7第七章_本煤层采前抽采瓦斯方法.ppt

安全工程专业,,中国矿业大学安全工程学院煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,矿井瓦斯防治,程远平王亮,第7章本煤层采前抽采瓦斯方法,一、井下本煤层采前抽采瓦斯的防突机理二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法三、顺层钻孔抽采瓦斯方法四、枝状长钻孔抽采瓦斯方法五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,,前言,,区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯两类。对不具备保护层开采条件的突出煤层，需要采取预抽煤层瓦斯措施。预抽煤层瓦斯即为采前抽采煤层瓦斯，包括地面钻井抽采和井下抽采两部分。钻孔法抽采煤层瓦斯有穿层钻孔和顺层钻孔两种，其它方法是在这两种方法的基础上衍生出来的。,一、井下本煤层采前抽采瓦斯的防突机理,一、井下本煤层采前抽采瓦斯的防突机理,,,中梁山煤矿石门揭开K10煤层10次，发生突出5次，最大突出强度达1800t。,一、井下本煤层采前抽采瓦斯的防突机理,,,降低地应力，释放应变潜能。,,增大突出阻力,,释放瓦斯，降低瓦斯潜能,,,防突,一、井下本煤层采前抽采瓦斯的防突机理,,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,1、大面积穿层钻孔预抽2、穿层钻孔预抽煤巷条带,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,,大面积穿层钻孔预抽,,布置方法岩巷数量考虑钻机的施工能力及工作面倾向长度。钻场间距考虑钻孔控制范围及钻孔施工能力。,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,,大面积穿层钻孔预抽,,基本要求钻孔控制范围防突规定对于钻孔控制回采巷道外侧的范围是倾斜、急倾斜煤层巷道上帮轮廓线外至少20m，下帮至少10m；其他煤层巷道两侧轮廓线外至少各15m。巷道及钻场要求底板岩石巷道一般布置在工作面底板1525m、赋存稳定的岩层中，巷道断面一般不小于10.5m2（3m3.5m）。钻场间距考虑钻孔控制范围及钻孔施工能力；钻场能满足大功率钻机施工的需要，不小于12.25m2,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,,大面积穿层钻孔预抽,,布置参数钻孔直径90～120mm；间距2～10m；钻孔穿透煤层0.5m；在煤层内均匀布置；封孔长度8m以上；抽采负压25kPa以上；抽采时间满足规定要求，不小于6个月,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,,大面积穿层钻孔预抽,,特点安全性有保障穿层钻孔施工灵活、方便，适应性强巷道、钻孔工程量大；钻孔利用率低,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,,大面积穿层钻孔预抽,,适应条件无保护层开采的突出煤层突出危险特别严重的煤层直接在煤层内施工顺层钻孔时经常会出现喷孔、抱钻、卡钻等一系列问题，甚至可能诱发煤与瓦斯突出具有突出危险的特厚煤层钻孔需要控制到采掘空间的上方、下方、左方、右方及前方这样一个庞大的立体范围，在其中施工上向或下向的钻孔预抽煤层瓦斯来均匀消除这个立体范围内煤体的突出危险性是非常困难的，而且安全性难以保证。近距离突出煤层群（层间夹矸较厚的突出煤层）,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,,大面积穿层钻孔预抽,,应用实例通过12～18个月的抽采，煤层瓦斯抽采率可达30。但8、9煤层煤体原始瓦斯含量20m3/t以上，煤层的残余瓦斯含量也高达14.0m3/t以上。,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,,穿层钻孔预抽煤巷条带,,布置方法岩巷布置在距离煤层15～25m的稳定岩层中，构成全负压通风系统巷道断面不小于10.5m2岩巷位置侧向工作面内部钻场间距考虑钻孔控制范围及钻孔施工能力；钻场能满足大功率钻机施工的需要，不小于12.25m2,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,,穿层钻孔预抽煤巷条带,,基本要求倾斜、急倾斜煤层巷道上帮轮廓线外至少20m，下帮至少10m；其他为巷道两侧轮廓线外至少各15m。