CN112879079B - 一种突出煤层底抽巷全生命周期利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种突出煤层底抽巷全生命周期利用方法，包括：S1.结合煤层地质条件，确定底抽巷的空间层位布置；S2.于底抽巷向预掘煤巷区域打穿层钻孔进行水力卸压增透，然后联孔抽采瓦斯；S3.于底抽巷向预掘煤巷外侧布设穿层注浆钻孔进行区域加固；S4.工作面卸压区域瓦斯二次抽采；S5.煤矸分离及矸石回填底抽巷。解决了现有底抽巷开掘仅用于采前预抽的局限，以及煤矸堆积、废弃巷道空间浪费等环境问题，对底抽巷的整个生命周期进行设计分析，实现对底抽巷的有效管理和运用，同时将底抽巷的功能拓展到工作面卸压瓦斯二次抽采、承接矸石井下充填等方面，实现经济和环境效益双赢。
Description
技术领域
本发明涉及瓦斯抽采技术领域，尤其是一种适用于煤矿井下突出煤层底抽巷全生命周期利用方法。
背景技术
底抽巷，也称为是底板巷道，是指布置在位于煤层下方的岩层中的巷道。底抽巷抽采瓦斯掩护上部煤巷掘进是治理瓦斯突出的关键技术，也是《防突细则》的明确要求。
底抽巷多被运用在采前瓦斯预抽中，底抽巷预抽更是作为距离煤层群综合治理瓦斯的重要方法之一。主要作用体现在：对上部煤层巷道掘进进行提前预抽，进而使上部覆盖煤层得到充分卸压；在开采保护过程中进行瓦斯抽采，同时拦截邻近煤层瓦斯涌入保护层；对采空区瓦斯进行抽采，牵制瓦斯流向；增加气源钻孔，提高瓦斯抽采浓度及抽采量。
现阶段，多关注底抽巷在采前瓦斯预抽中的作用，忽视其他许多重要作用，仅发挥了部分功能。另外，在上部煤层开采结束后，仅发挥预抽作用的底抽巷大多直接被废弃，不仅造成巨大巷道空间的浪费，而且极有可能发生巷道失稳变形进而引发局部地层沉降，具有重大安全隐患。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种突出煤层底抽巷全生命周期利用方法，将底抽巷的设计开掘、投产使用、废弃处置各阶段连接起来，实现完整的生命周期利用，从而解决现有应用中底抽巷功能单一、利用率低、用完即弃的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明解决技术问题的技术方案：
一种突出煤层底抽巷全生命周期利用方法，包括突出煤层底抽巷全生命周期管理，从开始到结束的全阶段分为初期管理阶段、中期管理阶段和后期管理个阶段，三个管理阶段包括以下步骤：
S1.结合煤层地质条件，确定底抽巷的空间层位布置；
S2.于底抽巷向预掘煤巷区域打穿层钻孔进行水力卸压增透，然后联孔抽采瓦斯；
S3.于底抽巷向预掘煤巷外侧布设穿层注浆钻孔进行区域加固；
S4.工作面卸压区域瓦斯二次抽采；
S5.煤矸分离及矸石回填底抽巷。
步骤S1中，所述确定底抽巷的空间层位布置包括：
S11，进行煤层和岩层数据采集：获得煤、岩层赋存地质结构柱状图，分析不同岩层的物理力学性质及赋存状况；
S12，设计预案：根据煤层基本情况，设计多种底抽巷空间层位预案，标记为预案a、预案b、…、预案n，n≥2；
S13，对多种底抽巷空间层位预案进行试验综合比对，试验综合比对多个预案的各项评价指标包括：
