中硬煤层顺层钻孔瓦斯治理方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及煤矿瓦斯治理技术领域，特别地，涉及一种中硬
煤层顺层钻孔瓦斯治理方法。
背景技术
[0002] 煤炭是我国的主要
能源，在相当长的时期内依然会保持主体能源的地位。受制于煤炭资源赋存条件，我国煤炭资源主要源于地下开采。随着煤层埋藏深度和开采强度的不断增加，煤矿瓦斯也成为威胁煤炭开采的主要灾害。我国近年来发生的重特大煤矿事故，多数都是由于瓦斯事故造成的。虽然矿井投入瓦斯治理的资金、人员不断增加，但瓦斯灾害的威胁却依然存在。
[0003] 瓦斯事故一旦发生往往伴随着群死群伤，给企业和职工造成重大损失，而瓦斯气体的隐蔽性和人体的不可感触性，又常常使人麻木和松懈，在构建和谐社会的今天，杜绝和防止各类重大瓦斯事故的发生，具有重要的意义。
[0004] 我国煤层瓦斯具有“两低一高”的特点，即煤层瓦斯压
力低、煤层透气性低、煤层瓦斯
吸附能力高，这一特点给煤层开采和瓦斯抽放带来了较大困难。在煤体中赋存的瓦斯，主要为吸附瓦斯，占到煤体瓦斯含量的80％-90％的瓦斯吸附在煤体的微孔结构中，游离瓦斯只有10％-20％赋存在煤体的节理和裂隙中，由于煤层瓦斯的这种吸附特性，若想消除煤层瓦斯的危害，必须对煤岩层产生扰动，使吸附瓦斯转为游离瓦斯，进而通过裂隙通道抽出来。
[0005] 我国多年的科研和生产实践，尤其煤矿瓦斯抽放经验表明，瓦斯只有在煤岩体的
应力应变发生变化的情况下，才会大量的解析、运移。
[0006] 我国经过几十年的大规模采煤，瓦斯治理的手段也在不断发展和丰富，目前应用较多的瓦斯治理方法主要有顺层钻孔、穿层钻孔、松动爆破、保护层开采、地面钻井抽采、
水力化治理瓦斯技术等措施。
[0007] 顺层钻孔作为最早使用的井下瓦斯抽采方法，时至今日依然在本煤层抽采中占有重要的地位。顺层钻孔是在煤层中打钻，钻孔利用效率高，缺点是钻孔工程量大，抽采时间较长，对矿井的正常接替有一定影响。
[0008] 松动爆破技术主要是利用炸药的爆炸能，使周围煤体形成一个卸压区域，使应力带向煤体深处转移，同时，爆破使煤体产生较多的裂隙，增大了煤体透气性，促使煤体内的瓦斯大量涌出、为瓦斯排放创造更好的条件，但炸药爆破过程产生高温火焰同时释放出大量热量，由于反应不充分会产生大量有害气体，同时由于煤层瓦斯的缘故，容易造成瓦斯事故，安全性低。
[0009] 在经过长期多年的理论研究并结合现场的工程实践来看，对于存在突出危险的煤层，保护层技术是最为有效、安全和经济的防治煤与瓦斯突出的技术。保护层开采技术被《防突规定》列为在区域防突措施中应当优先采用的一种防突技术，但是我国多数矿区都为单一煤层或煤层间距过大，这也限制了保护层开采使用的范围。
[0010] 水力化瓦斯治理措施包括水力冲孔，水力割缝、水力冲刷、水力压裂等多种瓦斯治理方法。水力冲孔一般是在底抽巷或是岩柱的掩护下对煤层进行高压水冲刷、水力割缝一般是在顺槽中对煤体进行割缝、水力压裂一般在底抽巷对硬煤进行高压致裂。
[0011] 水力割缝的原理是:在钻孔内运用高压水射流对钻孔两侧的煤体进行切割，在钻孔两侧形成1条具有一定深度的扁平缝槽，利用水流将切割下来的煤
块带出孔外，由于增加了煤体暴露面积，且扁平缝槽相当于局部范围内开采了一层极薄的保护层，因此使得钻孔附近煤体得到了局部卸压，改善了瓦斯流动条件。
[0012] 为了减少煤矿开采中的瓦斯事故，保障采矿工人的安全，本领域技术人员依然在不断地创新瓦斯治理方法。
发明内容
