CN114810005A - 煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种煤巷水平切缝‑二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，属于煤层瓦斯抽采防治技术领域，利用保护层开采原理，在靠近煤层底部利用水力切缝技术预割出一条水平切缝面，在煤层上部平行切缝面方向进行二氧化碳爆破起裂，利用爆炸能量对煤层进行松动破坏发生膨胀变形，由于底部预留有煤层卸压移动空间，为瓦斯运移扩展裂隙通道，最后达到煤体整体致裂效果。本发明改进了瓦斯抽采工艺、增加煤体裂隙、增大抽采半径从而加快井下煤巷掘进速度，降低煤矿生产成本及减少安全事故。
Description
技术领域
本发明涉及煤层瓦斯抽采防治技术领域，特别是涉及一种煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法。
背景技术
近年来，我国煤矿事故时有发生，其中瓦斯事故占总事故的百分之八十以上，瓦斯灾害是严重制约煤矿安全高效生产的重要难题。目前，解决瓦斯灾害的最为有效措施之一是瓦斯抽采。随着煤矿采深的增加，煤层瓦斯压力高和低透气性煤层多的问题会越来越显著，深部矿井普遍存在高瓦斯低渗透性而导致瓦斯抽采效果不佳的技术难题。
目前，煤层卸压增透方法主要有爆破致裂、水力致裂等，煤层以孔为中心向四周扩散进行致裂，而忽视了煤体本身的固有应力，尤其是在煤巷中没有创造和利用水平空间来作为煤体更大范围内的移动煤层卸压移动空间，难以在煤体内形成大范围的裂隙网，导致层内裂隙扩展较小，瓦斯抽采效果不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，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：本发明提供一种煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，具体包括以下步骤：
步骤一、煤巷层选择；根据煤矿地质调查，联合物探技术避开复杂地质的煤层区域，选定存在高瓦斯低渗透的煤巷掘进工作面；
步骤二、构造煤层卸压移动空间；在靠近煤层底板处利用水平切缝技术，对煤层进行切割，所形成的水平槽缝空间作为煤层卸压移动空间；
步骤三、布置爆破钻孔；采用平行打孔法，利用钻孔装置沿水平方向，向低透气性且难抽采的煤层中连续施工多个爆破钻孔，爆破钻孔位于煤层上部；
步骤四、煤层爆破；爆破钻孔内放置二氧化碳致裂器，并向二氧化碳致裂器中注入液态二氧化碳，将爆破钻孔孔口封孔后，起爆二氧化碳致裂器；
步骤五、瓦斯抽采。
优选的，所述步骤二中，对煤层进行切割选用60～80MPa超高压泵通过自进式旋转水射流钻头，水平对喷头两侧煤层进行冲刷切割。水力割缝卸压的影响半径可达2.0～2.5m，是普通钻孔卸压影响半径的2倍，渗透率可提高5倍。
优选的，所述步骤二中，煤层卸压移动空间高度与煤层高度的比值为0.03～0.1：1，煤层卸压移动空间水平宽度与煤巷水平宽度的比值为0.7～0.9:1。
优选的，所述步骤三中，爆破钻孔距离煤层顶板的距离与煤层高度的比值为0.1～0.3:1。
优选的，所述步骤三中，相邻两爆破钻孔之间的间距为0.6～1.2m。
优选的，所述步骤三中，爆破钻孔施工完成后，向爆破钻孔内注入水蒸气。
优选的，所述步骤四中，注入二氧化碳致裂器中的液态二氧化碳压力不小于40～60MPa。利用二氧化碳致裂器进行爆破时，定压破裂片破裂实现高压增压物理起爆从而形成第一裂隙通道，二次起爆在周围形成第二裂隙网络，末端相连形成贯通裂隙。由于煤对二氧化碳的吸附性大于瓦斯气体，二氧化碳气体侵入煤体，对瓦斯形成置换效应高效趋替瓦斯。瞬时高压高能对上方煤体产生膨胀变形，对解吸瓦斯提供动力荷载，促进煤体向下移动。
优选的，所述步骤四中，封孔的方式为采用水泥砂浆封孔法或马丽散封孔法或两堵一注法；封孔的深度为15～20m。
优选的，所述步骤五中，进行瓦斯抽采时，抽采系统的抽采负压不小于13kPa；达到设计抽采时间后，进行抽采效果检验。
