采煤工作面顶板高位定向钻孔群卸压瓦斯抽采方法

摘要

本发明公开了一种采煤工作面顶板高位定向钻孔群卸压瓦斯抽采方法。其原理为在工作面回采前，通过在工作面回风顺槽内施工沿工作面走向的高位定向长钻孔群，使各高位钻孔的主孔段在工作面回采后形成的采空区“O”型圈裂隙带内延伸，并使下位钻孔在靠近工作面开切眼位置适当下沉，在上位钻孔施工上仰的穿层分支孔，采用各钻孔组合抽采工作面采动后导气裂隙带和卸压解吸带内瓦斯。该方法能起到降低工作面上隅角和回风流中瓦斯浓度，以及抽采采空区卸压解吸带内高浓度瓦斯的双重作用，达到工作面瓦斯治理，实现瓦斯资源化回收的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种瓦斯抽采方法，属于煤矿井下瓦斯治理和瓦斯抽采领域，具体涉及一种采煤工作面顶板高位定向钻孔群卸压瓦斯抽采方法。

背景技术

我国煤田地质条件复杂，易引发各类重大安全事故，其中与煤炭伴生并赋存在煤层中的瓦斯，是威胁我国煤矿安全的最大致灾因子之一。同时，瓦斯又是一种洁净、高效的能源，如果将这些瓦斯资源进行有效抽采，将会大大缓解我国能源紧张的局面。因此，无论从保证矿井安全生产还是资源利用的角度来说，都应当对煤矿瓦斯进行抽采。

煤矿开采时，由于进风流和回风流压差作用，以及含瓦斯空气的密度较小等原因，采空区涌出瓦斯易在工作面上隅角积聚，使上隅角成为采空区高浓度瓦斯集中涌出的地点。因此上隅角瓦斯治理是采煤工作面瓦斯治理的重点，也是解决工作面局部瓦斯聚集、超限和降低工作面回风瓦斯的关键。

针对工作面上隅角瓦斯聚集问题，目前多采用高抽巷、回风埋管、高位钻场顶板钻孔以及地面采动区L型井等采掘工作面或采空区瓦斯抽采技术，取得了一定的瓦斯治理效果，但也存在很多问题。高抽巷掘进工程量大，施工周期长，费用高；回风埋管的管路容易被跨落的覆岩压破，抽放效果不佳；高位钻场顶板钻孔需施工高位钻场，钻孔轨迹不可控，无法保证钻孔轨迹在裂隙带内延伸；地面采动区L型井施工难度大，成本高，施工条件受地形地貌影响。

此外，现有工作面采空区瓦斯抽采方法一般只能抽采采空区导气裂隙带内瓦斯，该部分瓦斯混合有工作面通风导入的大量空气，所抽采瓦斯难以实现资源化利用。而在导气裂隙带上方一定范围内存在卸压解吸带，该范围内以离层裂隙为主，瓦斯也得到一定程度的解吸，可沿顺层方向流动。由于穿层裂隙不发育，卸压瓦斯不能或仅有很少量可下涌到工作面，因此不为煤矿瓦斯防治所关注，但对于资源回收而言，这部分瓦斯由于几乎不受工作面通风气流的影响，浓度较高，且实测资料表明这部分岩层解吸瓦斯量较大，尤其是卸压解吸带卸压解吸带内存在煤层时，瓦斯解吸量相当可观，故从瓦斯资源化回收角度，这部分瓦斯属于优质可采资源，应借助采矿活动的影响，适时开采。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，在瓦斯抽采钻孔设计时结合考虑工作面覆岩运动破坏规律，提供一种利用定向长钻孔群抽采工作面采空区覆岩瓦斯的方法。该方法能起到降低工作面上隅角和回风流中瓦斯浓度，以及抽采采空区卸压解吸带内高浓度瓦斯的双重作用，达到煤矿井下瓦斯治理，变废为宝，实现瓦斯资源化回收的目的，同时可大幅降低工作面瓦斯治理成本，缩短治理周期。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种采煤工作面顶板高位定向钻孔群卸压瓦斯抽采方法，包括：

