CN113446050B - 长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法及系统，系统包括定向长钻孔注气子系统和本煤层钻孔抽采子系统，方法包括以下步骤：在预进行回采的工作面顺槽内按设计布置若干钻场；在钻场内沿工作面逆回采方向施工定向长钻孔，在定向长钻孔施工完毕后，进行定向长钻孔的封孔处理；在已施工定向长钻孔的区域煤层下分层施工瓦斯抽采钻孔，在瓦斯抽采钻孔施工完毕后，进行瓦斯抽采钻孔的封孔并网处理；将注气管路与定向长钻孔孔口管路连接，通过注气管路向定向长钻孔内注入预定压力的气体，并通过抽采管路将工作面煤层中驱替出的混合瓦斯气体抽出，待工作面开采至注气定向长钻孔覆盖区域时，注气定向钻孔可连接至抽采系统，转化为抽采孔抽采采空区瓦斯。

Description

长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法及系统

技术领域

本发明涉及瓦斯防治技术领域，具体涉及一种长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法及系统。

背景技术

随着煤炭行业整合兼并重组方向调整,特大型煤炭生产基地将占主导地位,特别是厚及特厚煤层矿区。此类矿区多具有煤层瓦斯赋存低、煤层厚度大等特征，在高强度开采和来压期间极易出现瓦斯涌出强度大，上隅角超限等问题。本煤层预抽和增透技术措施对此类低瓦斯赋存矿井存在抽采工程量大、抽采效果差等缺陷。

与传统以煤层改性的增透抽采技术手段不同，注气驱替促抽技术基于压力气体的促流、置换和增渗效应，能够有效增加煤层瓦斯流动性，提升瓦斯抽采效率。但现有的驱替技术工艺存在钻孔施工量大、工序繁琐、注气装置频繁移动和气源供给不足等问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法，包括以下步骤：

在预进行回采的工作面煤层的顺槽内按设计布置若干钻孔施工钻场；

在所述钻场内沿工作面逆回采方向施工定向长钻孔，在所述定向长钻孔施工完毕后，进行所述定向长钻孔的封孔处理；

在施工所述定向长钻孔的所述工作面的所述顺槽内施工瓦斯抽采钻孔，在所述瓦斯抽采钻孔施工完毕后，进行所述瓦斯抽采钻孔的封孔处理，并将所述瓦斯抽采钻孔并网汇流至抽采系统，所述瓦斯抽采钻孔的层位低于所述定向长钻孔的层位；

将所述定向长钻孔与注气管路连接，通过所述注气管路向所述定向长钻孔内注入预定压力的气体，并通过所述抽采系统将所述工作面煤层中驱替出的瓦斯混合气体抽出。

根据本发明实施例的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法，具有驱替工艺简单、瓦斯抽采效率高、保证低瓦斯赋存厚及特厚高强度开采煤层矿区的安全高效生产的优点。

在一些实施例中，待所述工作面开采至所述定向长钻孔覆盖范围后，拆除所述注气管路，并将所述定向长钻孔与所述抽采系统连接，以便所述定向长钻孔继续用作抽采孔抽采工作面采空区瓦斯。

在一些实施例中，所述抽采系统上设有瓦斯参数计量装置，定期对所述瓦斯参数计量装置测定的瓦斯参数-浓度、流量进行分析，根据分析结果反馈调控所述注气管路的注气参数。

本发明另一方面的实施例提出一种长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统，包括定向长钻孔注气子系统和本煤层钻孔抽采子系统，所述定向钻孔注气子系统包括增压储气装置、注气管路以及定向长钻孔，所述增压储气装置与所述注气管路的进气口连接，所述注气管路的出气口与所述定向长钻孔的孔口管路连接，所述定向长钻孔沿工作面逆回采方向布置；

所述本煤层钻孔抽采子系统包括瓦斯抽采钻孔、瓦斯抽采支管、瓦斯抽采汇流管和瓦斯抽采干管，若干所述瓦斯抽采钻孔通过所述瓦斯抽采支管与所述瓦斯抽采汇流管连接，所述瓦斯抽采汇流管与所述瓦斯抽采干管连接，所述瓦斯抽采钻孔为在所述工作面的顺槽内施工的瓦斯抽采钻孔，所述瓦斯抽采钻孔在所述工作面内的层位低于所述定向长钻孔的层位。

