一种煤矿井下高残余瓦斯含量煤层提高抽采率的方法

摘要

一种煤矿井下高残余瓦斯含量煤层提高抽采率的方法，包括以下步骤：钻安装孔；安装并固定孔口密封连接管件；瓦斯抽采钻孔施工；在瓦斯抽采钻孔内放置CaC

说明书

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种煤矿井下高残余瓦斯含量煤层提高抽采率的方法。

背景技术

我国的煤层气（瓦斯）资源丰富，埋深2000 m以浅的煤层气有3.5×10¹³>3，具有巨大的开发潜力。但同时，以煤与瓦斯突出为主的瓦斯灾害一直严重阻碍煤矿安全生产。瓦斯抽采是减小甚至消除各种瓦斯灾害潜在威胁和有效利用煤层气（瓦斯）的有效技术措施。然而，由于我国95%以上的高瓦斯煤层透气性低，只有10^-3～10^-4mD，原始和残余瓦斯含量大，致使我国本煤层平均瓦斯抽采率不足10%，与其它先进国家30%的平均抽采率相比存在着相当大的差距]。为确保煤矿安全生产，我国部分省市提出了更为严格的要求“残余瓦斯压力及含量降到0.6MPa和6m³/t以下后，方可进入煤层进行采掘作业”，煤矿瓦斯高效抽采工作面临巨大挑战。目前主要通过水力压裂、水力冲孔等煤层“增透”技术以提高瓦斯抽采率，这些方法尽管能增大煤层的渗透率，却难以降低煤层残余瓦斯含量。

煤层瓦斯解吸的主要控制因素有两个：一是压力，二是温度；卸压及升温都可以提高煤层瓦斯的解吸效率，从而提高瓦斯抽采效果，目前提高煤层瓦斯抽采的方法多为卸压，但即使卸压以难以解决高残余瓦斯含量煤层，也难以提高高残余煤层瓦斯含量的抽采效率。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种便于操作、安全可靠性强的煤矿井下高残余瓦斯含量煤层提高抽采率的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种煤矿井下高残余瓦斯含量煤层提高抽采率的方法，包括以下步骤：。

（1）钻安装孔：在预施工抽采钻孔地点，采用不小于φ120mm的钻头钻安装孔，钻安装孔的深度5～8m；

（2）安装并固定孔口密封连接管件：安装孔钻进完成后，将孔口密封连接管件安装到安装孔的孔口内，然后通过在孔口密封连接管件的中心通道向安装孔内注入水泥砂浆，水泥砂浆由钻孔的底部再充入到安装孔内壁与孔口密封连接管件外壁之间的环形间隙，直到充满整个安装孔和孔口密封连接管件的中心通道，凝固24h；

（3）瓦斯抽采钻孔施工：根据设计瓦斯抽采钻孔的长度，选择采用直径为φ42mm、φ75mm、φ94mm、φ114mm和φ120mm的钻头沿孔口密封连接管件的中心线进行钻孔，先将孔口密封连接管件内的凝固的水泥砂浆钻出后，再钻进到设计长度；

（4）在瓦斯抽采钻孔内放置CaC₂；

（5）矿井压水管路连接孔口密封连接管件，将水喷射至瓦斯抽采钻孔内，射流完成后关闭孔口密封连接管件；

（6）在瓦斯抽采钻孔内的CaC₂与水反应生成Ca(OH)₂和C₂H₂，同时产生大量的热，在热作用下，煤层瓦斯加速解吸，同时，CaC₂与水反应可燃烧，由于瓦斯抽采钻孔内也存在少量的空气，在空气的作用下，瓦斯抽采钻孔内的CH₄与C₂H₂和空气的共同作用下发生小型燃烧或爆炸，进一步释放热量，进一步促进煤层瓦斯的解吸；小型爆炸时，也对瓦斯抽采钻孔的孔壁产生破坏，形成裂缝卸压区，进一步提高煤层瓦斯解吸率；

（7）将孔口密封连接管件接抽采管，联管进行瓦斯抽采；

（8）当瓦斯抽采进行24h后，瓦斯抽采钻孔内的瓦斯浓度降低到30%，重复步骤（4）～（7）。

孔口密封连接管件包括内外两端通透的管体，管体的外端同轴向固定连接有环形安装板，环形安装板的内径等于管体的外径，环形安装板外表面通过紧固螺栓连接有将管体外端口封堵的法兰盘，环形安装板与法兰盘之间设置有密封垫板，管体外圆周表面固定设置有将环形间隙的外端口封堵的环形堵板，环形堵板的外径大于安装孔的内径；

