CN115387775A - 基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法 - Google Patents

基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法，包括以下步骤：步骤一，施工形成树状长钻孔；步骤二，计算区域瓦斯资源赋存量；步骤三，分析瓦斯抽采情况；步骤四，计算累计瓦斯抽采量；步骤五，依据步骤二中区域瓦斯资源赋存量和步骤四中累计瓦斯抽采量反演残余瓦斯量，进行区域瓦斯抽采达标预评判；步骤六，若步骤五中反演的残余瓦斯量满足消突要求，则进行区域消突效果预评估；步骤七，步骤六中区域消突效果预评估合格后进行消突效果验证，验证合格后则完成该区域的抽采消突工作。本发明为近距离碎软煤层且不具备保护层开采，或者保护层开采经济效益差的煤层开采提供了一种瓦斯治理方法。

Description

基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法
技术领域
本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采消突技术领域，具体涉及一种基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法。
背景技术
受成煤环境控制以及煤层形成后多期构造运动的影响，我国近距离煤层群发育较广，如二叠系龙潭组煤层，该种煤层具有变质程度高，瓦斯含量高，瓦斯压力大，煤层碎软的特征。由于近距离煤层群通常具有主采煤层厚度大且赋存较为稳定，其他煤层厚度小且赋存不稳定的特征，为了保障邻近的厚煤层安全回采，需要对与其邻近的薄煤层进行抽采消突。但是由于邻近的薄煤层厚度小且赋存不稳定，导致对其进行瓦斯治理难度大，特别是对于不具备保护层开采条件的矿区。目前针对近距离煤层群的瓦斯治理措施主要有保护层开采、由开采层施工预抽钻孔、由岩石巷道施工穿层钻孔等方式，然而在不具备保护层开采条件时，对于由开采层施工预抽钻孔和由岩石巷道施工穿层钻孔的方式存在的问题是：一方面，由开采层施工钻孔进行抽采具有覆盖范围小，顺层钻孔施工困难等问题；另一方面，由岩石巷道施工穿层钻孔具有巷道工程量大，瓦斯治理成本高等问题。
为此，亟需提出基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法，以克服现有技术中已有邻近煤层开采瓦斯治理措施存在的不足。
发明内容
本发明为解决克服现有技术存在的不足，提出了一种基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法，为近距离碎软煤层且不具备保护层开采，或者保护层开采经济效益差的煤层开采提供了一种瓦斯治理方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法，包括以下步骤：
步骤一，施工形成树状长钻孔，其包括以下子步骤：
a.确定树状长钻孔的位置，在需要消突的近距离突出煤层中，选择较为稳定的岩层布置树状长钻孔；
b.树状长钻孔主孔开孔，在周边已施工巷道中，采用定向钻进技术并运用定向钻机向相邻的碎软煤层之间施工树状长钻孔主孔；
c.树状长钻孔分支孔施工，待树状长钻孔主孔施工至设计位置后，采用后退式分支孔工艺由孔底分别向上和向下朝煤层施工树状长钻孔分支孔；
步骤二，计算区域瓦斯资源赋存量，采用保压取芯技术分别在待抽采消突的上部煤层和下部煤层的树状长钻孔分支孔内取煤样，测定煤层原始瓦斯含量，并计算区域瓦斯资源赋存量，区域瓦斯资源赋存量标记为Q，Q= L×W×H1×ρ1×q1+L×W×H2×ρ2×q2，其中：
