CN114673502A - 一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法，在煤巷掘进之前及掘进过程中，利用穿层钻孔和注浆钻孔对目标煤层依次进行卸压增透和注浆加固，从而在煤巷周围形成强化区域和卸压区域相结合，这样形成的“强化—松弛”结构一方面可提高瓦斯抽采效率，另一方面可保证煤巷安全采掘进度和后期稳定性维护；其次，在工作面回采时利用定向钻孔可实现煤层内异常赋存瓦斯的二次抽采，结合煤层常规瓦斯抽采方法，实现煤层瓦斯的全覆盖抽采；最后，在完成当前煤巷的工作面回采后，能将其他接续工作面新的煤巷及底板岩巷掘进时生产的煤矸石充填至当前废弃的底板岩巷中，可同时实现节约矸石提升成本、保护地表生态环境和预防地表塌陷等多重目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法，主要适用于高瓦斯低渗透煤层瓦斯全时空抽采及煤矸石高效处置等实际工程。
背景技术
高集约化机械开采模式使得煤矿开采逐步向深部延伸，较高的地应力使得煤层孔隙率和渗透率大幅降低，瓦斯含量和瓦斯压力剧增。为保障煤层安全顺利开采，通常采用系列煤层卸压技术、瓦斯抽采方法对预开采煤层进行强化卸压抽采，比如水力压裂、水力冲孔、保护层开采、顺层瓦斯抽采、穿层瓦斯抽采等。存在保护层开采条件的煤层可优先采用保护层开采方法，而无保护层开采条件的多借助底板岩巷和穿层钻孔来治理瓦斯灾害。同时，不同工作面采掘过程中生产的大量煤矸石通常会将其从矿井中提升至地面进行堆放，从而确保地下空间的可操作性。
现有底板岩巷通常是作为煤层采掘前瓦斯灾害防治的主要场所，主要涉及穿层钻孔瓦斯抽采和水力化卸压增透措施的实施。穿层钻孔的实施能够在一定程度上实现煤层卸压和瓦斯抽采的目的，但在实际生产过程中常存在一些应用限制：1.现有底板岩巷的利用效率较低，大多数底板岩巷的设置多针对于瓦斯灾害方式和瓦斯高效抽采；2.水力冲孔卸压手段能够对煤层结构进行有效卸压，但在后期煤巷掘进过程中的煤巷结构稳定性多产生不利影响；3.对于一些内含复杂地质结构的煤层而言，单一的穿层钻孔瓦斯采前预抽不能够很好地实现煤层瓦斯抽采达标，极大地影响工作面回采的接续效率；4.上覆煤层开采完毕后，目前都是将其底板岩巷封闭，封闭后较大的巷道空间易引起地层结构破坏和地表沉陷。同时，地面堆放的煤矸石一方面会污染地面环境，同时夹杂的易自燃煤块会引发燃烧事故的发生，严重威胁矿井地面生产安全。因此，亟需提出一种新的方法，通过考虑底板岩巷的不同时效性，根据底板岩巷所处的不同阶段分别采用特定手段，从而在保证底板岩巷支护稳定性的前提下，实现提高瓦斯抽采和煤矸石有效处置的双重效果，是本行业的研究方向之一。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法，通过考虑底板岩巷的不同时效性，根据底板岩巷所处的不同阶段分别采用特定手段，从而在保证底板岩巷支护稳定性的前提下，实现提高瓦斯抽采和煤矸石有效处置的双重效果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法，具体步骤为：
A、先根据煤层情况确定预掘进煤巷在煤层内的起始位置及掘进设计路径，完成后在煤巷掘进之前在煤层下方的底板岩层内施工底板岩巷，接着从底板岩巷的顶板向同一煤层断面钻取多个穿层钻孔，且多个穿层钻孔在同一煤层断面内的部分均匀分布在预掘进煤巷起始位置的两侧，各个穿层钻孔均穿过目标煤层进入顶板岩层内；
