CN111594259A - 一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法及其施工方法，属于瓦斯抽采技术领域，采用倾斜钻孔连通高抽巷和煤层顶板冒落带，利用倾斜钻孔抽采瓦斯，倾斜钻孔的确定包括以下步骤：S₁确定倾斜钻孔的开孔位置：沿竖直方向，位于回采工作面上方距煤层顶板距离为h_k；沿水平方向，距工作面的切巷距离为b_k，距工作面的回风巷距离为d_k；S₂确定倾斜钻孔的终孔位置：沿竖直方向，位于冒落带内距煤层顶板距离为h_z；沿水平方向，位于工作面的回风巷上隅角正上方，距工作面的切巷距离为b_z；S₃确定倾斜钻孔的直径：根据现场施工条件和瓦斯抽采效果确定倾斜钻孔直径。本发明不仅解决了工作面开采初期瓦斯超限的问题，而且降低了工程成本。

Description

一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法及其施工方法

技术领域

本发明属于瓦斯抽采技术领域，涉及一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法及其施工方法，尤其适用于综采放顶煤工作面初采期间瓦斯超限严重的高瓦斯及突出矿井。

背景技术

煤矿在采用综采放顶煤采煤方法开采厚煤层时，开采初期上覆邻近煤层及采落煤释放大量瓦斯涌入采掘空间，造成瓦斯超限等事故。其瓦斯涌出原理为工作面回采以后，上覆岩层产生移动和变形破坏，上邻近层内的瓦斯将被卸压，根据卸压瓦斯的解吸和运移特征，可将采空区上覆煤岩层划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。在工作面初采期阶段，随着老顶初次破断，大量邻近层卸压瓦斯将涌入工作面，造成工作面瓦斯超限。

目前，有关综放工作面回采期间瓦斯涌出治理方法主要为抽采邻近层瓦斯。邻近层瓦斯抽采的技术以走向高抽巷抽采技术为主。在工作面初采期，由于覆岩裂隙刚刚开始向上发育，煤层开采后的顶板覆岩裂隙与高抽巷贯通之前高抽巷抽采不到邻近层卸压释放出来的瓦斯，高抽巷抽采效果非常有限。因此，一些矿区发明了施工伪倾斜后高抽巷的方法治理综放面初采期瓦斯涌出的方法。伪倾斜后高抽巷的掘进方法为：在工作面上隅角回风巷处向上起坡，沿工作面切巷落山帮以里的回风巷开口，沿一定角度(一般为40°)上坡，掘进一条小断面伪倾斜巷与走向高抽巷尾部相连，使工作面上覆近距离邻近层瓦斯在高抽巷的负压作用下抽出。但伪倾斜后高抽巷在施工时存在以下诸多困难：巷道一般施工坡度在38°以上，施工难度大，安全系数低，且工程造价较高。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法及其施工方法，解决煤矿工作面初采期大量瓦斯涌向采掘空间所导致的瓦斯超限问题，降低工程成本。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法，采用倾斜钻孔连通高抽巷和煤层顶板冒落带，利用倾斜钻孔抽采瓦斯，倾斜钻孔的确定包括以下步骤：