S131，钻机打钻效率对比：统计各预案底抽巷钻机每个月的施工天数及总进尺数，进而求得当月每台钻机平均进尺数，将各月的每台钻机平均进尺数求均值得到日平均施工速度(P1)；
S132，钻头消耗成本对比：统计各预案下所配套使用的钻头型号对应的钻头单价，根据施工实际消耗钻头数量计算钻头总成本，结合步骤S131中的总进尺数计算平均每花费百元钻头进尺数(P2)；
S133，封孔效率对比：对比各预案下所采用的封孔工艺差异，以平均每小时封孔数(P3)为指标评价封孔效率；
S134，钻孔有效利用率对比：钻孔有效抽采长度指的是抽采孔穿过煤层的长度，钻孔有效利用率(P4)即为抽采孔穿煤段的长度与实际总孔长的比值；统计各预案下相同抽采单元内钻孔孔数、实际孔长、穿煤段孔长，计算得出平均每孔的钻孔有效利用率；
S135，瓦斯抽采效果对比：确定各预案下正常抽采运行孔数、正常抽采孔总长、平均钻孔百米流量、单孔平均日抽采量，统计一个月内抽采数据，计算平均钻孔百米流量(P5)、单孔平均日抽采量(P6)；
S14，确定方案：采用方案比较法，按照如下步骤对比考察各预案的综合效果：
统计多个预案中的各项评价指标的数值，任意预案两两一组，相同指标作比，再根据加权算法计算出评价值，即：
式中：Aj,j′为评价值，qi为各评价指标权重，
为任意两个预案下同一指标统计值的比值，i为指标编号，j为预案编号；指标权重根据实际情况人为进行设定；
评价规则如下：
预案两两比较直至所有预案均参与比较，最终确定一个底抽巷最佳空间层位布置方案。
步骤S2中，所述于底抽巷向预掘煤巷区域打穿层钻孔进行水力卸压增透包括：
S21，布置穿层抽采钻孔：于底抽巷向预掘煤巷区域打穿层钻孔；钻孔直径为130mm，钻孔间距为0.5-2m；
S22，割缝/冲孔卸压：对钻孔进行水力割缝或水力冲孔作业，在钻孔周围形成缝槽网络，提高煤层的透气性；
S23，穿层钻孔联孔抽采瓦斯：将瓦斯抽采管送入钻孔中，使用聚氨酯进行封孔，后将瓦斯抽采管输出端与矿井瓦斯抽采系统相连接，进行瓦斯抽采。
步骤S3中，所述于底抽巷向预掘煤巷外侧布设穿层注浆钻孔进行区域加固包括：
S31，施工穿层注浆钻孔：于底抽巷向预掘煤巷外侧5m范围内的煤层施工穿层注浆钻孔，穿层钻孔直径为150mm，间距为1-4m；
S32，区域注浆加固：将注浆管送入穿层钻孔中，用封孔器对穿层钻孔孔口进行密封，注浆管通过高压胶管连接注浆泵，注浆泵提供动力将水泥浆注入穿层钻孔中，待到水泥浆液压力达到7MPa左右，关闭注浆管。
步骤S4中，所述工作面卸压区域瓦斯二次抽采包括：
S41，瓦斯浓度监测：在距离采煤工作面10m范围内的进风巷、回风巷及上隅角安设瓦斯传感器，当监测到浓度超标时，进行卸压区域瓦斯二次抽采；
S42，施工隔断钻孔：于底抽巷向工作面前方卸压区煤层施工隔断瓦斯抽采钻孔，钻孔直径为130mm，钻孔间距为0.5-2m；
S43，封孔抽采瓦斯：将瓦斯抽采管送入钻孔中，并用聚氨酯对钻孔孔口进行密封，将瓦斯抽采管输出端与矿井瓦斯系统相连接，进行瓦斯抽采。
步骤S5中，所述煤矸分离及矸石回填底抽巷包括：
S51，煤矸分选：将开采出的煤矸混合物通过运输巷运至煤矸分选硐室，分选出的矸石经矸石输送皮带运至矸石仓；
S52，矸石仓存储：经煤矸分选系统处理过的矸石运至矸石仓备用；
