CN116556966B - 一种精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿煤与瓦斯突出灾害治理技术领域，具体是一种精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法。包括：S1在有效消突允许掘进范围内，掘进本煤层；S2在已掘进的巷道中施工钻场；S3在钻场中向围岩层施工钻孔；S4进行瓦斯抽采，根据瓦斯抽采效果对抽采效果进行评价，确定允许掘进安全距离；S5瓦斯抽采结束后，在本煤层施工巷道继续掘进一段安全距离后停止掘进；S6重复步骤S2‑S5继续掘进巷道，直至设计位置。本发明结合煤与瓦斯突出溯源，针对煤巷掘进工作面煤与瓦斯突出动力源（围岩瓦斯），精准地采取消除突出的措施方法，达到更快、更好消除煤巷掘进瓦斯突出，实现条带消突的目的。
Description
技术领域
本发明属于煤矿煤与瓦斯突出灾害治理技术领域，具体是一种精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法。
背景技术
煤与瓦斯突出，是煤系地层被封闭的瓦斯地质体受到采掘工程动力干扰而引发的一种矿井动力现象，是煤矿井下生产的重大灾害之一。煤与瓦斯突出灾害往往造成群死群伤严重事故，还给煤炭企业带来巨大的经济损失，甚至造成煤尘和瓦斯爆炸、火灾等次生事故发生。瓦斯灾害不仅在煤矿事故中所占的比例高，而且危害性也最大。
国内外学者开展了大量的物理模拟实验，但至今煤与瓦斯突出机理仍处于假说阶段。本申请人的工程技术人员将该项研究从煤层扩展到煤系地层，提出了煤与瓦斯突出必须具备的三个条件：形成封闭的瓦斯地质体；有瓦斯弹性能量积聚；采掘活动扰动造成封闭破坏。在此基础上提出了煤与瓦斯突出类型划分和突出区域分布，即围岩瓦斯突出，临近煤层瓦斯突出，地质异常区域瓦斯突出。围岩瓦斯突出又分为煤层顶部围岩瓦斯突出和煤层底部围岩瓦斯突出。
在煤系地层沉积为生储盖条件下，围岩瓦斯属下生上储，就近运移。煤系地层岩储层为砂岩、灰岩，岩储层中有空隙，可以储存瓦斯；在封闭条件下有压力，其原始压力等于水压。本申请人的工程技术人员首次提出围岩瓦斯可以造成煤层煤与瓦斯突出，为防止生储盖沉积为主的煤系地层煤与瓦斯突出指明了靶向。
发明人经过开展防突新技术、新装备、新工艺的研究，通过围岩瓦斯突出溯源认为：煤与瓦斯突出矿井，煤系地层为生储盖沉积，由煤层打钻至岩储层，瓦斯压力≥0.5MPa，抽采瓦斯流量≥0.35m3/min，就具备了围岩瓦斯突出条件，就必须抽采围岩瓦斯,防治围岩瓦斯突出。抽采围岩瓦斯, 防治煤与瓦斯突出主要是井下钻孔法。
对于精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的防治技术方法，本领域并未有过相关的技术研究。煤巷掘进容易发生煤与瓦斯突出事故的问题，因突出机理不明确，防突措施无针对性，仅靠“以岩巷保煤巷”“多打岩巷多打钻”瓦斯治理理念指导，防治投入大、周期长、效果不理想，突出事故时有发生。以往认为消除突出的对象是开采煤层，具体采取的预抽煤层瓦斯区域防突措施，分为：地面井预抽煤层瓦斯、井下穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、定向长钻孔预抽煤巷条带瓦斯等，均是针对煤巷掘进煤层采取消突措施。
传统煤巷道掘进是“以岩巷保煤巷”，如图1所示，首先在煤巷的顶板或底板施工岩巷3，在岩巷3中施工预抽采钻场2，预抽采钻场2向本煤层1施工钻孔进行瓦斯抽采。因此在掘进本煤层巷道的同时，还需要施工岩巷，大大增加了生产成本。