S₁确定倾斜钻孔的开孔位置：沿竖直方向，位于回采工作面上方距煤层顶板距离为h_k；沿水平方向，距工作面的切巷距离为b_k，距工作面的回风巷距离为d_k；

S₂确定倾斜钻孔的终孔位置：沿竖直方向，位于冒落带内距煤层顶板距离为h_z；沿水平方向，位于工作面的回风巷上隅角正上方，距工作面的切巷距离为b_z；

S₃确定倾斜钻孔的直径：根据现场施工条件和瓦斯抽采效果确定倾斜钻孔直径。

可选地，根据“O型圈”理论，确定h_k：

其中，

h_k—倾斜钻孔的开孔位置距煤层顶板距离，m；

∑m—煤层累计开采厚度，m。

可选地，根据顶板预裂步距和顶板垮落角确定b_k：

b_k＝L+h_kcosα

其中：b_k—倾斜钻孔的开孔位置距切巷的距离，m；

L—顶板预裂步距，m；

α—顶板垮落角，°。

可选地，根据煤层厚度、煤层倾角和顶板倾向垮落角确定d_k：

其中：d_k—倾斜钻孔的开孔位置距回风巷的距离，m；

m—煤层厚度，m；

θ—煤层倾角，°；

β—顶板倾向垮落角，°。

可选地，根据采高和煤层平均倾角确定h_z：

hz＝h/(k-1)cosα

其中：h_z—倾斜钻孔终孔位置距煤层顶板的距离，m；

h—采高，m；

k—冒落岩石平均碎胀系数；

α—煤层平均倾角。

可选地，倾斜钻孔的直径范围为1000mm～1500mm。

可选地，bz等于上隅角深入采空区的长度。

应用于治理综放工作面初采期瓦斯涌出方法的倾斜钻孔施工方法，通过高抽巷施工倾斜钻孔至上隅角煤层顶板，包括以下步骤：将高抽巷掘进至倾斜钻孔的开孔位置，然后施工用于倾斜钻孔钻进的硐室，再采用钻机由倾斜钻孔的开孔位置向终孔位置钻进。

可选地，采用反井钻机钻倾斜钻孔。

可选地，用钻机钻倾斜钻孔包括以下步骤：先采用小钻头从倾斜钻孔的开孔位置施工导向孔至倾斜钻孔的终孔位置，然后提钻并更换大直径钻头扩钻，直至倾斜钻孔形成。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过高抽巷施工大直径钻孔至上隅角煤层顶板，抽采采空区裂隙带或冒落空间内积存的高浓度瓦斯，不仅切断了上邻近层瓦斯涌向工作面的通道，而且对采空区下部的瓦斯起到引流作用，减少了采空区瓦斯向工作面的涌入，提高了瓦斯治理效果。

2.本发明相对于现有技术中施工后伪倾斜高抽巷，减少了高抽巷施工工程量，避免了开掘伪倾斜高抽巷的安全隐患问题，保证了煤矿井下持续稳定生产，有效地降低了工程成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明钻孔与回风巷的距离确定示意图；

图2为钻孔的平面布置示意图；

图3为钻孔的竖直方向位置示意图。

附图标记：倾斜钻孔1、回风巷2、工作面3、低抽巷4、高抽巷5、切巷6、硐室7。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参阅图1～图3，一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法，采用大直径的倾斜钻孔1连通高抽巷5和煤层顶板初始冒落的边缘地带，利用倾斜钻孔1抽采瓦斯，倾斜钻孔1的确定包括以下步骤：

S₁确定倾斜钻孔1的开孔位置：沿竖直方向，位于回采工作面3上方距煤层顶板距离为h_k；沿水平方向，距工作面的切巷6距离为b_k，距工作面的回风巷2距离为d_k；

S₂确定倾斜钻孔1的终孔位置：沿竖直方向，位于冒落带内距煤层顶板距离为h_z；沿水平方向，位于工作面的回风巷上隅角正上方，距工作面的切巷6距离为b_z；

S₃确定倾斜钻孔1的直径：根据现场施工条件和瓦斯抽采效果确定倾斜钻孔直径。

具体地，倾斜钻孔1的位置及孔径确定包括以下步骤：

1、大直径倾斜钻孔1的开孔位置

根据经验，将煤层上部的高抽巷5的适宜层位选择在裂缝带中下部，一般布置于煤层上部8～10倍的采高，大直径钻孔在煤层上方的高抽巷5前方的硐室7内向煤层方向开孔。

(1)确定大直径倾斜钻孔1开孔位置距煤层顶板的距离h_k

因此首先将高抽巷层位降低至煤层开采时的裂隙撒带边缘即距煤层顶板为h_k的距离。

根据“O型圈”理论，高度h_k为：

其中，

h_k—倾斜钻孔开孔位置至煤层顶板高度，m；

∑m—煤层累计开采厚度，m。

(2)确定大直径倾斜钻孔1距工作面切巷6距离b_k。

由于冒落带的存在，大直径倾斜钻孔1抽采有一定的有效抽采范围，当岩石的垮落随采面的推进而推进到距这个钻孔一定距离时，钻孔才会产生抽采作用。受顶板初次来压和采空区顶板冒落形态的影响，大直径钻孔距切巷6的距离由此确定。

虽然抽采钻孔的终孔位置处于顶板破断面以内，即终孔位置处于煤壁支撑影响区内，由于工作面3支承压力的作用，支承压力的极限平衡区内岩层处于塑性状态，其微裂隙较为发育，钻孔能抽出高浓度的瓦斯；但此时不利于充分抽采采空区冒落岩层内积聚的瓦斯，不能有效解决工作面上隅角瓦斯问题。因此，大直径钻孔距切巷6的距离b_k可计算为：

b_k＝L+h_kcosα

其中：b_k—倾斜钻孔的开孔位置距切巷6的距离，m；

L—顶板预裂步距，m，一般根据顶板岩性选取；

α—顶板垮落角，°；

(3)确定大直径倾斜钻孔1距工作面回风巷2距离d_k。

根据采动裂隙的“O”型圈理论，大直径钻孔在倾向上的有效控制范围与风巷的距离最大值一般为工作面3长度的1/3。而另一方面工作面的顶板在倾向方向上也存在垮落角β，近似取其与工作面3走向顶板的跨落角一致，考虑到煤层的倾角和厚度，大直径钻孔与风巷的平距d_k的确定方法如下。