B、在底板岩巷内布置水力冲孔设备，通过水力冲孔设备依次向各个穿层钻孔内注入高压水，冲孔压力为10～15MPa，由于高压水冲蚀作用将穿层钻孔周围的煤体冲出，每个穿层钻孔的冲孔完成标准，以各个穿层钻孔的出煤量确定，待各个穿层钻孔的水力冲孔完毕后，在预掘进煤巷两侧的煤层内各形成一个卸压区域，接着对各个穿层钻孔进行封孔，并将各个穿层钻孔通过管路连接至瓦斯抽采管路中进行瓦斯抽采，便于后续煤巷在煤层内的掘进；
C、按照步骤A确定的煤巷位置及掘进设计路径，开始进行煤巷掘进，在煤巷掘进过程中，根据底板岩巷走向，每隔设定距离从底板岩巷的顶板向当前所处煤层断面钻取多个穿层钻孔，并重复步骤B的处理过程，完成掘进中煤巷两侧的卸压区域布设；同时在每次钻设多个穿层钻孔后，从底板岩巷向当前所处煤层断面施工多个注浆钻孔，各个注浆钻孔处于掘进中煤巷的周围，采用注浆设备将注浆材料注入各个注浆钻孔内，待注浆材料凝固后，在当前所处煤层断面的煤巷周围形成强化区域，强化区域相对于卸压区域距离煤巷更近；接着从煤巷内向周围煤层打设多个锚杆进行支护，从而通过每隔设定距离形成强化区域及锚杆支护联合作用，从而保证煤巷掘进期间的整体稳固性，直至完成整个煤巷掘进工作；
D、完成煤巷掘进工作后，开始进行煤层工作面回采，在回采期间从底板岩巷向煤层工作面前方30m的煤体施工多个定向钻孔，各个定向钻孔均穿过煤层进入顶板岩层，然后将各个定向钻孔采用步骤B的方式处理后进行二次瓦斯强化抽采，从而保证煤层工作面回采过程中的安全稳定；
E、当前煤层工作面回采完毕后，重复步骤A至D在同一煤层与当前煤巷间隔一定距离后，再确定新的煤巷及底板岩巷，并将新的煤巷及底板岩巷掘进时产生的煤矸石运输至当前底板岩巷内进行湿式密封充填，同时新的煤巷掘进时能利用当前形成的卸压区域，从而在保证煤巷掘进及后续使用安全稳定前提下，提高煤巷掘进效率。
进一步，所述步骤B中的出煤量以穿层钻孔处于煤层内的长度乘以每米出煤量获得，其中每米出煤量为1.5t/m～3t/m。通过这个判断标准能使不同穿层钻孔具有各自的冲孔结束标准，从而在实现卸压作用的前提下，有效提高施工效率。
进一步，所述强化区域的形成范围为距离煤巷15～20m；卸压区域的形成范围为距离煤巷120～150m。采用这个设定范围，能在保证煤巷掘进及后期工作面回采过程中，强化区域及卸压区域各自所起的作用前提下，有效减少各种钻孔的施工数量提高施工效率。
进一步，所述穿层钻孔、注浆钻孔和定向钻孔的终孔位置均进入顶板岩层至少1m。这样能保证各个钻孔的钻设后的稳定性。
进一步，在同一煤层断面上各个穿层钻孔沿煤层倾向呈扇形分布，处于煤巷每一侧的各个穿层钻孔相邻之间的夹角为30°；各个穿层钻孔的直径为80～100mm；所述注浆钻孔的直径为50～80mm，定向钻孔的直径为50～80mm。
进一步，所述定向钻孔的施工形式采用高位钻孔和顺层钻孔联合施工。这种方式能更好的提高瓦斯抽采效果。
进一步，所述注浆材料采用掺有快速凝结剂的水泥砂浆，水灰比为1：3，且注浆设备采用气动式注浆泵进行注浆，注浆时间控制在30～40min。采用该种注浆材料使得强化区域的加固强度更好。