[0013] 本发明提供了一种中硬煤层顺层钻孔瓦斯治理方法，以解决现有单一瓦斯治理手段对煤层的扰动小，钻孔抽采半径较小，瓦斯抽采工程量大及抽采时间长的技术问题。
[0014] 根据本发明的一个方面，提供一种中硬煤层顺层钻孔瓦斯治理方法，包括以下步骤：
[0015] S1、在回采工作面沿煤层走向打钻、取芯，测定煤层平均f值，根据所述平均f值大小，初步确定水力割缝工艺参数，所述水力割缝工艺参数主要包括选择高压
泵型号、割缝
喷嘴尺寸、割缝宽度，其中f为煤的坚固性系数；
[0016] S2、在煤层施工钻孔以步骤S1选择的割缝设备进行水力割缝，测定水力割缝后的抽采半径r1；
[0017] S3、以步骤S2确定的抽采半径r1为相邻钻孔的中心间距在煤层平行施工钻孔并进行水力割缝，并在水力割缝后的钻孔内进行液态CO2
相变致裂爆破钻孔，测定水力割缝和液态CO2相变致裂双重影响下的抽采半径r2；
[0018] S4、以步骤S3测定的水力割缝钻孔和液态CO2相变致裂双重影响下的钻孔抽采半径r2作为相邻钻孔的中心间距，重新布置钻孔并完成水力割缝工作；
[0019] S5、按照每隔一个钻孔进行一次液态CO2相变致裂爆破的方式对煤层进行致裂；
[0020] S6、对重新布置的钻孔进行封孔并连接井下抽采系统，定期测定和统计抽采参数；
[0021] S7、达到设计抽采时间后，进行抽采效果检验。
[0022] 进一步地，在煤层平行施工n个间距相等的钻孔，n≥5，所述间距为0.8～2m，根据步骤S1确定的水力割缝工艺参数，选择最外侧的一个钻孔进行水力割缝，水力割缝时记录割缝参数，割缝参数包括割缝压力、出煤量、割缝时间和耗水量，对剩余n-1个钻孔进行封孔并连接井下抽采系统，采用SF6示踪气体法确定割缝参数下的抽采半径r1。
[0023] 进一步地，步骤S3中，抽采半径r2的测定方法为：在煤层平行施工m个钻孔，m≥5，相邻钻孔的间距分别为r1、d、d、d、…、d，其中d＜r1，对相邻钻孔间距为r1且位于外侧的钻孔按照步骤S2中相同的水力割缝工艺参数进行水力割缝，割缝完毕后，将液态CO2相变致裂装置推入水力割缝后的钻孔内爆破，然后将剩余m-1个钻孔进行封孔并连接井下抽采系统，采用SF6示踪气体法确定水力割缝和液态CO2相变致裂双重影响下的抽采半径r2。
[0024] 进一步地，所述水力割缝是平行于煤层倾向沿
钻杆径向的定向水力割缝。
[0025] 进一步地，所述水力割缝采用的
钻头是钻孔割缝一体化钻头，在低压时施工钻孔，高压时进行割缝。
[0026] 进一步地，所述水力割缝在施工时留有20～30m的安全煤柱。
[0027] 进一步地，所述封孔方式为采用
水泥砂浆封孔法或
马丽散封孔法或两堵一注法。
[0028] 进一步地，所述封孔深度为15～20m。
[0029] 进一步地，所述井下抽采系统的抽采
负压不小于13kPa。
[0030] 进一步地，所述抽采效果检验包括残余瓦斯含量小于8m3/t。
[0031] 本发明具有以下有益效果：
[0032] 本发明的中硬煤层顺层钻孔瓦斯治理方法，先进行水力割缝获取水力割缝条件下的抽采半径r1，然后再根据抽采半径r1布置和施工水力割缝钻孔，并在水力割缝钻孔内进行液态CO2相变致裂爆破钻孔，根据此步骤能够快速准确地得到水力割缝和液态CO2相变致裂双重影响下的抽采半径r2，再利用抽采半径r2在煤层的回采工作面上重新布设水力割缝钻孔，并对水力割缝钻孔进行相应的液态CO2相变致裂，以及瓦斯抽采。利用水力割缝技术沿着煤层走向方向定向切割出一条缝隙，对煤层进行卸压扰动，水力割缝为液态CO2相变致裂提供了致裂方向，使液态CO2膨胀产生的高压气体沿着煤层走向方向致裂，有效提高了致裂后的钻孔裂隙带的长度，使瓦斯抽采半径得到提高，缩短了瓦斯抽采工程量及抽采时间。本发明采用水力割缝和液态CO2相变致裂的协同方法进行中硬煤层的瓦斯治理，大大提高了对煤层的整体扰动，为瓦斯