其中：d_k—倾斜钻孔的开孔位置距回风巷2的距离，m；

m—煤层厚度，m；

θ—煤层倾角，°；

β—顶板倾向垮落角，°；

2、大直径倾斜钻孔1的终孔位置

(1)确定大直径倾斜钻孔终孔位置距煤层顶板的距离h_z

综采工作面3开采时，直接顶首先垮落，此时老顶还处于紧密压实状态，裂隙不能向上通达，所以此时大直径钻孔的终端要伸入煤层顶板的冒落带内。所以冒落带高度即大直径倾斜钻孔终孔位置距煤层顶板的距离h_z采用下式计算：

hz＝h/(k-1)cosα

其中：h_z为倾斜钻孔终孔位置距煤层顶板的距离，m；

h为采高，m；

k为冒落岩石平均碎胀系数；

α为煤层平均倾角。

(2)确定大直径倾斜钻孔终孔位置距工作面切巷6和回风巷2的距离b_z与d_z

由于开采初期，高抽巷5未能起到瓦斯抽采作用，随着工作推进，顶板垮落之前，可以通过大直径钻孔抽采上隅角瓦斯。所以大直径倾斜钻孔1的终孔点位于工作面的回风上隅角上方。根据经验，在直接顶连续垮落的情况下上隅角深入采空区大约10m左右，确定大直径倾斜钻孔终孔位置距工作面切巷6后部距离b_z＝10m，大直径倾斜钻孔终孔位置与回风巷2重合。

3、钻孔的直径确定

因钻孔须在高抽巷5中施工，受现场条件所限制，又要求钻孔直径尽量增大，根据现场条件钻孔的直径一般以1000mm～1500mm之间，根据瓦斯抽采效果确定。

应用于治理综放工作面初采期瓦斯涌出方法的倾斜钻孔施工方法，通过高抽巷5施工倾斜钻孔1至上隅角煤层顶板，包括以下步骤：将高抽巷5掘进至倾斜钻孔的开孔位置，然后施工用于倾斜钻孔钻进的硐室7，再采用反井钻机由倾斜钻孔的开孔位置向终孔位置钻进。

优选地，用钻机钻倾斜钻孔1包括以下步骤：先采用小钻头从倾斜钻孔1的开孔位置施工导向孔至倾斜钻孔1的终孔位置，然后提钻并更换大直径钻头扩钻，直至倾斜钻孔1形成。

具体地，倾斜钻孔1的施工方法，将高抽巷5掘进至大直径倾斜钻孔1的开孔位置附近，并施工大直径钻孔钻进的硐室7，在硐室7浇筑钻机安置基础平台，基础平台必须平直，将钻机安置于基础平台并稳定好，采用小钻头从上向下施工导向孔，导向孔施工至钻孔终孔点后，提钻并更换大直径钻头(钻头直径一般为1m～1.4m，视煤层条件要求确定)，开始依导向孔扩孔钻进，钻机带大直径钻头施工至钻孔终孔点时继续向上扩孔钻进，如此反复，直至大直径倾斜钻孔1形成为止。

实施例：

以某矿工作面3初采期大直径倾斜钻孔治理瓦斯效果考察为列：

(1)高抽巷5内施工大直径倾斜钻孔硐室7位置

工作面3走向高抽巷5距离工作面切巷200m开始下坡施工120m后，水平施工15m到达工作面回风巷侧大直径倾斜钻孔施工位置，并将其硐室扩帮，标定钻孔开孔位置。

(2)大直径倾斜钻孔施工

在高抽巷硐室7内开孔向煤层施工大直径倾斜钻孔1，其中开孔位置距煤层顶板高度为42m，距工作面回风巷2距离为50m，距工作面切巷为45m，首先施工先导向孔，导向孔直径为

钻孔终孔点位于煤层顶板上方8m。施工完成后更换1.4m直径的大钻头进行扩孔施工。

大直径钻孔施工完成后进行煤层回采作业。煤层回采的同时开启高抽巷5和低位抽采巷4的抽采工作。在工作面3初采期上隅角瓦斯浓度均小于0.6％，未发生瓦斯超限的现象，说明采用大直径钻孔代替伪倾斜后高抽巷抽采瓦斯治理综放工作面3初采期瓦斯涌出的方法是可行的。

