CN117803447A - 一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，包括以下步骤：S1、在煤体保护层进行主孔定向钻孔作业形成主孔穿层段，贯穿至下部目标煤体后进行顺煤层水平钻进；S2、在主孔水平段进行多个探顶分支钻孔规划及钻进作业；S3、在主孔水平段起点位置沿同一水平面进行多条水平分支钻孔规划及钻进作业；S4、依照S2对探顶分支钻孔的规划，在每个水平分支钻孔上施工多个探顶分支钻孔规划及钻进作业；S5、在主孔穿层段出口位置处进行瓦斯抽采作业。本发明利用水平分支钻孔和探顶分支钻孔的设置，在煤层内部建立立体且覆盖范围更大的抽采孔道网络结构，减少钻孔工程的工作量，利用界面处瓦斯导流通道对瓦斯抽采的促进作用，提高含夹矸煤层瓦斯抽采效率。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法。
背景技术
随着现代化煤矿生产的发展，其规模日趋扩大，生产过程中存在能量巨大的潜在危险源，伴随着多种灾害事故的发生，如瓦斯***、煤与瓦斯突出事故等。但同时瓦斯又是储量丰富、清洁、高效的新型能源。因此安全有效地抽采瓦斯不仅能够减少矿井事故的发生，并且能够作为清洁能源用于工业发电、汽车燃气和日常生活用气等，进而获得较好的环境效益。
目前，被保护层卸压瓦斯抽采的方法主要有井下穿层钻孔抽采、地面钻井抽采两种。地面钻井抽采卸压瓦斯的方法在全国多个矿区的保护层开采工作面得到了应用，并取得了一定的成果，但是其整体应用效果并不理想。究其原因，主要是采用地面钻井抽采被保护层的卸压瓦斯时，经常出现塌井、堵井等情况。井下穿层钻孔抽采方法比较稳定，通过煤层顶板或底板开掘巷道向被抽采煤层打钻孔进行瓦斯抽采，以降低被抽采煤层在采掘过程中瓦斯涌出量和突出危险性，且对保护层保护效果的考察也比较方便，因此被广泛使用。
但是，井下穿层钻孔抽采被保护层卸压瓦斯的方法钻孔工程量大，要占用大量的人力、物力资源。根据相关研究可知，夹矸对瓦斯穿层流动具有阻碍作用，严重制约着含夹矸保护层瓦斯卸压抽采效率。而穿层钻孔能够削弱夹矸层对瓦斯的穿层流动作用影响。同时定向穿层钻孔能与界面导流通道联通，在界面处形成多个影响一定范围的抽采负压区，利于瓦斯向界面处解吸并通过界面导流作用汇集至钻孔，从而提高含夹矸煤层瓦斯抽采效率。因此，需要对钻孔布孔方式进行优化，节约人力物力成本。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为达到上述目的，本发明提出了一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，包括以下步骤：
S1、在煤体保护层使用钻机按照预定倾角向保护层内进行主孔定向钻孔作业，形成主孔穿层段，主孔穿层段贯穿至下部目标煤体后进行顺煤层水平钻进，直至完成预定主孔水平长度钻进作业；
S2、在主孔水平段进行多个探顶分支钻孔规划及钻进作业；
S3、在主孔水平段起点位置沿同一水平面进行多条水平分支钻孔规划及钻进作业；
S4、依照S2对探顶分支钻孔的规划，在每个水平分支钻孔上施工多个探顶分支钻孔规划及钻进作业；
S5、在主孔穿层段出口位置处进行瓦斯抽采作业。
本发明利用水平分支钻孔和探顶分支钻孔的设置，优化了原本的穿层钻孔抽采技术，将主孔作为抽采孔，在煤层内部建立立体且覆盖范围更大的抽采孔道网络结构，有效减少了钻孔工程的工作量，节约了成本，并且充分利用了界面处瓦斯导流通道对瓦斯抽采的促进作用，提高了含矸煤层瓦斯抽采效率。
可选地，所述主孔穿层段自保护层钻孔开口处朝向远离保护层的煤层方向，且依次贯穿煤层顶板、煤上层、夹矸煤层至煤下层，且主孔水平段以及若干所述水平分支钻孔均在煤下层中进行钻进作业。
进一步地，所述探顶分支钻孔自起始处朝向保护层方向依次贯穿煤下层、夹矸煤层至煤上层。
进一步地，在S2中，根据被保护层开采卸压后钻孔抽采有效半径、截面导流效果以及主孔水平段的长度，来对探顶分支钻孔的起点、间距及数量进行规划。
