一种定向长钻孔联合底板穿层钻孔立体化瓦斯抽采方法

摘要

本发明公开了一种定向长钻孔联合底板穿层钻孔立体化瓦斯抽采方法，通过煤层底板岩巷向煤层顶底板施工定向穿层主钻孔，每间隔20‑30m施工穿层分支钻孔，并对各分支孔进行水力冲孔作业，冲孔压力不低于10MPa，直至完成全部钻孔施工与冲孔工序后，连接抽放管进行采前煤层瓦斯预抽、工作面掘进及回采期间采动卸压瓦斯抽采以及采后老空区瓦斯抽采，服务全过程。该发明利用煤层顶底板穿层定向钻孔交叉穿过煤层，采取水力化增透措施，实现对煤层瓦斯预抽，同时采掘作业进一步松动煤岩层，促进瓦斯解吸，提高定向长钻孔瓦斯抽效果，同时一条底板巷能服务1～2个回采面，大幅减少岩巷掘进工程量，有效缓解矿井“抽、掘、采”接替紧张，促进矿井高效集约化发展。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿井下煤层瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种定向长钻孔联合底板穿层钻孔立体化瓦斯抽采方法。

背景技术

目前，煤炭在我国的能源结构中仍处于至关重要的地位。2019年，我国煤炭消费比重占能源消费总量的57.7%，预计2020年煤炭消费占比约为57.5%。随着我国煤矿开采深度的不断加深，煤层的瓦斯含量、压力也随之增加。同时，我国煤层大多为低渗透率煤层，造成瓦斯预抽困难，但开采过程中瓦斯涌出量却越来越大，这也是国内诸多矿井煤与瓦斯突出事故频发的原因。我国矿井面临高地应力、高瓦斯应力的情况愈渐普遍，加之煤层透气性差，严重制约着矿井高效集约化安全开采，亟需对高压、低透气性煤层瓦斯高效抽采方法进行研究。

随着我国定向钻进技术的发展，定向长钻孔在煤矿井下瓦斯抽采中占比不断提高，为煤矿井下瓦斯抽采方案提供了多种可能。同时，我国煤矿机械化程度发展迅速，开采强度大，推进速度快，采掘接替紧凑往往留给煤层瓦斯抽采的时长又相对较短，这严重制约着矿井高效集约化开采与安全生产。而针对高压、透气性差的煤层瓦斯高效抽采依然是瓦斯治理的重点、难点。为提高回采工作面区域瓦斯治理效率，增大煤层透气性，提高瓦斯抽采率，对于传统的底板穿层钻孔，一个工作面需要布置多条底板岩巷，加之施工钻孔数量多、工程量大、抽采周期长、成本高、效果差，因而矿井“抽、掘、采”接续容易失衡。近年来，随定向钻孔在煤矿井下的广泛应用与推广，为矿井瓦斯抽采工艺的改进提供了基础条件。因此，如何提高回采工作面区域瓦斯治理效率，缩短瓦斯抽采达标时间，减少巷道与钻孔施工工程量，同时又能增加煤层透气性，提高抽采钻孔利用率，对于煤矿安全生产以及高效集约化发展具有十分重要的意义。

发明内容

本发明为解决现有传统底板巷穿层钻孔技术中存在施工工程量大、抽采达标时间长、抽采效果差，成本高的问题，提供一种定向长钻孔联合底板穿层钻孔立体化瓦斯抽采方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种定向长钻孔联合底板穿层钻孔立体化瓦斯抽采方法，包括以下步骤：

步骤一：在煤层底板所处的岩巷中布置钻场，在钻场内布置泥浆泵，向煤层顶板方向施工钻出一段直孔，然后在直孔内插入孔口管，孔口管的孔口段外露于直孔外，并将孔口管固定于直孔，在孔口管的孔口装上法兰盘盖，密封孔口管与直孔的间隙，最后开启泥浆泵通过注浆管向孔口管和直孔内加压注浆；

