CN115387844A - 突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法，属于煤矿煤与瓦斯突出防治领域。包括步骤S1、设计煤层顶板定向分支长钻孔；S2、施工煤层顶板定向分支长钻孔，并对其进行分段水力压裂；S3、接入抽采管路进行瓦斯抽采。本发明解决了工作面始采区域防突工程量大、成本高、防突时间短、影响采掘接替等技术难题，采用煤层顶板定向分支长钻孔结合水力压裂技术，实现了回采工作面始采区域超前预抽防突，对降低防突成本、实现工作面采掘快速接替、提高矿井生产能力均具有重要意义。

Description

突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法
技术领域
本发明属于煤矿煤与瓦斯突出防治领域，具体涉及一种突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法。
背景技术
煤矿煤与瓦斯突出(简称“突出”)灾害居于煤矿五大灾害之首，目前突出灾害防治仍是一项世界性难题。目前我国建立了区域、局部等两个“四位一体”综合防突技术体系。其中煤巷条带主要采用顶板岩巷结合穿层钻孔抽采进行区域防突。该方法防突效果较为显著，但其岩巷、钻孔施工工程量大、时间长、影响采掘接替，且靠近回采工作面切眼附近区域(也称为工作面始采区域)防突时间短，如未达到防突效果，则回采工作面不能继续回采，严重制约了采掘接替，成为回采工作面防突的“最短板”问题。为解决此问题，往往在采区边界设计边界(回风)下山以提前对回采工作面切眼区域进行防突，这种方法防突效果较好，但其工程量大、成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法，以解决工作面始采区域所存在的防突工程量大、成本高、防突时间短、影响采掘接替等技术难题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法，包括以下步骤：S1、设计煤层顶板定向分支长钻孔；S2、施工煤层顶板定向分支长钻孔，并对其进行分段水力压裂；S3、接入抽采管路进行瓦斯抽采；
步骤S1中，煤层顶板定向分支长钻孔包括主孔和分支孔，分支孔沿着各主孔两侧呈对称分布；
主孔的施工参数包括煤层走向方向上的施工位置、铅直方向上的施工层位以及倾向方向上的施工长度；
其中，在煤层走向方向上，第一个主孔的施工位置L1为：
L1＝Y1+r－L2；
式中：Y1为分支孔控制区域在水平方向投影的长度，单位为m；r为分支孔的水力压裂半径，单位为m；L2为回采工作面切眼的巷道外轮廓线以外的控制宽度，单位为m；
第n个主孔的施工位置Ln为：
Ln＝(Y1+r－L2)+(n－1)×△L；
式中：△L为第n个主孔与其相邻的主孔间的距离，单位为m；n为主孔编号，n≥2；
在煤层倾向方向上，顶板岩巷布置在采区的正中间，主孔以顶板岩巷为对称轴对称分布在顶板岩巷两侧；各主孔在煤层倾向方向上的施工长度X为：
X＝X0+X1+X2+…+Xn+(n－1)×d+L3；
式中：X0为顶板岩巷与第一个回采工作面间的水平距离，单位为m；X1为第1个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和，单位为m；X2为第2个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和，单位为m；Xn为第n个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和，单位为m；d为煤柱的宽度，单位为m；L3为第n个回采工作面最外侧巷道的外侧轮廓线与抽采控制区域边界线间的控制宽度，单位为m；
步骤S3中，回采工作面始采区域从煤层顶板定向分支长钻孔开始施工至抽采达标和效果检验合格所需的时间、应小于或等于同一回采工作面顶板岩巷施工、抽采钻孔施工、钻孔瓦斯抽采达标时间和煤巷掘进所需的时间总和。
进一步，步骤S1中，在煤层走向方向上，被主孔和分支孔控制的回采工作面始采区域的抽采区域长度不小于300m。
进一步，步骤S1中，主孔在铅直方向上的施工层位为煤层顶板岩层上方1～5m处。