因此，根据本发明实施例的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统具有瓦斯抽采效率高、便于计量管理瓦斯抽采情况和能保证低瓦斯赋存厚及特厚高强度开采煤层矿区的安全高效生产的优点。

所述增压储气装置包括空气压缩机和储气罐，所述储气罐的进气口与所述空气压缩机的出气口相连，所述储气罐的出气口与所述注气管路的所述进气口相连。

在一些实施例中，所述储气罐的底端设有泄压阀。

在一些实施例中，所述定向长钻孔注气子系统还包括注气参数监测和调控组件，所述注气参数监测和调控组件包括设置在所述储气罐和所述注气管路之间的出气阀门、调压阀和流量计。

在一些实施例中，所述注气管路包括注气主管和并联到所述注气主管上的若干注气支管，每个所述注气支管上设有调压阀和流量计。

在一些实施例中，所述瓦斯抽采汇流管与所述瓦斯抽采干管之间安装有瓦斯参数计量装置，所述瓦斯抽采支管和所述瓦斯抽采汇流管上均安装有调节阀门。

在一些实施例中，所述瓦斯抽采干管上低洼处连接有放水器。

附图说明

图1是根据本发明实施例的长注短抽分层立体驱替瓦斯强化抽采的示意图。

图2是根据本发明实施例的定向长钻孔与瓦斯抽采钻孔的布置示意图。

附图标记：1、钻场；2、螺杆式空气压缩机；3、进气口阀门；4、储气罐；5、出气阀门；6、调压阀；7、流量计；8、注气管路；9、定向长钻孔；10、放水器；11、瓦斯抽采汇流管；12、瓦斯抽采钻孔；13、调节阀门；14、瓦斯参数计量装置；15、瓦斯抽采干管；16、可移动式底座；17、瓦斯抽采支管。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1和图2描述根据本发明实施例的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法。根据本发明实施例的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法包括以下步骤：

在预进行回采的工作面顺槽内按设计布置若干钻孔施工钻场1。

在钻场1内沿工作面逆回采方向施工定向长钻孔9，在定向长钻孔9施工完毕后，进行定向长钻孔9的封孔处理。

在施工定向长钻孔9的工作面顺槽内施工瓦斯抽采钻孔12，在瓦斯抽采钻孔12施工完毕后，进行瓦斯抽采钻孔12的封孔处理，并将瓦斯抽采钻孔12与抽采系统连接，瓦斯抽采钻孔12的层位低于定向长钻孔9的层位。

将注气管路8与定向长钻孔9孔口管路连接，通过注气管路8向定向长钻孔9内注入预定压力的气体，并通过抽采系统将工作面煤层中驱替出的瓦斯混合气体抽出。

相关技术中的井下预抽或增透技术措施对低瓦斯赋存厚及特厚煤层、高强度开采条件下的瓦斯治理效果不佳，存在钻孔工程量大，抽采周期长，抽采效果效率低等问题。究其原因，煤层瓦斯赋存压力和含量低，瓦斯抽采驱动力不足，抽采流量衰减快。但现有的注气驱替促抽煤层瓦斯技术又存在钻孔施工量大、工艺繁琐以及装置频繁移动的缺陷。

根据本发明实施例的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法，针对低瓦斯赋存厚及特厚高强度开采煤层，将定向长钻孔9与注气驱替促抽瓦斯技术相结合，通过在本煤层施工定向长钻孔9和常规瓦斯抽采钻孔12，利用定向长钻孔9注气和常规瓦斯抽采钻孔12抽采，能够发挥定向长钻孔12施工周期短、影响范围大的优势，从而能够简化注气驱替促抽瓦斯技术中的钻孔施工工序，弥补上述缺陷。