以回采距离1000米的工作面为例，设计工作面回采巷道以外，需增加2000余米岩巷，成本增加数千万元，岩巷施工效率低，给矿井有序衔接造成极大困难。其次，防突措施仅针对本煤层开展，抽采消突方法单一，无法解决顶、底板围岩瓦斯突出问题，无法有效解决煤与瓦斯突出问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法。
本发明采取以下技术方案：一种精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法，包括：
S1：在有效消突允许掘进范围内，掘进本煤层；
S2：在已掘进的巷道中施工钻场；
S3：在钻场中向围岩层施工钻孔；
S4：进行瓦斯抽采，根据瓦斯抽采效果对抽采效果进行评价，确定允许掘进安全距离；
S5：瓦斯抽采结束后，在本煤层施工巷道继续掘进一段安全距离后停止掘进；
S6：重复步骤S2-S5继续掘进巷道，直至设计位置。
在一些实施例中，步骤S1中：有效消突允许掘进范围为根据以往煤与瓦斯突出防治措施、效果评价及分析，确定允许掘进范围。如消突措施不足，在巷道开口处进行第一循环的煤与瓦斯突出防治。
在一些实施例中，步骤S2中：钻场设置在已掘巷道的巷帮一侧或两侧，优先考虑布置在掘进巷道靠工作面一侧的巷帮上。
在一些实施例中，步骤S3包括：
S31：收集巷道附近地质资料，推测可能存在的煤与瓦斯突出薄弱点，确定终孔位置；
S32：确定钻孔方向；
S33：确定钻孔长度；
S34：确定钻孔孔径；
S35：确定钻孔个数；
S36：打钻施工。
在一些实施例中，步骤S31中：终孔位置设置在断层处，以及煤厚、煤层倾角、煤层顶板至围岩底板层间距变化处。
在一些实施例中，步骤S32中：钻孔穿透岩储层，并且钻孔垂直于岩储层裂隙。
在一些实施例中，步骤S33中：依据钻场间距，最远钻孔在平面的投影长度等于或超过两个钻场之间的间距。
在一些实施例中，步骤S34中：钻孔孔径≥65mm；钻孔封孔长度≥8m，若岩层破碎或围岩瓦斯压力≥0.7MPa，钻孔封孔长度≥12m。
在一些实施例中，步骤S36包括：
S361：打钻现场安全设施准备；围岩瓦斯一般赋存在砂岩、灰岩中，煤系地层砂岩、灰岩为含水层。因此打钻前要做好水沟、水窝，备好排水设备，完善排水系统。同时，应采取合理可靠的防治水措施，防止瓦斯钻孔施工期间造成钻孔导通强含水层或导水构造，造成水害意外事故。
S362：打钻施工前基础工作准备；要悬挂好瓦斯监测仪表、探头，打钻人员应站在进风流一侧，做好安全防护。钻探记录要有开孔角度（方位角、倾角）、孔深、岩性情况、出水情况、班进情况、孔口管情况、耐压试验情况、瓦斯情况、发现问题等。
S363：现场标定钻孔方位、倾角；打钻前由测工挂线，定方位角及倾角。
S364：围岩瓦斯参数测试；
钻孔围岩瓦斯参数测试主要内容有瓦斯压力、瓦斯浓度、抽采流量等。矿井本身能测试的围岩瓦斯参数，瓦斯压力可通过压力表测试，围岩瓦斯浓度一般高于30%，围岩瓦斯单孔抽采量在达到裂隙带也高于煤层。
S365：补强钻孔设计及施工。
围岩瓦斯具有煤层瓦斯不一样的特点，围岩瓦斯以游离为主，吸附为辅；围岩瓦斯浓度高，普遍高于30%；围岩瓦斯流动性好，补给性强等。因此钻孔流量大的地点，往往是裂隙发育的地点，为了增大抽采强度，所以要在钻孔流量大的钻孔附近补孔。在断层处，煤巷煤层厚度变化处、倾角变化处等煤与瓦斯容易突出部位时，增加补强钻孔。
