法，其特征在于：所述步骤S5中，最大覆盖范围通过采用分段压裂的方式来逐段进行压裂，以确保每段的压力范围足够大，从而确保整个钻孔的压力范围足够大；相互交叉的分段压裂方法：指相邻的两个钻孔压裂位置相互交错，假定顶板压裂钻孔孔深200m，每段压裂长度为30m；则1#顶板抽采孔分段压裂位置分别为孔底向外200m～170m、110～140m、50m～80m；其相邻的钻孔分段压裂位置为孔底向外140m～170m、80～110m、20m～50m；以确保相邻两个钻孔压裂位置不一样，但又互补。
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