另外，定向长钻孔9位于高层位、瓦斯抽采钻孔12位于低层位，即长注短抽空间分层的布置模式能够实现分层立体注抽结合协同驱替瓦斯，进而实现提升瓦斯抽采效率的目的，使本实施例的瓦斯抽采方法能够适于具有“低瓦斯赋存、高瓦斯涌出”特点的厚及特厚煤层高强度开采工作面的瓦斯抽采，保证低瓦斯赋存厚及特厚高强度开采煤层矿区的安全高效生产。

因此，根据本发明实施例的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法具有驱替工艺简单、瓦斯抽采效率高、能保证低瓦斯赋存厚及特厚高强度开采煤层矿区的安全高效生产的优点。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法包括以下步骤：

在预进行回采的工作面煤层的顺槽内按设计布置若干钻孔施工钻场1。

在钻场1内沿工作面逆回采方向施工定向长钻孔9，确保施工的定向长钻孔9的施工层位位于预进行开采的工作面煤层内。定向长钻孔9钻孔数目、深度等参数根据煤层赋存条件确定。定向长钻孔9施工完毕后，作为注气钻孔进行封孔处理，并在孔口埋设注气钢管，确保注气气密性和安全性。

在已施工定向长钻孔9的工作面煤层的顺槽内分层施工常规瓦斯抽采钻孔12，要求瓦斯抽采钻孔12的层位低于定向长钻孔9的层位。瓦斯抽采钻孔12的数目、参数根据煤层实际赋存条件确定。瓦斯抽采钻孔12施工完毕后及时进行封孔并网汇流至抽采系统。由于定向长钻孔9覆盖范围大，瓦斯抽采钻孔12可适当放宽孔间距。

将注气管路8与定向长钻孔9孔口埋设管路连接，实现注气系统至注气定向长钻孔的联通。注气管路8采用耐压高，易连接的高压胶管。根据煤层瓦斯赋存条件确定相应注气参数，通过注气管路8向定向长钻孔9内注入预定压力的气体，注入的高压气体通过提升煤层内混合气体压力加快瓦斯流动速率，一定时间后煤层内的混合气体经瓦斯抽采钻孔12和抽采管路抽出煤层，实现瓦斯强化抽采。

待工作面开采至钻场1注气钻孔覆盖区域时，关闭注气管路8并做卸压处理，将注气管路8移至下一个已经施工完毕的钻场1中，继续进行注气驱替促抽煤层瓦斯，以形成定向长钻孔9和瓦斯抽采钻孔12分层立体注抽结合协同促抽煤层瓦斯循环。

优选地，待工作面开采至定向长钻孔覆盖区域时，拆除注气管路8，并将定向长钻孔9与抽采系统连接。由此使在煤层内施工的定向长钻孔9在注气驱替结束后可继续用作抽采孔治理工作面上隅角瓦斯，实现一孔多用的作用。

优选地，抽采系统上设有瓦斯参数计量装置14，定期对瓦斯参数计量装置测定的瓦斯参数-浓度、流量进行分析，根据分析结果反馈调控注气管路8的注气参数。由此在注气驱替抽采瓦斯过程中，能够根据抽采效果对注气参数和方式进行调节，从而进一步提高瓦斯抽采效率。

如图1和图2所示，本发明的实施例还提供一种长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统，包括定向长钻孔注气子系统和本煤层钻孔抽采子系统。

具体而言，定向钻孔注气子系统包括增压储气装置、注气管路8以及定向长钻孔9，增压储气装置与注气管路8的进气口连接，注气管路8的出气口与定向长钻孔9的孔口管路连接，定向长钻孔9沿工作面逆回采方向布置。

本煤层钻孔抽采子系统包括瓦斯抽采钻孔12、瓦斯抽采支管17、瓦斯抽采汇流管11和瓦斯抽采干管15，若干瓦斯抽采钻孔12通过瓦斯抽采支管17与瓦斯抽采汇流管11连接。瓦斯抽采汇流管11与瓦斯抽采干管15连接。瓦斯抽采钻孔12为在工作面的顺槽内施工的瓦斯抽采钻孔，瓦斯抽采钻孔12在工作面内的层位低于定向长钻孔9的层位。例如，每四个瓦斯抽采钻孔12通过瓦斯抽采支管17汇流到瓦斯抽采汇流管11，瓦斯抽采汇流管11与瓦斯抽采干管15连接。瓦斯抽采汇流管11用于将各瓦斯抽采钻孔12抽采的瓦斯汇流至瓦斯抽采干管15。由此能够便于对瓦斯抽采情况计量管理。