与现有技术相比，本发明考虑底板岩巷不同时间效应下的瓦斯综合治理、煤巷快速掘进与稳固、以及煤矸石就地充填三个工程集成化，在时间尺度上综合考虑煤巷采掘与瓦斯抽采的连续性，在空间尺度上提升煤层开采、瓦斯治理和矸石充填三位一体的实施效率，在提高底板岩巷利用效率基础之上，最大程度地提高预开采煤层的瓦斯灾害防治、其他接续工作面煤矸石的原位处置效率。首先，在煤巷掘进之前及掘进过程中，利用穿层钻孔和注浆钻孔对目标煤层依次进行卸压增透和注浆加固，从而在煤巷周围形成强化区域和卸压区域相结合的方式，其中强化区域更靠近煤巷，卸压区域处于强化区域的两侧，这样形成的“强化—松弛”结构一方面可提高瓦斯抽采效率，另一方面可保证煤巷安全采掘进度和后期稳定性维护；其次，在工作面回采时利用定向钻孔可实现目标煤层内异常赋存瓦斯的二次抽采，联合煤层常规瓦斯抽采方法，实现煤层瓦斯的全覆盖抽采；最后，在完成当前煤巷的工作面回采后，能将其他接续工作面进行新的煤巷及底板岩巷掘进时生产的煤矸石充填至当前废弃的底板岩巷中，可同时实现节约矸石提升成本、保护地表生态环境和预防地表塌陷等多重目的；并且新的煤巷掘进时能部分利用当前形成的卸压区域，从而在保证煤巷掘进及后续使用安全稳定前提下，减少施工流程，提高煤巷掘进效率。
附图说明
图1是本发明中一个煤巷及底板岩巷的治理施工示意图；
图2是图1中煤巷掘进过程中锚杆加固断面示意图；
图3是图1中定向钻孔空间布置剖面示意图；
图4是本发明多个煤巷及底板岩巷的治理施工示意图。
图中：1-煤层；2-底板岩巷；3-顶板岩层；4-注浆钻孔；5-穿层钻孔；6-煤巷；7-锚杆；8-定向钻孔；I-强化区域；II-卸压区域；III-原位区域。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的具体步骤为：
A、先根据煤层1情况确定预掘进煤巷6在煤层1内的起始位置及掘进设计路径，完成后在煤巷6掘进之前在煤层1下方的底板岩层内施工底板岩巷2，接着从底板岩巷2的顶板向同一煤层断面钻取多个穿层钻孔5，且多个穿层钻孔5在同一煤层断面内的部分均匀分布在预掘进煤巷6起始位置的两侧，各个穿层钻孔5均穿过目标煤层1进入顶板岩层3内；在同一煤层断面上各个穿层钻孔5沿煤层倾向呈扇形分布，处于煤巷6每一侧的各个穿层钻孔5相邻之间的夹角为30°；各个穿层钻孔5的直径为80～100mm；
B、在底板岩巷2内布置水力冲孔设备，通过水力冲孔设备依次向各个穿层钻孔5内注入高压水，冲孔压力为10～15MPa，由于高压水冲蚀作用将穿层钻孔5周围的煤体冲出，每个穿层钻孔5的冲孔完成标准，以各个穿层钻孔5的出煤量确定，其中出煤量以穿层钻孔5处于煤层1内的长度乘以每米出煤量获得，其中每米出煤量为1.5t/m～3t/m。通过这个判断标准能使不同穿层钻孔5具有各自的冲孔结束标准，从而在实现卸压作用的前提下，有效提高施工效率；待各个穿层钻孔5的水力冲孔完毕后，在预掘进煤巷6两侧的煤层1内各形成一个卸压区域II，接着对各个穿层钻孔5进行封孔，并将各个穿层钻孔5通过管路连接至瓦斯抽采管路中进行瓦斯抽采，便于后续煤巷6在煤层1内的掘进；
C、按照步骤A确定的煤巷6位置及掘进设计路径，开始进行煤巷6掘进，在煤巷6掘进过程中，根据底板岩巷2走向，每隔设定距离从底板岩巷2的顶板向当前所处煤层断面钻取多个穿层钻孔5，并重复步骤B的处理过程，完成掘进中煤巷6两侧的卸压区域II布设；同时在每次钻设多个穿层钻孔5后，从底板岩巷2向当前所处煤层断面施工多个注浆钻孔4，所述注浆钻孔4的直径为50～80mm，各个注浆钻孔4处于掘进中煤巷6的周围，采用注浆设备将注浆材料注入各个注浆钻孔4内，待注浆材料凝固后，在当前所处煤层断面的煤巷6周围形成强化区域I，强化区域I相对于卸压区域II距离煤巷6更近；如图2所示，接着从煤巷6内向周围煤层1打设多个锚杆7进行支护，从而通过每隔设定距离形成强化区域I及锚杆7支护联合作用，从而保证煤巷6掘进期间的整体稳固性，直至完成整个煤巷6掘进工作；其中强化区域I的形成范围为距离煤巷15～20m；卸压区域II的形成范围为距离煤巷120～150m。