CN114562232A - 一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法 - Google Patents

一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在进风巷、回风巷沿着煤层的工作面垂向利用安装有多级可变径液压钻头的钻杆交叉进行大直径钻孔；(2)区域III钻孔完成后，收回钻杆；(3)在两巷底板分别布置一个主瓦斯抽放管道；(4)在区域I的钻孔内安设抽采管、注浆管、棉砂；(5)通过注浆泵站向步骤(4)中的密封空间内进行注浆，完成钻孔的封孔密封；(6)封孔完成后，通过主瓦斯抽放管道(5)抽采瓦斯；封孔质量好且能够有效释放煤岩中弹性能，促进煤体瓦斯的释放，能有效抽采煤层中高瓦斯气体，防治煤与瓦斯突出，保证后续工作面安全开采，能够很好的提高瓦斯抽采效率。

Description

一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法
技术领域
本发明涉及煤矿开采过程的瓦斯抽取技术领域，具体涉及一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法。
背景技术
煤炭是我国主体能源，其开采主要以井工作业为主，与采煤作业伴生的冲击矿压灾害及瓦斯灾害一直制约着我国煤矿产业的安全生产及煤炭资源的可持续发展。随着浅部煤炭资源日益枯竭，煤炭开采深度加大，导致煤炭资源的开采条件越来越复杂，使得冲击矿压及瓦斯灾害的发生频率和强度也逐渐加大。同时，煤层瓦斯作为煤的伴生产物，又具有资源属性，是一种高热、清洁、经济的非常规天然气资源。其发热量为33.5-36.8MJ/m3，且充分燃烧后并不存在污染物。开发利用煤层瓦斯资源、强化瓦斯抽采，对于预防瓦斯灾害、实现瓦斯资源化利用，都具有重大的经济效益和社会效益。
目前，钻孔卸压抽采瓦斯是防治煤矿瓦斯灾害和开发煤层瓦斯的根本性方法。根据瓦斯抽采钻孔开孔位置及施工层位的不同可分为地面钻孔、邻近层钻孔、穿层孔、顺煤层钻孔。但是，我国煤矿总体瓦斯抽采率偏低，其主要有客观和主观两个方面的原因：客观原因方面，我国的高瓦斯和突出矿井中，有95％以上的矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，煤层透气性系数仅有0.004-0.04m2/(MPa2·d)，瓦斯抽采难度极大；主观原因方面，主要集中在钻孔工程量不足、封孔质量差、抽采时间短、抽采系统不匹配和管理不到位。在主观原因方面，抽采系统不匹配的问题是不能单纯依靠加强管理、提高工人素质等非技术因素来解决的，必须以科学研究技术为基础，结合现场实际情况加以解决。
当前国内矿井采用的瓦斯抽采钻孔直径普遍在0.075-0.25m之间，因此单一抽采钻孔的有效影响半径小、瓦斯抽采量少，需要施工大量钻孔群，造成瓦斯抽采的工程量巨大；进而，高成本也成为阻碍矿井瓦斯抽采率大幅提高的一个因素。基于上述，大直径钻孔成为解决当前困境的最优解。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法，具有封孔质量好且能够有效释放煤岩中弹性能，促进煤体瓦斯的释放，能有效抽采煤层中高瓦斯气体，防治瓦斯突出，保证后续工作面安全开采，能够很好的提高瓦斯抽采效率的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法，包括以下步骤：
(1)在进风巷、回风巷沿着工作面垂向利用安装有多级可变径液压钻头的钻机交叉进行大直径钻孔，孔间距为12m；在进行大直径钻孔时，将煤层由浅至深分为区域I、区域II、区域III三个区域；先对区域I进行400mm钻孔；区域I钻孔施工完成后，再对区域II进行700mm钻孔；区域II钻孔施工完成后，再对区域III进行400mm钻孔；