步骤二：待孔口管以及直孔内泥浆凝固后，打开法兰盘盖，沿着孔口管中心施工向煤层顶板方向钻出顶板穿层定向钻孔主孔煤岩层段，穿过煤层顶板后转为水平向落平，落平位置位于稳定抽采层，退出钻杆，上紧法兰盘盖，通过注浆管对顶板穿层定向钻孔主孔煤岩层段进行带压注浆封固；

步骤三：待顶板穿层定向钻孔主孔煤岩层段内水泥浆凝固后，利用定向钻机沿顶板穿层定向钻孔主孔煤岩层段钻孔，到达稳定抽采层后沿着水平方向钻出顶板穿层定向钻孔主孔。

步骤四：后退式施工顶板穿层定向钻孔分支孔，在顶板穿层定向钻孔主孔逐段退出钻杆，间歇性向煤层方向施工顶板穿层定向钻孔分支孔，顶板穿层定向钻孔分支孔贯穿工作面的煤层区域；

步骤五：每施工完一个顶板穿层定向钻孔分支孔，在起钻退杆期间对顶板穿层定向钻孔分支孔实施水力加压冲孔措施，顶板穿层定向钻孔分支孔冲孔完成后，退杆至顶板穿层定向钻孔主孔；

步骤六：重复进行步骤四和五，完成全部顶板穿层定向钻孔分支孔的冲孔工作后，封孔至顶板穿层定向钻孔主孔煤岩层段与稳定抽采层的交界处，之后对顶板穿层定向钻孔主孔实施瓦斯并网连抽工作；

步骤七：在煤层底板中的钻场处，向煤层底板水平方向施工底板穿层定向钻孔主孔，底板穿层定向钻孔主孔横穿工作面的煤层底板区域，底板穿层定向钻孔主孔施工到位后，逐段退出定向钻杆，间歇性向煤层方向施工底板穿层定向钻孔分支孔，底板穿层定向钻孔分支孔贯穿工作面的煤层区域，底板穿层定向钻孔分支孔与顶板穿层定向钻孔分支孔交错穿插于煤层中；

步骤八：每施工完一个底板穿层定向钻孔分支孔，在起钻退杆期间对底板穿层定向钻孔分支孔实施水力加压冲孔措施，底板穿层定向钻孔分支孔冲孔完成后，退杆至底板穿层定向钻孔主孔，完成所有底板穿层定向钻孔分支孔的冲孔工作后，封孔对底板穿层定向钻孔主孔实施瓦斯并网连抽工作；

步骤九：针对在稳定抽采层和煤层底板分别布置的顶板穿层定向钻孔主孔和底板穿层定向钻孔主孔之间的煤层区域存在抽采空白带，施工至少一个底板穿层钻孔，钻孔后完成水力冲孔作业，封孔对该底板穿层钻孔实施瓦斯并网连抽工作。

步骤十：抽采过程中利用抽采达标评估软件进行抽采评估达标，当抽采达标后，煤巷开始掘进。

作为更进一步的优选方案，步骤一中，向煤层顶板方向施工一段直孔，开孔孔径φ133mm，深度10m，所述法兰盘盖的直径为φ127mm，孔口管的孔口段外露20-30cm，采用锚固剂锚固密封孔口管与直孔的间隙；向孔口管和直孔内加压注浆直至耐压5MPa以上。

作为更进一步的优选方案，步骤二中，顶板穿层定向钻孔主孔煤岩层段的孔径为φ115mm，向顶板穿层定向钻孔主孔煤岩层段中注浆压力为10MPa，稳定抽采层与煤层垂距一般保持20m左右，或根据实际回采面采高与地质条件，至少满足4-5倍采高。

