CN114658471A - 一种石门揭煤分级消突方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种石门揭煤分级消突方法。该方法包括选择布置钻场、长钻孔抽采瓦斯、巷道同步掘进、割缝卸压、注浆加固等步骤。该方法中巷帮截流瓦斯抽采可以实现瓦斯预抽，防止割缝卸压时瓦斯喷出，同时实现钻场的提前布置，实现瓦斯抽采与石门掘进同步进行，节省总体揭煤时间。水力割缝能有效地消除或削弱发生突出的弹性潜能和瓦斯内能，注浆可以将浆液充填到已经形成的钻孔并向周围煤体内渗透，固化煤体，增大煤体强度，改善煤层的强度和应力分布。对揭煤区域实施三级消突，抽采‑卸压‑加固三重消突分级进行，实现高效精准消突，确保安全揭煤。

Description

一种石门揭煤分级消突方法

技术领域

本发明涉及矿业工程领域，特别涉及一种石门揭煤分级消突方法。

背景技术

目前，作为我国非常规天然气能源的一种，煤矿瓦斯依然有重要的能源地位。但是，同样其也是重要的煤矿致灾因素，煤与瓦斯突出是其造成的典型灾害之一，其中，石门揭煤危险较为严重，其突出煤量一般在数百吨以上，突出瓦斯超过数万方。瓦斯抽采是煤与瓦斯突出治理的重要方法，目前石门揭煤存在的传统问题主要由揭煤工期长和消突效率低。传统石门揭煤通常在掘巷后进行抽采消突，等待消突完成后进一步揭煤，花费时间长。常用的抽采防突措施有预抽瓦斯、水力冲孔、注浆加固等，这些措施形式单一，实施过程中存在各自的技术缺陷，不能保证揭煤区域的充分消突，且瓦斯抽采时间较长，抽掘采接替紧张，因此亟需一种技术可行且快速高效的消突方法，对揭煤区域多级消突，保证消突效果，加快揭煤进程，缩短工期。

发明内容

本发明的目的是提供一种石门揭煤分级消突方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种石门揭煤分级消突方法，包括以下步骤：

1)通过查阅矿井资料，获取煤层赋存情况、瓦斯指标、石门工作面与煤层的相对位置、地质构造和预揭煤层关键参数。所述预揭煤层关键参数包括初始瓦斯含量、初始渗透率、煤层温度、初始瓦斯压力、煤的视密度和抽采负压。

2)计算揭煤区域瓦斯含量达到标准所需抽采时间t。

3)一级掘巷完成后，石门工作面距煤层法线距离为x2m。在石门的巷帮布置截流抽采钻场。

4)由截流抽采钻场内向煤层施工长钻孔。

5)对长钻孔进行护孔处理。

6)通过长钻孔对揭煤区域进行一级消突抽采超前降低瓦斯压力，并同步进行二级掘巷。其中，二级掘巷时间t1＝t。二级掘巷距离s＝vt。v为掘进速度。

7)二级掘进完成后，工作面距煤层法线距离为揭煤前最小法向距离x1m。向煤层施工若干割缝钻孔。通过割缝钻孔精准降低揭煤区域地应力并进一步降低瓦斯压力，完成二级消突。

8)对割缝钻孔进行注浆加固，加强煤体强度，实现三级消突。

9)待浆液固化并检验达标后，掘进巷道并穿过煤层，完成石门揭煤工作。

进一步，步骤2)中，运用仿真软件建立数值模型，输入获取的参数，设置变量，通过运算求出所需抽采时间t。

进一步，步骤3)中，根据地质条件选择钻场布设位置。其中，当长钻孔钻进方向为从石门直接穿透煤层时，沿石门揭煤巷道巷帮布置钻场。当长钻孔钻进方向为从石门进入煤层后沿煤层走向时，沿石门顶板和巷帮向煤层布置钻场。当长钻孔钻进方向为从石门经过底板进入煤层时，在石门揭煤巷道顶板布置钻场。