同时，当施工的钻孔抽采纯瓦斯流量大于0.15 m3/min时，在该钻孔一侧增加补强钻孔；当施工的钻孔抽采纯瓦斯流量大于0.25 m3/min时，在该钻孔两侧增加补强钻孔；当施工的钻孔抽采纯瓦斯流量大于0.35 m3/min时，需研判后再加孔。
在一些实施例中，步骤S4包括：在本循环抽采钻孔瓦斯压力、流量全部达到要求，即瓦斯剩余压力小于0.2MPa，单孔抽采纯瓦斯流量小于0.1 m3/min时，确认本循环瓦斯抽采达到设计标准，可以安全掘进，允许掘进距离为最远钻孔在平面的投影长度减去防突措施超前距。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明突破了煤与瓦斯突出防治措施仅仅针对开采煤层进行措施治理的局限性。结合煤与瓦斯突出溯源，针对煤巷掘进工作面煤与瓦斯突出动力源（围岩瓦斯），精准地采取消除突出的措施方法，达到更快、更好消除煤巷掘进瓦斯突出，实现条带消突的目的。实现煤巷掘进时煤与瓦斯突出的有效消突，彻底解决煤与瓦斯突出对煤巷掘进工作面的安全威胁；实现成本节约，减少底板岩巷施工、煤层防突措施钻工施工等不必要的投入；为矿井“四量”平衡，抽、采、掘有序衔接的实现，解决了技术瓶颈。
附图说明
图1为现有巷道掘进瓦斯抽采示意图；
图2为本发明瓦斯抽采示意图；
图3为本发明的流程图；
图中1-本煤层，2-预抽采钻场，3-岩巷，4-钻孔，5-围岩层，6-巷道。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
如图2、3所示，一种精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法，包括：
S1：在本煤层施工巷道，巷道掘进一定距离后停止掘进；
初始的掘进距离为根据以往煤与瓦斯突出防治措施、效果评价及分析，确定允许掘进范围。如消突措施不足，在巷道开口处进行第一循环的煤与瓦斯突出防治。
S2：在已掘进的巷道中施工钻场，钻场设计在已掘巷道的巷帮一侧或两侧，优先考虑布置在掘进巷道靠工作面一侧的巷帮上。
钻场依据掘进煤巷巷道断面、支护情况、钻机尺寸及打钻要求、顶底板岩储层岩性、掘进进尺要求等进行设计，钻场布置结合采掘进度需要，布置在采掘工作面抽采安全范围内。
钻场之间的距离根据消突设计、施工及评价距离确定，预留30m安全距离；
如果消突设计、施工及评价距离均为100米，预留30m安全距离，最大允许掘进为70m，
掘进至允许掘进位置必须停止掘进，设计并施工下一循环的围岩瓦斯抽采钻场；
如此循环，在消突措施到位、允许安全掘进的范围内掘进煤层巷道，直至完成整条巷道的掘进施工。
S3：在钻场中向围岩层施工钻孔。
步骤S3包括：
S31：收集巷道附近地质资料，推测可能存在的煤与瓦斯突出薄弱点，确定终孔位置；终孔位置设置在断层处，以及煤厚、煤层倾角、煤层顶板至围岩底板层间距变化处。
S32：确定钻孔方向；依据煤巷掘进工作面柱状图，钻孔设计必须穿透岩储层。依据岩层裂隙玫瑰花图，钻孔应垂直于岩储层裂隙。
S33：确定钻孔长度；依据钻场间距，最远钻孔在平面的投影长度等于或超过两个钻场之间的间距。
S34：确定钻孔孔径；钻孔孔径≥65mm，一般取直径65 mm、75 mm或94mm的施工钻头；钻孔封孔长度≥8m，若岩层破碎或围岩瓦斯压力≥0.7MPa，钻孔封孔长度≥12m。
S35：确定钻孔个数；抽采钻孔控制煤巷及外侧至少20m，依据允许掘进进尺、和抽采半径确定钻孔个数，一般设计3-6个。钻孔方向一律朝掘进方向，按岩层裂隙玫瑰花图布置。如无玫瑰花图，可均匀布置。