作为更进一步的优选方案，步骤三中的钻孔直径为φ96mm。

作为更进一步的优选方案，步骤四中，每间隔20-30m施工一个顶板穿层定向钻孔分支孔；步骤七中，每间隔20-30m施工一个底板穿层定向钻孔分支孔。

作为更进一步的优选方案，冲孔压力≥10MPa，冲孔煤量约为1.2t/m—1.5 t/m。

本发明所公开的一种定向长钻孔联合底板穿层钻孔立体化瓦斯抽采方法，具有如下有益效果：

1.该发明的一整套煤层顶底板穿层钻孔可以服务于整个工作面的准备、回采以及回收封闭阶段，完成对采前煤层瓦斯预抽、工作面掘进以及回采期间采动卸压瓦斯抽采以及采后老空区瓦斯抽采，服务全过程。

2.通过对顶板穿层钻孔的软煤段固化，保证了自煤层底板施工顶板穿层钻孔的有效成孔，避免了水力冲孔期间软煤段孔壁垮塌的风险，从而顺利对顶板穿层分支孔进行水力冲孔作业，该工艺对原始煤层起到了卸压增透效果，有效提高了各分支孔的有效抽采半径，有利于全程区域瓦斯抽采。

3.煤层顶底板穿层钻孔交叉穿过煤层，并采取水力化增透措施，可有效松动煤体，促进瓦斯解吸，增加定向长钻孔瓦斯抽效果。其次，在区域预抽煤层瓦斯达标后，开始工作面采掘作业，将进一步松动煤层及其上覆煤岩体围岩，多轮次大范围扰动煤岩体形成瓦斯逸散通道，通过定向顶底板穿层主钻孔与分支孔有效实现瓦斯的边掘边采边抽，服务全过程，形成定向长钻孔联合底板穿层钻孔立体化全程瓦斯抽采体系。

4.本发明所公开的一种定向长钻孔联合底板穿层钻孔立体化瓦斯抽采方法，在底板巷向煤层施工顶底板定向穿层长钻孔进行水力冲孔并封孔接管预抽，待底板巷所有定向穿层钻孔水力冲孔完毕且并网连抽，经过一段时间预抽，瓦斯抽采达标后，开始底板巷上方工作面煤巷掘进，而相邻准备工作面煤巷掘进根据定向穿层钻孔的预抽效果来确定其掘进还是补充区域措施达标后掘进。本发明利用定向钻孔施工技术实现对回采工作面区域瓦斯提前实施预抽，并在工作面准备以及回采期间不破坏煤层顶板定向穿层钻孔主孔抽采功能，同时一条底板巷能够服务1～2个回采工作面，可以大幅度地减少底板岩巷的掘进，减少工程量，同时实现大面积立体化全过程抽采工艺技术，有效缓解矿井“抽、掘、采”接替紧张的情况，促进矿井高效集约化发展。

附图说明

图1 本发明的顶板穿层钻孔注浆固定孔口管剖面图；

图2 本发明的立体化全程瓦斯抽采顶底板定向穿层长钻孔布置剖面图；

附图标记：1—岩巷；2—钻场；3—煤层底板；4—水泥浆；5—孔口管；6—法兰盘盖；7—高压球阀；8—注浆管；9—泥浆泵；10—顶板穿层定向钻孔主孔；11—底板穿层钻孔；12—底板穿层定向钻孔主孔；13—煤层；14—底板穿层定向钻孔分支孔；15—顶板穿层定向钻孔分支孔；16—煤层顶板；17—顶板穿层定向钻孔主孔煤岩层段；18—稳定抽采层；19-交界处。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例的技术方案进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护界限做出更为清楚明确的界定，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。

如图1,图2所示，本发明的一种定向长钻孔联合底板穿层钻孔立体化瓦斯抽采方法，利用定向钻孔施工技术实现对回采工作面区域瓦斯提前实施预抽，并在工作面准备以及回采期间不破坏煤层顶板定向穿层钻孔主孔抽采功能，同时一条底板巷能够服务1～2个回采工作面，可以大幅度地减少底板岩巷的掘进，减少工程量，同时实现大面积立体化全过程抽采工艺技术，有效缓解矿井“抽、掘、采”接替紧张的情况，促进矿井高效集约化发展。