进一步，步骤4)中，当钻进方向为从石门直接穿透煤层时，自钻场向煤层施工长钻孔，钻孔最远端达到需要消突煤层的顶板。在长钻孔接触煤层后，开始长钻孔逐个钻进。长钻孔以一定的钻孔间距，逐个向煤层顶板钻进，首个分支钻孔钻进后原路退钻继续按顺序施工其他分支钻孔。长钻孔一次性穿过多个煤层，到达距离石门最远处的煤层顶板。所有钻孔均穿透煤层全厚并进入顶板。

当钻进方向为从石门进入煤层后沿煤层走向时，从钻场向煤层施工钻孔钻进至煤层。方向为钻场与煤层的法向。在长钻孔接触煤层后，在揭煤区域直接穿透煤层进行消突或改变长钻孔的方向使钻孔方向与煤层走向一致。按顺序钻进长钻孔，每个长钻孔以合适的钻孔间距分散钻进，长钻孔长度达到所需抽采区域的要求长度。

当钻进方向为从石门经过底板进入煤层时，长钻孔自钻场沿煤层走向钻进，到达煤层下部时，向煤层内布置长钻孔。长钻孔改变角度钻进至煤层。按顺序施工长钻孔，首个分支钻孔钻进后原路退钻继续按顺序施工其他分支钻孔。各个钻孔以一定的间距分散钻进，钻孔方向与煤层倾向相同。

进一步，步骤5)中，采用柔性护孔系统进行护孔处理。所述柔性护孔系统包括前端固定装置、柔性注水支撑管和柔性护孔支架。

柔性注水支撑管的管壁上设置有注水孔，支撑管的首端连接固定有前端固定装置，尾端与液压泵联通。前端固定装置具有压簧结构的支撑钩爪。柔性注水支撑管布置在钻杆的内腔中，前端固定装置布置在钻头的中心孔道中。前端固定装置的支撑钩爪与中心孔道的内壁卡合。

柔性护孔支架为网套结构物，包括沿纵向依次排列的若干环状支撑管，每根支撑管包括若干单元波，单元波沿周向依次排列。相邻两根环状支撑管呈镜面对称分布，其相对的两个波峰之间固定连接，内腔连通。若干环状支撑管的内腔构成管网结构。

在非工作状态下，呈紧缩状态的柔性护孔支架套设在柔性注水支撑管的管身上，且注水孔与柔性护孔支架的管网内腔连通。工作时，钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位。推动柔性注水支撑管，前端固定装置从钻头的中心孔道伸出。支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中。退出钻具系统。液压泵向柔性注水支撑管内注入高压水。柔性护孔支架充压膨胀扩张，对长钻孔进行支撑。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.可以实现瓦斯抽采与巷道掘进同步进行，避免了抽采等待期，缩短了整体揭煤工期，加快揭煤速度，提高效率；

B.长钻孔在石门揭煤期间实现连续抽采，避免其他石门揭煤方法的多次抽采施工，节省人力物力，减少工程量，降低揭煤期间因应力变化等因素造成的瓦斯涌出，同时，长钻孔可对多层煤层进行预抽，提高钻孔利用率及瓦斯抽采浓度；

C.可以实现钻场的提前布置，超前抽采揭煤区域煤层内瓦斯，提高施工效率，提前进行消突，消突效果好；

D.对揭煤区域实施三级消突，预采-卸压-加固三重消突分级进行，瓦斯预抽可以将揭煤区域大量瓦斯排出，防止割缝卸压时瓦斯涌出，割缝钻孔的施工有效地消除或削弱发生突出的弹性潜能和瓦斯内能，防止应力集中，加固时浆液充填钻孔并向周围煤体内渗透，固化煤体，增大煤体强度，改善煤层的强度和应力分布，实现高效消突，确保安全揭煤。