按照如下公式计算具体钻孔数：
式中:n—钻孔个数;
B—抽采控制帮距，m；
a—巷道宽度，m；
r—抽采半径，m；
k—抽采安全保障系数，取值范围1-1.5。
S36：打钻施工。围岩瓦斯一般赋存在砂岩、灰岩中。煤系地层砂岩、灰岩为含水层。在含水层有水又有气的情况下，打钻先下水，水疏干后气才下来，所以既要准备好排水设备，又要考虑瓦斯检测、监测。
S361：打钻现场安全设施准备；围岩瓦斯一般赋存在砂岩、灰岩中，煤系地层砂岩、灰岩为含水层。因此打钻前要做好水沟、水窝，备好排水设备，完善排水系统。同时，应采取合理可靠的防治水措施，防止瓦斯钻孔施工期间造成钻孔导通强含水层或导水构造，造成水害意外事故。
S362：打钻施工前基础工作准备；要悬挂好瓦斯监测仪表、探头，打钻人员应站在进风流一侧，做好安全防护。钻探记录要有开孔角度（方位角、倾角）、孔深、岩性情况、出水情况、班进情况、孔口管情况、耐压试验情况、瓦斯情况、发现问题等。
S363：现场标定钻孔方位、倾角；打钻前由测工挂线，定方位角及倾角。
S364：围岩瓦斯参数测试；钻孔围岩瓦斯参数测试主要内容有瓦斯压力、瓦斯浓度、抽采流量等。矿井本身能测试的围岩瓦斯参数，瓦斯压力可通过压力表测试，围岩瓦斯浓度一般高于30%，围岩瓦斯单孔抽采量在达到裂隙带也高于煤层。
S365：补强钻孔设计及施工。
围岩瓦斯具有煤层瓦斯不一样的特点，围岩瓦斯以游离为主，吸附为辅；围岩瓦斯浓度高，普遍高于30%；围岩瓦斯流动性好，补给性强等。因此钻孔流量大的地点，往往是裂隙发育的地点，为了增大抽采强度，所以要在钻孔流量大的钻孔附近补孔。在断层处，煤巷煤层厚度变化处、倾角变化处等煤与瓦斯容易突出部位时，增加补强钻孔。
在钻孔流量大的钻孔附近补孔，在断层处，煤巷煤层厚度变化处、倾角变化处增加补强钻孔；
当施工的钻孔抽采纯瓦斯流量大于0.15 m3/min时，在该钻孔一侧增加补强钻孔；
当施工的钻孔抽采纯瓦斯流量大于0.25 m3/min时，在该钻孔两侧增加补强钻孔；
当施工的钻孔抽采纯瓦斯流量大于0.35 m3/min时，研判后再加孔。
S4：进行瓦斯抽采，根据瓦斯抽采效果对抽采效果进行评价，确定允许掘进安全距离。
在本循环抽采钻孔瓦斯压力、流量全部达到要求，即瓦斯剩余压力小于0.2MPa，单孔抽采纯瓦斯流量小于0.1 m3/min时，确认本循环瓦斯抽采达到设计标准，可以安全掘进，允许掘进距离为最远钻孔在平面的投影长度减去防突措施超前距，最小防突措施超前距取20m。
S5：瓦斯抽采结束后，重复步骤S1-S4继续掘进巷道，直至设计位置。
根据申请人提出的新的煤与瓦斯突出机理，煤层瓦斯没有封闭，就不会造成煤与瓦斯突出。煤层瓦斯预抽解决不了煤与瓦斯突出的根本问题。经过围岩煤与瓦斯突出溯源，本申请人改变了煤与瓦斯突出抽采消突对象，变开采煤层为围岩，确定正确的治理靶向为围岩瓦斯，采取更有针对性且行之有效的消除煤巷掘进煤与瓦斯突出防治方法。本申请只需要在本煤层掘进时对围岩瓦斯储层进行抽采，不需要预先掘进顶底板岩巷，大大降低瓦斯防治成本、提高瓦斯抽采效率、解决采掘衔接接续困难问题，彻底解决煤与瓦斯突出防治困难问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法，其特征在于，包括：
S1：在有效消突允许掘进范围内，掘进本煤层施工巷道；
S2：在已掘进的巷道中施工钻场；
S3：在钻场中向围岩层施工钻孔；
步骤S3包括：