S53，矸石回填：采用上料皮带机将矸石仓中的矸石运送到转载皮带机上，由转载皮带机将矸石竖向提升至抛矸机接料端，最终由抛矸机将矸石充填至废弃的底抽巷中。
有效益效果：本发明的突出煤层底抽巷全生命周期管理，从开始到结束的全阶段包括初期管理阶段、中期管理阶段、后期管理阶段，三个管理阶段贯穿了底抽巷的层位优选设计、水力冲孔卸压、瓦斯抽采、强弱耦合区域加固、卸压瓦斯抽采、底抽巷报废煤矸充填处置各环节始末，各个阶段先后顺序明显、形成有机统一的整体。解决了现有底抽巷开掘仅用于采前预抽的局限，以及煤矸堆积、废弃巷道空间浪费等环境问题。对底抽巷的整个生命周期进行设计分析，实现对底抽巷的有效管理和运用，同时将底抽巷的功能拓展到工作面卸压瓦斯二次抽采、承接矸石井下充填等方面，实现经济和环境效益双赢。主要优点如下：
1)结合矿井煤层地质的实际，优化了底抽巷层位选择；
2)实现对采煤工作面卸压区域瓦斯的二次抽采，有效解决受采动影响回采过程中卸压瓦斯大量释放所引发的瓦斯积聚与超限问题；
3)通过煤矸分离及矸石储运回填系统，有效解决了矸石堆积污染环境与废弃岩巷空间浪费两大问题，实现了矸石不升井与巷道充填；
4)挖掘了底抽巷的功能与利用价值，且通过矸石回填妥善解决了废弃巷道的处置问题，达到经济效益与环境效益双赢。
附图说明
图1为本发明的底抽巷全生命周期方法流程示意图；
图2为本发明的底抽巷全生命周期管理结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1图2所示，本发明的突出煤层底抽巷全生命周期利用方法，包括突出煤层底抽巷全生命周期管理，从开始到结束的全阶段分为初期管理阶段、中期管理阶段和后期管理个阶段，三个管理阶段贯穿了底抽巷的层位优选设计、水力冲孔卸压、瓦斯抽采、强弱耦合区域加固、卸压瓦斯抽采、底抽巷报废煤矸充填处置各环节始末，形成有机统一的整体；具体步骤如下：
初期管理阶段：
S1.结合煤层地质条件，确定底抽巷的空间层位布置；所述确定底抽巷的空间层位布置，先进行瓦斯和岩性数据采集，根据煤层基本情况，设计多种底抽巷空间层位选择预案，并采用方案比较法，对比考察各预案的综合效果，最终确定一个底抽巷最佳空间层位布置方案；具体步骤如下：
S11，进行煤层和岩层数据采集：获得煤、岩层赋存地质结构柱状图，分析不同岩层的物理力学性质及赋存状况；
S12，设计预案：根据煤层基本情况，设计多种底抽巷空间层位预案，标记为预案a、预案b、…、预案n，n≥2；
S13，对多种底抽巷空间层位预案进行试验综合比对，试验综合比对预案的各项评价指标包括：
S131，钻机打钻效率对比：统计各预案底抽巷钻机每个月的施工天数及总进尺数，进而求得当月每台钻机平均进尺数，将各月的每台钻机平均进尺数求均值得到日平均施工速度(P1)；
S132，钻头消耗成本对比：统计各预案下所配套使用的钻头型号对应的钻头单价，根据施工实际消耗钻头数量计算钻头总成本，结合S131中的总进尺数计算平均每花费百元钻头进尺数(P2)；
S133，封孔效率对比：对比各预案下所采用的封孔工艺差异，以平均每小时封孔数(P3)为指标评价封孔效率；
S134，钻孔有效利用率对比：钻孔有效抽采长度指的是抽采孔穿过煤层的长度，钻孔有效利用率(P4)即为抽采孔穿煤段的长度与实际总孔长的比值；统计各预案下相同抽采单元内钻孔孔数、实际孔长、穿煤段孔长，计算得出平均每孔的钻孔有效利用率；