附图说明

图1为长钻孔从石门直接穿透煤层消突布置图；

图2为长钻孔从石门进入煤层后沿煤层走向打孔消突布置图；

图3为长钻孔从石门经过底板进入煤层消突布置图；

图4为孔钻施工示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

石门揭煤就是石门自煤层底(顶)板岩石与煤层法线距离10m外开始，进入或穿过煤层顶(底)板法线距离大于2m的全部作业过程。

本实施例提供一种石门揭煤分级消突方法，包括以下步骤：

1)探测煤层赋存情况及瓦斯指标。施工前探钻孔探明石门工作面与煤层的相对位置、煤层赋存条件和地质构造。在预揭煤层中采集煤岩作为煤样。测定预揭煤层的关键参数。所述关键参数包括初始瓦斯含量、初始渗透率、煤层温度、初始瓦斯压力、煤的视密度和抽采负压。

2)计算揭煤区域瓦斯含量达到标准所需抽采时间t。运用COMSOL数值仿真软件建立二维模型，输入已测参数，设置变量，绘制几何模型，使用偏微分方程和达西定律运算求出所需抽采时间t。

3)一级掘巷完成后，此时石门距煤层法线距离为x₂m，在石门的巷帮布置截流抽采钻场。根据地质条件选择钻场布设位置。其中，当长钻孔钻进方向为从石门直接穿透煤层时，沿石门揭煤巷道巷帮布置钻场。当长钻孔钻进方向为从石门进入煤层后沿煤层走向时，沿石门顶板和巷帮向煤层布置钻场。当长钻孔钻进方向为从石门经过底板进入煤层时，在石门揭煤工作面形成前顶板布置钻场。

4)由截流抽采钻场内向煤层施工长钻孔。

采用水力加压钻进技术和正反扭转钻进技术进行滑动定向钻进以降低摩擦阻力。其中，

参见图1，当钻进方向为从石门直接穿透煤层时，自钻场向煤层施工长钻孔，钻孔最远端达到需要消突煤层的顶板。在长钻孔接触煤层后，开始长钻孔逐个钻进。三个长钻孔以一定的钻孔间距，逐个向煤层顶板钻进，首个分支钻孔钻进后原路退钻继续按顺序施工其他分支钻孔；长钻孔一次性穿过多个煤层，到达距离石门最远处的煤层顶板。所有钻孔均穿透煤层全厚并进入顶板。长钻孔钻进时，采用水力加压钻进技术和正反扭转钻进技术进行滑动定向钻进，同时通过根据轨迹设计原则设计轨迹参数、采用稳定组合钻具促进钻孔保直防斜、完善钻进施工技术防止钻进偏斜、选择满足要求的钻机减少累积摩阻、细化钻机操作流程等方法全方位保证钻压的有效传递，实现钻孔轨迹精准。

参见图2，当钻进方向为从石门进入煤层后沿煤层走向时，从钻场向煤层施工钻孔钻进至煤层。方向为钻场与煤层的法向。在长钻孔接触煤层后，在揭煤区域直接穿透煤层进行消突或改变长钻孔的方向使钻孔方向与煤层走向一致。按顺序钻进三个长钻孔，每个长钻孔以合适的钻孔间距分散钻进，长钻孔长度达到所需抽采区域的要求长度。

参见图3，当钻进方向为从石门经过底板进入煤层时，长钻孔自钻场沿煤层走向钻进，到达煤层下部时，向煤层内布置长钻孔。进入不稳定层位时，在不改变原孔口设计位置的情况下，通过改变设计倾角，使长钻孔按自然弯曲规律弯曲，改变角度钻进至煤层。按顺序施工长钻孔，首个分支钻孔钻进后原路退钻继续按顺序施工其他分支钻孔；各个钻孔以一定的间距分散钻进，钻孔方向与煤层倾向相同。同时采用护孔方法提高钻孔稳定性。