S31：收集巷道附近地质资料，推测可能存在的煤与瓦斯突出薄弱点，确定终孔位置；
步骤S31中：
终孔位置设置在断层处，以及煤厚、煤层倾角、煤层顶板至围岩底板层间距变化处；
S32：确定钻孔方向；
S33：确定钻孔长度；
S34：确定钻孔孔径；
S35：确定钻孔个数；
按照如下公式计算具体钻孔数：
式中:n—钻孔个数；
B—抽采控制帮距，m；
a—巷道宽度，m；
r—抽采半径，m；
k—抽采安全保障系数，取值范围1-1.5；
S36：打钻施工；
S4：进行瓦斯抽采，根据瓦斯抽采效果对抽采效果进行评价，确定允许掘进安全距离；
S5：瓦斯抽采结束后，在本煤层施工巷道继续掘进一段安全距离后停止掘进；
S6：重复步骤S2-S5继续掘进巷道，直至设计位置。
2.根据权利要求1所述的精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法，其特征在于，所述步骤S1中：有效消突允许掘进范围为根据以往煤与瓦斯突出防治措施、效果评价及分析，确定允许的掘进距离；如果消突措施不足，在巷道开口处进行第一循环的煤与瓦斯突出防治。
3.根据权利要求1所述的精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法，其特征在于，所述步骤S2中：钻场设置在已掘巷道的巷帮一侧或两侧。
4.根据权利要求1所述的精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法，其特征在于，所述步骤S32中：钻孔穿透岩储层，并且钻孔垂直于岩储层裂隙。
5.根据权利要求1所述的精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法，其特征在于，所述步骤S33中：依据钻场间距，最远钻孔在平面的投影长度等于或超过两个钻场之间的间距。
6.根据权利要求1所述的精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法，其特征在于，所述步骤S34中：钻孔孔径≥65mm；钻孔封孔长度≥8m，若岩层破碎或围岩瓦斯压力≥0.7MPa，钻孔封孔长度≥12m。
7.根据权利要求1所述的精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法，其特征在于，所述步骤S36包括：
S361：打钻现场安全设施准备；
S362：打钻施工前基础工作准备；
S363：现场标定钻孔方位、倾角；
S364：围岩瓦斯参数测试；
S365：补强钻孔设计及施工；
在钻孔流量大的钻孔附近补孔，在断层处，煤巷煤层厚度变化处、倾角变化处增加补强钻孔；
当施工的钻孔抽采纯瓦斯流量大于0.15 m3/min时，在该钻孔一侧增加补强钻孔；
当施工的钻孔抽采纯瓦斯流量大于0.25 m3/min时，在该钻孔两侧增加补强钻孔；
当施工的钻孔抽采纯瓦斯流量大于0.35 m3/min时，研判后再加孔。
8.根据权利要求1所述的精准消除煤巷掘进煤与瓦斯突出的巷道掘进方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
在本循环抽采钻孔瓦斯剩余压力小于0.2MPa，单孔抽采纯瓦斯流量小于0.1 m3/min时，确认本循环瓦斯抽采达到设计标准，能够安全掘进，允许掘进距离为最远钻孔在平面的投影长度减去防突措施超前距。
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