本发明的大直径倾斜钻孔1抽采瓦斯是在工作面3靠近回风且邻近采空侧从上向下施工钻孔至煤层顶板，抽采采空区裂隙带或冒落空间内积存的高浓度瓦斯，切断上邻近层瓦斯涌向工作面的通道，同时，对采空区下部的瓦斯起到引流作用，减少采空区瓦斯向工作面的涌入。

本发明应用于工作面3开采初期瓦斯治理，通过高抽巷5施工大直径钻孔至上隅角煤层顶板，替代施工后伪倾斜高抽巷，提高瓦斯抽采效果。采用大直径钻孔“以孔代巷”抽采瓦斯治理综放工作面3初采期瓦斯涌出，即通过施工大直径钻孔，在开采初期高抽巷5还未起到抽采作用，由煤层顶板裂隙抽采采空区及上隅角瓦斯，改变采空区内气体流场，治理工作面3初采期的瓦斯涌出。这样，在明显的减少了高抽巷5施工工程量的同时，又解决了工作面3开采初期瓦斯涌出问题，从而既避免了开掘伪倾斜高抽巷的隐患问题，又有效地降低了工程成本，保证了煤矿井下持续稳定生产。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法，其特征在于，采用倾斜钻孔连通高抽巷和煤层顶板冒落带，利用倾斜钻孔抽采瓦斯，倾斜钻孔的确定包括以下步骤：

S₁确定倾斜钻孔的开孔位置：沿竖直方向，位于回采工作面上方，距煤层顶板距离为h_k；沿水平方向，距工作面的切巷距离为b_k，距工作面的回风巷距离为d_k；

S₂确定倾斜钻孔的终孔位置：沿竖直方向，位于冒落带内，距煤层顶板距离为h_z；沿水平方向，位于工作面的回风巷上隅角正上方，距工作面的切巷距离为b_z；

S₃确定倾斜钻孔的直径：根据现场施工条件和瓦斯抽采效果确定倾斜钻孔直径。

2.根据权利要求1所述的一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法，其特征在于：根据“O型圈”理论，确定h_k：

其中，

h_k—倾斜钻孔的开孔位置距煤层顶板距离，m；

∑m—煤层累计开采厚度，m。

3.根据权利要求2所述的一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法，其特征在于：根据顶板预裂步距和顶板垮落角确定b_k：

b_k＝L+h_kcosα

其中：b_k—倾斜钻孔的开孔位置距切巷的距离，m；

L—顶板预裂步距，m；

α—顶板垮落角，°。

4.根据权利要求1所述的一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法，其特征在于：根据煤层厚度、煤层倾角和顶板倾向垮落角确定d_k：

其中：d_k—倾斜钻孔的开孔位置距回风巷的距离，m；

m—煤层厚度，m；

θ—煤层倾角，°；

β—顶板倾向垮落角，°。

5.根据权利要求1所述的一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法，其特征在于：根据采高和煤层平均倾角确定h_z：

hz＝h/(k-1)cosα

其中：h_z—倾斜钻孔终孔位置距煤层顶板的距离，m；

h—采高，m；

k—冒落岩石平均碎胀系数；

α—煤层平均倾角。

6.根据权利要求1所述的一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法，其特征在于：倾斜钻孔的直径范围为1000mm～1500mm。

7.根据权利要求1所述的一种治理综放工作面初采期瓦斯涌出的方法，其特征在于：bz等于上隅角深入采空区的长度。

8.应用于如权利要求1～7任一所述的治理综放工作面初采期瓦斯涌出方法的倾斜钻孔施工方法，其特征在于，通过高抽巷施工倾斜钻孔至上隅角煤层顶板，包括以下步骤：将高抽巷掘进至倾斜钻孔的开孔位置，然后施工用于倾斜钻孔钻进的硐室，再采用钻机由倾斜钻孔的开孔位置向终孔位置钻进。

9.根据权利要求8所述的钻孔施工方法，其特征在于：采用反井钻机钻倾斜钻孔。

10.根据权利要求8所述的钻孔施工方法，其特征在于，用钻机钻倾斜钻孔包括以下步骤：先采用小钻头从倾斜钻孔的开孔位置施工导向孔至倾斜钻孔的终孔位置，然后提钻并更换大直径钻头扩钻，直至倾斜钻孔形成。

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