一种煤矿井下立体多维瓦斯治理方法与流程

1.本发明涉及矿井瓦斯治理领域，具体地说是一种煤矿井下立体多维瓦斯治理方法。


背景技术：

2.煤炭在我国的一次能源消耗构成中占比约 60%，在未来几十年内，预计以煤为主要能源的消费格局不会发生改变，但煤矿安全问题尤其是瓦斯问题仍较为突出，成为制约煤炭行业持续发展的最主要因素之一。瓦斯抽采作为矿井瓦斯治理最为直接、有效的方法，不仅可有效降低煤矿矿井瓦斯的涌出量，防止瓦斯灾害事故的发生，同时又可将瓦斯作为高效洁净能源进行充分利用，减少了对环境的污染。当前，瓦斯抽采模式主要分为巷道抽采、埋管抽采和钻孔抽采等。其中，定向钻孔因其施工量小、掩护范围大、定向精度高、“一孔多分支”等优点，在矿井瓦斯治理领域得到了广泛的应用。
3.在定向钻进过程中，钻孔布置模式已渐趋成熟，但当前常用的主孔加梳状分支孔的布置模可进行对单一纵向切面的瓦斯治理，但在水平方向上的抽采效果不佳。为提高瓦斯抽采效率，当前技术只能提高定向钻孔的主孔布置密度，但这种方法无疑大幅度增加了施工量，同时也会对单一主孔的瓦斯抽采效果造成负面影响，甚至影响煤层抽采进度，延误工作面回采时间。且由于当前定向钻进技术的局限性，只采用定向钻孔无法实现对高瓦斯煤层的全面抽采工作。
4.为此，针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种煤矿井下立体多维瓦斯治理方法。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种煤矿井下立体多维瓦斯治理方法，该方法将羽状分支定向钻孔与传统的穿层钻孔、顺层钻孔相结合，实现在煤层水平和垂直方向的立体化瓦斯抽采，提高单一定向主孔的掩护范围，减少施工量，同时整体提高瓦斯抽采效率，缩短瓦斯抽采达标时间。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤矿井下立体多维瓦斯治理方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤1、在煤层下方布置底板岩巷，并施工布设钻场；步骤2、钻场布置完成后，操作钻机以与煤层呈锐角的角度向底板岩层内钻进；钻进主孔前段为直段钻进主孔，钻进一段距离后停止直段钻进主孔的开孔工作；步骤3、停止直段钻进主孔的开孔工作后，操作孔底马达，使钻进方向逐渐平行于煤层方向，继续钻进，直至到达距离钻场最远的一组预设分支孔开孔位置，完成造斜段主孔的开孔工作；步骤4、在距离钻场最远的一组预设分支孔开孔位置放入分隔造斜器，操作孔底马达的钻进方向与煤层呈锐角角度向煤层内钻进；在穿过煤层后继续钻入至煤层顶板，完成
一个羽状定向分支孔的钻进；步骤5、将孔底马达从羽状定向分支孔内退回至造斜段主孔处，调整分隔造斜器位置，改变孔底马达的钻进方向，使此钻进方向与步骤4中的羽状定向分支孔方向沿造斜段主孔对称；再通过孔底马达进行造斜钻孔向煤层内钻进；在穿过煤层后继续钻入煤层顶板，完成对称位置的另一个羽状定向分支孔的钻进；步骤6、退出孔底马达，将造斜器向钻场方向移动，移至与开设完成的一对羽状定向分支孔相邻的预设开孔位置，重复步骤4和步骤5，完成第二对羽状定向分支孔的钻进；步骤7、重复步骤6，最终完成一组由若干对羽状定向分支孔构成的立体化定向瓦斯抽采孔。
7.作为本发明进一步优选地，在完成羽状定向分支孔的钻进后，将在靠近钻场方向一侧偏转一定角度后开设穿层钻孔，重复多次开孔后，形成覆盖底板岩巷上方煤层的一排放射状穿层钻孔；沿煤层走向方向间隔依次施工若干排穿层钻孔，最终形成覆盖底板岩巷上方的穿层钻孔群。