S135，瓦斯抽采效果对比：确定各预案下正常抽采运行孔数、正常抽采孔总长、平均钻孔百米流量、单孔平均日抽采量，统计一个月内抽采数据，计算平均钻孔百米流量(P5)、单孔平均日抽采量(P6)；
S14，确定方案：采用方案比较法，按照如下步骤对比考察各预案的综合效果：
统计多个预案中的各项评价指标的数值，任意预案两两一组，相同指标作比，再根据加权算法计算出评价值，即：
式中：Aj,j′为评价值，qi为各评价指标权重，
为任意两个预案下同一指标统计值的比值，i为指标编号，j为预案编号；指标权重根据实际情况人为进行设定；
评价规则如下：
预案两两比较直至所有预案均参与比较，最终确定一个底抽巷最佳空间层位布置方案。
初期管理阶段中，开展底抽巷空间层位选择设计，确定最佳布置方案，此阶段管理上应严格执行“先探后掘，边掘边探”的措施，生产科必须在掘进前探明底抽巷掘进方向前方巷道上部煤层赋存情况，掘进过程中定期对底抽巷顶板距目标煤层距离和掘进前方构造进行探测，结合施工动态完善地质资料，防止煤层误穿或断层误揭。
中期管理阶段：
S2.于底抽巷向预掘煤巷区域打穿层钻孔进行水力卸压增透，然后联孔抽采瓦斯；所述的步骤S2中，于底抽巷向预掘煤巷区域打穿层钻孔进行水力卸压增透包括：于底抽巷向预掘煤巷区域的煤层打入穿层钻孔，对钻孔进行水力割缝或水力冲孔，形成缝槽网络实现卸压，卸压完毕后将瓦斯抽采管送入钻孔内，并对钻孔孔口进行密封，最后将瓦斯抽采管输出端与矿井瓦斯系统相连接，进行瓦斯抽采，具体步骤如下：
S21，布置穿层抽采钻孔：于底抽巷向预掘煤巷区域打穿层钻孔；钻孔直径为130mm，钻孔间距为0.5-2m；
S22，割缝/冲孔卸压：对钻孔进行水力割缝或水力冲孔作业，在钻孔周围形成缝槽网络，提高煤层的透气性；
S23，穿层钻孔联孔抽采瓦斯：将瓦斯抽采管送入钻孔中，使用聚氨酯进行封孔，后将瓦斯抽采管输出端与矿井瓦斯抽采系统相连接，进行瓦斯抽采。
S3.于底抽巷向预掘煤巷外侧布设穿层注浆钻孔进行区域加固；所述的步骤S3中，所述于底抽巷向预掘煤巷外侧布设穿层注浆钻孔进行区域加固包括：于底抽巷向预掘煤巷外侧的煤层施工穿层注浆钻孔，之后将注浆管送入穿层钻孔中，用封孔器对穿层钻孔孔口进行密封，注浆管通过高压胶管连接注浆泵，注浆泵提供动力将水泥浆注入穿层钻孔中，具体步骤包括：
S31，施工穿层注浆钻孔：于底抽巷向预掘煤巷外侧5m范围内的煤层施工穿层注浆钻孔，穿层钻孔直径为150mm，间距为1-4m；
S32，区域注浆加固：将注浆管送入穿层钻孔中，用封孔器对穿层钻孔孔口进行密封，注浆管通过高压胶管连接注浆泵，注浆泵提供动力将水泥浆注入穿层钻孔中，待到水泥浆液压力达到7MPa左右，关闭注浆管。
S4.工作面卸压区域瓦斯二次抽采；所述工作面卸压区域瓦斯二次抽采包括：在采煤工作面瓦斯上隅角安设瓦斯传感器监测瓦斯浓度是否超标；于底抽巷向工作面前方卸压区煤层施工隔断瓦斯抽采钻孔；将瓦斯抽采管送入钻孔中，进行瓦斯抽采，具体步骤如下：
S41，瓦斯浓度监测：在距离采煤工作面10m范围内的进风巷、回风巷及上隅角安设瓦斯传感器，当监测到浓度超标时，进行卸压区域瓦斯二次抽采；
S42，施工隔断钻孔：于底抽巷向工作面前方卸压区煤层施工隔断瓦斯抽采钻孔，钻孔直径为130mm，钻孔间距为0.5-2m；