进一步，步骤S1中，在煤层走向方向上，分支孔控制区域在水平方向投影的长度Y1为50～100m。
进一步，步骤S2中，先施工主孔，当主孔施工达到预定深度后，每间隔L从主孔孔底向孔口后退式依次施工分支孔。
进一步，步骤S2中，每间隔若干个分支孔为一个分段，对分支孔进行分段水力压裂。
进一步，步骤S3中，将每个回采工作面已施工的煤层顶板定向分支长钻孔接入抽采管路进行抽采，并单独进行瓦斯抽采量计量，然后根据瓦斯抽采量进行瓦斯抽采达标评判，当回采工作面抽采区域瓦斯抽采达标后方可进行回采作业。
本发明的有益效果在于：
本发明解决了工作面始采区域防突工程量大、成本高、防突时间短、影响采掘接替等技术难题，采用煤层顶板定向分支长钻孔结合水力压裂技术，实现了回采工作面始采区域超前预抽防突，对降低防突成本、实现工作面采掘快速接替、提高矿井生产能力均具有重要意义。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法的平面布置示意图；
图2为煤层顶板定向分支长钻孔在煤层走向方向上的剖面布置示意图；
图3为煤层顶板定向分支长钻孔在煤层倾向方向上的剖面布置示意图；
图4为煤层顶板定向分支长钻孔分段水力压裂工艺示意图。
附图标记：
1-顶板岩巷；
2-回采工作面运输巷；
3-回采工作面回风巷；
4-回采工作面切眼；
5-煤层顶板定向分支长钻孔的主孔；
6-煤层顶板定向分支长钻孔的分支孔；
7-煤层顶板定向分支长钻孔的抽采控制区域边界线；
8-煤层；
9-抽采管路；
10-前封隔器；
11-后封隔器；
12-采区上下山巷道；
Y1-分支孔控制区域在水平方向投影的长度；
r-分支孔的水力压裂半径；
h-主孔在铅直方向上的施工层位；
L1-第一个主孔与其所对应的回采工作面切眼外轮廓线间的水平距离；
L2-回采工作面切眼的巷道外轮廓线与抽采控制区域边界线间的控制宽度；
L3-第n个回采工作面最外侧巷道的外侧轮廓线与抽采控制区域边界线间的控制宽度；
△L-主孔与其相邻的主孔间的距离；
L-两个相邻分支孔的施工间距；
X0-顶板岩巷与第一个回采工作面间的水平距离；
X1-第1个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和；
X2-第2个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和；
Xn-第n个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和；
X-主孔在煤层倾向方向上的施工长度；
d-煤柱的宽度。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
请参阅图1～图3，为一种突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法，具体包括以下步骤：
步骤1：设计煤层顶板定向分支长钻孔。
煤层顶板定向分支长钻孔包括主孔5和分支孔6，现分别对主孔5和分支孔6的施工参数进行设计，具体实施方法详述如下：
(1)设计主孔5的施工参数
主孔5的施工参数主要有煤层走向方向上的施工位置、铅直方向上的施工层位和倾向方向上的施工长度，其确定方法如下：
1)煤层走向方向上的施工位置
参照图1、图3，根据瓦斯治理要求，回采工作面切眼4的巷道外轮廓线以外至少L2范围内需要进行瓦斯预抽以消除突出危险性，L2一般不小于20m。假设煤层顶板定向分支长钻孔的分支孔控制区域在水平方向投影的长度为Y1、分支孔6的水力压裂半径为r，以回采工作面切眼4为基准点，则第一个主孔在煤层走向方向上的施工位置L1为：
L1＝Y1+r－L2；
式中：L1为第一个主孔与其所对应的回采工作面切眼外轮廓线间的水平距离，单位为m；Y1为分支孔控制区域在水平方向投影的长度，单位为m；r为分支孔的水力压裂半径，单位为m；L2为回采工作面切眼的巷道外轮廓线以外(与抽采控制区域边界线7之间)的控制宽度，单位为m。