L为树状长钻孔有效覆盖长度；W为相邻树状长钻孔的间距；H1、H2分别为相邻煤层厚度；ρ1、ρ2分别为相邻煤层密度；q1、q2分别为相邻煤层原始瓦斯含量；
步骤三，分析瓦斯抽采情况，取芯完成后继续施工树状长钻孔分支孔，待全部树状长钻孔分支孔均施工完毕，将树状长钻孔连接至矿井瓦斯抽采系统以便分析瓦斯抽采情况，及时调整抽采负压；
步骤四，计算累计瓦斯抽采量，累计瓦斯抽采量标记为Q抽，Q抽=1440×Q混合×C×d，其中:
Q混合为树状长钻孔抽采混合量，m3/min；C为抽采浓度，%；d为抽采天数；
步骤五，依据步骤二中区域瓦斯资源赋存量Q和步骤四中累计瓦斯抽采量Q抽反演残余瓦斯量，进行区域瓦斯抽采达标预评判；其中，残余瓦斯量标记为Q残余，Q残余=（Q-Q抽）÷（L×W×H1×ρ1+L×W×H2×ρ2）；
步骤六，若步骤五中反演的残余瓦斯量Q残余满足消突要求，则向树状长钻孔覆盖区域施工钻孔，采用保压取芯技术分别对待消突煤样进行取样，测定残余瓦斯量Q残余，进行区域消突效果预评估；
步骤七，步骤六中区域消突效果预评估合格后，采用区域瓦斯抽采效果验证措施进行消突效果验证，验证合格后则完成该区域的抽采消突工作。
进一步地，步骤一中碎软煤层厚度一般不大于3.5m，且相邻的碎软煤层间距一般不大于5m。
进一步地，步骤一中所述树状长钻孔分支孔穿过上部煤层和下部煤层的距离均大于0.5m。
进一步地，其特征在于，同一煤层相邻树状长钻孔分支孔的终孔点间距根据该煤层的有效抽采半径确定，满足要求为：h≤2R，终孔点间距标记为h，有效抽采半径标记为R。
进一步地，步骤二中相邻树状长钻孔的间距W根据相应两层煤层的有效抽采半径确定，满足要求为：W≤2×min（R1，R2），其中一层煤层的有效抽采半径标记为R1，另一层煤层的有效抽采半径标记为R2。
进一步地，所述树状长钻孔主孔的开孔点位于已开拓煤巷或专用瓦斯治理巷中。
通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
1、本发明为近距离碎软煤层且不具备保护层开采或者保护层开采经济效益差的煤层开采提供了一种瓦斯治理方法，其中，树状长钻孔一次施工、集中成孔，可以实现碎软煤层瓦斯的区域超前预抽，增加钻孔瓦斯抽采时间，保障抽采效果，并且由树状长钻孔的主孔直接施工分支孔，避免了现有技术中穿层钻孔时每个钻孔均需穿过岩层段的不足，有效减少抽采钻孔工程量。
2、本发明中树状长钻孔的覆盖范围大，相同的区域只需几个循环的树状长钻孔即可完成区域的消突，克服了传统的由岩石巷道施工穿层钻孔进行区域消突存在的不足，相应减少了工程量，节约了瓦斯治理成本。
附图说明
图1是本发明实施例一的原理示意图；
图2是本发明实施例一中树状长钻孔的平面布置示意图；
图3是本发明实施例一中树状长钻孔分支孔的分布示意图；
图4是本发明中实施例二的原理示意图。
附图中标号为：
1为上部煤层，2为下部煤层，3为岩层，4为树状长钻孔主孔，5为树状长钻孔分支孔，6为已开拓煤巷，7为专用瓦斯治理巷。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“横向”“竖向”等指示的方位或位置关系为基于附图1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。
实施例一
如图1～图3所示，基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法，包括以下步骤：
步骤一，施工形成树状长钻孔，其包括以下子步骤：
a.确定树状长钻孔的位置，在需要消突的近距离突出煤层中，选择较为稳定的岩层3布置树状长钻孔；
