CN113279808A - 一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统及方法，包括：煤矿信息采集模块，用于获得煤矿井下煤层垂直方向上裂隙的空间定位和采掘工程平面图；定向钻孔设计模块，用于基于煤层中裂隙的空间定位和采掘工程平面图，布置定向钻孔的轨迹、钻孔层、开孔点和测量位置；定向钻孔模块，用于定向钻孔并记录钻孔数据，分析钻孔效果，包括用于钻孔的钻孔工具和监测钻孔数据的监测工具。本发明采用长钻孔的技术，单孔成孔距离长，有效抽采距离长、占比高，钻孔轨迹可控，采用随钻测量技术和孔底螺旋钻具实现人工受控定向将钻孔布置在关键层中，在钻遇到不稳定岩层后可绕开施工，成孔后的瓦斯抽采通道受破坏程度降低，抽采效果稳定。

Description

一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统及方法

技术领域

本发明涉及定向钻孔领域，特别是涉及一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统及方法。

背景技术

随着矿井开采深度的增加和机械化程度的提高，瓦斯涌出量不断增大，尤其是综采放顶煤等高产高效高瓦斯工作面，情况更为严重。由于通风能力及风速的限制，单靠通风方式很难把工作面瓦斯涌出降到安全数值以下。瓦斯抽放是防治瓦斯灾害的有效手段，近年，不少局矿采用综合瓦斯抽放技术，增加了瓦斯抽放量，提高了瓦斯抽放率，制止或减少了瓦斯事故的发生。但是，采用综合瓦斯抽放技术，常常要布置专用岩石瓦斯抽放巷、无疑增加了抽放成本，而且有些高瓦斯工作面，未布置瓦斯抽放巷，无法实施综合抽放技术。另外，现有的综合抽放方法，多采用密集短钻孔抽放瓦斯，钻孔数量较多而钻孔的有效利用段较少，钻机移动、封孔、管道布置等工序和材料用量较大、施工时间较长，成本较大。

现有技术中，采空区瓦斯治理常用方法有专用巷道法抽采和普通高位钻孔法抽采，如：开发高位抽放巷、专用尾巷等，但是掘进成本高、不可重复使用、增加采煤成本；对于煤层顶板裂隙发育发达的情况，采用普通钻孔治理，将钻孔布置在回风巷并沿煤层走向向顶板裂隙带范围，具有投入少、针对性强、操作相对简单，但是存在钻孔孔深短、工程量大、轨迹不可控、抽采时间短、定位差等不足，制约瓦斯抽采效率，影响抽采效果。从而，社会急需一种足已解决现有技术中存在的问题的基于定向长钻孔的瓦斯抽采系统及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统，包括：

煤矿信息采集模块，用于获得煤矿井中煤层垂直方向上裂隙的空间定位和采掘工程平面图；

定向钻孔设计模块，用于基于煤层中裂隙的空间定位和所述采掘工程平面图，布置定向钻孔的轨迹、钻孔层、开孔点和测量位置；

定向钻孔模块，用于定向钻孔并记录钻孔数据，分析钻孔效果，包括用于钻孔的钻孔工具和监测钻孔数据的监测工具。

进一步地，所述煤矿信息采集模块包括高精度无线微震采集站，用于采集微震数据获得煤矿井中缝隙的空间定位，并绘制煤层的裂隙分布图。

进一步地，所述高精度无线微震采集站的密度为：不少于16个/Km²，布置方式为菱形或矩形，监测时间不少于24小时。

进一步地，所述定向钻孔设计模块中包括钻孔轨迹布置模块、钻孔工具选择模块、开孔点选择模块和测量模块，其中所述钻孔轨迹布置模块用于选择钻孔层并进行钻孔轨迹的布置，所述钻孔层为煤层的中部和煤层的顶板上的裂隙，且所述钻孔层布置在中硬岩层，避免布置在软弱岩层。

进一步地，所述钻孔轨迹包括：

顺层长钻孔，位于所述煤层的中部；

高位层长钻孔，位于所述煤层的顶板上的裂隙。

进一步地，所述开孔点选择模块用于选择钻孔的开孔点，所述开孔点为煤层的中部和煤层顶板。

进一步地，所述钻孔工具包括定向钻机、定向钻具，所述监测工具包括随钻测量装置；

其中所述定向钻机基于钻孔需求、裂隙分布图和采掘工程平面图进行选择；

所述定向钻具包括组合钻头、扶正器、孔底螺杆马达、无磁钻杆、随钻测量短节和通缆钻杆；

所述随钻测量装置用于监测定向钻孔轨迹参数与孔底定向钻具空间姿态。

进一步地，所述定向钻孔模块还包括修正装置，所述修正装置基于所述随钻测量装置监测的数据和预设数据进行对比，实时调整钻孔的实钻轨迹。

一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1.通过煤矿信息采集模块采集采掘工程平面图，并通过若干个高精度无线微震采集站在地面获取井中煤层上裂隙的空间定位；