由于分支孔6的水力压裂半径为r，那么相邻两个主孔间(即第二个、第三个、…、第n-1个与第n个主孔间)的间距应小于或等于分支孔6的水力压裂半径r的2倍，才能达到防突要求且利于水力压裂。故自第二个主孔起，主孔5在煤层走向方向上的施工间距△L应满足：△L≤2Y1+2r；由此，第n个主孔的施工位置为：
Ln＝(Y1+r－L2)+(n－1)×△L；
式中：△L为主孔与其相邻的主孔间的距离，单位为m；n为主孔编号，n≥2。
参照图1，根据回采工作面的效果检验和瓦斯抽采达标评判要求，在煤层走向方向上，被主孔5控制的回采工作面始采区域的抽采区域长度不小于300m，即在走向上被主孔5和分支孔6覆盖的抽采区域长度应大于等于300m。
2)铅直方向上的施工层位
鉴于煤层8的成孔性相对较差(特别是松软煤层)，为了确保主孔5的施工长度，主孔5一般布置在煤层顶板岩层上方1～5m处。
3)煤层倾向方向上的施工长度
参照图1，根据采区设计，在煤层倾向方向上，顶板岩巷1布置采区的正中间，煤层顶板定向分支长钻孔的主孔5以顶板岩巷1为对称轴呈对称分布；这种布置方式可以对两侧的回采工作面进行大面积预抽，从而提高了防突效率和效果。
假设顶板岩巷1两侧均有n个回采工作面，各回采工作面所对应的长度(具体为回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和)依次为X1、X2、…、Xn，每个煤柱的宽度均相同，即均为d，那么主孔应穿过第n个回采工作面最外侧巷道(即图1中的回采工作面回风巷3)的外侧轮廓线以外L3以上，L3一般不小于15m；那么主孔5在煤层倾向方向上的施工长度X为：
X＝X0+X1+X2+…+Xn+(n－1)×d+L3；
式中：X0为顶板岩巷与第一个回采工作面间的水平距离，单位为m；X1为第1个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和，单位为m；X2为第2个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和，单位为m；Xn为第n个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和，单位为m；d为煤柱的宽度，单位为m；L3为第n个回采工作面最外侧巷道的外侧轮廓线与抽采控制区域边界线7间的控制宽度，单位为m。
(2)设计分支孔6的施工参数
分支孔6沿着各主孔5两侧呈对称分布，其施工参数主要有走向方向上的施工位置、走向方向上的水平投影长度和倾向方向上的施工间距。
在煤层走向方向上，分支孔6的施工位置与主孔5相同，此处不再累述。
在煤层走向方向上，分支孔6在水平方向的投影长度Y1根据煤层的赋存进行设计，Y1一般为50～100m。
在煤层倾向方向上，两个相邻分支孔6的施工间距L则根据煤层的水力压裂半径r进行设计，L一般不大于水力压裂半径r的2倍，即L≤2r。
步骤2：施工煤层顶板定向分支长钻孔，并对分支孔进行分段水力压裂。
主孔5和分支孔6施工参数设计完成后，按照设计参数进行施工。先施工主孔5，当主孔5施工达到预定深度后，每间隔L从主孔孔底向孔口后退式依次施工分支孔6。
参照图4，为保证瓦斯抽采效果，每间隔若干个分支孔为一个分段，对分支孔6进行分段水力压裂。
步骤3：接入抽采管路9进行瓦斯抽采。
参照图1，将每个回采工作面已施工的煤层顶板定向分支长钻孔接入抽采管路9进行抽采，并单独进行瓦斯抽采量计量，然后根据瓦斯抽采量进行瓦斯抽采达标评判，当工作面抽采区域瓦斯抽采达标后方可进行回采作业。
为实现突出煤层工作面始采区域超前预抽防突，需要确保回采工作面始采区域从煤层顶板定向分支长钻孔开始施工至抽采达标和效果检验合格所需的时间、小于或等于同一回采工作面顶板岩巷施工、抽采钻孔施工、钻孔瓦斯抽采达标时间和煤巷掘进所需的时间总和。其计算公式为：
Ts+Td≤Ty+Tk+Tc+Tm；
式中：Ts为回采工作面始采区域的煤层顶板定向分支长钻孔施工所需时间，单位为“天”；Td为回采工作面始采区域煤层抽采达标和效果检验合格所需时间，单位为“天”；Ty为回采工作面顶板岩巷掘进所需时间，单位为“天”；Tk为回采工作面回风巷以及回采工作面运输巷施工抽采钻孔所需时间，单位为“天”；Tc为回采工作面回风巷以及回采工作面运输巷抽采达标和效果检验合格所需时间，单位为“天”；Tm为回采工作面回风巷、回采工作面运输巷以及回采工作面切眼掘进完成所需时间，单位为“天”。