进一步地，对探顶分支钻孔起点、间距及数量的规划，包括以下步骤：
S21、在目标含夹矸煤层获取大块原煤试样、保留原位截面结构的煤岩组合体试样以及岩石试样，并将采集的试样加工制作为标准试样；
S22、对架构后的标准试样进行试验，用以获取对应夹矸煤层中各个试样的基本物理参数，并依据各个试样的基本物理参数模拟获得各煤、岩层固气耦合基本物理参数；
S23、采用数值模拟软件，根据实际施工地层结构，对地层结构进行包含夹矸煤层网格模型建立，并将S22的各个参数带入该模型，模拟获得有效抽采半径及截面对瓦斯导流影响半径；
S24、根据模拟所得抽采半径，确定探顶分支钻孔的间距，并根据主孔水平段长度信息确定每个探顶分支钻孔的起点及数量。
进一步地，所述探顶分支钻孔之间的分布间距不大于瓦斯有效抽采半径的2倍。
进一步地，在S41中，加工为直径50mm*高度100mm的标准试样。
进一步地，S22中，试验获得原煤试样以及岩石试样的基本力学参数，包括弹性模量以及泊松比，采用三轴同步加载-渗流试验设备测试试样的渗透率，并获得试样全应力应变-渗透率变化曲线，同时获得定轴压卸围压条件下界面结构渗透率变化曲线。
进一步地，在S23中，模拟软件采用COMSOLMu lt iphys ics数值模拟软件。
进一步地，在S3中，依据探顶分支钻孔之间的分布间距范围、瓦斯有效抽采半径以及截面对瓦斯导流影响半径对水平分支钻孔的数量及间距进行规划。
进一步地，S1中，所述主孔自保护层钻孔开口处朝向远离保护层的煤层方向，且依次贯穿煤层顶板、煤上层、多个夹矸煤层至煤下层。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法的步骤示意图；
图2为根据本发明一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法的主孔施工效果示意图，旨在展示主孔及探顶分支钻孔在煤层中的施工结构；
图3为根据本发明一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法的主孔及探顶分支钻孔建模简化示意图；
图4为根据本发明一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法的主孔及水平分支钻孔建模简化示意图；
图5为根据本发明一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法的S2具体方法步骤示意图。
附图标记：
1、煤上层；2、夹矸层；3、煤下层；4、探顶分支钻孔；5、主孔；6、水平分支钻孔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，以下结合图1至图3进行详细阐述。
本发明提供一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，包括以下步骤：
S1、在煤体保护层使用钻机按照预定倾角向保护层内进行主孔定向钻孔作业，形成主孔穿层段，主孔穿层段贯穿至下部目标煤体后进行顺煤层水平钻进，直至完成预定主孔水平长度钻进作业；
S2、在主孔水平段进行多个探顶分支钻孔规划及钻进作业；
S3、在主孔水平段起点位置沿同一水平面进行多条水平分支钻孔规划及钻进作业；
S4、依照S2对探顶分支钻孔的规划，在每个水平分支钻孔上施工多个探顶分支钻孔规划及钻进作业；
S5、在主孔穿层段出口位置处进行瓦斯抽采作业。
本发明利用水平分支钻孔和探顶分支钻孔的设置，优化了原本的穿层钻孔抽采技术，将有主孔作为抽采空，在煤层内部建立立体且覆盖范围更大的抽采孔道网络结构，有效减少了钻孔工程的工作量，节约了成本，并且充分利用了界面处瓦斯导流通道对瓦斯抽采的促进作用，提高了含矸煤层瓦斯抽采效率。立体的抽采网络可有效消除或降低夹矸层对瓦斯抽采效率的制约，实现含夹矸煤层上下分层煤体瓦斯同时高效抽采，同时，本方法可以结合保护层开采工程，充分发挥保护层开采后煤层卸压增透作用，及煤岩界面增透作用，有效利用了夹矸层与煤层间界面对瓦斯的导流作用，提高瓦斯抽采效率。在一些其他实施例中，本抽采方法同样适用于两层及两层以上多层夹矸煤层，或近距离煤层群瓦斯抽采。