解吸和运移提供了条件和通道，CO2
气化后由于和瓦斯的竞争吸附效应，形成对瓦斯的驱赶、替换效果，从而加快本煤层瓦斯的抽采，缩短瓦斯治理时间，保证工作面安全生产。
[0033] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0034] 构成本
申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性
实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0035] 图1是本发明优选实施例的中硬煤层顺层钻孔瓦斯治理方法的流程示意图；
[0036] 图2是本发明优选实施例的水力割缝抽采半径测定的钻孔布置图；
[0037] 图3是本发明优选实施例的水力割缝和液态CO2相变致裂双重影响下抽采半径测定的钻孔布置图。
具体实施方式
[0038] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和
覆盖的多种不同方式实施。
[0039] 图1是本发明优选实施例的中硬煤层顺层钻孔瓦斯治理方法的流程示意图。
[0040] 如图1所示，本实施例的中硬煤层顺层钻孔瓦斯治理方法，包括以下步骤：
[0041] S1、在回采工作面沿煤层走向打钻、取芯，测定煤层平均f值，根据所述平均f值大小，初步确定水力割缝工艺参数，所述水力割缝工艺参数主要包括选择高压泵型号、割缝喷嘴尺寸、割缝宽度，其中f为煤的坚固性系数；
[0042] S2、在煤层施工钻孔以步骤S1确定的割缝设备进行水力割缝，测定水力割缝后的抽采半径r1；
[0043] S3、以步骤S2确定的抽采半径r1为相邻钻孔的中心间距在煤层平行施工钻孔并进行水力割缝，并在水力割缝后的钻孔内进行液态CO2相变致裂爆破钻孔，测定水力割缝和液态CO2相变致裂双重影响下的抽采半径r2；
[0044] S4、以步骤S3测定的水力割缝钻孔和液态CO2相变致裂双重影响下的钻孔抽采半径r2作为相邻钻孔的中心间距，重新布置钻孔并完成水力割缝工作；
[0045] S5、按照每隔一个钻孔进行一次液态CO2相变致裂爆破的方式对煤层进行致裂；
[0046] S6、对重新布置的钻孔进行封孔并连接井下抽采系统，定期测定和统计抽采参数；
[0047] S7、达到设计抽采时间后，进行抽采效果检验。
[0048] 液态CO2相变致裂技术是一种新型的煤层增透技术，该技术属于物理上的高压气体爆破，具有爆破过程无火花、操作简便、可循环利用、无污染、安全高效等优点，能够很好应用于高瓦斯低透气性煤层。本实施例的中硬煤层顺层钻孔瓦斯治理方法，首先利用水力割缝技术沿着煤层走向方向定向切割出一条缝隙，对煤层进行卸压扰动，再利用液态CO2相变后产生的高压气体沿着缝隙处定向致裂，从而可以有效提高致裂效果，加大煤层中裂隙的产生和延伸，从而大大提高对煤层的整体扰动，为瓦斯解吸和运移提供了条件和通道，CO2气化后由于和瓦斯的竞争吸附效应，形成对瓦斯的驱赶、替换效果，从而加快本煤层瓦斯的抽采，缩短瓦斯治理时间，保证工作面安全生产。