采用这个设定范围，能在保证煤巷6掘进及后期工作面回采过程中，强化区域I及卸压区域II各自所起的作用前提下，有效减少各种钻孔的施工数量提高施工效率；
D、完成煤巷6掘进工作后，开始进行煤层工作面回采，如图3所示，在回采期间从底板岩巷2向煤层工作面前方30m的煤体施工多个定向钻孔8，定向钻孔8的直径为50～80mm，所述定向钻孔8的施工形式采用高位钻孔和顺层钻孔联合施工。这种方式能更好的提高瓦斯抽采效果；各个定向钻孔8均穿过煤层1进入顶板岩层3，然后将各个定向钻孔8采用步骤B的方式处理后进行二次瓦斯强化抽采，从而保证煤层工作面回采过程中的安全稳定；所述穿层钻孔5、注浆钻孔4和定向钻孔8的终孔位置均进入顶板岩层至少1m。这样能保证各个钻孔的钻设后的稳定性。
E、当前煤层工作面回采完毕后，重复步骤A至D在同一煤层与当前煤巷间隔一定距离后，如图4所示，再确定新的煤巷6及底板岩巷2，并将新的煤巷6及底板岩巷2掘进时产生的煤矸石运输至当前底板岩巷2内进行湿式密封充填，同时新的煤巷6掘进时能利用当前形成的卸压区域II，从而在保证煤巷6掘进及后续使用安全稳定前提下，提高煤巷6掘进效率。其中湿式密封充填的过程为：利用高水材料混合煤矸石充填至底板岩巷2内，并设置埋管对充填区的空气进行负压抽采；其中高水材料的注入压力为3～5MPa，注入体积为底板岩巷2体积减去煤矸石充填体积，空气负压抽采压力为700～900kPa。
作为本发明的一种改进，所述注浆材料采用掺有快速凝结剂的水泥砂浆，水灰比为1：3，且注浆设备采用气动式注浆泵进行注浆，注浆时间控制在30～40min。采用该种注浆材料使得强化区域I的加固强度更好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法，其特征在于，具体步骤为：
A、先根据煤层情况确定预掘进煤巷在煤层内的起始位置及掘进设计路径，完成后在煤巷掘进之前在煤层下方的底板岩层内施工底板岩巷，接着从底板岩巷的顶板向同一煤层断面钻取多个穿层钻孔，且多个穿层钻孔在同一煤层断面内的部分均匀分布在预掘进煤巷起始位置的两侧，各个穿层钻孔均穿过目标煤层进入顶板岩层内；
B、在底板岩巷内布置水力冲孔设备，通过水力冲孔设备依次向各个穿层钻孔内注入高压水，冲孔压力为10～15MPa，由于高压水冲蚀作用将穿层钻孔周围的煤体冲出，每个穿层钻孔的冲孔完成标准，以各个穿层钻孔的出煤量确定，待各个穿层钻孔的水力冲孔完毕后，在预掘进煤巷两侧的煤层内各形成一个卸压区域，接着对各个穿层钻孔进行封孔，并将各个穿层钻孔通过管路连接至瓦斯抽采管路中进行瓦斯抽采，便于后续煤巷在煤层内的掘进；
C、按照步骤A确定的煤巷位置及掘进设计路径，开始进行煤巷掘进，在煤巷掘进过程中，根据底板岩巷走向，每隔设定距离从底板岩巷的顶板向当前所处煤层断面钻取多个穿层钻孔，并重复步骤B的处理过程，完成掘进中煤巷两侧的卸压区域布设；同时在每次钻设多个穿层钻孔后，从底板岩巷向当前所处煤层断面施工多个注浆钻孔，各个注浆钻孔处于掘进中煤巷的周围，采用注浆设备将注浆材料注入各个注浆钻孔内，待注浆材料凝固后，在当前所处煤层断面的煤巷周围形成强化区域，强化区域相对于卸压区域距离煤巷更近；接着从煤巷内向周围煤层打设多个锚杆进行支护，从而通过每隔设定距离形成强化区域及锚杆支护联合作用，从而保证煤巷掘进期间的整体稳固性，直至完成整个煤巷掘进工作；
