一种高瓦斯煤层工作面钻采预抽瓦斯方法

摘要

一种高瓦斯煤层工作面钻采预抽瓦斯方法，属于煤层钻采预抽瓦斯方法。在煤层中先钻采一层极薄煤层进行卸压增透，在首采工作面上下顺槽均布置螺旋钻机钻采本工作面和下一工作面，钻采开挖使得钻采孔周围岩层产生松动以及裂隙发育并在套管保护作用下结合抽采管使用高水充填材料将钻采孔与抽采管之间缝隙充填后形成钻采抽采同心孔，待工作面上下顺槽所有同心孔布置完成后便可实施钻采预抽瓦斯；钻采极薄煤层使得钻采孔孔口周围应力集中围岩发生塑性变形后导致裂隙发育故使得煤层瓦斯的吸附能力下降，通过理论计算得瓦斯稀释有效半径为钻采孔半径的5倍。该首采高瓦斯煤层的开采方法可靠，工艺简单，便于实现首采高瓦斯煤层的安全开采。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层钻采预抽瓦斯方法，特别是一种高瓦斯煤层工作面钻采预抽瓦斯方法。

背景技术

经过多年高强度开采，浅层煤炭资源逐步枯竭，煤炭开采进入深部，尤其是经济相对发达的中东部矿区，主力矿井已发展到中后期，主体开采深度已达800m以上，局部开采深部已达1500m。由于开采深度大，地应力、瓦斯压力和含量大，矿井发生煤与瓦斯突出、冲击矿压等动力灾害事故的可能性增加，已成为制约深部煤炭资源安全开采亟需解决的关键问题。而采用先采瓦斯压力小、含量低、危险程度低的薄煤层保护层，卸压上下被保护煤层的高应力、解析低透气性煤层吸附瓦斯，已被开采实践证明为安全高效开采深部煤层群的一种有效手段。传统意义上的保护层开采使得大量卸压瓦斯涌入保护层工作面，极易造成瓦斯超限或者其他瓦斯事故，且《煤矿安全规程》第一百九十八条规定，开采近距离保护层时，必须采取措施严防被保护层初期卸压的瓦斯突然涌入保护层工作面。而采用螺旋钻采极薄保护层能够有效解决传统保护层开采导致卸压瓦斯涌入被保护层的问题，为解决保传统护层开采所带来的问题，发明一种高瓦斯煤层工作面钻采预抽瓦斯方法。

发明内容

本发明的目的是要提供一种高瓦斯煤层工作面钻采预抽瓦斯方法，解决传统保护层开采过程中卸压初期大量瓦斯涌入保护层工作面造成的严重事故的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明方法的技术方案：首采工作面上下顺槽螺旋钻机布置方法和抽采孔的布置方法；

即在首采工作面上下顺槽均布置螺旋钻机钻采本工作面和下一工作面的一层极薄煤层进行卸压增透，钻采开挖使得钻采孔周围岩层产生松动以及裂隙发育，因此在钻采孔中间位置先埋设抽采管并在套管保护作用下使用高水充填材料将钻采孔与抽采管之间缝隙充填后形成钻采抽采同心孔，待工作面上下顺槽所有同心孔布置完成后便可实施钻采预抽瓦斯。

所述的上下顺槽螺旋钻机布置方法：

(1)首采工作面上下顺槽均布置螺旋钻钻采极薄煤层；

(2)上顺槽只布置螺旋钻机钻采本工作面；

(3)下顺槽布置螺旋钻机，一方面钻采本工作面；另一方面也钻采下工作面；

(4)对下一工作面的掘进起到了掩护作用；

(5)上下顺槽钻机的布置为抽采孔的布置提供了场所。

(6)其他工作面依此方法进行布置螺旋钻机的布置，形成高瓦斯煤层工作面预抽瓦 斯方法。

所述的抽采孔布置方法：

(1)钻采之后形成钻采孔；

(2)围岩状态稳定后，清理钻采孔中的少量残存的浮煤，并根据螺旋钻采时的深度和角度，在钻采孔中间位置前期先埋设瓦斯抽采管道，并下设套管；

(3)在套管保护作用下，使用高水充填材料将钻采孔与抽采管之间缝隙充填后形成钻采抽采同心孔；

(4)同心孔的布置形成了高瓦斯煤层工作面安全高效开采方法。

钻采预抽瓦斯方法，具体开采步骤如下：

步骤一：在首采工作面上下顺槽布置螺旋钻机，为了安全钻进，首采工作面倾斜长度一般要求小于120m；在工作面上顺槽布置钻机向本工作面钻进40m，在工作面下顺槽布置钻机一方面向本工作面钻进80m，另一方面向下一工作面钻进不小于40m，钻孔之间的距离为2～3m；这种布置方式的优点在于能够掩护下一工作面掘进期间的安全。