钻孔施工完毕后，孔内下入双层套管，其中，外管用于瓦斯抽采，内管用于定期对钻孔内的积水进行排放，保证钻孔畅通。双层套管外管直径50mm，内管直径25mm，且在穿过煤层段的套管外管为筛管，其余套管均为实管，以增加钻孔稳定性。同时，采用囊袋配合速凝剂“两堵一注+带压注浆”封孔工艺，封孔长度不小于20m，机械封孔压力不小于4MPa。

5)护孔；

6)通过长钻孔对揭煤区域进行一级消突抽采，并同步进行二级掘巷。二级掘巷时间t₁＝t。二级掘巷距离s＝vt。其中，v为石门掘进速度。

7)二级掘进完成后，此时石门距煤层法线距离为揭煤前最小法向距离x₁m，向煤层施工若干割缝钻孔。通过割缝钻孔对揭煤区域卸压，完成二级消突。

8)对割缝钻孔进行注浆加固，实现三级消突。采用囊袋配合速凝剂“两堵一注+带压注浆”封孔工艺，浆液在压力驱使下劈裂、扩展割缝钻孔周边煤岩体裂隙，充填孔隙和煤岩体凹凸面，增大浆液扩散范围。在大渗透压力梯度作用下深入煤体微裂隙内，并产生凝聚力，待浆液固化后，形成树枝状分布，并与煤体颗粒固结在一起，有效密封漏气通道，从而达到提高瓦斯抽采效果的目的。“两堵”是在封孔段两端采用聚氨酯封堵，聚氨酯发泡、膨胀后封堵花管与孔壁之间的空间。“一注”是对两端聚氨酯封堵段之间的钻孔带压注入速凝水泥。

9)待浆液固化并检验达标后，掘进巷道并穿过煤层，完成石门揭煤工作。

值得说明的是，本实施例中，巷帮截流瓦斯抽采可以实现瓦斯预抽，防止割缝卸压时瓦斯涌出，同时实现钻场的提前布置，实现瓦斯抽采与石门掘进同步进行，节省总体揭煤时间；水力割缝能能有效地消除或削弱发生突出的弹性潜能和瓦斯内能，与其他处理瓦斯的措施相比,适应性广；注浆可以将浆液充填到已经形成的钻孔并向周围煤体内渗透，固化煤体，增大煤体强度，改善煤层的强度和应力分布。在本实施例中，石门揭煤钻孔的控制范围是石门的两侧和上部轮廓线外至少5m，下部至少3m。三级消突主要体现在顺序上的不同及空间上的协同，控制范围大致相同。

实施例2：

本实施例提供一种基础的石门揭煤分级消突方法，包括以下步骤：

1)获取煤层赋存情况、瓦斯指标、石门工作面与煤层的相对位置、地质构造和预揭煤层关键参数。所述预揭煤层关键参数包括初始瓦斯含量、初始渗透率、煤层温度、初始瓦斯压力、煤的视密度和抽采负压。

2)计算揭煤区域瓦斯含量达到标准所需抽采时间t。

3)一级掘巷完成后，石门工作面距煤层法线距离为x₂m。在石门的巷帮布置截流抽采钻场。

4)由截流抽采钻场内向煤层施工长钻孔。

5)对长钻孔进行护孔处理。

6)通过长钻孔对揭煤区域进行一级消突抽采超前降低瓦斯压力，并同步进行二级掘巷。其中，二级掘巷时间t₁＝t。二级掘巷距离s＝vt。v为掘进速度。

7)二级掘进完成后，工作面距煤层法线距离为揭煤前最小法向距离x₁m。向煤层施工若干割缝钻孔。通过割缝钻孔精准降低揭煤区域地应力并进一步降低瓦斯压力，完成二级消突。