法兰盘左侧和右侧分别连接有第一管接头和第二管接头，第一管接头上设置有第一阀门，第二管接头上设置有第二阀门。

管体外圆周表面均匀设置有若干个位于安装孔内的限位凸块，限位凸块与环形间隙内的注入的水泥砂浆接触使管体在安装孔内固定牢靠。

环形安装板外侧面同轴向开设有呈圆形的密封槽，法兰盘内侧面设置有与密封槽对应的密封凸环，密封槽的槽口宽度大于密封凸环的宽度，密封槽和密封凸环的横截面的外轮廓均呈弧线段；在紧固螺栓的作用下，密封凸环将密封垫板顶压到密封槽内。

步骤（4）具体过程为：瓦斯抽采钻孔施工完成后，将密封垫板安装在环形安装板和法兰盘之间，使用紧固螺栓将法兰盘、第一管接头和第二管接头连接到管体外端部，打开第一阀门，关闭第二阀门，将CaC₂颗粒物放入第一管接头内，采用矿井压风将CaC₂颗粒物吹入瓦斯抽采钻孔内，最后关闭第一阀门。

步骤（5）具体过程为：将第一管接头接矿井压水管路，打开第一阀门，高压水喷射至瓦斯抽采钻孔内，射流完成后关闭第一阀门。

步骤（7）具体过程为：将第一管接头抽采管，联管进行抽采准备，使用瓦斯检测仪连接第二管接头，打开第二阀门，测试瓦斯抽采钻孔内CH₄气体浓度及温度，当温度下降至30℃以下且钻孔内CH₄浓度不低于60%，打开第一阀门进行抽采；否则，继续等待钻孔内温度下降及甲烷解吸，直至满足上述条件后进行抽采。

采用上述技术方案， 本发明中的孔口密封连接管件通过在管体外壁设置限位凸块，水泥砂浆将限位凸块浇注在环形间隙，这样可将管体固定牢靠，在第一管接头、第二管接头连接各种管道以及操作第一阀门和第二阀门时，都可确保使孔口密封连接管件的稳定性。

在注入水泥砂浆过程中，环形堵板起到封堵环形间隙，避免水泥砂浆从内向外泄露的作用。

环形安装板上的密封槽与法兰盘上的密封凸环的配合，可将密封垫板对应的环形处压入到密封槽内，这样可以充分提高密封性能。另外，密封槽的槽口宽度大于密封凸环的宽度，密封槽和密封凸环的横截面的外轮廓均呈弧线段，这样不仅容易将密封垫板压入到密封槽内，还避免密封凸环和密封槽将密封垫板损坏。

该方法充分利用影响煤层瓦斯解吸的压力和温度两个因素，采用燃烧及爆炸，使钻孔壁煤壁破碎，达到卸压的目的，同时，由于燃烧及爆炸产生的热量使钻孔及煤层温度升高，加速了吸附瓦斯向游离瓦斯的转换，提高了抽采效率。该方法可广泛应用与本煤层顺层钻孔抽采及穿层钻孔抽采后期由于煤层残余瓦斯含量大通过钻孔卸压已难以抽采达标的情况下，可以有效通过升温提高高残余瓦斯的解吸，从而提高高残余煤层瓦斯的抽采效率。当然，在不存在高残余煤层瓦斯含量的条件下也可以采用该方法，提高瓦斯的抽采效率。

综上所述，本发明通过进一步提高钻孔内的温度，促进煤层瓦斯解吸，从而提高瓦斯抽采率。本发明可用于瓦斯不同的瓦斯抽采钻孔类型，顺煤层钻孔或穿层钻孔，仰角孔或俯角孔；本发明可根据煤层赋存特征及钻孔布置形式，可以采用间隔钻孔实施或集中钻孔实施。本发明具有安全、高效、可信、工程量小的特点，可广泛应用与煤矿井下瓦斯抽采领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A处的放大图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种煤矿井下高残余瓦斯含量煤层提高抽采率的方法，包括以下步骤：