步骤二：根据步骤一的相关设计规定，在高瓦斯煤层工作面上下顺槽，采用螺旋钻采煤机钻采0.3m左右的极薄煤层，为了能够形成抽采质量较好的同心孔，在螺旋钻周围并布置高水充填设备及时进行充填；

步骤三：螺旋钻采过后，钻孔周围岩层应力重新分布。经过计算，沿钻采孔半径方向环向正应力的影响范围大约为ρ＝5a，式中，a为钻采孔半径，瓦斯释放有效半径大约为5倍的钻采孔半径；

步骤四：钻采之后清理钻采孔中的少量残存的浮煤，并根据螺旋钻采时的深度和角度，前期先埋设瓦斯抽采管道；

步骤五：根据钻采孔的大小，安装套管保护瓦斯抽采管，安装时短节之间丝扣要夹生料带并拧紧，以防止充填时发生钻孔漏浆且套管外露长度不能大于100mm；

步骤六：使用高水材料，快速加固套管并充填瓦斯抽采管与套管、套管与钻采孔之间的缝隙；

步骤七：充填完成后即瓦斯抽采管与前期开挖的钻采孔形成了同心孔，进行瓦斯抽采。

由于采用了上述方案：首先在工作面上下顺槽布置螺旋钻机钻采0.3m极薄煤层进行卸压，并在钻采孔的基础上下套管并利用充填技术布置同心抽采孔。因此对首采高瓦斯煤层的开采提供了可靠的基础支持。一般螺旋钻钻头直径为80cm，所以钻采孔周围半径为2m范围瓦斯抽采效果更好，工艺简单，便于实现首采高瓦斯煤层的安全开采。解决了传统保护层开采过程中卸压初期大量瓦斯涌入保护层工作面造成的严重事故的问题，达到了本发明的目的。

优点：

1、避免了传统保护层开采卸压初期大量瓦斯涌入保护层工作面造成的严重事故。

2、对于深部高瓦斯煤层，采用钻采孔与抽采孔同心布置方式由于钻采孔周围围岩发生塑性变形产生裂隙故更加有利于煤层瓦斯的释放抽采。

3、钻采孔与抽采孔同心布置，大大减少了工程量且节约了生产成本。

4、本工作面下顺槽向下一工作面钻采，可以有效释放下一工作面的瓦斯，确保下一工作面上顺槽掘进的安全。

5、钻采孔与抽采孔同心布置方式也可用于突出煤层巷道掘进时使用。

附图说明：

图1是本发明的钻采工作面布置示意图。

图2a是本发明的工作面上顺槽钻采形成抽采钻采同心孔示意图。

图2b是本发明的工作面下顺槽钻采形成抽采钻采同心孔示意图。

图2c是本发明的工作面上下顺槽钻采形成抽采钻采同心孔剖面图。

图3为本发明的钻孔周围应力分布情况示意图。

图4为本发明的抽采管的布置示意图。

图中，1、固定油缸；2、螺旋钻式采煤机；3、调斜油缸；4、节式钻杆；5、抽采管；6、钻采孔；7、高水材料；8、套管。

具体实施方式

本发明方法的技术方案：首采工作面上下顺槽螺旋钻机布置方法和抽采孔的布置方法；即在首采工作面上下顺槽均布置螺旋钻机钻采本工作面和下一工作面的一层极薄煤层进行卸压增透，钻采开挖使得钻采孔周围岩层产生松动以及裂隙发育，因此在钻采孔中间位置先埋设抽采管并在套管保护作用下使用高水充填材料将钻采孔与抽采管之间缝隙充填后形成钻采抽采同心孔，待工作面上下顺槽所有同心孔布置完成后便可实施钻采预抽瓦斯；钻采极薄煤层使得钻采孔孔口周围应力集中围岩发生塑性变形后导致裂隙发育，使得煤层瓦斯的吸附能力下降，通过理论计算得瓦斯稀释有效半径为钻采孔半径的5倍。

