CN116084947A - 一种顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法 - Google Patents

一种顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,该方法首先在巷道帮部开设钻场,然后在巷道帮部进行探测孔施工并进行巷道松动圈范围测试,确定巷道松动圈的范围后,进行压裂孔施工和水力压裂,水力压裂增透结束后补打措施孔,待措施孔和压裂孔抽采结束后,完成一个目标煤层工作区段的灾害治理,最后根据最短钻孔超前距离和允许掘进距离,进行下一个目标煤层工作区段的钻孔施工,直至钻孔的总长度能够覆盖整个巷道。该方法能够将巷道掘进过程中的瓦斯与冲击地压灾害进行协同防治,降低了经济费用和时间成本,提升了灾害治理效果,缓解了采掘接续矛盾,保障了矿井安全高效开采。

Description

一种顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法
技术领域
本发明属于矿井灾害防治技术领域,涉及煤矿巷道掘进中的矿井灾害防治,具体涉及一种顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法。
背景技术
我国大多数矿井瓦斯含量高且赋存不稳定,致使巷道掘进过程中两侧煤壁大量释放瓦斯,并在巷道空间积聚,造成局部瓦斯超限,特别是进入深部开采后,煤层处于“三高一扰动”的复杂应力环境中,灾害关联性明显增强,冲击地压诱发瓦斯涌出现象时有发生,严重威胁着煤矿安全高效开采。
在煤层巷道掘进时,为保证作业人员的人身安全和工作效率,通常利用短钻孔进行边掘边抽和拦截抽采,降低煤层瓦斯压力及减少掘进工作段瓦斯涌出量,从而避免发生瓦斯异常涌出或超限现象;针对具有冲击倾向性的煤层,一般在冲击危险区施工大直径卸压钻孔,将煤体应力释放或向深处转移,消除掘进区域应力集中,最终达到防冲的目的。
上述措施虽然能够在一定程度上起到掩护巷道掘进的作用,但是对于高瓦斯低渗煤层而言,通常存在钻孔布置密集、施工周期长、工程量大、抽采效率低等问题。此外,短钻孔掩护范围有限,且钻孔施工和巷道掘进在时间和空间上相互制约,导致巷道掘进速度缓慢。而在冲击地压防治方面,卸压钻孔基于弱化煤体强度和释放集中应力角度,仅考虑卸压半径。由此可见,当前对于矿井瓦斯和冲击地压的防治往往侧重于某一方面,单灾害常规治理模式已无法满足高瓦斯强冲煤层的采掘接续需求,而且还会造成钻孔的浪费,增加矿井灾害防治成本。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足,本发明的目的在于,提供一种顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,解决现有技术中针对巷道掘进中钻孔利用率低以及矿井灾害治理成本高的技术问题。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案予以实现:
一种顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,该方法主要包括如下具体步骤:
步骤一,根据工作区地质条件、钻机型号和钻具摆放,进行钻场设计;
步骤二,根据步骤一设计好的钻场,在巷道帮部开设钻场;
步骤三,完成步骤二中的钻场开设后,进行巷道帮部探测孔施工;
步骤四,完成步骤三中的探测孔钻进后,进行巷道松动圈范围测试;
步骤五,根据步骤四的巷道松动圈范围测试结果,确定巷道松动圈的范围,然后在巷道两侧各施工1个压裂孔;完成压裂孔的施工后,从压裂孔处将水注入到目标煤层中,进行水力压裂煤层增透与致裂弱化;
步骤六,完成步骤五的水力压裂增透后,在压裂孔上下侧施工措施孔,用于瓦斯抽采与煤层卸压,多个措施孔与压裂孔垂向成线并等间距分布;
步骤七,完成步骤六的措施孔施工后,对所有压裂孔和措施孔进行封孔和接抽,结束后,完成一个工作区段的钻孔施工;