为达到上述目的，本发明提供一种定向长钻孔联合底板穿层钻孔立体化瓦斯抽采方法，以一条底板岩巷单翼覆盖一个工作面为例，具体实施包含以下步骤：

1.在煤层底板岩巷1布置钻场2向煤层顶板施工孔口管岩孔段。开孔孔径φ133mm，深度10m左右，起钻后，下入长10m，φ127mm的孔口管5，孔口段外露20-30cm，采用锚固剂锚固孔口管5，装上法兰盘盖或闷盖6后，开启泥浆泵9通过注浆管8向孔口管5内带压注浆，直至耐压5MPa以上。

2.待泥浆凝固24h后，打开法兰盘盖或闷盖6，沿着孔口管5中心施工煤层顶板穿层定向钻孔主孔煤岩层段17，开孔孔径φ115mm，穿过煤层顶板16达到稳定抽采层18落平后，退出钻杆，上紧法兰盘盖或闷盖6，连接注浆管路8，通过注浆控制球阀7对钻孔进行带压注浆，注浆压力10MPa，对顶板穿层定向钻孔主孔煤岩层段17进行注浆固化，保证在后期工作面回采期间瓦斯抽采阶段也能保证抽采主钻孔孔壁的稳固性。

3.待水泥浆凝固48h后，施工顶板穿层主钻孔，换径φ96mm，沿孔口管5中心扫孔，到达稳定抽采层18后沿着水平方向钻出顶板穿层定向钻孔主孔10。

4.“后退式”施工顶板穿层分支钻孔，在顶板穿层定向钻孔主孔10逐段退出钻杆，每间隔20-30m施工分支钻孔15，钻孔穿过煤层进入煤层底板0.5m。

5. 每施工完一个顶板穿层定向钻孔分支孔15，在起钻退杆期间对煤层实施水力冲孔措施，冲孔压力不低于10MPa，冲孔煤量大约为1.2t/m，具体冲煤量根据实际煤层地质条件调整。该分支钻孔水力冲孔完成后，退杆至主钻孔段。

6.重复进行步骤4-5，完成煤层顶板所有分支钻孔的冲孔工作后，封孔对顶板穿层定向钻孔主孔10实施瓦斯并网连抽工作，封孔深度到达煤层顶板交界处19，注浆所用水泥为膨胀水泥，注浆压力不小于2MPa。

7.在煤层底板3钻场2向煤层底板施工底板穿层定向钻孔主孔12贯穿整个工作面煤层底板区域，主孔施工到位后，逐段退出定向钻杆，每间隔20-30m向煤层施工底板穿层定向钻孔分支孔14，钻孔穿过煤层进入煤层顶板0.5m，每个底板穿层定向钻孔分支孔14的见煤点位于顶板穿层相邻两分支孔15过煤点连线靠近底板巷的三等分点处。

8. 每施工完一个底板穿层定向钻孔分支孔14，在起钻退杆期间对底板穿层定向钻孔分支孔14实施水力加压冲孔措施，底板穿层定向钻孔分支孔14冲孔完成后，退杆至底板穿层定向钻孔主孔12，完成所有底板穿层定向钻孔分支孔14的冲孔工作后，封孔对底板穿层定向钻孔主孔12实施瓦斯并网连抽工作，封孔深度不低于20m，注浆所用水泥为膨胀水泥，注浆压力不小于2MPa。

9. 在稳定抽采层18和煤层底板3布置的定向穿层钻孔造成底板岩巷1上方煤层13区域存在抽采空白带，施工底板穿层钻孔11进行补孔后，完成水力冲孔作业，封孔对该组底板穿层钻孔11实施瓦斯并网连抽工作，封孔至煤岩交界处，注浆所用水泥为膨胀水泥，注浆压力不小于2MPa。

10、抽采过程中利用抽采达标评估软件进行抽采评估达标，当抽采达标后，煤巷开始掘进。同时严格按照《防治煤与瓦斯突出细则》要求实施区域和局部“四位一体”的综合措施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。