8.作为本发明进一步优选地，在煤层瓦斯抽采达标，并布置工作面进回风巷道后，在煤层上帮的煤巷开设顺层钻孔；顺层钻孔两孔间隔5~10 m。
9.作为本发明进一步优选地，底板岩巷和钻场布置于煤层下方20 ~ 30 m处。
10.作为本发明进一步优选地，钻进主孔与煤层所构成的锐角角度为5~10
°
。
11.作为本发明进一步优选地，钻进主孔包括直段钻进主孔和造斜段主孔；钻进主孔开设完成后需进行扩孔；扩孔前的钻进主孔孔径为85~90mm，扩孔后的钻进主孔孔径为95~105mm。
12.作为本发明进一步优选地，在扩孔后的造斜段主孔内埋设高压胶管，方便进行后续的羽状定向分支孔的钻进和水力冲孔操作。
13.作为本发明进一步优选地，每个钻进主孔开设若干对沿造斜段主孔两侧对称分布的羽状定向分支孔；羽状定向分支孔在造斜段主孔两侧钻进至煤层内部，形成了同时覆盖水平和垂直方向的立体瓦斯抽采孔。
14.作为本发明进一步优选地，穿层钻孔在顶板岩巷上方呈放射状布置，每排穿层钻孔之间间隔角度为4 ~ 6
°
。
15.作为本发明进一步优选地，羽状定向分支孔、穿层钻孔和顺层钻孔钻进工作完成后，需进行封孔操作，并预留出瓦斯抽采管路接口。
16.本发明具有如下有益效果：1、将羽状水平分支定向钻孔灵活应用于井下煤层瓦斯预抽的瓦斯治理领域，大幅降低了钻孔和巷道工程量，减少了钻机搬运、钻机场地平整、固管等工作量，同时减少了管材消耗，有效的降低了钻孔成本。
17.2、本发明的钻孔由于定向钻进方式的限制，在水平方向的展开只能采用羽状水平分支定向钻孔的方式，在施工条件允许的情况下，羽状水平分支定向钻孔利用钻孔轨迹可控制的优势，最大程度的在煤层底板钻进，羽状分支孔在水平和垂直方向同时展开，扩大了钻孔抽采的覆盖范围和精度，减少主孔钻进工程量，避免重复钻进工作，显著提高工程效率。
18.3、底板岩巷上方煤层由于偏转角度过大，定向钻进方式的钻孔无法覆盖到此区
域，因此设置穿层钻孔，解决钻场前后60 m范围内煤层的抽采问题，同时，在定向钻孔末端以及抽采效果不佳的位置设置顺层钻孔，增加抽采效果。
19.4、操作简单、结果可靠，可实时指导现场钻进施工，具有良好的工程应用价值。
附图说明
20.图1是本发明一种煤矿井下立体多维瓦斯治理方法的剖面图。
21.图2是本发明一种煤矿井下立体多维瓦斯治理方法的钻进主孔、羽状定向分支孔和穿层钻孔的布置平面图。
22.图3是本发明一种煤矿井下立体多维瓦斯治理方法的钻孔整体布置示意图。
23.其中有：1.底板岩巷；2.钻场；3.钻机；4.底板岩层；5.煤层；6.煤层顶板；7.钻进主孔；8.直段钻进主孔；9.造斜段主孔；10. 羽状定向分支孔；11.分隔造斜器；12.孔底马达；13.穿层钻孔；14.顺层钻孔；15.煤巷；16.高压胶管。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
26.下面结合附图和和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
27.一种煤矿井下立体多维瓦斯治理方法，具体包括以下步骤：步骤1、如图1所示，在煤层5下方布置底板岩巷1，并施工布设钻场2和钻机3；底板岩巷1、钻场2和钻机3布设于煤层5下方20 ~ 30 m处的底板岩层4内。
28.步骤2、钻场2布置完成后，操作钻机3以与煤层5呈5~10
°
的角度向底板岩层4内钻进；钻进主孔7前段为直段钻进主孔8，钻进主孔7钻进至距离煤层5 5~10m的位置后停止直段钻进主孔7的开孔工作。
29.步骤3、停止直段钻进主孔8的开孔工作后，主孔钻进方式改为定向钻进；操作孔底马达12，使钻进方向逐渐平行于煤层5方向，继续钻进，直至到达距离钻场2最远的一组预设分支孔开孔位置，完成造斜段主孔9的开孔工作。