S2.基于所述煤层上裂隙的空间定位和所述采掘工程平面图，布置定向钻孔的轨迹、钻孔层、开孔点和测量位置；

S3.基于所述定向钻孔的轨迹、钻孔层、开孔点和测量位置，开始定向钻孔并记录钻孔数据，分析钻孔效果；

S4.在所述钻孔中进行瓦斯抽采。

本发明公开了以下技术效果：

本发明采用了从地面监测的方法监测井中裂隙的分布情况，在高位层和顺层两个层里面进行定向钻孔，采用长钻孔的技术，单孔成孔距离长，有效抽采距离长、占比高，钻孔轨迹可控，采用随钻测量技术和孔底螺旋钻具实现人工受控定向将钻孔布置在关键层中，在钻遇到不稳定岩层后可绕开施工，成孔后的瓦斯抽采通道受破坏程度降低，抽采效果稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统结构图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

煤层、围岩均属于孔隙-裂隙结构体，煤层开采后受回采动应力影响，原始地应力平衡被破坏，透气性增大，裂隙得以进一步发育，在上覆岩层中形成两类裂隙：一类为离层裂隙，是随岩层下沉在层与层间出现的岩层裂隙，导致空间突然增大，应力平衡被破坏，瓦斯大量释放，游离瓦斯大量聚集；另一类为纵向破断裂隙，是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙，为相对低密度的瓦斯向上流通提供了通道，一般为煤层3～10倍采高范围。高位钻孔抽采瓦斯参数优化中，将采动区垂直方向由下向上依次划分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，根据采空区“O”形圈及“关键层理论”，裂隙带为卸压瓦斯流动和储存的主要空间。常见治理手段是沿煤层顶板裂隙带布置走向钻孔对邻近层或回采后采空区瓦斯抽采，顶板高位钻孔可分为高位常规钻孔和高位定向钻孔两类。高位常规钻孔是指在回采煤层工作面回风巷道采用常规回转钻进向裂隙带施工钻孔，使之尽可能沿裂隙带延伸，工作面回采后可作为瓦斯抽采通道抽采采空区瓦斯。由于工艺简单、技术要求较低，在我国很多矿区应用，但是存在钻孔轨迹定位差、有效孔段距离短、工程量大、抽采不稳定等问题。

本发明提供一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统，包括：

煤矿信息采集模块，用于获得煤矿井中煤层垂直方向上裂隙的空间定位和采掘工程平面图；

定向钻孔设计模块，用于基于煤层中裂隙的空间定位和所述采掘工程平面图，布置定向钻孔的轨迹、钻孔层、开孔点和测量位置；

定向钻孔模块，用于定向钻孔并记录钻孔数据，分析钻孔效果，包括用于钻孔的钻孔工具和监测钻孔数据的监测工具。

进一步地，所述煤矿信息采集模块包括高精度无线微震采集站，用于采集微震数据获得煤矿井中缝隙的空间定位，并绘制煤层的裂隙分布图。

进一步地，所述高精度无线微震采集站的密度为：不少于16个/Km²，布置方式为菱形或矩形，监测时间不少于24小时。

进一步地，所述定向钻孔设计模块中包括钻孔轨迹布置模块、钻孔工具选择模块、开孔点选择模块和测量模块，其中所述钻孔轨迹布置模块用于选择钻孔层并进行钻孔轨迹的布置，所述钻孔层为煤层的中部和煤层的顶板上的裂隙，且所述钻孔层布置在中硬岩层，避免布置在软弱岩层。

进一步地，所述钻孔轨迹包括：

顺层长钻孔，位于所述煤层的中部；

高位层长钻孔，位于所述煤层的顶板上的裂隙。

进一步地，所述开孔点选择模块用于选择钻孔的开孔点，所述开孔点为煤层的中部和煤层顶板。

进一步地，所述钻孔工具包括定向钻机、定向钻具，所述监测工具包括随钻测量装置；

其中所述定向钻机基于钻孔需求、裂隙分布图和采掘工程平面图进行选择；

所述定向钻具包括组合钻头、扶正器、孔底螺杆马达、无磁钻杆、随钻测量短节和通缆钻杆，其中所述扶正器用于增加组合钻头的稳定性；

所述随钻测量装置用于监测定向钻孔轨迹参数与孔底定向钻具空间姿态。

进一步地，所述定向钻孔模块还包括修正装置，所述修正装置基于所述随钻测量装置监测的数据和预设数据进行对比，实时调整钻孔的实钻轨迹。

一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1.通过煤矿信息采集模块采集采掘工程平面图，并通过若干个高精度无线微震采集站在地面获取井下煤层中裂隙的空间定位；