因此，底板岩巷穿层钻孔条带采前抽采需要控制工作面煤巷（机巷、风巷、切眼）及其两侧需要控制的煤体。,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,,穿层钻孔预抽煤巷条带,,钻孔参数钻孔直径90～120mm；间距2～5m；钻孔穿透煤层0.5m；在煤层内均匀布置；封孔长度8m以上；抽采负压25kPa以上；抽采时间满足规定要求，不小于4个月,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,,穿层钻孔预抽煤巷条带,,特点安全性高；钻孔施工灵活、方便，适应性强；钻孔控制范围小，工程量、钻孔量相对较小，可早进入煤层,二、穿层钻孔采前抽采瓦斯方法,,穿层钻孔预抽煤巷条带,,适应条件可在较短的时间内消除煤巷条带的突出危险性，为尽早进入突出煤层、继续采取顺层钻孔预抽消除工作面突出危险赢得了时间。具有广泛的适应性，是目前不具备保护层开采条件的突出煤层，区域性瓦斯治理的主要方法。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,1、顺层钻孔预抽2、递进掩护预抽3、条带预抽4、交叉钻孔预抽,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,顺层钻孔预抽,,布置参数顺层钻孔的间距与钻孔的抽采半径和抽采时间有关，通常为25m；钻孔长度根据工作面倾向长度设计，钻孔在工作面中间应有10m左右的压茬；也可采用与煤巷斜交的顺层钻孔或扇形顺层钻孔采前抽采；煤层的厚度大。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,顺层钻孔预抽,,基本要求钻孔控制范围应保证钻孔布置的均匀性。对因地质构造变化造成的顺层钻孔控制空白带，采取补充措施，切实保障工作面煤层瓦斯能够得到均匀、充分抽采。钻孔及抽采要求直径一般为90～120mm，钻孔可用聚氨酯封孔，封孔深度在10m以上，封孔段长度不小于3m，抽采负压在13kPa以上。顺层钻孔预抽的抽采时间以实际抽采情况确定，即将钻孔控制范围内的瓦斯压力或瓦斯含量降至消除突出危险性的临界指标值以下。但通常情况下抽采时间不低于5个月。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,顺层钻孔预抽,,特点及适应条件顺层钻孔均为煤孔，钻孔利用率高。但钻孔施工对煤层赋存条件要求高，适应于顶底板起伏小、不含夹矸或夹矸厚度小的煤层。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,顺层钻孔预抽,,抽采实例祁南煤矿7煤层为煤与瓦斯突出煤层，713工作面标高为-503～-550m，煤层平均厚度3.5m，平均倾角5，瓦斯压力2.42MPa，瓦斯含量10.39m3/t。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,顺层钻孔预抽,,抽采实例祁南煤矿7煤层为煤与瓦斯突出煤层，713工作面标高为-503～-550m，煤层平均厚度3.5m，平均倾角5，瓦斯压力2.42MPa，瓦斯含量10.39m3/t。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,递进掩护,,布置参数工作面长度取决于顺层钻孔的长度，而顺层钻孔的长度又取决于钻机的施工能力和煤层赋存条件。两次或三茬钻孔递进即可布置一个回采工作面。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,递进掩护,,布置参数钻孔间距25m，直径90120mm；钻孔长度要超过腰巷或机巷至少15m；封孔长度10m以上，抽采负压13kPa以上；抽采时间不低于5个月。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,递进掩护,,特点及使用条件不需要布置底板岩巷，工程量小；钻孔均为煤孔，钻孔利用率高；煤体硬度大、倾角小、赋存稳定，构造相对简单、突出危险性相对较弱且易于成孔的煤层；一些高瓦斯煤层采用该方法采前抽采工作面煤层瓦斯,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,递进掩护,,应用实例祁南煤矿32煤层工作面顺层钻孔设计间距5m，钻孔直径94mm，顺层钻孔的施工长度为80～90m，从上一区段工作面机巷向34下3工作面上半区域施工顺层钻孔抽采瓦斯，平均抽采时间不低于5个月。