采用氮气排渣研究本煤层顺层钻孔中煤层氧化程度的方法

摘要

本发明公开了一种采用氮气排渣研究本煤层顺层钻孔中煤层氧化程度的方法，包括以下步骤：选择钻孔位置，确定施工参数；采用氮气排渣法完成钻孔施工，取样采集施工后钻孔气体并检测其成分、浓度及钻孔温度；进行钻孔封孔及抽采，分别取样采集封孔后和抽采过程中钻孔孔内气体并检测其成分、浓度及钻孔温度；进行数据统计及图形的绘制。本发明的优点在于：使用氮气排渣，从源头上减少顺层钻孔施工过程中产生的CO，增加钻孔使用寿命、提高钻孔抽采效果，并连续考察钻孔气体成分及温度，根据CO浓度及钻孔温度的变化趋势来判断煤层氧化程度，摒弃之前单纯依据CO浓度来判定的模式。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种采用氮气排渣研究本煤层顺层钻孔中煤层氧化程度的方法。

背景技术

矿井火灾是煤矿的重大自然灾害之一。矿井火灾不仅能使矿井遭受巨大的物质损失，同时它也是导致井下职工伤亡的重要根源。煤矿井下自然发火产生的有毒有害气体和引发的火灾气体、瓦斯爆炸等事故，严重威胁矿工生命安全，恶化自然环境，已经成为制约煤矿安全生产的关键因素之一。随着科技进步和管理水平的提高，我国煤矿的百万吨发火率虽然逐年下降，但煤矿自燃火灾仍较为严重。

煤矿开采过程中，利用钻孔预抽煤层瓦斯是重要的安全防护措施。钻孔分为穿层钻孔和顺层钻孔，穿层钻孔指在岩石巷道或煤层巷道内向相邻煤层施工的钻孔，顺层钻孔指沿地层层面钻进的钻孔。其中，顺层钻孔由于钻孔利用率高而成为抽采瓦斯的最基本形式。顺层钻孔施工过程中，多采用传统压风排渣方法排出孔内钻渣，即排渣气体采用空气，该过程中，压缩空气经钻杆到达钻孔的底部，在钻孔的底部形成高速风流，从而将钻渣吹向钻孔口，最终被排放到巷道中。结合分析煤层自燃原理，煤的自燃是由于煤在室温下首先与空气中的氧相互作用(物理吸附、化学吸附、化学反应)发生氧化自热。因此，引起煤层自然发火的主要原因除煤本身的自然发火倾向外，还与两个因素有关：一是氧化速度要加快到一定程度(单个钻孔氧化速度可以通过CO浓度的变化趋势来确定，CO浓度呈上升趋势，说明氧化速度加快)，二是热量积聚到一定程度，即温度上升到一定程度。但是，在上述顺层钻孔施工过程中，大量压缩空气被注入到钻孔中，为孔壁煤体提供了大量的氧气；同时，钻头与煤壁相互作用产生高温，导致煤体氧化速度加快，而煤体氧化释放大量的一氧化碳，使得钻孔成孔后存在大量的一氧化碳及蓄热，这给煤层的燃烧爆炸带来了严重的隐患，也尤其彰显出对本煤层氧化程度的判断的重要性。

目前为止，也不乏一些对本煤层钻孔施工过程中煤层氧化程度的判断研究方法，然而，多是单纯依据CO浓度来判定的模式，不够全面；此外，当采用普通的煤层氧化程度判断研究方法得知了某个阶段的钻孔内CO，并选择当钻孔内CO超过一定浓度后钻孔停抽或注水，又会因为经水浸泡过的煤的吸氧作用加强，再次抽采使之更易产生CO，导致钻孔再次停抽，而不断循环，将大大缩短钻孔抽采使用寿命，并同时影响后期煤层氧化程度的判断研究。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种从源头上减少钻孔施工过程中CO的产生，增加钻孔使用寿命、提高钻孔抽采效果，并且，可根据CO浓度及钻孔温度的变化趋势来判断煤层氧化程度的采用氮气排渣研究本煤层顺层钻孔中煤层氧化程度的方法。