（1）钻安装孔：在预施工抽采钻孔地点，采用不小于φ120mm的钻头钻安装孔，钻安装孔的深度5～8m；

（2）安装并固定孔口密封连接管件：安装孔钻进完成后，将孔口密封连接管件安装到安装孔的孔口内，然后通过在孔口密封连接管件的中心通道向安装孔内注入水泥砂浆1，水泥砂浆1由钻孔的底部再充入到安装孔内壁与孔口密封连接管件外壁之间的环形间隙，直到充满整个安装孔和孔口密封连接管件的中心通道，凝固24h；

（3）瓦斯抽采钻孔2施工：根据设计瓦斯抽采钻孔2的长度，选择采用直径为φ42mm、φ75mm、φ94mm、φ114mm和φ120mm的钻头沿孔口密封连接管件的中心线进行钻孔，先将孔口密封连接管件内的凝固的水泥砂浆1钻出后，再钻进到设计长度；

（4）在瓦斯抽采钻孔2内放置CaC₂；

（5）矿井压水管路连接孔口密封连接管件，将水喷射至瓦斯抽采钻孔2内，射流完成后关闭孔口密封连接管件；

（6）在瓦斯抽采钻孔2内的CaC₂与水反应生成Ca(OH)₂和C₂H₂，同时产生大量的热，在热作用下，煤层瓦斯加速解吸，同时，CaC₂与水反应可燃烧，由于瓦斯抽采钻孔2内也存在少量的空气，在空气的作用下，瓦斯抽采钻孔2内的CH₄与C₂H₂和空气的共同作用下发生小型燃烧或爆炸，进一步释放热量，进一步促进煤层瓦斯的解吸；小型爆炸时，也对瓦斯抽采钻孔2的孔壁产生破坏，形成裂缝卸压区，进一步提高煤层瓦斯解吸率；

（7）将孔口密封连接管件接抽采管，联管进行瓦斯抽采；

（8）当瓦斯抽采进行24h后，瓦斯抽采钻孔2内的瓦斯浓度降低到30%，重复步骤（4）～（7）。

孔口密封连接管件包括内外两端通透的管体3，管体3的外端同轴向固定连接有环形安装板4，环形安装板4的内径等于管体3的外径，环形安装板4外表面通过紧固螺栓5连接有将管体3外端口封堵的法兰盘6，环形安装板4与法兰盘6之间设置有密封垫板7，管体3外圆周表面固定设置有将环形间隙的外端口封堵的环形堵板8，环形堵板8的外径大于安装孔的内径；

法兰盘6左侧和右侧分别连接有第一管接头9和第二管接头10，第一管接头9上设置有第一阀门11，第二管接头10上设置有第二阀门12。

管体3外圆周表面均匀设置有若干个位于安装孔内的限位凸块13，限位凸块13与环形间隙内的注入的水泥砂浆1接触使管体3在安装孔内固定牢靠。

环形安装板4外侧面同轴向开设有呈圆形的密封槽，法兰盘6内侧面设置有与密封槽14对应的密封凸环15，密封槽14的槽口宽度大于密封凸环15的宽度，密封槽14和密封凸环15的横截面的外轮廓均呈弧线段；在紧固螺栓5的作用下，密封凸环15将密封垫板7顶压到密封槽14内。

步骤（4）具体过程为：瓦斯抽采钻孔2施工完成后，将密封垫板7安装在环形安装板4和法兰盘6之间，使用紧固螺栓5将法兰盘6、第一管接头9和第二管接头10连接到管体3外端部，打开第一阀门11，关闭第二阀门12，将CaC₂颗粒物放入第一管接头9内，采用矿井压风将CaC₂颗粒物吹入瓦斯抽采钻孔2内，最后关闭第一阀门11。

步骤（5）具体过程为：将第一管接头9接矿井压水管路，打开第一阀门11，高压水喷射至瓦斯抽采钻孔2内，射流完成后关闭第一阀门11。

步骤（7）具体过程为：将第一管接头9抽采管，联管进行抽采准备，使用瓦斯检测仪连接第二管接头10，打开第二阀门12，测试瓦斯抽采钻孔2内CH₄气体浓度及温度，当温度下降至30℃以下且钻孔内CH₄浓度不低于60%，打开第一阀门11进行抽采；否则，继续等待钻孔内温度下降及甲烷解吸，直至满足上述条件后进行抽采。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。