S2.基于所述煤层中裂隙的空间定位和所述采掘工程平面图，布置定向钻孔的轨迹、钻孔层、开孔点和测量位置；

S3.基于所述定向钻孔的轨迹、钻孔层、开孔点、角度、长度和测量位置，开始定向钻孔并记录钻孔数据，分析钻孔效果；

S4.在所述钻孔中进行瓦斯抽采。

本发明公开了以下技术效果：

本发明采用了从地面监测的方法监测井中裂隙的分布情况，在高位层和顺层两个层里面进行定向钻孔，采用长钻孔的技术，单孔成孔距离长，有效抽采距离长、占比高，钻孔轨迹可控，采用随钻测量技术和孔底螺旋钻具实现人工受控定向将钻孔布置在关键层中，在钻遇到不稳定岩层后可绕开施工，成孔后的瓦斯抽采通道受破坏程度降低，抽采效果稳定。

所述高精度微震监测仪的采样频率不低于1000次/S，仪器前端折算噪音不大于1μV rms。

定向高位长钻孔施工钻场一般设置在风巷且距离回采工作面几百米远，开孔点为煤层或煤层顶板，施工中钻孔穿过孔口不稳定段后开始造斜爬升或下降进入主孔段即关键层内，在关键层延伸直至终孔。定向高位长钻孔孔身结构可划分为回转护孔段、定向造斜段、定向稳斜段。

(1)回转护孔段设计。钻孔的开孔段由于受地层挤压、周围围岩局部稳定遭到破坏为不稳定段，需要采用下套管稳壁，确定套管尺寸后采用先导孔+扩孔回转钻进的方法施工，下入预定长度的套管后注浆凝固。

(2)定向造斜段设计。根据煤层的走向确定造斜段的长度，该段采用定向钻进技术施工，原则上在钻具弯曲强度允许条件下造斜段距离越短越好，尽可能快进入稳斜段。

(3)定向稳斜段设计。稳斜段为钻孔的主孔段，钻孔进入稳斜段后按照设计参数要求通过调整孔底螺杆钻具的弯接头实时调整钻孔轨迹钻进至终孔。

高位定向长钻孔施工装备主要包括全液压坑道定向钻机、定向钻具、随钻测量装置、泥浆泵车。

(1)定向钻机。定向钻机是实施高位定向长钻孔的关键装备，普遍以扭矩大小标定设备型号。目前，常用的定向钻机扭矩从4000Nm～15000Nm不等，并且随着井下施工条件的改善，回采工作面长度的不断增加，对设备的功率、能力均提出了更高要求，高位定向长钻孔由于主要在岩层内施工，要求设备扭矩一般在10000Nm以上。

另外，从结构与布局特点分为整体式和分体式定向钻机，整体式钻机集成了泥浆泵车，分体式钻机由钻车和泵车组成，以满足不同矿井使用工况要求和钻进工艺需求。

而顺层定向钻孔施工钻机为西安ZDY6000LD型定向钻机与ZDY4000S回转型钻机，采用深孔顺层钻进技术，定向钻孔的轨迹将不再是传统钻机所形成的略带抛物的直线轨迹，而成为一条偏向弯接头方向的空间曲线。钻孔最大长度约800m，钻孔孔径为97mm；ZDY4000S型钻机，钻孔最大长度约350m，钻孔孔径约94mm。

(2)组合钻具。以使用广泛的有线传输为例，组合钻具由组合钻头、扶正器、孔底螺杆马达、无磁钻杆、随钻测量短节、通缆钻杆组成。其中孔底螺杆钻具为定向钻进系统的核心机具，又称为孔底马达，由定子和转子组成，其作用是为连接在前面的钻头提供碎岩所需的3扭矩和转速，同时为钻孔提供冲洗介质。

(3)随钻测量装置。由随钻测量系统和仪器组成，其主要功能为随钻实时测量高位定向钻孔轨迹参数与孔底定向钻具空间姿态，并通过与设计参数对比，实时调整钻孔的实钻轨迹。以其工作过程为孔底随钻测量短节，将测量倾角、方位角、工具面向角等数据传送给孔口仪器，通过测量软件显示测量数据和钻孔轨迹，并计算与设计存在的偏差，用于调整钻孔轨迹。目前，煤矿井下随钻测量系统以有线传输方式为主，传输距离在1000m以上。YHD2-1000(A)型随钻测量系统是基于有线传输的孔口供电式随钻测量系统，具有测量精度高，传输速率快，探管连续工作时间长等显著特点。