S43，封孔抽采瓦斯：将瓦斯抽采管送入钻孔中，并用聚氨酯对钻孔孔口进行密封，将瓦斯抽采管输出端与矿井瓦斯系统相连接，进行瓦斯抽采。
中期管理阶段中，先后进行卸压抽采、注浆加固、工作面卸压区域瓦斯二次抽采，旨在提高煤层透气性、降低瓦斯含量、抵抗巷道变形、保障回采过程安全进行；此阶段应注重钻孔的施工与抽放管理、瓦斯监测与通风管理，通风科须按照监控要求安装瓦斯监测监控设备，实行“双风机双电源”，通风科设计施工钻孔，抽放队做好管路的除渣防水工作，保证钻孔封孔质量。
后期管理阶段：
S5.煤矸分离及矸石回填底抽巷。所述煤矸分离及矸石回填底抽巷包括：将开采出的煤矸混合物通过运输巷运至煤矸分选硐室；将煤矸分选系统处理过的矸石运至矸石仓备用；由转载皮带机将矸石竖向提升至抛矸机接料端，最终由抛矸机将矸石充填至废弃的底抽巷中。具体步骤如下：
S51，煤矸分选：将开采出的煤矸混合物通过运输巷运至煤矸分选硐室，分选出的矸石经矸石输送皮带运至矸石仓；
S52，矸石仓存储：经煤矸分选系统处理过的矸石运至矸石仓备用；
S53，矸石回填：采用上料皮带机将矸石仓中的矸石运送到转载皮带机上，由转载皮带机将矸石竖向提升至抛矸机接料端，最终由抛矸机将矸石充填至废弃的底抽巷中。
后期管理阶段中，对开采出的煤矸混合物进行必要的煤矸分离、提升煤质，分离出的矸石经处理后用于回填废弃的底抽巷，从而构成底抽巷完整的生命周期，此阶段安全管理重点关注煤矸充填巷道的瓦斯防治与自然发火控制。对充填的底抽巷采用局部通风机通风，并在煤矸充填巷道的工作面、回风流等区域监测瓦斯、CO等气体浓度；对充填物注泥浆，包裹充填物防止氧化蓄热，结合喷洒阻化剂等方式以防止自然发火。
Claims (5)
1.一种突出煤层底抽巷全生命周期利用方法，其特征在于：包括突出煤层底抽巷全生命周期管理，从开始到结束的全阶段分为初期管理阶段、中期管理阶段和后期管理个阶段，三个管理阶段包括以下步骤：
S1.结合煤层地质条件，确定底抽巷的空间层位布置；
S2.于底抽巷向预掘煤巷区域打穿层钻孔进行水力卸压增透，然后联孔抽采瓦斯；
S3.于底抽巷向预掘煤巷外侧布设穿层注浆钻孔进行区域加固；
S4.工作面卸压区域瓦斯二次抽采；
S5.煤矸分离及矸石回填底抽巷；
步骤S1中，所述确定底抽巷的空间层位布置包括：
S11，进行煤层和岩层数据采集：获得煤、岩层赋存地质结构柱状图，分析不同岩层的物理力学性质及赋存状况；
S12，设计预案：根据煤层基本情况，设计多种底抽巷空间层位预案，标记为预案a、预案b、…、预案n，n≥2；
S13，对多种底抽巷空间层位预案进行试验综合比对，试验综合比对多个预案的各项评价指标包括：
S131，钻机打钻效率对比：统计各预案底抽巷钻机每个月的施工天数及总进尺数，进而求得当月每台钻机平均进尺数，将各月的每台钻机平均进尺数求均值得到日平均施工速度(P1)；
S132，钻头消耗成本对比：统计各预案下所配套使用的钻头型号对应的钻头单价，根据施工实际消耗钻头数量计算钻头总成本，结合步骤S131中的总进尺数计算平均每花费百元钻头进尺数(P2)；
S133，封孔效率对比：对比各预案下所采用的封孔工艺差异，以平均每小时封孔数(P3)为指标评价封孔效率；