本发明通过以下技术手段实现上述技术效果：一种采用氮气排渣研究本煤层顺层钻孔中煤层氧化程度的方法，包括以下步骤：

(1)：在本煤层顺层中选择5-10个钻孔位置，用于后续的钻孔，并确定钻孔施工参数：钻孔孔径、钻孔倾角及钻孔深度；

(2)：根据步骤(1)确定的钻孔位置、钻孔孔径、钻孔倾角及钻孔深度进行钻孔的施工：选择对应钻孔孔径的钻头；开启钻机，使钻杆旋转，开始钻进，并同时开启压风，使氮气通过钻杆内部通道压至孔口，排出钻渣；通过加卸钻杆，持续钻进至对应钻孔深度；

(3)：施工完成后，取样采集施工后钻孔孔内气体并检测其成分及相应浓度，同时测定钻孔温度；

(4)：对钻孔进行封孔，在封孔结束后取样采集封孔后钻孔孔内气体并检测其成分及相应浓度，同时测定钻孔温度；

(5)：通过合茬的方式将软管连接钻孔进行瓦斯的抽采：将三通与铁短接，将钻孔连接在一起，然后用软管从上端连接至抽采多通；接着连续取样采集钻孔孔内气体并检测其成分及相应浓度，同时测定钻孔温度；

(6)：数据统计及图形绘制。

优选地，所述钻孔孔径为直径100-120mm，钻孔倾角为0.5-1.5°，钻孔深度为130-150m。

优选地，所述步骤(2)中氮气通过钻杆内部通道压至孔口的具体方式为：采用地面注氮机过滤的高浓氮气通过井下已敷设注氮管路与钻机压风排渣管路连接，再通过截止阀控制压入氮气气量、压力，使氮气压入孔内。

优选地，所述高浓氮气为浓度为97％-100％浓度的氮气。

优选地，所述步骤(4)中钻孔的封孔方式为“两堵一注”。

优选地，所述步骤(5)中抽采方式为自开始抽采后为期至少30天的不间断的方式。

优选地，所述钻孔孔内气体成分及浓度通过气象色谱分析仪检测。

优选地，所述钻孔温度通过红外测温仪测定。

优选地，适用于非沿空、钻孔覆盖范围内的煤层顺层。

本发明的优点在于：使用氮气排渣，从源头上减少顺层钻孔施工过程中产生的CO，增加钻孔使用寿命、提高钻孔抽采效果，并连续考察钻孔气体成分及温度，根据CO浓度及钻孔温度的变化趋势来判断煤层氧化程度，摒弃之前单纯依据CO浓度来判定的模式。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的采用氮气排渣研究本煤层顺层钻孔中煤层氧化程度的方法的各钻孔CH₄浓度与时间的关系图；

图2是本发明实施例1提供的采用氮气排渣研究本煤层顺层钻孔中煤层氧化程度的方法的各钻孔CO浓度与时间的关系图；

图3是本发明实施例1提供的采用氮气排渣研究本煤层顺层钻孔中煤层氧化程度的方法的各钻孔O₂浓度与时间的关系图；

图4是本发明实施例1提供的采用氮气排渣研究本煤层顺层钻孔中煤层氧化程度的方法的各钻孔温度与时间的关系图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种采用氮气排渣研究本煤层顺层钻孔中煤层氧化程度的方法，适用于非沿空、钻孔覆盖范围内的煤层顺层，包括如下步骤：

(1)：在张集煤矿17226运顺中选择7个钻孔位置，用于后续的钻孔，分别标记为57#、58#、60#、97#、143#、146#、148#，并确定钻孔施工参数：钻孔孔径直径113mm，钻孔倾角1.4°，钻孔深度140m；

(2)：进行钻孔的施工：选择直径113mm对应钻孔孔径的钻头；开启钻机，使钻杆倾斜1.4°旋转，开始钻进，并同时开启压风，使氮气通过钻杆内部通道压至孔口，排出钻渣；通过加卸钻杆，持续钻进至140m钻孔深度；其中，氮气通过钻杆内部通道压至孔口的具体方式为：采用地面注氮机过滤的高浓氮气(97％-100％)通过井下已敷设注氮管路与钻机压风排渣管路连接，再通过截止阀控制压入氮气气量、压力，使氮气压入孔内，产生压缩氮气高速风流。