钻孔施工步骤，在采煤工作面回采前施工沿工作面走向的定向长钻孔群，使所述定向长钻孔群的高位钻孔主孔段延伸于工作面回采后形成的采空区“O”型圈裂隙带内；

瓦斯抽采步骤，当工作面回采影响至钻孔终孔位置时开始在孔口提供负压抽采瓦斯。

优选的，上述的一种采煤工作面顶板高位定向钻孔群卸压瓦斯抽采方法，所述定向长钻孔群的各钻孔在竖直方向上分布于工作面采空区裂隙带的不同层位上。

优选的，上述的一种采煤工作面顶板高位定向钻孔群卸压瓦斯抽采方法，所述定向长钻孔群包括：

第一定向长钻孔，位于所述定向长钻孔群中下方，用于改变采动、采空区瓦斯流向，避免瓦斯进入工作面上隅角；具体包括：与煤层平行布置的近水平段(12)，分别设置于水平段(12)前端及后端的下沉段(13)和上仰段(11)；所述下沉段(13)始于工作面初次来压处，下沉至穿越工作面基本顶。

优选的，上述的一种采煤工作面顶板高位定向钻孔群卸压瓦斯抽采方法，所述定向长钻孔群包括：

第二定向长钻孔，位于所述定向长钻孔群的中间层位，用于抽采顶板裂隙带瓦斯，具体包括：与煤层平行布置的近水平段(22)，以及设置于所述近水平段(22)后端的上仰段(21)，所述近水平段(22)终孔位置距工作面切眼距离为工作面初次来压步距的一半。

优选的，上述的一种采煤工作面顶板高位定向钻孔群卸压瓦斯抽采方法，所述定向长钻孔群包括：

第三定向长钻孔，位于所述定向长钻孔群的上部层位，主要用于抽采卸压解吸带内高浓度瓦斯，具体包括：

与煤层平行布置且终孔位置位于工作面初次来压处的近水平段；从近水平段后端依次向上开分支形成的且终孔位置位于工作面卸压解吸带上边界的上仰穿层分支孔段；其中，所述上仰穿层分支孔段在煤层上的投影相互重叠。

优选的，上述的一种采煤工作面顶板高位定向钻孔群卸压瓦斯抽采方法，将工作面根据断层，煤层起伏拐点等将工作面沿走向分为若干段，每段分别在顶板施工定向长钻孔群，分段抽采瓦斯。

优选的，上述的一种采煤工作面顶板高位定向钻孔群卸压瓦斯抽采方法，仅在靠近工作面切眼的最下位钻孔终孔位置设置下沉段，各钻孔群有效孔段在工作面推采方向上的投影需相互叠加。

因此，本发明具有以下优点：

1、该方法能替代高抽巷等其他工作面采空区覆岩瓦斯抽采方法，避免了高抽巷掘进；和常规钻孔抽采治理上隅角瓦斯方法相比，该方法钻孔施工工程量小，施工周期短，钻孔利用率高，施工成本低，钻孔轨迹实时可控，能保证钻孔主孔段始终在工作面回采后形成的“O”型圈裂隙带内延伸，分支孔段上仰穿越卸压解吸带，实现精准抽采。

2、该方法不但能抽采工作面采空区导气裂隙带内瓦斯，而且能抽采卸压解吸带内瓦斯，起到降低工作面上隅角和回风流中瓦斯浓度，以及抽采采空区卸压解吸带内高浓度瓦斯的双重作用，在持续的瓦斯抽采作用下，可提高卸压解吸带瓦斯的解吸程度，提高瓦斯抽采速度和总量，提高资源回收率，达到煤矿井下瓦斯治理，变废为宝，实现瓦斯资源化回收的目的。

3、该方法瓦斯抽采效果好，能有效抽采工作面初采期及以后各阶段的卸压瓦斯，且钻孔在“O”型圈裂隙带内长期稳定存在，可持续抽采工作面采空区覆岩瓦斯，高、低浓度瓦斯可分流抽采，灵活配比，有利于瓦斯的资源化利用。

4、该方法中上位钻孔的上仰分支孔，除能有效抽采工作面卸压解吸带内瓦斯外，当工作面存在顶板离层水时，还可以作为顶板离层水疏放钻孔。

综上所述，本发明方法能替代高抽巷进行工作面瓦斯治理且施工周期短、成本低、治理效果好，能实现工作面瓦斯治理和资源化回收的双重目的，具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的定向长钻孔群在工作面顶板中的分布示意图；