本发明公开了以下技术效果：本发明提供的煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，利用保护层开采原理，在靠近煤层底部利用水力切缝技术预割出一条水平切缝面，在煤层上部平行切缝面方向进行二氧化碳爆破起裂，利用爆炸能量对煤层进行松动破坏发生膨胀变形，由于底部预留有煤层卸压移动空间，为瓦斯运移扩展裂隙通道，最后达到煤体整体致裂效果。
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为本发明对比例一中传统打钻布孔孔裂示意图；
图2为本发明实施例一中打钻布孔孔裂示意图。
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。
对比例一
如图1所示，传统的二氧化碳爆破致裂主要以孔为单位的致裂技术，向煤层定点打钻，布置起爆孔，煤层以孔为中心向四周扩撒进行致裂。但是由于煤体本身固有应力束缚较大，受煤层自身条件限制，导致有效裂隙难以扩展延伸、爆后裂隙亦会再次闭合，导致瓦斯运移通道堵塞，瓦斯抽采效果不佳。
实施例一
如图2所示，本发明提供一种煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，具体包括以下步骤：
步骤一、煤巷层选择；根据煤矿地质调查，联合物探技术避开复杂地质的煤层区域，选定存在高瓦斯低渗透的煤巷掘进工作面；
步骤二、构造煤层卸压移动空间；在靠近煤层底板处利用水平切缝技术，对煤层进行切割，所形成的水平槽缝空间作为煤层卸压移动空间；对煤层进行切割选用60～80MPa超高压泵通过自进式旋转水射流钻头，水平对喷头两侧煤层进行冲刷切割。水力割缝卸压的影响半径可达2.0～2.5m，是普通钻孔卸压影响半径的2倍，渗透率可提高5倍；煤层卸压移动空间高度与煤层高度的比值为0.03～0.1：1，煤层卸压移动空间水平宽度与煤巷水平宽度的比值为0.7～0.9:1；
步骤三、布置爆破钻孔；采用平行打孔法，利用钻孔装置沿水平方向，向低透气性且难抽采的煤层中连续施工多个爆破钻孔，爆破钻孔位于煤层上部；爆破钻孔距离煤层顶板的距离与煤层高度的比值为0.1～0.3:1，相邻两爆破钻孔之间的间距为0.6～1.2m，爆破钻孔施工完成后，向爆破钻孔内注入水蒸气以降温降尘并扩充孔内空间；
步骤四、煤层爆破；爆破钻孔内放置二氧化碳致裂器，并向二氧化碳致裂器中注入液态二氧化碳，注入二氧化碳致裂器中的液态二氧化碳压力不小于40～60MPa，采用水泥砂浆封孔法将爆破钻孔孔口封孔，封孔的深度为15～20m，然后起爆二氧化碳致裂器；
利用二氧化碳致裂器进行爆破时，定压破裂片破裂实现高压增压物理起爆从而形成第一裂隙通道，液态二氧化碳在气化过程中形成二次起爆的效果，在周围形成第二裂隙网络，而且在起爆后，爆破钻孔上方的煤层受到二氧化碳致裂器爆破时的压力及煤层顶板的压力作用，爆破钻孔下方的煤层受到二氧化碳致裂器爆破时的压力及煤层卸压移动空间提供的可位移空间，使煤层受到快速的增压与释压的过程，从而有助于第二裂隙网络末端相连形成贯通裂隙。由于煤对二氧化碳的吸附性大于瓦斯气体，二氧化碳气体侵入煤体，对瓦斯形成置换效应高效趋替瓦斯。瞬时高压高能对上方煤体产生膨胀变形，对解吸瓦斯提供动力荷载，促进煤体向下移动。煤层中上部处二氧化碳爆破起裂提供动力荷载，破坏能量作用形成通道裂隙，利用水平切缝面预先形成的层内水平空间，由于煤体内压力差，在地应力和动荷载的双重作用下产生煤体松动，煤体膨胀变形于顶板、底板间相向位移，解吸出的瓦斯受到动力压迫加速解吸与运移，构成瓦斯运移煤层卸压移动空间，达到煤体层裂效果。
步骤五、瓦斯抽采；进行瓦斯抽采时，抽采系统的抽采负压不小于13kPa；达到设计抽采时间后，进行抽采效果检验。
进一步的，为控制二氧化碳致裂器爆破时，在煤层中形成的裂缝的方向，以及在煤层较厚时，依然可以通过布置单排爆破钻孔，实现煤层整体致裂的效果，在步骤三中，爆破钻孔施工完成后，可以通过利用步骤二中的切割装置在爆破钻孔内进行切缝，以替换向爆破钻孔内注入水蒸气的操作，将切割装置的切割钻头伸入到爆破钻孔底部后，通过控制切割钻头的退出速度，使煤体上切缝的深度控制在0.5～1cm左右，保证施工进度，而且通过在爆破钻孔内切割裂缝的操作，这样既可以满足引导二氧化碳爆破时的压力，使煤体的致裂方向可以实现认为控制，也可以使煤体在爆破时更容易衍生出更多细小的裂缝，在煤层厚度较厚时，依然可以通过煤层卸压移动空间的设置，达到使煤体整体致裂效果。