(3)：施工完成后，取样采集施工后钻孔孔内气体并检测其成分及相应浓度，同时测定钻孔温度；

(4)：采用“两堵一注”的方式对钻孔进行封孔，在封孔结束后取样采集封孔后钻孔孔内气体并检测其成分及相应浓度，同时测定钻孔温度；

(5)：通过合茬的方式将软管连接钻孔进行瓦斯的抽采：将三通与铁短接，将钻孔连接在一起，然后用软管从上端连接至抽采多通；接着连续取样采集钻孔孔内气体并检测其成分及相应浓度，同时测定钻孔温度；其中，抽采为一个连续不间断的过程，本实施例采用的抽采方式为自开始抽采后至少30天的抽采方式；其中，57#、58#、60#、97#钻孔于2014年11月3日开始抽采，截止12月17日累计抽采45天；143#、146#、148#钻孔于2014年11月5日开始抽采，截止12月17日累计抽采43天；

此外，上述钻孔孔内气体成分及浓度通过气象色谱分析仪检验分析，钻孔孔口温度利用红外测温仪测定，本实施例将通过观察钻孔气体浓度及温度变化情况来分析煤层氧化程度；

(6)：通过气象色谱分析仪检验分析，钻孔孔内气体成分为CO、CH₄和O₂，进一步对其进行数据统计及图形的绘制，具体数据见表1(钻孔抽采后数据统计分析表)所示，各钻孔抽采前后孔内各气体(CO、CH₄、O₂)浓度、温度与时间的关系绘制成图形，如图1-4所示，其中，图1为以日期为横坐标、CH₄浓度为纵坐标绘制出的各钻孔CH4浓度与时间的关系图，图2为以日期为横坐标、CO浓度为纵坐标绘制出的各钻孔CO浓度与时间的关系图，图3为以日期为横坐标、O₂浓度为纵坐标绘制出的各钻孔温度与时间的关系图，图4为以日期为横坐标、温度为纵坐标绘制出的各钻孔温度与时间的关系图。

表1钻孔抽采后数据统计分析表

结果分析：

(1)根据表1及图2，抽采前，钻孔内CO浓度较小，但抽采后，CO浓度迅速升高，说明利用氮气排渣施工，钻孔可以减少氧气进入煤体内部产生CO，能够大幅减少抽采前钻孔内的CO浓度，但不能杜绝巷道中氧气扩散至钻孔孔口周边煤体裂隙(扩散深度较浅)，从而不能避免抽采前钻孔内产生少量CO；抽采后，抽采负压导致氧气进入钻孔周边煤体裂隙速度增加(深部)，生成CO速度增加，钻孔内CO浓度提高；

(2)由图2可知，钻孔内CO浓度成总体呈上升趋势，除146#、148#孔外，钻孔内的CO浓度在较长抽采时间内都大于50ppm，其中58#有3天CO浓度在100ppm以上。各钻孔在抽采期间CO统计情况如表2所示：

表2CO浓度分段统计表

(3)由图4可知，钻孔温度总体不高，最大达29.2℃，大部分时间保持在27℃以下，且钻孔温度没有上升趋势；

(4)57#、58#及60#钻孔CO浓度较高，超过2/3时间在50ppm以上，其中57#孔温度最大28.7℃，平均26.3℃；58#钻孔温度最大27.1℃，平均25.7℃；60#孔温度最大29.2℃，平均26.2℃；其中58#孔有3天CO超过100ppm，当该孔继续抽采，钻孔温度仍然不高，且没有上升趋势，这说明CO浓度达到100ppm时，钻孔还有可能继续安全抽采(即此时煤层氧化程度较低)；

(5)各钻孔CO浓度呈上升趋势，但钻孔温度没有呈升趋势，说明单纯依靠CO浓度的变化趋势不能判定煤层氧化程度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。