30.钻进主孔7包括直段钻进主孔8和造斜段主孔9；钻进主孔7开设完成后需进行扩孔；扩孔前的钻进主孔7孔径为85~90mm，扩孔后的钻进主孔7孔径为95~105mm。
31.在扩孔后的造斜段主孔9内埋设高压胶管16，方便进行后续的羽状定向分支孔10的钻进和水力冲孔操作。
32.步骤4、如图2所示，在距离钻场2最远的一组预设分支孔开孔位置放入分隔造斜器11，操作孔底马达12的钻进方向与煤层5呈锐角角度向煤层5内钻进；在穿过煤层5后继续钻入至煤层顶板6，完成一个羽状定向分支孔10的钻进。
33.孔底马达12采用小直径大弯角的形式。
34.步骤5、将孔底马达12从羽状定向分支孔10内退回至造斜段主孔9处，调整分隔造
斜器11位置，改变孔底马达12的钻进方向，使此钻进方向与步骤4中的羽状定向分支孔10方向沿造斜段主孔9对称；再通过孔底马达12进行造斜钻孔向煤层5内钻进；在穿过煤层5后继续钻入煤层顶板6，完成对称位置的另一个羽状定向分支孔10的钻进。
35.步骤6、退出孔底马达12，将分隔造斜器11向钻场2方向移动，移至与开设完成的一对羽状定向分支孔10相邻的预设开孔位置，重复步骤4和步骤5，完成第二对羽状定向分支孔10的钻进。
36.每个钻进主孔7开设若干对沿造斜段主孔9两侧对称分布的羽状定向分支孔10；羽状定向分支孔10在造斜段主孔9两侧钻进并穿过煤层5抵达煤层顶板6内；羽状定向分支孔10在煤层顶板6内的最小钻进距离为0.5 m。
37.步骤7、重复步骤6，最终完成一组由若干对羽状定向分支孔10构成的立体化定向瓦斯抽采孔。
38.每个钻进主孔7开设14个羽状定向分支孔10，具体数量可依据工作面情况来定，分列于沿造斜段主孔9两侧，每侧7个羽状定向分支孔10；每对羽状定向分支孔10的间隔为25 m，穿过煤层的水平长度为15 m，每个羽状定向分支孔10抽采半径为15 m，整个立体化定向瓦斯抽采孔最大可覆盖80 m范围。
39.如图3所示，在施工条件允许的情况下，羽状定向分支钻进利用钻孔轨迹可控制的优势，最大程度的在煤层底板钻进，羽状分支孔在水平和垂直方向同时展开，扩大了钻孔抽采的覆盖范围和精度，减少主孔钻进工程量，避免重复钻进工作，显著提高工程效率。
40.在完成羽状定向分支孔10的钻进后，在靠近钻场2方向一侧偏转4 ~ 6o后开设穿层钻孔13，重复多次开孔后，形成覆盖底板岩巷上方60 m煤层的一排放射状穿层钻孔13。由于该区域偏转角度过大，造斜段主孔9和羽状定向分支孔10无法覆盖到此区域，因此设置穿层钻孔13，解决钻场前后60 m范围内煤层的抽采。穿层钻孔12采用普通钻机于造斜段主孔9斜上方依次钻进，每排10个钻孔呈放射状布置，每排间隔6 m，设置13排钻孔，共钻进130个穿层钻孔13，最终形成覆盖底板岩巷1上方的穿层钻孔群。钻机钻进穿过煤层后退钻，并用水力压裂设备冲孔以增大穿层钻孔13的抽采半径。
41.顺层钻孔14作为定向钻孔的补充，主要设置在定向钻孔末端以及抽采效果不佳的位置。在煤层瓦斯抽采达标，并布置工作面进回风巷道后，在煤层5上帮的煤巷15开设顺层钻孔14；顺层钻孔14两孔间隔距离为5~10 m。
42.羽状定向分支孔10、穿层钻孔13和顺层钻孔14钻进工作完成后，需进行封孔操作，并预留出瓦斯抽采管路接口。
43.羽状水平分支定向钻孔灵活应用于井下煤层瓦斯预抽的瓦斯治理，大幅降低了钻孔和巷道工程量，有效的降低了钻孔成本。同时解决了常规方法在水平方向上的抽采效果不佳的问题，操作简单、结果可靠，可实时指导现场钻进施工，具有良好的工程应用价值。。
44.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。