步骤八,根据最短钻孔超前距离和允许掘进距离,重复步骤二至七,进行下一个掘进巷道工作区段的钻孔施工,直至钻孔总长度能够覆盖整个巷道。
本发明还具有如下技术特征:
具体的,步骤三中,帮部探测孔的直径不小于42mm。
具体的,步骤五中,所述的压裂孔直径不小于94mm,大于120mm为佳,钻孔长度一般不小于800m。
具体的,所述的措施孔直径不小于94mm,大于120mm为佳,钻孔长度一般不小于800m,覆盖沿煤层层面的距离与压裂孔相同。
具体的,步骤六中,在补打措施孔前,先测定措施孔瓦斯抽采影响半径R1和钻孔卸压半径R2,以R1和R2二者中的较小值的两倍作为压裂孔与措施孔的钻孔间距R。
具体的,步骤八中,所述的最短钻孔超前距离按照如下公式Ⅰ进行计算:
S=VT公式Ⅰ;
式中:
S表示最短钻孔超前距离;
V表示巷道掘进速度;
T表示钻探及压裂工期。
具体的,步骤八中,所述的允许掘进距离按照如下公式Ⅱ进行计算:
D=L-S公式Ⅱ;
式中:
D表示允许掘进距离;
L表示措施孔在巷道掘进方面上的投影长度;
S表示最短钻孔超前距离。
具体的,所述的措施孔和压裂孔的主孔段位于巷道松动圈外2m处。
本发明与现有技术相比,具有如下有益的技术效果:
(Ⅰ)本发明的一种顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,首先在巷道帮部开设钻场,然后在巷道两侧帮部进行探测孔施工并进行巷道松动圈范围测试,确定巷道松动圈的范围后,进行压裂孔钻探和水力压裂施工,水力压裂结束后实施措施孔,待完成所有钻孔封孔和接抽结束后,完成一个目标煤层工作区段的钻孔施工,最后根据最短钻孔超前距离和允许掘进距离,进行下一个目标煤层工作区段的钻孔施工,直至钻孔的总长度能够覆盖整个巷道。
通过上述过程,使得定向长钻孔的优点与水力压裂技术相结合,通过措施孔将高压水注入煤层,能够促使煤体产生新裂隙,同时促进原生孔隙及裂隙扩张、延伸和贯穿,增强空隙连通性,形成三维立体高渗裂隙网络结构,降低瓦斯运移难度;当压裂液进入到煤体空隙中时,水分子与甲烷分子存在竞争吸附现象,由于水分子的吸附能力高于甲烷分子,故外加水分能够促进瓦斯解吸,宏观表现为水力驱替效应;由上述分析可知,水力压裂能够扩大钻孔有效抽采范围,缩短抽采时间。同时,水具有软化煤体的作用,经水力压裂后,煤体强度降低,应力集中减弱,冲击倾向性减小,使得压裂孔(3)实现防冲卸压、瓦斯抽采一体化,提高了钻孔利用率,减少了灾害治理成本。
此外,在上述过程中,当巷道迎头掘进至距孔底一定距离时,在巷道帮部再次开设钻场,施工顺层长钻孔,交替掩护巷道快速掘进,能够避免打钻及水力压裂施工与巷道掘进在时间和空间上的矛盾,实现了边掘边抽。
综合上述分析可知,该方法能够将巷道掘进过程中的瓦斯与冲击地压灾害进行协同防治,降低了经济费用和时间成本,提升了灾害治理效果,缓解了采掘接续矛盾,保障了矿井安全高效开采。
(Ⅱ)较短钻孔而言,本发明采用的顺层“双防”长钻孔的影响范围较大,不仅能够掩护巷道快速掘进,而且减轻了工作面回采前和回采中的瓦斯抽采负担,能够进一步起到减本增效的作用,保证矿井安全高效开采。
(Ⅲ)较短钻孔而言,本发明采用的顺层“双防”长钻孔的布孔数量少,掩护距离长,配合带有随钻测量系统的定向钻机,在钻进过程中能够实现对钻孔层位的准确定位和钻孔轨迹的坐标管理,较短钻孔而言,定向长钻孔。
附图说明
图1为措施孔和压裂孔的布设示意图。
图2为目标煤层的俯视图。
图3为目标煤层的剖视图。
图中各标号的含义为:1-钻场,2-巷道松动圈,3-压裂孔,4-目标煤层,5-措施孔,6-巷道。
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
具体实施方式
本发明中:
“顺层”的含义为:沿着煤层进行巷道掘进和钻孔施工。
“双防”的含义为:协同防治巷道掘进过程中的瓦斯与冲击地压灾害。
“长钻孔”指的是压裂孔3和措施孔5。
允许掘进距离则是指在措施覆盖范围内允许巷道掘进的最小距离值。
钻孔超前距指的是巷道掘进末端与措施孔末端在巷道中心线投影之间的距离,最短钻孔超前距则是指该距离需要满足的最小距离值。