根据该公式合理控制时间，即可实现突出煤层工作面始采区域的超前预抽防突。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法，其特征在于包括以下步骤：S1、设计煤层顶板定向分支长钻孔；S2、施工煤层顶板定向分支长钻孔，并对其进行分段水力压裂；S3、接入抽采管路(9)进行瓦斯抽采；
步骤S1中，煤层顶板定向分支长钻孔包括主孔(5)和分支孔(6)，分支孔(6)沿着各主孔(5)两侧呈对称分布；
主孔(5)的施工参数包括煤层走向方向上的施工位置、铅直方向上的施工层位以及倾向方向上的施工长度；
其中，在煤层走向方向上，第一个主孔的施工位置L1为：
L1＝Y1+r－L2；
式中：Y1为分支孔控制区域在水平方向投影的长度，单位为m；r为分支孔的水力压裂半径，单位为m；L2为回采工作面切眼的巷道外轮廓线以外的控制宽度，单位为m；
第n个主孔的施工位置Ln为：
Ln＝(Y1+r－L2)+(n－1)×△L；
式中：△L为第n个主孔与其相邻的主孔间的距离，单位为m；n为主孔编号，n≥2；
在煤层倾向方向上，顶板岩巷(1)布置在采区的正中间，主孔(5)以顶板岩巷(1)为对称轴对称分布在顶板岩巷(1)两侧；各主孔(5)在煤层倾向方向上的施工长度X为：
X＝X0+X1+X2+…+Xn+(n－1)×d+L3；
式中：X0为顶板岩巷与第一个回采工作面间的水平距离，单位为m；X1为第1个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和，单位为m；X2为第2个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和，单位为m；Xn为第n个回采工作面的运输巷宽度、切眼长度以及回风巷宽度之和，单位为m；d为煤柱的宽度，单位为m；L3为第n个回采工作面最外侧巷道的外侧轮廓线与抽采控制区域边界线间的控制宽度，单位为m；
步骤S3中，回采工作面始采区域从煤层顶板定向分支长钻孔开始施工至抽采达标和效果检验合格所需的时间、应小于或等于同一回采工作面顶板岩巷施工、抽采钻孔施工、钻孔瓦斯抽采达标时间和煤巷掘进所需的时间总和。
2.根据权利要求1所述的突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法，其特征在于：步骤S1中，在煤层走向方向上，被主孔(5)和分支孔(6)控制的回采工作面始采区域的抽采区域长度不小于300m。
3.根据权利要求1所述的突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法，其特征在于：步骤S1中，主孔(5)在铅直方向上的施工层位为煤层(8)顶板岩层上方1～5m处。
4.根据权利要求1所述的突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法，其特征在于：步骤S1中，在煤层走向方向上，分支孔(6)控制区域在水平方向投影的长度Y1为50～100m。
5.根据权利要求1所述的突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法，其特征在于：步骤S2中，先施工主孔(5)，当主孔(5)施工达到预定深度后，每间隔L从主孔孔底向孔口后退式依次施工分支孔(6)。
6.根据权利要求1所述的突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法，其特征在于：步骤S2中，每间隔若干个分支孔(6)为一个分段，对分支孔(6)进行分段水力压裂。
7.根据权利要求1所述的突出煤层工作面始采区域超前预抽防突方法，其特征在于：步骤S3中，将每个回采工作面已施工的煤层顶板定向分支长钻孔接入抽采管路(9)进行抽采，并单独进行瓦斯抽采量计量，然后根据瓦斯抽采量进行瓦斯抽采达标评判，当回采工作面抽采区域瓦斯抽采达标后方可进行回采作业。
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