b.树状长钻孔主孔4开孔，在周边已施工巷道中，采用定向钻进技术并运用定向钻机向相邻的碎软煤层之间施工树状长钻孔主孔4；
c.树状长钻孔分支孔5施工，待树状长钻孔主孔4施工至设计位置后，采用后退式分支孔工艺由孔底分别向上和向下朝煤层施工树状长钻孔分支孔5；
步骤二，采用保压取芯技术分别在待抽采消突的上部煤层1和下部煤层2的树状长钻孔分支孔5内取煤样，测定煤层原始瓦斯含量，并计算区域瓦斯资源赋存量，区域瓦斯资源赋存量标记为Q，Q=L×W×H1×ρ1×q1+ L×W×H2×ρ2×q2，其中：
L为树状长钻孔有效覆盖长度；W为相邻树状长钻孔的间距；H1、H2分别为相邻煤层厚度；ρ1、ρ2分别为相邻煤层密度；q1、q2分别为相邻煤层原始瓦斯含量；
步骤三，取芯完成后继续施工树状长钻孔分支孔5，待全部树状长钻孔分支孔5均施工完毕，将树状长钻孔连接至矿井瓦斯抽采系统以便分析瓦斯抽采情况，及时调整抽采负压；
步骤四，计算累计瓦斯抽采量，累计瓦斯抽采量标记为Q抽，Q抽=1440×Q混合×C×d，其中:
Q混合为树状长钻孔抽采混合量，m3/min；C为抽采浓度，%；d为抽采天数；
步骤五，依据步骤二中区域瓦斯资源赋存量Q和步骤四中累计瓦斯抽采量Q抽反演残余瓦斯量，进行区域瓦斯抽采达标预评判；其中，残余瓦斯量标记为Q残余，Q残余=（Q-Q抽）÷（L×W×H1×ρ1+L×W×H2×ρ2）；
步骤六，若步骤五中反演的残余瓦斯量Q残余满足消突要求，则向树状长钻孔覆盖区域施工钻孔，采用保压取芯技术分别对待消突煤样进行取样，测定残余瓦斯量Q残余，进行区域消突效果预评估；
步骤七，步骤六中区域消突效果预评估合格后，采用区域瓦斯抽采效果验证措施进行消突效果验证，验证合格后则完成该区域的抽采消突工作。
本实施例中，步骤一中碎软煤层厚度一般不大于3.5m，且相邻的碎软煤层间距一般不大于5m。
本实施例中，步骤一中所述树状长钻孔分支孔5穿过上部煤层1和下部煤层2的距离均大于0.5m。
具体地，一方面，同一煤层相邻树状长钻孔分支孔5的终孔点间距根据该煤层的有效抽采半径确定，满足要求为：h≤2R，终孔点间距标记为h，有效抽采半径标记为R；另一方面，步骤二中相邻树状长钻孔的间距W根据相应两层煤层的有效抽采半径确定，满足要求为：W≤2×min（R1，R2），其中一层煤层的有效抽采半径标记为R1，另一层煤层的有效抽采半径标记为R2。
请再次参阅图1，本实施例中，所述树状长钻孔主孔4的开孔点位于已开拓煤巷6中。
本发明中树状长钻孔主孔4长度根据工作面长度确定，同时兼顾井下负压抽采瓦斯的有效性，一方面，树状长钻孔主孔4的长度不低于500m且不超过1000m；另一方面，若工作面长度超过1000m，则可分为多个循环进行抽采消突，此时，循环数N=工作面长度S÷树状长钻孔有效覆盖长度L，并且当循环数N为非整数时，向上取整数，例如N=3.2，则实际循环数N取4。
本发明可采用机械造穴、水力冲孔、水力压裂、CO2致裂爆破、超声波激励等技术进行强化增透以增加树状长钻孔的有效抽采范围，增加树状长钻孔分支孔5的间距，减少树状长钻孔数量，降低消突钻孔工程量；并且，钻孔可以沿着工作面回采方向布置，也可以垂直于工作面回采方向布置，另外，需要说明的是，为了提高钻孔施工效率，减少树状长钻孔分支孔穿岩段，节约钻探施工成本，可采用小曲率分支孔工艺，较常规的定向钻进技术降低分支孔施工过程中的曲率半径，进行分支孔的施工。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：
如图4所示，所述树状长钻孔主孔4的开孔点位于专用瓦斯治理巷7中。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (6)