其中，在进行主孔钻进作业时，需要将主孔分为段进行钻进作业，分别为主孔穿层段以及主孔水平段，以保证在煤层中建立抽采瓦斯的主孔道，也即在S1步骤中，主孔穿层段自保护层钻孔开口处朝向远离保护层的煤层方向，且依次贯穿煤层顶板、煤上层、夹矸煤层至煤下层，且主孔水平段以及若干水平分支钻孔均在煤下层中进行钻进作业。
完成主孔的钻进作业之后，需要先在主孔上进行太难顶分支钻孔的规划，探顶分支钻孔自起始处朝向保护层方向依次贯穿煤下层、夹矸煤层至煤上层，探顶分支钻孔的起始处在主孔水平段上，由于各个施工地点地质环境的不同，在S2中，根据被保护层开采卸压后钻孔抽采有效半径、截面导流效果以及主孔水平段的长度，来对探顶分支钻孔的起点、间距及数量进行规划。
进一步的，在S2中对探顶分支钻孔起点、间距及数量的规划，包括以下步骤：
S21、在目标含夹矸煤层获取大块原煤试样、保留原位截面结构的煤岩组合体试样以及岩石试样，并将采集的试样加工制作为标准试样，标准试样的规格为直径50mm*高度100mm；
S22、对架构后的标准试样进行试验，用以获取对应夹矸煤层中各个试样的基本物理参数，并依据各个试样的基本物理参数模拟获得各煤、岩层固气耦合基本物理参数；
S23、采用COMSOLMu lt iphys ics数值模拟软件，根据实际施工地层结构，对地层结构进行包含夹矸煤层网格模型建立，并将S22的各个参数带入该模型，得到各个煤岩层固气耦合模型，模拟获得有效抽采半径及截面对瓦斯导流影响半径；
S24、根据模拟所得抽采半径，确定探顶分支钻孔的间距，并根据主孔水平段长度信息确定每个探顶分支钻孔的起点及数量。
其中，在S22中，试验获得原煤试样以及岩石试样的基本力学参数，包括弹性模量以及泊松比等基本力学参数，采用三轴同步加载-渗流试验设备测试试样的渗透率，并获得试样全应力应变-渗透率变化曲线，同时获得定轴压卸围压条件下界面结构渗透率变化曲线。
煤层卸压后，界面处渗透率大幅增加，与抽采钻孔形成联通结构，钻孔及界面处抽采负压促进瓦斯渗流、排出；因此，相比于布置顺层抽采钻孔，布置定向钻孔抽采含夹矸煤层瓦斯可以增加煤层瓦斯排采效率。
在S3中，依据探顶分支钻孔之间的分布间距范围、瓦斯有效抽采半径以及截面对瓦斯导流影响半径对水平分支钻孔的数量及间距进行规划。在一些实施例中，由于当地地质结构问题，需要参照S21-S24步骤对水平分支钻孔的数量及间距进行详细的规划。水平分支钻孔进行规划及钻孔施工时需要和主孔水平段处于同一层位。
完成S3步骤之后，依照S4步骤，在各个水平分支钻孔上完成探顶分支钻孔的规划和钻进作业，保证每条水平分支钻孔上的探顶分支钻孔可以同样自起始端依次穿过煤下层、夹矸煤层至煤上层。
在对水平分支钻孔以及探顶分支钻孔的规划时，水平钻孔各钻孔间距及探顶分支间距均应不大于煤层有效抽采半径的2倍。
完成S4步骤之后，在主孔以及水平分支钻孔、探顶分支钻孔的共同组合作用下，形成立体抽采网络，钻孔抽采负压影响下，可在抽采钻孔及钻孔界面形成负压腔室，煤层瓦由煤岩界面及钻孔排出，从而降低煤层瓦斯含量。定向穿层钻孔探顶分支不仅解决了夹矸层阻碍瓦斯流动排出的问题，还同时有效利用了煤岩界面结构的对瓦斯的导流作用，因此，利用定向钻机布置水平及探顶分支相结合的立体钻孔网络能高效抽采煤层瓦斯。且不同于布置常规钻孔，布置定向穿层钻孔更能保障钻孔布置均匀，可有效避免抽采盲区；施工定向钻孔能有效减少钻机移机次数，提升施工效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (11)
1.一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在煤体保护层使用钻机按照预定倾角向保护层内进行主孔定向钻孔作业，形成主孔穿层段，主孔穿层段贯穿至下部目标煤体后进行顺煤层水平钻进，直至完成预定主孔水平长度钻进作业；