[0049] 本实施例的中硬煤层顺层钻孔瓦斯治理方法，先进行水力割缝获取水力割缝条件下的抽采半径r1，然后再根据抽采半径r1布置和施工水力割缝钻孔进行液态CO2相变致裂爆破钻孔，根据此步骤能够快速准确地得到水力割缝和液态CO2相变致裂双重影响下的抽采半径r2，水力割缝为液态CO2相变致裂提供了致裂方向，使液态CO2膨胀产生的高压气体沿着煤层走向方向致裂，有效提高了致裂后的钻孔裂隙带的长度，使瓦斯抽采半径得到提高，缩短了瓦斯抽采工程量及抽采时间。
[0050] 步骤S1中，在回采工作面沿煤层走向打钻、取芯，为了确保检测数据的有效性，优选在回采工作面的四周及中间等间距的
位置多取几个
采样点，在采样点采用取芯钻杆钻取煤样，送到实验室测定f值，煤的抗压强度一般是10f，以此初步选择高压泵的型号及喷嘴的尺寸。
[0051] 在割缝时，泵输出的压力和流量是一定的，如果整个管路没有流量损失时，喷嘴处的压力就是泵的压力，喷嘴处的压力：
[0052]
[0053] 式中；
[0054] p—射流压力，MPa；
[0056] μ—喷嘴流量系数，取0.82；
[0057] d—喷嘴出口截面直径，mm；
[0058] 由此可知，只有P＞10f，才能保证割缝的顺利进行，高压泵选型时泵的额定压力大于P。
[0059] 步骤S2中，抽采半径r1的测定方法为：按照图2的布孔方式，在煤层施工n个间距相等的平行钻孔，n≥5，优选为5～8，间距为0.8～2m，根据步骤S1初步确定的水力割缝工艺参数，选择最外侧的一个钻孔进行水力割缝，水力割缝时记录割缝参数，割缝参数包括割缝压力、出煤量、割缝时间和耗水量，对剩余n-1个钻孔进行封孔并连接井下抽采系统，将水力割缝钻孔封孔，采用SF6示踪气体法确定割缝参数下的抽采半径r1。
[0060] 钻孔的个数和间距根据煤层实际的地质参数进行选择确定，合适的钻孔间距和钻孔数量决定着抽采半径的准确度，实际应用中，若钻孔间距选择的较大，则适度减少钻孔数量，若钻孔间距选择较小，则可适度增加钻孔数量，以确保测得的抽采半径的有效性。
[0061] 平行钻孔的具体施工方法为：准备好钻机、高压密封钻杆、钻孔割缝一体化钻头，按照图2的布孔方式，在机巷沿着煤层倾向平行施工n个钻孔，钻孔的倾
角为3～5°，钻孔直径Φ94mm、长度120m的钻孔，钻孔间距0.8～2m。钻孔的直径和长度可以根据实际煤层的地质参数进行调整，并不限于上述数值。
[0062] 水力割缝的具体方法为：选择最外侧的钻孔，将高压密封钻杆连接高压泵，调到设定泵压，钻孔割缝一体化钻头进入割缝模式，调整钻头角度，使钻头沿径向切割缝槽，边后退边割缝，待割缝位置到距机巷20m处时，停止割缝。
[0063] 选择最外侧的一个钻孔进行水力割缝，其他钻孔作为考察孔，考察孔进行封孔并连接井下抽采系统，封孔深度选择为15～20m，封孔方式为采用水泥砂浆封孔，同时将水力割缝钻孔进行封孔，封孔深度同样也是15～20m，封孔方式为采用水泥砂浆封孔，然后采用示踪气体测定抽采半径r1。在其他实施例中，封孔方式也可以选择为马丽散封孔法或两堵一注法，钻孔的
密封性关系到抽采效果，上述封孔方式均是常用的钻孔封孔方式，封孔长度根据实际情况进行确定。
[0064] SF6是一种无色、无臭、不燃、无
腐蚀的气体，其性质稳定，在常温状态下其惰性超过了氮气和其他稀有气体，热
稳定性和光稳定性高，释放时不受严寒、酷热等
气候的影响，并且SF6的物理活性大，在扰动的空气中可以迅速混合而均匀地分布在检测空间中，这种气体不溶于水，无沉降，不
凝结，不为井下物料表面所吸附，不与