需要说明的是,本发明中的所有用到的探测仪器,在没有特殊说明的情况下,均采用本领域已知的探测仪器。
遵从上述技术方案,以下给出本发明的具体实施例,需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例,凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例:
本实施例给出一种顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,如图1至图3所示,该方法具体包括以下步骤:
步骤一,根据工作区地质条件、钻机型号和钻具摆放,进行钻场(1)设计。
本实施例中,煤层工作段的地质勘探数据主要包括工作段顶底板标高、岩性、煤层埋深、厚度和坚固性系数,巷道设计数据主要包括巷道的空间设计位置。设计时需要避开地质构造带,钻场1空间需满足定向钻机放置和正常施工,且符合防冲和通风等要求。
步骤二,根据步骤一设计好的钻场1,在巷道帮部开设钻场1。本实施例中,钻场1深度小于6.0m,钻场1高度与巷道高度一致。
步骤三,完成步骤二中的钻场1开设后,进行巷道帮部探测孔施工。本实施例中,探测孔在帮部开孔沿垂直巷道方向钻进,钻孔直径不小于42mm。
步骤四,完成步骤三中的水平探测孔钻进后,进行巷道松动圈范围测试,根据水平探测孔周围煤体的变形破坏程度,确定巷道松动圈2的范围。
本实施例中,巷道松动圈范围测试采用现有技术中已知的全景数字式钻孔窥视仪。
本实施例中,压裂孔3和措施孔5的主孔段位于巷道松动圈2外约2m,为避免孔内积水,影响瓦斯抽采效果,钻孔尽量为上行孔或近水平钻孔,施工过程中,利用随钻判识等技术,随时掌握并及时调整钻孔与煤层的层位关系,控制钻孔沿煤层钻进。
步骤五,根据步骤四的巷道松动圈范围测试结果,确定巷道松动圈2的范围,然后在巷道两侧各施工1个压裂孔,钻孔间距为L;完成压裂孔3的施工后,从压裂孔3处将水注入到目标煤层中,进行水力压裂煤层增透与致裂弱化。
本实施例中,压裂孔3的施工沿巷道掘进方向进行,钻孔长度由钻机性能和施工区地质条件决定,一般不小于800m;同时为了兼顾抽采和防冲两个方面,压裂孔3采用大直径钻孔,压裂孔直径不小于94mm,大于120mm为佳,压裂孔3的开孔位置距底板1m以上。
本实施例中,由于压裂孔3打钻成孔所产生的裂隙数量、体积及连通性,对煤层瓦斯抽采和煤体卸压的影响相当有限,以高压水作为动力,大排量的注入到目标煤层中,能够克服煤层破裂应力,形成复杂网状裂隙系统,促使煤层卸压增透与致裂弱化。
本实施例中,水力压裂施工采用后退式分段水力压裂与整体压裂相结合的方式对煤体进行卸压增透,在应力集中区增大泵注压力,但不宜过高,尽可能使孔周煤体“裂而不碎”;压裂液中加入润湿剂,增加煤层含水率,提升煤体软化效果。
本实施例中,进行水力压裂增透时,需要控制泵注压力和排量,使得水力压裂影响半径不小于0.5L,水力压裂影响半径可采用孔内瞬变电磁法、全水分测试等方法进行测定。为避免出现孔间压裂盲区,相邻压裂孔3的压裂坐封位置相互交错,当某一个压裂孔3的邻近压裂孔3出现大量返水现象时,则结束该压裂孔3水力压裂增透施工。
步骤六,完成步骤五的水力压裂增透后,测定压裂孔瓦斯抽采影响半径R1和钻孔卸压半径R2,以R1和R2二者中的较小值的两倍作为压裂孔与措施孔的钻孔间距R。措施孔5位于压裂孔3的上下侧,多个措施孔5与压裂孔垂向成线并等间距分布。
本实施例中,测定压裂孔瓦斯抽采影响半径R1采用现有技术中已知的瓦斯压力降低法或瓦斯流量测试法,测定钻孔卸压半径R2采用现有技术中已知的应力降低法或电磁辐射法。
本实施例中,措施孔5用于瓦斯抽采与煤层卸压,钻孔长度和钻进方向同压裂孔3一致,压裂孔3与措施孔5呈列布置,形成钻墙,钻墙高度大于巷道高度,该钻墙实现了瓦斯拦截与煤体卸压一体化。
步骤七,完成步骤六的措施孔5施工后,对所有措施5进行封孔和接抽,封孔和接抽结束后,完成一个目标煤层工作区段的钻孔施工。
本实施例中,封孔方式采用现有技术中已知的“两堵一注”方式,为避免抽采期间钻孔漏气,将钻孔破裂膨胀趋缓区作为封孔末端。