根据本发明实施例的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统，针对低瓦斯赋存厚及特厚高强度开采煤层，将定向长钻孔9与注气驱替促抽瓦斯技术相结合，利用位于高层位的定向长钻孔9注气和位于低层位的常规瓦斯抽采钻孔12抽采。即采用长注短抽空间分层的布置模式能够实现分层立体注抽结合协同驱替瓦斯，进而实现提升瓦斯抽采效率的目的，使本实施例的瓦斯抽采系统能够适于具有“低瓦斯赋存、高瓦斯涌出”特点的厚及特厚煤层高强度开采工作面的瓦斯抽采，保证低瓦斯赋存厚及特厚高强度开采煤层矿区的安全高效生产。

为使注入定向长钻孔9内的气体能有效促进煤层内瓦斯流动，需对注入定向长钻孔9内的气体进行增压处理。将注气管路8与增压储气装置连接，注气管路8的出气口与埋设于定向长钻孔9孔口的注气钢管连接，从而实现定向长钻孔9与增压储气装置的联通。

因此，根据本发明实施例的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统具有瓦斯抽采效率高、便于计量管理瓦斯抽采情况和能保证低瓦斯赋存厚及特厚高强度开采煤层矿区的安全高效生产的优点。

增压储气装置包括螺杆式空气压缩机2和储气罐4。螺杆式空气压缩机2接入气源的气体种类可以包括空气，氮气，二氧化碳以及三者的混合气。螺杆式空气压缩机2出口端可输出大流量中高压力的高压气体。

储气罐4的进气口通过进气口阀门3与螺杆式空气压缩机2的出气口相连，储气罐4的出气口与注气管路8的进气口相连。由此储气罐4可将螺杆式空气压缩机2增压后的气体缓冲存储。

储气罐4的底端设有泄压阀(图中未示出)，当储气罐4内气体压力高于卸压阀设定压力后，通过泄压阀卸压能确保安全。

如图1所示，为便于增压系统在井下巷道内移动，增压系统的下部设置为可移动式底座16，螺杆式空气压缩机2和储气罐4均安设在可移动式底座16上。

如图1所示，定向长钻孔注气子系统还包括注气参数监测和调控组件，注气参数监测和调控组件包括设置在储气罐4和注气管路8之间的出气阀门5、调压阀6和流量计7。可选地，出气阀门5为球阀。

由此在进行注气驱替抽采瓦斯的过程中，可通过调压阀6调节注入定向长钻孔9的气体的压力，通过流量计7可实时监测注入煤层的气体流量，通过出气阀门5可以控制注气管路8的开度。可选地，出气阀门5为球阀。

优选地，注气管路8包括注气主管和并联到注气主管上的若干注气支管。(图中未示出)每个注气支管上设有调压阀和流量计。实际应用过程中由于各个定向长钻孔9的层位和参数不同，各定向长钻孔9的注气参数不尽相同，在各个注气支管上加装调压阀和流量计，方便调节、监测各钻孔注入气体的参数。

如图1所示，瓦斯抽采汇流管11与瓦斯抽采干管15之间安装有瓦斯参数计量装置14。由此能够通过瓦斯计量装置14实时监测瓦斯抽采钻孔12汇流后的瓦斯参数变化情况，包括流量、负压和浓度等。瓦斯抽采支管17和瓦斯抽采汇流管11上均安装有调节阀门13。调节阀门13用于控制瓦斯抽采支管17和瓦斯抽采汇流管11的开度。