1.基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，施工形成树状长钻孔，其包括以下子步骤：
a.确定树状长钻孔的位置，在需要消突的近距离突出煤层中，选择较为稳定的岩层（3）布置树状长钻孔；
b.树状长钻孔主孔（4）开孔，在周边已施工巷道中，采用定向钻进技术并运用定向钻机向相邻的碎软煤层之间施工树状长钻孔主孔（4）；
c.树状长钻孔分支孔（5）施工，待树状长钻孔主孔（4）施工至设计位置后，采用后退式分支孔工艺由孔底分别向上和向下朝煤层施工树状长钻孔分支孔（5）；
步骤二，计算区域瓦斯资源赋存量，采用保压取芯技术分别在待抽采消突的上部煤层（1）和下部煤层（2）的树状长钻孔分支孔（5）内取煤样，测定煤层原始瓦斯含量，并计算区域瓦斯资源赋存量，区域瓦斯资源赋存量标记为Q，Q= L×W×H1×ρ1×q1+L×W×H2×ρ2×q2，其中：
L为树状长钻孔有效覆盖长度；W为相邻树状长钻孔的间距；H1、H2分别为相邻煤层厚度；ρ1、ρ2分别为相邻煤层密度；q1、q2分别为相邻煤层原始瓦斯含量；
步骤三，分析瓦斯抽采情况，取芯完成后继续施工树状长钻孔分支孔（5），待全部树状长钻孔分支孔（5）均施工完毕，将树状长钻孔连接至矿井瓦斯抽采系统以便分析瓦斯抽采情况，及时调整抽采负压；
步骤四，计算累计瓦斯抽采量，累计瓦斯抽采量标记为Q抽，Q抽=1440×Q混合×C×d，其中:
Q混合为树状长钻孔抽采混合量，m3/min；C为抽采浓度，%；d为抽采天数；
步骤五，依据步骤二中区域瓦斯资源赋存量Q和步骤四中累计瓦斯抽采量Q抽反演残余瓦斯量，进行区域瓦斯抽采达标预评判；其中，残余瓦斯量标记为Q残余，Q残余=（Q-Q抽）÷（L×W×H1×ρ1+L×W×H2×ρ2）；
步骤六，若步骤五中反演的残余瓦斯量Q残余满足消突要求，则向树状长钻孔覆盖区域施工钻孔，采用保压取芯技术分别对待消突煤样进行取样，测定残余瓦斯量Q残余，进行区域消突效果预评估；
步骤七，步骤六中区域消突效果预评估合格后，采用区域瓦斯抽采效果验证措施进行消突效果验证，验证合格后则完成该区域的抽采消突工作。
2.根据权利要求1所述的基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法，其特征在于，步骤一中碎软煤层厚度一般不大于3.5m，且相邻的碎软煤层间距一般不大于5m。
3.根据权利要求1所述的基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法，其特征在于，步骤一中所述树状长钻孔分支孔（5）穿过上部煤层（1）和下部煤层（2）的距离均大于0.5m。
4.根据权利要求1所述的基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法，其特征在于，同一煤层相邻树状长钻孔分支孔（5）的终孔点间距根据该煤层的有效抽采半径确定，满足要求为：h≤2R，终孔点间距标记为h，有效抽采半径标记为R。
5.根据权利要求1所述的基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法，其特征在于，步骤二中相邻树状长钻孔的间距W根据相应两层煤层的有效抽采半径确定，满足要求为： W≤2×min（R1，R2），其中一层煤层的有效抽采半径标记为R1，另一层煤层的有效抽采半径标记为R2。
6.根据权利要求1所述的基于树状长钻孔的邻近煤层开采瓦斯协同抽采消突方法，其特征在于，所述树状长钻孔主孔（4）的开孔点位于已开拓煤巷（6）或专用瓦斯治理巷（7）中。
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