步骤八,根据最短钻孔超前距离和允许掘进距离,重复步骤二至七,进行下一个目标煤层工作区段的钻孔施工,直至钻孔的总长度能够覆盖整个巷道;所述的最短钻孔超前距离按照如下公式Ⅰ进行计算:
S=VT公式Ⅰ;
式中:
S表示最短钻孔超前距离;
V表示巷道掘进速度;
T表示钻探及压裂工期。
本实施例中,为了满足开设钻场和施工钻孔的时间需求,最终将允许掘进距离按照如下公式Ⅱ进行计算:
D=L-S公式Ⅱ;
式中:
D表示允许掘进距离;
L表示措施孔在巷道掘进方面上的投影长度;
S表示最短钻孔超前距离。

Claims (8)

1.一种顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,其特征在于,该方法主要包括如下具体步骤:
步骤一,根据工作区地质条件、钻机型号和钻具摆放,进行钻场(1)设计;
步骤二,根据步骤一设计好的钻场(1),在巷道帮部开设钻场(1);
步骤三,完成步骤二中的钻场(1)开设后,进行巷道帮部探测孔施工;
步骤四,完成步骤三中的探测孔钻进后,进行巷道松动圈范围测试;
步骤五,根据步骤四的巷道松动圈范围测试结果,确定巷道松动圈(2)的范围,然后在巷道两侧各施工1个压裂孔(3);完成压裂孔(3)的施工后,从压裂孔(3)处将水注入到目标煤层(4)中,进行水力压裂煤层增透与致裂弱化;
步骤六,完成步骤五的水力压裂增透后,在压裂孔(3)上下侧施工措施孔(5),用于瓦斯抽采与煤层卸压,多个措施孔(5)与压裂孔垂向成线并等间距分布;
步骤七,完成步骤六的措施孔(5)施工后,对所有压裂孔(3)和措施孔(5)进行封孔和接抽,结束后,完成一个工作区段的钻孔施工;
步骤八,根据最短钻孔超前距离和允许掘进距离,重复步骤二至七,进行下一个掘进巷道工作区段的钻孔施工,直至钻孔总长度能够覆盖整个巷道(6)。
2.如权利要求1所述的顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,其特征在于,步骤三中,帮部探测孔的直径不小于42mm。
3.如权利要求1所述的顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,其特征在于,步骤五中,所述的压裂孔直径不小于94mm,大于120mm为佳,钻孔长度由钻机性能和施工区地质条件决定,一般不小于800m。
4.如权利要求3所述的顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,其特征在于,所述的措施孔直径不小于94mm,大于120mm为佳,钻孔长度由钻机性能和施工区地质条件决定,一般不小于800m,覆盖沿煤层层面的距离与压裂孔相同。
5.如权利要求1所述的顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,其特征在于,步骤六中,在补打措施孔(5)前,先测定压裂孔瓦斯抽采影响半径R1和钻孔卸压半径R2,以R1和R2二者中的较小值的两倍作为压裂孔与措施孔的钻孔间距R。
6.如权利要求1所述的顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,其特征在于,步骤八中,所述的最短钻孔超前距离按照如下公式Ⅰ进行计算:
S=VT公式Ⅰ;
式中:
S表示最短钻孔超前距离;
V表示巷道掘进速度;
T表示钻探及压裂工期。
7.如权利要求1所述的顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,其特征在于,步骤八中,所述的允许掘进距离按照如下公式Ⅱ进行计算:
D=L-S公式Ⅱ;
式中:
D表示允许掘进距离;
L表示措施孔在巷道掘进方面上的投影长度;
S表示最短钻孔超前距离。
8.如权利要求1所述的顺层“双防”长钻孔交替掩护煤巷快速掘进方法,其特征在于,所述的压裂孔(3)和措施孔(5)的主孔段位于巷道松动圈(2)外2m处。
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