如图1所示，瓦斯抽采干管15的低洼处连接有放水器10。高压气体注入煤层会促使煤层内水向瓦斯抽采钻孔12流动，易造成抽采系统内管路积水降低抽采负压。在瓦斯抽采干管15的相对低洼处配接放水器10，用于排出抽采管路内积水，能够解决抽采系统内管路积水问题，保障抽采能力。

综上，根据本发明实施例的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法及系统，工艺简单，抽采效率高，能够突破注气驱替促抽煤层瓦斯技术小范围试验应用的限制，对煤矿瓦斯抽采的安全性与经济性有重大的意义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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和简化描述，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：

在预进行回采的工作面顺槽内按设计布置若干钻孔施工钻场；

在所述钻场内沿工作面逆回采方向施工定向长钻孔，在所述定向长钻孔施工完毕后，进行所述定向长钻孔的封孔处理；

在施工所述定向长钻孔的所述工作面顺槽内施工瓦斯抽采钻孔，在所述瓦斯抽采钻孔施工完毕后，进行所述瓦斯抽采钻孔的封孔处理，并将所述瓦斯抽采钻孔并网汇流至抽采系统，所述瓦斯抽采钻孔的层位低于所述定向长钻孔的层位；

将所述定向长钻孔与注气管路连接，通过所述注气管路向所述定向长钻孔内注入预定压力的气体，并通过所述抽采系统将所述工作面煤层中驱替出的瓦斯混合气体抽出。

2.根据权利要求1所述的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法，其特征在于，待所述工作面开采至所述定向长钻孔覆盖范围后，拆除所述注气管路，并将所述定向长钻孔与所述抽采系统连接，以便所述定向长钻孔继续用作抽采孔抽采工作面采空区瓦斯。

3.根据权利要求1所述的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采方法，其特征在于，所述抽采系统上设有瓦斯参数计量装置，定期对所述瓦斯参数计量装置测定的瓦斯参数-浓度、流量进行分析，根据分析结果反馈调控所述注气管路的注气参数。

4.一种长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统，其特征在于，包括：

定向长钻孔注气子系统，所述定向长钻孔注气子系统包括增压储气装置、注气管路以及定向长钻孔，所述增压储气装置与所述注气管路的进气口连接，所述注气管路的出气口与所述定向长钻孔的孔口管路连接，所述定向长钻孔沿工作面逆回采方向布置；和

本煤层钻孔抽采子系统，所述本煤层钻孔抽采子系统包括瓦斯抽采钻孔、瓦斯抽采支管、瓦斯抽采汇流管和瓦斯抽采干管，若干所述瓦斯抽采钻孔通过所述瓦斯抽采支管与所述瓦斯抽采汇流管连接，所述瓦斯抽采汇流管与所述瓦斯抽采干管连接，所述瓦斯抽采钻孔为在所述工作面的顺槽内施工的瓦斯抽采钻孔，所述瓦斯抽采钻孔在所述工作面内的层位低于所述定向长钻孔的层位。

5.根据权利要求4所述的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统，其特征在于，所述增压储气装置包括空气压缩机和储气罐，所述储气罐的进气口与所述空气压缩机的出气口相连，所述储气罐的出气口与所述注气管路的所述进气口相连。

6.根据权利要求5所述的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统，所述储气罐的底端设有泄压阀。

7.根据权利要求5所述的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统，其特征在于，所述定向长钻孔注气子系统还包括注气参数监测和调控组件，所述注气参数监测和调控组件包括设置在所述储气罐和所述注气管路之间的出气阀门、调压阀和流量计。

8.根据权利要求4所述的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统，其特征在于，所述注气管路包括注气主管和并联到所述注气主管上的若干注气支管，每个所述注气支管上设有调压阀和流量计。

9.根据权利要求4所述的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统，其特征在于，所述瓦斯抽采汇流管与所述瓦斯抽采干管之间安装有瓦斯参数计量装置，所述瓦斯抽采支管和所述瓦斯抽采汇流管均安装有调节阀门。

10.根据权利要求4所述的长注短抽分层立体驱替瓦斯抽采系统，其特征在于，所述瓦斯抽采干管上低洼处连接有放水器。