(2)区域III钻孔完成后，收回钻杆；
(3)在两巷底板分别布置一个主瓦斯抽放管道；
(4)在区域I的钻孔内安设抽采管、注浆管、棉砂；所述棉砂堵在区域I内钻孔的前、后端部用于密封抽采管，所述抽采管的抽采端位于区域II的钻孔中，所述抽采管的另一端与主瓦斯抽放管道连通；所述注浆管的一端伸入到棉砂、抽采管、区域I的钻孔内壁形成的密封空间内，所述注浆管的另一端与注浆泵站连通；
(5)通过注浆泵站向步骤中的密封空间内进行注浆，完成钻孔的封孔密封；
(6)封孔完成后，通过主瓦斯抽放管道抽采瓦斯。
优选地，所述多级可变径液压钻头包括至少三级截割半径不同的截割部分。
优选地，所述多级可变径液压钻头包括PDC牙轮、c级液压截割头、b级液压截割头三个截割部分，所述PDC牙轮的截割半径为400mm，所述c级液压截割头的截割半径为500mm，所述b级液压截割头的截割半径为700mm。
优选地，步骤中对区域II进行700mm钻孔时，先是利用PDC牙轮钻进400mm孔径，再由c级液压截割头在区域II中扩孔至500mm；最后由b级液压截割头扩孔至700mm。
优选地，所述多级可变径液压钻头嵌在钻杆上，所述钻杆通过卡槽与钻车连接，在钻杆上靠近钻车的一侧安装有液体转换器，所述液体转换器上通过进油管和回油管与液压泵连通，所述液体转换器通过泥浆管与泥浆泵站连通。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯方法，可调节应力分布、提高能量耗散、降低煤岩冲击危险性；在煤层中布置抽采钻孔，在钻孔作业时，通过变径钻头凿岩，反复破坏了孔周边的应力平衡，形成了次生裂隙，有效释放煤岩中弹性能，促进煤体瓦斯的释放，为瓦斯抽采作铺垫。
(2)本发明的梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯方法，可应用于高瓦斯及突出矿井的瓦斯防治，在工作面开采前布置抽采钻孔组，能有效抽采煤层中高瓦斯气体，防治瓦斯突出，保证后续工作面安全开采。
(3)本发明的梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯方法，具有施工流程简单，成孔效率高，成本低的优点。因此，能够更好的保证工作面开采推进过程中的安全性，有效减少了回采接替工序，缓解了工作面接替紧张的问题。
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，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明的抽采钻孔布置平面图；
图2是本发明的A-A钻孔剖面图
图3-6是本发明的施工流程图；
附图标记：1-回风巷；2-进风巷；3-煤层；4-采空区；5-主瓦斯抽放管道；6-钻孔抽采管；7-注浆泵站；8-注浆孔；9-棉砂；10-次生裂隙；11-瓦斯气体；12-固定装置；13-液压泵；14-进液管；15-回液管；16-泥浆泵；17-泥浆管；18-液体转换器；19-钻杆；20-b级液压截割头；21-c级液压截割头；22-PDC牙轮；23-钻车。
具体实施方式
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。
如图1至图6所示，本实施例提供一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法，包括以下步骤：
(1)在进风巷2、回风巷1沿着煤层3的工作面垂向上利用装有多级可变径液压钻头的钻杆19交叉布置大直径钻孔，孔间距为12m；在进行大直径钻孔时，将煤层3由浅至深分为区域I、区域II、区域III三个区域；先对区域I进行400mm钻孔；区域I钻孔施工完成后，再对区域II进行700mm钻孔；区域II钻孔施工完成后，再对区域III进行400mm钻孔；