合理的钻孔布置层位是长钻孔抽采瓦斯成败的关键。高位层钻孔的选择：煤层裂隙带范围为煤层顶板以上16.23m～29.22m，对已施工高位钻孔抽采数据分析后，选取裂隙带在20m～30m，倾向方向设计3个钻孔，距离回风巷侧帮10m～20m，终孔位置处于回采工作面上隅角附近，在封孔质量保障下孔口测试的瓦斯浓度近似于工作面上隅角瓦斯浓度。钻孔间距设计5m，终孔孔径120mm，回转护孔段采用三级扩孔后孔径至215mm，下入p178mm套管18m，采用闷盖注浆工艺，快速水泥封孔，憋压0.5h，稳压2MPa，孔壁不漏水、不渗水。

顺层钻孔的选择：布置在煤层，最佳位置为煤层中部。②布孔层位的煤层性质应尽量选择中硬煤层或夹研层，避免钻孔布置在软煤层中，这样可减少因垮孔而导致的钻孔堵塞。合理的钻孔布置层位可以提高瓦斯抽采效果，延长钻孔抽采利用时间。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统，其特征在于：包括：

煤矿信息采集模块，用于获得煤矿井下煤层垂直方向上裂隙的空间定位和采掘工程平面图；

定向钻孔设计模块，用于基于煤层中裂隙的空间定位和所述采掘工程平面图，布置定向钻孔的轨迹、钻孔层、开孔点、角度、长度和测量位置；

定向钻孔模块，用于定向钻孔并记录钻孔数据，分析钻孔效果，包括用于钻孔的钻孔工具和监测钻孔数据的监测工具。

2.根据权利要求1所述的一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统，其特征在于：所述煤矿信息采集模块包括高精度无线微震采集站，用于采集微震数据获得煤矿井中缝隙的空间定位，并绘制煤层煤层的裂隙分布图。

3.根据权利要求2所述的一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统，其特征在于：所述高精度无线微震采集站的密度为：不少于16个/Km²，布置方式为菱形或矩形，监测时间不少于24小时。

4.根据权利要求1所述的一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统，其特征在于：所述定向钻孔设计模块中包括钻孔轨迹布置模块、钻孔工具选择模块、开孔点选择模块和测量模块，其中所述钻孔轨迹布置模块用于选择钻孔层并进行钻孔轨迹的布置，所述钻孔层为煤层的中部和煤层的顶板上的裂隙，且所述钻孔层布置在中硬岩层，避免布置在软弱岩层。

5.根据权利要求4所述的一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统，其特征在于：所述钻孔轨迹包括：

顺层长钻孔，位于所述煤层的中部；

高位层长钻孔，位于所述煤层的顶板上的裂隙。

6.根据权利要求4所述的一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统，其特征在于：所述开孔点选择模块用于选择钻孔的开孔点，所述开孔点为煤层的中部和煤层顶板。

7.根据权利要求6所述的一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统，其特征在于：所述钻孔工具包括定向钻机、定向钻具，所述监测工具包括随钻测量装置；

其中所述定向钻机基于钻孔需求、裂隙分布图和采掘工程平面图进行选择；

所述定向钻具包括组合钻头、扶正器、孔底螺杆马达、无磁钻杆、随钻测量短节和通缆钻杆；

所述随钻测量装置用于监测定向钻孔轨迹参数与孔底定向钻具空间姿态。

8.根据权利要求7所述的一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采系统，其特征在于：所述定向钻孔模块还包括修正装置，所述修正装置基于所述随钻测量装置监测的数据和预设数据进行对比，实时调整钻孔的实钻轨迹。

9.一种基于双层定向长钻孔的智能瓦斯抽采方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1.通过煤矿信息采集模块采集采掘工程平面图，并通过若干个高精度无线微震采集站在地面获取井中煤层上裂隙的空间定位；

S2.基于所述煤层上裂隙的空间定位和所述采掘工程平面图，布置定向钻孔的轨迹、钻孔层、开孔点、角度、长度和测量位置；

S3.基于所述定向钻孔的轨迹、钻孔层、开孔点、角度、长度和测量位置，开始定向钻孔并记录钻孔数据，分析钻孔效果；

S4.在所述钻孔中进行瓦斯抽采。

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