碱起作用，可见，SF6是一种理想的矿井示踪气体。将20mlSF6示踪气体注入到水力割缝钻孔中，定时检测观察孔中SF6气体浓度并记录，在保证封孔密封性后，SF6示踪气体主要通过抽采负压进入观察孔内，从而根据SF6示踪气体的扩散距离测定出抽采半径r1。SF6气体检测采用市售的便携式SF6检测仪。例如，若在第2至第a个钻孔内均检测到SF6示踪气体，第a+1个钻孔内未检测到SF6示踪气体，则r1＝(a-1)*孔间距。
[0065] 本实施例中，步骤S3中，抽采半径r2的测定方法为：按照图3的布孔方式，在煤层施工m个平行的钻孔，m≥5，优选为5～8，相邻钻孔的间距分别为r1、d、d、d、…、d，其中d＜r1，d优选为1m，对相邻钻孔间距为r1且位于外侧的钻孔按照步骤S2中相同的水力割缝工艺参数进行水力割缝，割缝完毕后，将液态CO2相变致裂装置推入水力割缝后的钻孔内爆破，然后将剩余m-1个钻孔进行封孔并连接井下抽采系统，采用SF6示踪气体法确定水力割缝和液态CO2相变致裂双重影响下的抽采半径r2。
[0066] 相邻钻孔的间距选择为r1、d、d、d、…、d，其中d＜r1，选择水力割缝后的钻孔，利用液态CO2相变致裂装备，向爆破管内逐段充装液态CO2，然后将释放管、爆破管、推进杆互相连接，同时使用钻机作为动力采用推进杆将释放管、爆破管推送到需要致裂的煤层内，待释放管推送到
指定位置后，停止推进，采用钻机作为下部
支撑体，将液态CO2相变致裂器固定在钻孔中，采用引爆线与尾端
接线柱连接，现场施工人员撤离后爆破，液态CO2相变后产生的高压气体沿着水力割缝的缝隙处定向致裂，有效提高了致裂后的钻孔裂隙带的长度，使瓦斯抽采半径得到提高，缩短了瓦斯抽采工程量及抽采时间。剩余m-1个钻孔作为考察孔，然后将剩余m-1个钻孔采用水泥砂浆封孔，或者也可以采用马丽散封孔法或两堵一注封孔法，封孔长度15～20m并连接井下抽采系统，将液态CO2爆破孔采用水泥砂浆封孔或者其他封孔方式，封孔长度15～20m，将20mlSF6气体注入液态CO2爆破孔中，然后定时检测剩余m-1个钻孔中SF6气体浓度并记录，从而根据SF6气体的扩散距离测定出抽采半径r2。例如：若在第2至第b个钻孔内均检测到SF6示踪气体，而第b+1个钻孔内未检测到SF6示踪气体，则r2＝r1+(b-2)*d。
[0067] 本实施例中，水力割缝是平行于煤层倾向沿钻杆径向的定向水力割缝，在钻头到达预
定位置后，调整钻头角度，使割缝喷嘴平行于煤层走向，边割边后退。
[0068] 本实施例中，水力割缝采用的钻头是钻孔割缝一体化钻头，在低压时施工钻孔，高压时进行割缝。钻孔割缝一体化钻头的作业流程为：在钻机钻进过程中，由钻机配合钻杆内送入的低压水进行排粉，与钻机共同完成钻孔作业。水力割缝时，高压泵站加压，水压达到设定压力值后，调整钻头角度，使钻头沿径向切割缝槽，进行割缝作业。钻孔割缝一体化钻头，可以满足随时钻孔随时割缝的要求，而此处的低压和高压是一种相对概念，不同的钻头钻孔和割缝的工作压力不同。
[0069] 本实施例中，水力割缝在施工时留有20～30m的安全煤柱。安全煤柱是为现场施工安全而保留。
[0070] 本实施例中，井下抽采系统的抽采负压不小于13kPa。抽采负压过小降低了抽采效率和抽采效果，选择抽采负压不小于13kPa，能保证抽采达到规定时间后，抽采检验结果符合防突规定。
[0071] 本实施例中，抽采效果检验包括残余瓦斯含量小于8m3/t。具体操作为：在达到设计抽采时间后，按照防突规定，沿回采工作面推进方向每间隔30～50m，沿工作面方向至少布置2个测点，测定煤层的残余瓦斯含量，当残余瓦斯含量小于8m3/t时抽采达标。
[0072] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