(2)区域III钻孔完成后，收回钻杆19；
(3)在两巷底板分别布置一个主瓦斯抽放管道5；
(4)在区域I的钻孔内安设抽采管6、注浆管8、棉砂9；所述棉砂9堵在区域I内钻孔的前、后端部用于密封抽采管6，所述抽采管6的抽采端位于区域II的钻孔中，所述抽采管6的另一端与主瓦斯抽放管道5连通；所述注浆管8的一端伸入到棉砂9、抽采管6、区域I的钻孔内壁形成的密封空间内，所述注浆管8的另一端与注浆泵站7连通；
(5)通过注浆泵站7向步骤4中的密封空间内进行注浆，完成钻孔的封孔密封；
(6)封孔完成后，通过主瓦斯抽放管道5抽采瓦斯。
本实施例的梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯布置如图1所示，自右而左依次是回风巷1、进风巷2、煤层3、采空区4、主瓦斯抽放管道5、钻孔抽采管6，本实施例的梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯布置，属于本煤层钻孔。
本实例的区域I是封堵区，包括抽采管6、注浆管8、棉砂9，该区域长度为8m，钻进孔径较小，实际孔径为400mm；在弹塑性区以较小孔径钻头钻进，能控制孔壁细微裂缝衍生，再进行注浆渗透封堵后，可很大程度上避免该区域封孔后继续产生裂隙，增强密封性，起到降低钻孔漏气率、提高瓦斯抽采效率的目的。
本实例的区域II是卸压区，是大直径钻孔的主要卸压区及瓦斯有效抽采段，钻进孔径为700mm，通过调节液压钻头钻径，扩大钻进孔径，能够提高煤岩的破裂变形使得钻孔周边产生一定范围的塑性破坏区，煤体力学性质的变化也使得冲击危险性发生变化，以塑性变形方式消耗弹性能的能力增加，使得煤的冲击倾向大幅减弱，甚至完全失去冲击能力。
钻孔成孔并封孔后，区域II因受应力影响，孔壁周围发生变形，将逐步产生大量裂隙10，实际孔径会缩至600mm左右，从而使该区域渗透率升高，煤岩瓦斯释放增多，进而大大提高了瓦斯抽采效率。
本实例的区域III是留刀区，处于钻孔尾部，由钻头退刀工序产生，孔径较小，钻进孔径仅为400mm，钻孔成孔并封孔后，因处于煤层深部，受应力影响其实际孔径小于400mm。
本实例的多级可变径液压钻头包括PDC牙轮22、c级液压截割头21、b级液压截割头20三个截割部分，所述PDC牙轮22的截割半径为400mm，所述c级液压截割头21的截割半径为500mm，所述b级液压截割头20的截割半径为700mm。步骤1中对区域II进行700mm钻孔时，先是利用PDC牙轮22钻进400mm孔径，再由c级液压截割头21在区域II中扩孔至500mm；最后由b级液压截割头20扩孔至700mm。
本实例的多级可变径液压钻头嵌在钻杆19上，所述钻杆19通过卡槽与钻车23连接，在钻杆19上靠近钻车23的一侧安装有液体转换器18，所述液体转换器18上通过进油管14和回油管15与液压泵13连通，所述液体转换器18通过泥浆管17与泥浆泵站16连通。
在对区域I进行钻孔时，此时液压泵13未工作，c级液压截割头21、b级液压截割头20处于收缩状态；钻车提供给动力推进钻杆19，由多级可变径液压钻头第一级别牙轮部22在煤层3中钻进，泥浆泵16处于泵送状态，泥液通过泥浆管17进入液体转换器18，而后经过钻杆19内泥浆专用通道到达钻头牙轮部22，能够起到冷却降温的目的。
在对区域II进行钻孔时，此时液压泵13处于泵送状态，油液通过进油管14进入液体转换器18，而后经过钻杆19内液压专用通道到达钻头c级液压截割头21、b级液压截割头20，起到钻头变径的目的，进而截割头进入伸缩作态。如图4所示，钻车提供给动力推进钻杆19，先由多级可变径液压钻头牙轮部22钻进400mm孔径，再由c级液压截割头21在区域II中扩孔至500mm；如图5所示，最后由b级液压截割头20扩孔至700mm；泥浆泵16仍处于泵送状态，起到为钻头牙轮部22冷却降温的目的。