8)对割缝钻孔进行注浆加固，加强煤体强度，实现三级消突。

9)待浆液固化并检验达标后，掘进巷道并穿过煤层，完成石门揭煤工作。

本实施例中，巷帮截流瓦斯抽采可以实现瓦斯预抽，防止割缝卸压时瓦斯喷出，同时实现钻场的提前布置，实现瓦斯抽采与石门掘进同步进行，节省总体揭煤时间。水力割缝能有效地消除或削弱发生突出的弹性潜能和瓦斯内能，注浆可以将浆液充填到已经形成的钻孔并向周围煤体内渗透，固化煤体，增大煤体强度，改善煤层的强度和应力分布。对揭煤区域实施三级消突，抽采-卸压-加固三重消突分级进行，实现高效精准消突，确保安全揭煤。

实施例3：

本实施例主要步骤同实施例1，其中，参见图4，分级消突方法采用钻具系统和柔性护孔系统施工长钻孔和割缝钻孔。

所述钻具系统包括钻头4和钻杆3。所述钻头4安装在钻杆3的首端。所述钻头4具有中心孔道。所述中心孔道与钻杆3的内腔连通。

所述柔性护孔系统包括前端固定装置5、柔性注水支撑管6和柔性护孔支架9。所述柔性注水支撑管6的管壁上设置有注水孔。本实施例中，柔性注水支撑管6为橡胶承压水管，可在一定程度上弯曲。到达设定轨迹弯曲位置后，钻头偏斜，钻杆及钻杆内柔性注水支撑管、收缩状态下的柔性护孔支架均可随轨道弯曲。所述柔性注水支撑管6的首端连接固定有前端固定装置5，尾端与液压泵联通。所述前端固定装置5具有支撑钩爪。所述支撑钩爪采用压簧结构。所述柔性注水支撑管6布置在钻杆3的内腔中。所述前端固定装置5布置在钻头4的中心孔道中。所述前端固定装置5的支撑钩爪与中心孔道的内壁卡合。

所述柔性护孔支架9为网套结构物。所述柔性护孔支架9包括沿纵向依次排列的环状支撑管。每根环状支撑管包括单元波，单元波沿周向依次排列。相邻两根环状支撑管呈镜面对称分布。相邻两根环状支撑管相对的两个波峰之间固定连接。相邻两根环状支撑管的内腔连通。环状支撑管的内腔构成管网结构。

在非工作状态下，呈紧缩状态的柔性护孔支架9套设在柔性注水支撑管6的管身上。所述注水孔与柔性护孔支架9的管网内腔连通。工作时，钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位。所述紧缩状态的柔性护孔支架9套及柔性注水支撑管6均可以伴随钻孔进行定向偏转。随后前端固定装置5从钻头4的中心孔道伸出。支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中。退出钻具系统。液压泵向柔性注水支撑管6内注入高压水。所述柔性护孔支架9充压膨胀扩张，对长钻孔或割缝钻孔进行支撑。

本实施例中，所述柔性护孔支架采用硅青铜弹性合金(Qsi1-3)制成，含镍的硅青铜具有很高的弹性性能，可用于制造在腐蚀介质(如井水，地下水)中工作的各种弹簧。

Claims (5)

1.一种石门揭煤分级消突方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取煤层赋存情况、瓦斯指标、石门工作面与煤层的相对位置、地质构造和预揭煤层关键参数；所述预揭煤层关键参数包括初始瓦斯含量、初始渗透率、煤层温度、初始瓦斯压力、煤的视密度和抽采负压；

2)计算揭煤区域瓦斯含量达到标准所需抽采时间t；

3)一级掘巷完成后，石门工作面距煤层法线距离为x₂m；在石门的巷帮布置截流抽采钻场；

4)由截流抽采钻场内向煤层施工长钻孔；

5)对长钻孔进行护孔处理；

6)通过长钻孔对揭煤区域进行一级消突抽采超前降低瓦斯压力，并同步进行二级掘巷；其中，二级掘巷时间t₁＝t；二级掘巷距离s＝vt；v为掘进速度；

7)二级掘进完成后，工作面距煤层法线距离为揭煤前最小法向距离x₁m；向煤层施工若干割缝钻孔；通过割缝钻孔精准降低揭煤区域地应力并进一步降低瓦斯压力，完成二级消突；