所述的上下顺槽螺旋钻机布置方法：

(1)首采工作面上下顺槽均布置螺旋钻钻采极薄煤层；

(2)上顺槽只布置螺旋钻机钻采本工作面；

(3)下顺槽布置螺旋钻机，一方面钻采本工作面；另一方面也钻采下工作面；

(4)对下一工作面的掘进起到了掩护作用；

(5)上下顺槽钻机的布置为抽采孔的布置提供了场所；

(6)其他工作面依此方法进行布置螺旋钻机的布置，形成高瓦斯煤层工作面预抽瓦斯方法。

所述的抽采孔布置方法：

(1)钻采之后形成钻采孔；

(2)围岩状态稳定后，清理钻采孔中的少量残存的浮煤，并根据螺旋钻采时的深度和角度，在钻采孔中间位置前期先埋设瓦斯抽采管道，并下设套管；

(3)在套管保护作用下，使用高水充填材料将钻采孔与抽采管之间缝隙充填后形成钻采抽采同心孔；

(4)同心孔的布置形成了高瓦斯煤层工作面安全高效开采方法。

钻采预抽瓦斯方法，具体开采步骤如下：

步骤一：在首采工作面上下顺槽布置螺旋钻机，为了安全钻进，首采工作面倾斜长度一般要求小于120m；在工作面上顺槽布置钻机向本工作面钻进40m，在工作面下顺槽布置钻机一方面向本工作面钻进80m，另一方面向下一工作面钻进不小于40m，钻孔之间的距离为2～3m；这种布置方式的优点在于能够掩护下一工作面掘进期间的安全。

步骤二：根据步骤一的相关设计规定，在高瓦斯煤层工作面上下顺槽，采用螺旋钻采煤机钻采0.3m左右的极薄煤层，为了能够形成抽采质量较好的同心孔，在螺旋钻周围并布置高水充填设备及时进行充填；

步骤三：螺旋钻采过后，钻孔周围岩层应力重新分布。经过计算，沿钻采孔半径方向环向正应力的影响范围大约为ρ＝5a，式中，a为钻采孔半径，瓦斯释放有效半径大约为5倍的钻采孔半径；

步骤四：钻采之后清理钻采孔中的少量残存的浮煤，并根据螺旋钻采时的深度和角度，前期先埋设瓦斯抽采管道；

步骤五：根据钻采孔的大小，安装套管保护瓦斯抽采管，安装时短节之间丝扣要夹生料带并拧紧，以防止充填时发生钻孔漏浆且套管外露长度不能大于100mm；

步骤六：使用高水材料，快速加固套管并充填瓦斯抽采管与套管、套管与钻采孔之间的缝隙；

步骤七：充填完成后即瓦斯抽采管与前期开挖的钻采孔形成了同心孔，进行瓦斯抽采。

实施例1：在首采工作面上下顺槽布置螺旋钻机，为了安全钻进，首采工作面倾斜长度一般要求小于120m；在工作面上顺槽布置钻机向本工作面钻进40m，在工作面下顺槽布置钻机一方面向本工作面钻进80m，另一方面向下一工作面钻进不小于40m，钻孔之间的距离为2～3m，如附图1所示。

与传统的螺旋钻采薄煤层不同，本发明针对的是高瓦斯煤层，在工作面上下顺槽，采用螺旋钻采煤机钻采0.3m左右的极薄煤层，为了能够形成抽采质量较好的同心孔，在螺旋钻周围并布置高水充填设备及时进行充填。

由于开孔，造成钻采孔周围应力集中，通过对孔周围的应力分布分析可知钻采孔周围出现一定范围的拉应力所以钻采孔周围岩层将会产生一定的裂隙，此裂隙有益于抽采瓦斯。

钻采工作完成之后清理钻采孔中的少量残存的浮煤，并根据螺旋钻采时的深度和角度，前期先埋设瓦斯抽采管道。

根据钻采孔的大小，安装套管保护瓦斯抽采管，安装时短节之间丝扣要夹生料带并拧紧，以防止充填时发生钻孔漏浆。且套管外露长度不能大于100mm。

在进行高水加固套管之前，需要测量套管的安装角度，测量完成后连接高水管路，用钻机压牢套管，根据实际倾角与设计差别适当调整后进行高水充填套管与钻采孔周围的缝隙。先用高水材料把套管内外注满，待套管内开始返出高水后开始采用水泥—水玻璃双液加固，水玻璃浓度采用40°Be，水泥浆与水玻璃的体积比1：0.5，待孔口管与钻孔之间的缝隙有双液开始溢出或孔口内有双液开始溢出，则逐渐将套管拔出，开始压水冲洗注浆泵，注浆后保证外壁不漏水。

经过上述步骤后，则形成了抽采孔且抽采孔周围岩石破碎存在裂隙，瓦斯吸附能力下降，有益于瓦斯抽采。