本发明所提供的煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，利用保护层开采原理，在靠近煤层底部利用水力切缝技术预割出一条水平切缝面，在煤层上部平行切缝面方向进行二氧化碳爆破起裂，利用爆炸能量对煤层进行松动破坏发生膨胀变形，由于底部预留有运移煤层卸压移动空间，通过动静组合协同作用于煤巷掘进工作面,破坏相对煤层空间内煤体本质结构产生膨胀变形，使其在破坏应力作用下紊乱裂解，达到煤体整体致裂效果，为瓦斯运移扩展裂隙通道，瓦斯加剧解吸。
本发明所提供的煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，超过保护层开采最大膨胀变形量大于3/1000的检验要求，从而增大裂隙通道提高瓦斯抽采效率。
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)
1.一种煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、煤巷层选择；根据煤矿地质调查，联合物探技术避开复杂地质的煤层区域，选定存在高瓦斯低渗透的煤巷掘进工作面；
步骤二、构造煤层卸压移动空间；在靠近煤层底板处利用水平切缝技术，对煤层进行切割，所形成的水平槽缝空间作为煤层卸压移动空间；
步骤三、布置爆破钻孔；采用平行打孔法，利用钻孔装置沿水平方向，向低透气性且难抽采的煤层中连续施工多个爆破钻孔，爆破钻孔位于煤层上部；
步骤四、煤层爆破；爆破钻孔内放置二氧化碳致裂器，并向二氧化碳致裂器中注入液态二氧化碳，将爆破钻孔孔口封孔后，起爆二氧化碳致裂器；
步骤五、瓦斯抽采。
2.根据权利要求1所述的煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，其特征在于，所述步骤二中，对煤层进行切割选用60～80MPa超高压泵通过自进式旋转水射流钻头，水平对喷头两侧煤层进行冲刷切割。
3.根据权利要求2所述的煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，其特征在于，所述步骤二中，煤层卸压移动空间高度与煤层高度的比值为0.03～0.1：1，煤层卸压移动空间水平宽度与煤巷水平宽度的比值为0.7～0.9:1。
4.根据权利要求1所述的煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，其特征在于，所述步骤三中，爆破钻孔距离煤层顶板的距离与煤层高度的比值为0.1～0.3:1。
5.根据权利要求4所述的煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，其特征在于，所述步骤三中，相邻两爆破钻孔之间的间距为0.6～1.2m。
6.根据权利要求5所述的煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，其特征在于，所述步骤三中，爆破钻孔施工完成后，向爆破钻孔内注入水蒸气。
7.根据权利要求1所述的煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，其特征在于，所述步骤四中，注入二氧化碳致裂器中的液态二氧化碳压力不小于40～60MPa。
8.根据权利要求1所述的煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，其特征在于，所述步骤四中，封孔的方式为采用水泥砂浆封孔法或马丽散封孔法或两堵一注法；封孔的深度为15～20m。
9.根据权利要求1所述的煤巷水平切缝-二氧化碳爆破协同作用的煤层致裂方法，其特征在于，所述步骤五中，进行瓦斯抽采时，抽采系统的抽采负压不小于13kPa；达到设计抽采时间后，进行抽采效果检验。
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