8)对割缝钻孔进行注浆加固，加强煤体强度，实现三级消突；

9)待浆液固化并检验达标后，掘进巷道并穿过煤层，完成石门揭煤工作。

2.根据权利要求1所述的一种石门揭煤分级消突方法，其特征在于：步骤2)中，运用仿真软件建立数值模型，输入获取的参数，设置变量，通过运算求出所需抽采时间t。

3.根据权利要求1所述的一种石门揭煤分级消突方法，其特征在于：步骤3)中，根据地质条件选择钻场布设位置；其中，当长钻孔钻进方向为从石门直接穿透煤层时，沿石门揭煤巷道巷帮布置钻场；当长钻孔钻进方向为从石门进入煤层后沿煤层走向时，沿石门顶板和巷帮向煤层布置钻场；当长钻孔钻进方向为从石门经过底板进入煤层时，在石门揭煤巷道顶板布置钻场。

4.根据权利要求1所述的一种石门揭煤分级消突方法，其特征在于：步骤4)中，当钻进方向为从石门直接穿透煤层时，自钻场向煤层施工长钻孔，钻孔最远端达到需要消突煤层的顶板；在长钻孔接触煤层后，开始长钻孔逐个钻进；长钻孔以一定的钻孔间距，逐个向煤层顶板钻进，首个分支钻孔钻进后原路退钻继续按顺序施工其他分支钻孔；长钻孔一次性穿过多个煤层，到达距离石门最远处的煤层顶板；所有钻孔均穿透煤层全厚并进入顶板；

当钻进方向为从石门进入煤层后沿煤层走向时，从钻场向煤层施工钻孔钻进至煤层；方向为钻场与煤层的法向；在长钻孔接触煤层后，在揭煤区域直接穿透煤层进行消突或改变长钻孔的方向使钻孔方向与煤层走向一致；按顺序钻进长钻孔，每个长钻孔以合适的钻孔间距分散钻进，长钻孔长度达到所需抽采区域的要求长度；

当钻进方向为从石门经过底板进入煤层时，长钻孔自钻场沿煤层走向钻进，到达煤层下部时，向煤层内布置长钻孔；长钻孔改变角度钻进至煤层；按顺序施工长钻孔，首个分支钻孔钻进后原路退钻继续按顺序施工其他分支钻孔；各个钻孔以一定的间距分散钻进，钻孔方向与煤层倾向相同。

5.根据权利要求1所述的一种石门揭煤分级消突方法，其特征在于：步骤5)中，采用柔性护孔系统进行护孔处理；所述柔性护孔系统包括前端固定装置、柔性注水支撑管和柔性护孔支架；

柔性注水支撑管的管壁上设置有注水孔，支撑管的首端连接固定有前端固定装置，尾端与液压泵联通；前端固定装置具有压簧结构的支撑钩爪；柔性注水支撑管布置在钻杆的内腔中，前端固定装置布置在钻头的中心孔道中；前端固定装置的支撑钩爪与中心孔道的内壁卡合；

柔性护孔支架为网套结构物，包括沿纵向依次排列的若干环状支撑管，每根支撑管包括若干单元波，单元波沿周向依次排列；相邻两根环状支撑管呈镜面对称分布，其相对的两个波峰之间固定连接，内腔连通；若干环状支撑管的内腔构成管网结构；

在非工作状态下，呈紧缩状态的柔性护孔支架套设在柔性注水支撑管的管身上，且注水孔与柔性护孔支架的管网内腔连通；工作时，钻具系统将柔性护孔系统输送至预设部位；推动柔性注水支撑管，前端固定装置从钻头的中心孔道伸出；支撑钩爪展开，嵌入钻孔内壁的煤层中；退出钻具系统；液压泵向柔性注水支撑管内注入高压水；柔性护孔支架充压膨胀扩张，对长钻孔进行支撑。

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