S2、在主孔水平段进行多个探顶分支钻孔规划及钻进作业；
S3、在主孔水平段起点位置沿同一水平面进行多条水平分支钻孔规划及钻进作业；
S4、依照S2对探顶分支钻孔的规划，在每个水平分支钻孔上施工多个探顶分支钻孔规划及钻进作业；
S5、在主孔穿层段出口位置处进行瓦斯抽采作业。
2.如权利要求1所述的一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，所述主孔穿层段自保护层钻孔开口处朝向远离保护层的煤层方向，且依次贯穿煤层顶板、煤上层、夹矸煤层至煤下层，且主孔水平段以及若干所述水平分支钻孔均在煤下层中进行钻进作业。
3.如权利要求1所述的一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，所述探顶分支钻孔自起始处朝向保护层方向依次贯穿煤下层、夹矸煤层至煤上层。
4.如权利要求1所述的一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，在S2中，根据被保护层开采卸压后钻孔抽采有效半径、截面导流效果以及主孔水平段的长度，来对探顶分支钻孔的起点、间距及数量进行规划。
5.如权利要求4所述的一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，对探顶分支钻孔起点、间距及数量的规划，包括以下步骤：
S21、在目标含夹矸煤层获取大块原煤试样、保留原位截面结构的煤岩组合体试样以及岩石试样，并将采集的试样加工制作为标准试样；
S22、对架构后的标准试样进行试验，用以获取对应夹矸煤层中各个试样的基本物理参数，并依据各个试样的基本物理参数模拟获得各煤、岩层固气耦合基本物理参数；
S23、采用数值模拟软件，根据实际施工地层结构，对地层结构进行包含夹矸煤层网格模型建立，并将S22的各个参数带入该模型，模拟获得有效抽采半径及截面对瓦斯导流影响半径；
S24、根据模拟所得抽采半径，确定探顶分支钻孔的间距，并根据主孔水平段长度信息确定每个探顶分支钻孔的起点及数量。
6.根据权利要求5所述的一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，所述探顶分支钻孔之间的分布间距不大于瓦斯有效抽采半径的2倍。
7.根据权利要求5所述的一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，在S41中，加工为直径50mm*高度100mm的标准试样。
8.根据权利要求5所述的一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，S22中，试验获得原煤试样以及岩石试样的基本力学参数，包括弹性模量以及泊松比，采用三轴同步加载-渗流试验设备测试试样的渗透率，并获得试样全应力应变-渗透率变化曲线，同时获得定轴压卸围压条件下界面结构渗透率变化曲线。
9.根据权利要求5所述的一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，在S23中，模拟软件采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件。
10.根据权利要求6所述的一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，在S3中，依据探顶分支钻孔之间的分布间距范围、瓦斯有效抽采半径以及截面对瓦斯导流影响半径对水平分支钻孔的数量及间距进行规划。
11.如权利要求1所述的一种含夹矸煤层瓦斯抽采方法，其特征在于，S1中，所述主孔自保护层钻孔开口处朝向远离保护层的煤层方向，且依次贯穿煤层顶板、煤上层、多个夹矸煤层至煤下层。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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