图2为本发明的定向长钻孔群与工作面位置关系示意图；

图3为本发明的定向长钻孔群中下位钻孔结构示意图；

图4为本发明的定向长钻孔群中中位钻孔结构示意图；

图5为本发明的定向长钻孔群中上位钻孔结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1、2所示根据瓦斯的卸压解吸和运移特征，可将工作面采空区Ⅳ上覆岩体在竖直方向上划分为导气裂隙带Ⅰ，卸压解吸带Ⅱ和不易解吸带Ⅲ三部分，靠近采空区中部的导气裂隙带Ⅰ会随着工作面的向前推采被重新压实，在采空区四周由于煤壁的支撑作用，仍存在有“O”型圈裂隙带Ⅴ。高位钻孔群的主孔段布置在“O”型圈裂隙带Ⅴ内，并通过施工向上的穿层分支孔到达卸压解吸带Ⅱ内。

本实施例中，采煤工作面回采前，在了解工作面顶板岩层情况的基础上，以工作面采空区边界处垂直应力集中系数0.3作为工作面“O”型圈裂隙带边界确定工作面“O”型圈的范围；以我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐采用的导水裂隙带高度计算公式确定工作面导气裂隙带高度；以煤岩体膨胀率达到3‰时应力所需要达到的卸压程度值作为“卸压解吸带”范围判别的临界值。

采煤工作面回采前，在回风顺槽4内距切眼一定距离处施工沿工作面走向的定向长钻孔群，使各钻孔的主孔段分布在工作面回采后形成的采空区“O”型圈裂隙带Ⅴ内。

钻孔群由多个定向长钻孔组成，钻孔数量可由工作面瓦斯含量，钻孔孔径等参数确定，各钻孔在竖直方向上分布在工作面采空区裂隙带的不同层位上，根据各钻孔在裂隙带所处位置不同可分为三类：最靠下位的第一钻孔1，处于中间层位的第二钻孔2和最靠上位的第三钻孔3。

如图3所示，所述定向长钻孔群中最靠下位的钻孔主要作用是改变采动、采空区瓦斯流向，避免瓦斯进入工作面上隅角。该第一钻孔由上仰段11，近水平段12和下沉段13构成，其中近水平段12和下沉段13为有效抽采孔段，近水平段12与煤层平行布置，下沉段13始于工作面初次来压处，下沉至穿越工作面基本顶。

如图4所示，所述定向长钻孔群中处于中间层位的钻孔主要作用是抽采顶板裂隙带瓦斯。该第二钻孔由上仰段21，近水平段22构成，其中近水平段22为有效抽采孔段，与煤层平行布置，终孔位置距工作面切眼距离为工作面初次来压步距的一半。

如图5所示，所述定向长钻孔群中最靠上位的钻孔主要作用是抽采卸压解吸带内高浓度瓦斯。该第三钻孔由上仰段31，近水平段32和上仰穿层分支孔段33构成，其中近水平段32和上仰穿层分支孔段33为有效抽采孔段，近水平段32与煤层平行布置，终孔位置为工作面初次来压处，上仰穿层分支孔段33为在近水平段32上向上开分支形成，各分支孔终孔位置位于工作面卸压解吸带Ⅱ上边界，各分支孔在主孔段上的投影相互重叠，各分支孔按距孔口距离由近及远依次施工。所述定向长钻孔群的长度根据钻机施工能力，工作面地质条件等确定，有必要时可将工作面根据断层，煤层起伏拐点等将工作面沿走向分为若干段，每段分别在顶板施工定向长钻孔群，分段抽采瓦斯。

当一个工作面被分成若干段，分段施工定向长钻孔群抽采瓦斯时，除靠近工作面切眼的最下位钻孔终孔位置需要下沉外，其他段均不需要下沉，为避免分段抽采瓦斯存在盲区，各钻孔群有效孔段在工作面推采方向上的投影需相互叠加。

所述定向长钻孔群需在受工作面回采影响前施工完成，在工作面回采影响至钻孔终孔位置时开始在孔口提供负压抽采瓦斯。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。