D、完成煤巷掘进工作后，开始进行煤层工作面回采，在回采期间从底板岩巷向煤层工作面前方30m的煤体施工多个定向钻孔，各个定向钻孔均穿过煤层进入顶板岩层，然后将各个定向钻孔采用步骤B的方式处理后进行二次瓦斯强化抽采，从而保证煤层工作面回采过程中的安全稳定；
E、当前煤层工作面回采完毕后，重复步骤A至D在同一煤层与当前煤巷间隔一定距离后，再确定新的煤巷及底板岩巷，并将新的煤巷及底板岩巷掘进时产生的煤矸石运输至当前底板岩巷内进行湿式密封充填，同时新的煤巷掘进时能利用当前形成的卸压区域，从而在保证煤巷掘进及后续使用安全稳定前提下，提高煤巷掘进效率。
2.根据权利要求1所述的一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法，其特征在于，所述步骤B中的出煤量以穿层钻孔处于煤层内的长度乘以每米出煤量获得，其中每米出煤量为1.5t/m～3t/m。
3.根据权利要求1所述的一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法，其特征在于，所述强化区域的形成范围为距离煤巷15～20m；卸压区域的形成范围为距离煤巷120～150m。
4.根据权利要求1所述的一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法，其特征在于，所述穿层钻孔、注浆钻孔和定向钻孔的终孔位置均进入顶板岩层至少1m。
5.根据权利要求1所述的一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法，其特征在于，在同一煤层断面上各个穿层钻孔沿煤层倾向呈扇形分布，处于煤巷每一侧的各个穿层钻孔相邻之间的夹角为30°；各个穿层钻孔的直径为80～100mm；所述注浆钻孔的直径为50～80mm，定向钻孔的直径为50～80mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法，其特征在于，所述定向钻孔的施工形式采用高位钻孔和顺层钻孔联合施工。
7.根据权利要求1所述的一种基于底板岩巷的多模灾害链式治理方法，其特征在于，所述注浆材料采用掺有快速凝结剂的水泥砂浆，水灰比为1：3，且注浆设备采用气动式注浆泵进行注浆，注浆时间控制在30～40min。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115199269A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-10-18 | 中国矿业大学 | 一种孤岛突出煤层强弱耦合结构多灾害一体化防控方法 |
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2022
- 2022-05-09 CN CN202210496959.3A patent/CN114673502B/zh active Active
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