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,条带预抽,,布置方法钻孔应控制的条带长度不小于60m；控制范围为倾斜、急倾斜煤层巷道上帮轮廓线外至少20m，下帮10m，其他巷道两侧至少15m。特厚煤层分层开采时，采前抽采钻孔应控制开采的分层及其上部至少20m、下部至少10m。钻孔孔底间距一般不超过5m，钻孔直径为90～120mm，钻孔超前距不小于20m。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,条带预抽,,适应条件钻孔施工需要控制工作面前方、左右两侧一定范围的煤体，如果是特厚煤层，还需要控制煤层的上部和下部，钻孔工程量大、施工难度大，安全性差。效果检验需实测瓦斯压力、瓦斯含量，难度大；采用顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯，实际操作起来难度大，煤巷掘进的速度慢，甚至可能存在安全隐患，不宜作为一种常用的区域性瓦斯治理方法，更不能用于突出危险严重的突出煤层。在一些穿层钻孔、顺层钻孔预抽控制不到或预抽效果相对较差的的小区域范围采用。高瓦斯煤层煤巷掘进可用来降低掘进过程中的瓦斯涌出量。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,交叉钻孔预抽,,布置方法顺层钻孔直径为90～120mm，顺层钻孔间距25m；交叉钻孔抽采瓦斯的有效钻孔垂直间距以小于8倍钻孔直径为宜，在现场进行交叉钻孔抽采瓦斯时，可采用4倍钻孔直径的垂直距离进行抽采。钻孔可采用聚氨酯等高分子材料封孔，封孔深度在10m以上，封孔段长度不小于3m，抽采负压在13kPa以上。,三、顺层钻孔抽采瓦斯方法,,交叉钻孔预抽,,适用条件交叉钻孔在交叉区内相互作用，使得钻孔周围的塑性应力圈半径加大，相当于加大了抽采钻孔直径；斜向钻孔是斜向工作面布置的，作用时间比平行钻孔要长，进而提高煤层瓦斯抽采效果；钻孔间通过裂隙相互连通，塌孔后还可从邻近钻孔抽出瓦斯。,四、枝状长钻孔抽采瓦斯方法,四、枝状长钻孔抽采瓦斯方法,,,钻进设备,四、枝状长钻孔抽采瓦斯方法,,,钻进工艺,四、枝状长钻孔抽采瓦斯方法,高压水通过钻杆输送至孔内马达，孔内马达内部的转子在高压水的冲击作用下转动。在钻进的过程中，只有钻头的旋转运动，从而减少了钻杆与钻孔的摩擦阻力，降低了钻机的负载。孔内马达的弯接头是关键部位，它和钻杆间有一定的夹角，由于弯接头的作用，成为一条偏向弯接头方向的空间曲线。通过选择不同的规格（通常为0.75、1.25、1.5、2，这个度数指的是钻杆每前进3m所能变化的最小值）的弯接头可以改变钻孔曲率半径，在适当的位置还可进行分支钻孔的钻进。配套的测量系统主要测量的参数为方位角、倾角和弯接头方向。,,,应用实例,四、枝状长钻孔抽采瓦斯方法,山西大宁矿为原晋城市大宁一号矿井。开采的3煤层厚度2.21～6.97m，平均4.45m，煤的坚固性系数f1～2，该煤层富含瓦斯，煤层瓦斯含量11.15～16.53m3/t，煤层瓦斯压力0.69～1.16MPa，煤层渗透率1.3～1.95md。VLD定向钻机从2003年4月开始在大宁矿调试、运行，到2004年9月底，VLD钻机已经完成了定向钻孔160个，总进尺达到了112716m；最长的VLD定向钻孔达到了1005m（深度），多数钻孔的长度在800m（深度）以上。,,,应用实例,四、枝状长钻孔抽采瓦斯方法,大宁矿井在T106钻场布置的1抽放钻孔共抽放661d，单孔累计抽放纯瓦斯量447.45万m3,,,应用实例,四、枝状长钻孔抽采瓦斯方法,不同长度钻孔的抽采效果,,不同抽采时间的抽采效果,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,,,主要途径,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,主要包括地面钻井压裂技术、深孔松动爆破技术、水力冲孔技术、水力割缝技术、水力冲孔孔群增透技术等。采前抽采煤层瓦斯的效果主要取决于煤层透气性的大小和钻孔密封的效果，因此提高采前抽采煤层瓦斯的效果应从这两个方面分析。,,,提高封孔效果,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,穿层钻孔与顺层钻孔，因钻孔开孔处煤岩体的性质不同，在封孔上有不同的要求。