当钻进工作接近区域III时候，钻孔基本成孔，此时将液压泵13、泥浆泵16停止泵送工作，c级液压截割头21、b级液压截割头20中的油液通过液体转换器18、回液管15回流至泵站13，截割头处于伸缩作态，从而将钻头从孔内退出。
浆液由注浆泵离心搅拌经注浆管8进入区域I，进而完成封孔工作。大直径钻孔瓦斯抽采时，抽采管6内处于高负压状态，瓦斯气体11从煤层裂隙10中游离出，通过抽采管6进入主瓦斯抽放管道5被输送到地面。
本实施例的回风巷1、进风巷2、煤层3、采空区4、主瓦斯抽放管道5、钻孔抽采管6、注浆泵站7、注浆孔8、棉砂9、次生裂隙10、瓦斯气体11、固定装置12、液压泵13、进液管14、回液管15、泥浆泵16、泥浆管17、液体转换器18、钻杆19、b级液压截割头20、c级液压截割头21、PDC牙轮22、钻车23、多级可变径液压钻头、卡槽均采用本领域技术人员所熟知的现有产品或结构，其相关之间的连接方式或是控制方式采用本领域技术人员所熟知的现有连接方式或控制方式，在此不再作具体描述。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在进风巷(2)、回风巷(1)沿着煤层(3)的工作面垂向利用安装有多级可变径液压钻头的钻杆(19)交叉进行大直径钻孔，孔间距为12m；在进行大直径钻孔时，将煤层(3)由浅至深分为区域I、区域II、区域III三个区域；先对区域I进行400mm钻孔；区域I钻孔施工完成后，再对区域II进行700mm钻孔；区域II钻孔施工完成后，再对区域III进行400mm钻孔；
(2)区域III钻孔完成后，收回钻杆(19)；
(3)在两巷底板分别布置一个主瓦斯抽放管道(5)；
(4)在区域I的钻孔内安设抽采管(6)、注浆管(8)、棉砂(9)；所述棉砂(9)堵在区域I内钻孔的前、后端部用于密封抽采管(6)，所述抽采管(6)的抽采端位于区域II的钻孔中，所述抽采管(6)的另一端与主瓦斯抽放管道(5)连通；所述注浆管(8)的一端伸入到棉砂(9)、抽采管(6)、区域I的钻孔内壁形成的密封空间内，所述注浆管(8)的另一端与注浆泵站(7)连通；
(5)通过注浆泵站(7)向步骤(4)中的密封空间内进行注浆，完成钻孔的封孔密封；
(6)封孔完成后，通过主瓦斯抽放管道(5)抽采瓦斯。
2.如权利要求1所述的一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法，其特征在于，所述多级可变径液压钻头包括至少三级截割半径不同的截割部分。
3.如权利要求2所述的一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法，其特征在于，所述多级可变径液压钻头包括PDC牙轮(22)、c级液压截割头(21)、b级液压截割头(20)三个截割部分，所述PDC牙轮(22)的截割半径为400mm，所述c级液压截割头(21)的截割半径为500mm，所述b级液压截割头(20)的截割半径为700mm。
4.如权利要求3所述的一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法，其特征在于，步骤(1)中对区域II进行700mm钻孔时，先是利用PDC牙轮(22)钻进400mm孔径，再由c级液压截割头(21)在区域II中扩孔至500mm；最后由b级液压截割头(20)扩孔至700mm。
5.如权利要求1所述的一种梯级式大直径钻孔卸压增透抽采瓦斯的方法，其特征在于，所述多级可变径液压钻头嵌在钻杆(19)上，所述钻杆(19)通过卡槽与钻车(23)连接，在钻杆(19)上靠近钻车(23)的一侧安装有液体转换器(18)，所述液体转换器(18)上通过进油管(14)和回油管(15)与液压泵(13)连通，所述液体转换器(18)通过泥浆管(17)与泥浆泵站(16)连通。
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