S134，钻孔有效利用率对比：钻孔有效抽采长度指的是抽采孔穿过煤层的长度，钻孔有效利用率(P4)即为抽采孔穿煤段的长度与实际总孔长的比值；统计各预案下相同抽采单元内钻孔孔数、实际孔长、穿煤段孔长，计算得出平均每孔的钻孔有效利用率；
S135，瓦斯抽采效果对比：确定各预案下正常抽采运行孔数、正常抽采孔总长、平均钻孔百米流量、单孔平均日抽采量，统计一个月内抽采数据，计算平均钻孔百米流量(P5)、单孔平均日抽采量(P6)；
S14，确定方案：采用方案比较法，按照如下步骤对比考察各预案的综合效果：
统计多个预案中的各项评价指标的数值，任意预案两两一组，相同指标作比，再根据加权算法计算出评价值，即：
式中：Aj,j′为评价值，qi为各评价指标权重，
为任意两个预案下同一指标统计值的比值，i为指标编号，j为预案编号；指标权重根据实际情况人为进行设定；
评价规则如下：
预案两两比较直至所有预案均参与比较，最终确定一个底抽巷最佳空间层位布置方案。
2.根据权利要求1所述的一种突出煤层底抽巷全生命周期利用方法，其特征在于：步骤S2中，所述于底抽巷向预掘煤巷区域打穿层钻孔进行水力卸压增透包括：
S21，布置穿层抽采钻孔：于底抽巷向预掘煤巷区域打穿层钻孔；钻孔直径为130mm，钻孔间距为0.5-2m；
S22，割缝/冲孔卸压：对钻孔进行水力割缝或水力冲孔作业，在钻孔周围形成缝槽网络，提高煤层的透气性；
S23，穿层钻孔联孔抽采瓦斯：将瓦斯抽采管送入钻孔中，使用聚氨酯进行封孔，后将瓦斯抽采管输出端与矿井瓦斯抽采系统相连接，进行瓦斯抽采。
3.根据权利要求1所述的一种突出煤层底抽巷全生命周期利用方法，其特征在于：步骤S3中，所述于底抽巷向预掘煤巷外侧布设穿层注浆钻孔进行区域加固包括：
S31，施工穿层注浆钻孔：于底抽巷向预掘煤巷外侧5m范围内的煤层施工穿层注浆钻孔，穿层钻孔直径为150mm，间距为1-4m；
S32，区域注浆加固：将注浆管送入穿层钻孔中，用封孔器对穿层钻孔孔口进行密封，注浆管通过高压胶管连接注浆泵，注浆泵提供动力将水泥浆注入穿层钻孔中，待到水泥浆液压力达到7MPa左右，关闭注浆管。
4.根据权利要求1所述的一种突出煤层底抽巷全生命周期利用方法，其特征在于：步骤S4中，所述工作面卸压区域瓦斯二次抽采包括：
S41，瓦斯浓度监测：在距离采煤工作面10m范围内的进风巷、回风巷及上隅角安设瓦斯传感器，当监测到浓度超标时，进行卸压区域瓦斯二次抽采；
S42，施工隔断钻孔：于底抽巷向工作面前方卸压区煤层施工隔断瓦斯抽采钻孔，钻孔直径为130mm，钻孔间距为0.5-2m；
S43，封孔抽采瓦斯：将瓦斯抽采管送入钻孔中，并用聚氨酯对钻孔孔口进行密封，将瓦斯抽采管输出端与矿井瓦斯系统相连接，进行瓦斯抽采。
5.根据权利要求1所述的一种突出煤层底抽巷全生命周期利用方法，其特征在于：步骤S5中，所述煤矸分离及矸石回填底抽巷包括：
S51，煤矸分选：将开采出的煤矸混合物通过运输巷运至煤矸分选硐室，分选出的矸石经矸石输送皮带运至矸石仓；
S52，矸石仓存储：经煤矸分选系统处理过的矸石运至矸石仓备用；
S53，矸石回填：采用上料皮带机将矸石仓中的矸石运送到转载皮带机上，由转载皮带机将矸石竖向提升至抛矸机接料端，最终由抛矸机将矸石充填至废弃的底抽巷中。
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