穿层钻孔在煤层顶（底）板的岩层中开孔，孔口岩体完整、致密，可采用水泥浆封孔。封孔长度以钻孔所在的岩层巷道周围的塑性区范围来确定，塑性区内的岩体经历过集中应力的作用，岩体已遭破坏，内部产生了裂隙，必然有部分裂隙与巷道连通；封孔较短，抽采负压势必吸进巷道内的空气，降低抽采浓度，影响抽采效果。塑性区的范围通常为巷道相当直径的2.5倍以上，穿层钻孔的封孔深度应大于巷道周围塑性区的半径，且通常情况下不小于8m。顺层钻孔孔口岩体破碎、裂隙发育，可采用水泥浆混合聚氨酯封孔。封孔长度应大于巷道周围塑性区的半径，不小于10m。,,,钻孔喷孔孔群增透方法,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,在钻孔施工过程中采用高压水力诱导喷孔，排出煤体，在孔群范围内形成若干个喷孔孔洞；孔群范围内煤体内卸压，提高煤体的透气性，增强瓦斯抽采的效果。,,安全保障在孔口安装“导喷系统”来控制。,,,钻孔喷孔孔群增透方法,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,钻孔喷孔孔群增透原理采用高压水诱导钻孔喷孔，在孔群范围内形成若干个喷孔孔洞；孔群范围煤体应力重新分布，并在集中应力的作用下破坏，集中应力转移到孔群范围以外的煤体中；孔群范围煤体裂隙萌生、扩展、贯通，并煤体向邻近的喷孔孔洞流变、膨胀、变形，孔隙裂隙系统膨胀扩容，裂隙张开，孔群范围煤体的透气性增加。孔群增透效果均匀性相对较差，通常是靠近喷孔孔洞的增透效果好，远离喷孔孔洞的增透效果相对较差。穿层钻孔孔群增透瓦斯抽采技术是建立在原钻孔布置基础之上的，虽不能减少瓦斯治理的钻孔工程量，但可显著提高抽采效率，缩短瓦斯预抽时间。,,,钻孔喷孔孔群增透方法,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,施工方法率先喷孔的钻孔，其周围的煤体“自突”的能量得以部分释放，在其周围钻孔发生喷孔的概率降低。在穿层钻孔过程中，应根据实际喷孔情况，综合分析确定合理钻孔施工顺序，即在已有钻孔布置方案基础上，先施工距离已喷孔钻孔最远的钻孔，然后逐步缩小与喷孔钻孔的间距，直至孔群钻孔施工完毕。这样的钻孔施工顺序，有利于创造喷孔条件，尽可能多排出煤体，以提高孔群范围煤体的透气性。,,,钻孔喷孔孔群增透方法,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,施工方法喷孔施工工艺固定孔口四通。首先施工直径130mm、长1.5m的钻孔，放入孔口四通并用速凝水泥塞实四通与钻孔的间隙；岩孔施工。煤孔施工。钻进进入煤层底板停钻，连接四通的抽瓦斯分支至抽采管路、排煤和瓦斯分支至分离硐室，开启高压水泵（压力10MPa、流量2030m3/h的压力水可以满足诱导喷孔的要求），施工煤层段钻孔，并在施工过程中记录瓦斯抽采情况；煤和瓦斯量统计。初步判断增透效果；封孔抽采瓦斯。,,,钻孔喷孔孔群增透方法,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,应用实例祁南煤矿713工作面标高为-503～-550m，走向长754m，倾向长140m，工作面煤层平均厚度3.5m，平均倾角5，预测瓦斯压力为2.4MPa，瓦斯含量10.4m3/t，工作面具有突出危险性。从实际施工情况看，喷孔是不均匀的，钻场内最先施工的钻孔喷孔概率为100，且喷煤量大，最大单孔喷煤量3.0m3。每个钻场喷孔个数3～5个，喷煤量为5.22～10.45m3，考虑到1.3岩石碎胀系数，反算出各钻场煤层段的钻孔等效直径为198.36～283.10mm，煤层段钻孔直径为原穿层钻孔直径的2.11～3.01倍；最大单孔喷煤量为3.0m3，煤孔长度按煤层厚度3.5m，换算成等效直径为0.84m，即最大的喷孔孔洞直径可达0.84m。,,,钻孔喷孔孔群增透方法,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,应用实例,,,钻孔喷孔孔群增透方法,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,应用实例,,,钻孔喷孔孔群增透方法,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,应用实例,,,钻孔喷孔孔群增透方法,五、提高采前抽采瓦斯效果的技术途径,应用实例,