兼顾瓦斯预抽和掘进巷道卸压的煤层定向长钻孔布置方法

技术领域

本发明涉及一种兼顾瓦斯预抽和掘进巷道卸压的煤层定向长钻孔布置方法，属于煤矿安全生产技术领域。

背景技术

我国煤层储存条件复杂，其中70％的矿井为高瓦斯矿井，这其中30％为突出矿井。特别是有些矿区的煤层，是典型构造煤为主的突出煤层，其透气性差，瓦斯压力和含量大，存在冲击地压和瓦斯突出双重灾害叠加的可能性；即冲击地压和瓦斯突出任一种灾害发生均会对矿区造成极大影响，对该类煤层在开采掘进时需要进行瓦斯抽采和煤层卸压，通过对两种灾害进行防治，才能保证巷道掘进的安全性。目前瓦斯抽采和煤层卸压均是分开进行，并且分别施工各自钻孔进行治理；这样就导致整个防治工程需要较大的施工量，从而影响巷道的掘进效率。

因此，有必要发明一种在治理瓦斯的同时实现卸载冲击地压的方法，减少运输顺槽与回风顺槽在掘进过程中钻孔的工程量，实现定向长钻孔的一孔多用，对实现降本增效的目的具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种兼顾瓦斯预抽和掘进巷道卸压的煤层定向长钻孔布置方法，通过设定合理的施工参数施工定向长钻孔，实现定向长钻孔的一孔多用，能同时对冲击地压和瓦斯突出双重灾害进行同时防治，实现冲击地压防治和瓦斯治理效果的协调，另外同时治理能有效减少钻孔的工程量，从而达到降本增效的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种兼顾瓦斯预抽和掘进巷道卸压的煤层定向长钻孔布置方法，具体步骤为：

①基于瓦斯抽采有效半径获取定向长钻孔的间距L1：先确定定向长钻孔的施工孔径D与矿井现有抽采钻孔孔径一致，矿井现有抽采钻孔孔径根据瓦斯含量，煤层性质，地质条件，以及矿井生产设备条件等因素共同决定；接着以该定向长钻孔的施工孔径D确定该孔径下定向长钻孔的瓦斯抽采有效半径，并将该有效半径确定为定向长钻孔的间距L1；

②基于卸载冲击地压获取定向长钻孔的间距L2：采用公式计算确定定向长钻孔的间距L2，使该间距L2能满足各钻孔周围的卸压区相互贯通形成弱化带；

③确定定向长钻孔的施工参数：将步骤①和②获取的L1和L2进行比较，取两者较小值为定向长钻孔的施工间距L，获取步骤①确定的定向长钻孔的施工孔径D，并设定定向长钻孔的施工深度S，接着按照上述定向长钻孔的施工参数，在距煤壁生产帮X距离向煤层内部施工第一个定向长钻孔，依次按照施工间距L施工后续各个定向长钻孔，直至在距煤壁生产帮W距离施工最后一个定向长钻孔，完成所有定向长钻孔的施工；

④瓦斯抽采及卸压：在步骤③每施工完成一个定向长钻孔，则对其封孔处理后进行瓦斯抽采，直至所有定向长钻孔均进行瓦斯抽采；当瓦斯抽采时间不低于60天后，进入步骤⑤；

⑤卸压效果评估：在掘进运输顺槽与回风顺槽之前，在掘进方向前方设定距离内，采用钻屑法和应力监测法分别评估煤层定向长钻孔在运输顺槽与回风顺槽的卸压效果，若两种方法均评估达到卸压要求，则进入步骤⑥；否则，在该段距离内的相邻定向长钻孔之间均增设一个定向长钻孔，完成后再次对该段进行评估，直至两种方法均评估达到卸压要求，进入步骤⑥；；

⑥工作面回采：在步骤⑤评估的距离内开始掘进运输顺槽与回风顺槽，达到该距离后停止掘进，并重复步骤⑤的评估过程，完成后继续掘进。

进一步，所述步骤①中采用瓦斯压力降低法或瓦斯流量测试法得出以施工孔径D情况下定向长钻孔的瓦斯抽采有效半径。

进一步，所述步骤②中计算得出定向长钻孔的间距L2的具体公式为：

式中：L2为定向长钻孔间距，单位m；k为定向长钻孔间距的危险性修正系数，与钻孔排粉有关，排粉质量比b＝m'/m，m'为单个定向长钻孔单位长度实际排粉质量，m为单个定向长钻孔单位长度计算排粉质量；m＝ρπd

进一步，所述步骤③中钻孔深度S设定为500m，后续根据卸压评估情况，若评估未达到卸压要求，则对各个定向长钻孔增加深度。

进一步，所述步骤③中X距离的计算过程为：

X＝KH+Y+Z+1(2)

式中：X为第一个定向长钻孔距煤壁生产帮的距离，m；K为安全系数；H为冒落拱高度，m，由公式H＝B/2f估算获得；B为巷道开挖宽度；f为煤岩体坚固系数；Y为锚杆锚入岩层深度；Z为锚杆在巷道中的外漏长度。

进一步，所述步骤③中W距离的长度必须超过当前煤层的煤壁支撑压力峰值位置；当煤层开采厚度小于3.5m时，W距离不小于15m，当煤层开采厚度为3.5m～8m时，W距离不小于20m；煤层开采厚度大于8m时，W距离不小于25m。

进一步，所述步骤③中向煤层内部施工定向长钻孔时，其各个定向长钻孔均与运输顺槽的掘进方向平行，且各个定向长钻孔均与煤层中位线处在同一平面。

进一步，所述步骤⑤中设定距离根据矿井具体生产条件及煤层地质情况条件确定，且不超过15m。

进一步，在掘进过程中，当掘进迎头距离当前已施工定向长钻孔的孔底位置20～30m时，停止掘进，重复步骤③至⑥再次施工定向长钻孔并卸压评估后进行掘进，如此重复直至完成运输顺槽和回风顺槽的掘进工作。

进一步，所述煤层为既具有瓦斯灾害也具有冲击地压危险的煤层。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明先将定向长钻孔的施工孔径设定与矿井现有瓦斯抽采钻孔一致，然后根据该施工孔径确定钻孔的瓦斯抽采有效半径为间距L1；同时基于卸载冲击地压的要求计算出间距L2，最后两者比较取较小值作为最终的卸压钻孔施工间距L，并设定定向长钻孔的施工深度S，在煤壁生产帮合适的距离处向煤层内施工定向长钻孔，施工完成后，在相邻钻孔周围的卸压区相互贯通形成弱化带，实现对煤层内部的卸压；同时对各个长钻孔封孔后进行瓦斯抽采，降低煤层内部瓦斯含量，实现定向长钻孔的一孔多用的效果，最终能同时对冲击地压和瓦斯突出双重灾害进行同时防治，实现冲击地压防治和瓦斯治理效果的协调，另外由于定向长钻孔具有一孔多用的效果，因此相比分别施工卸压钻孔和瓦斯抽采钻孔能有效减少工程量，从而达到降本增效的目的。

2、本发明在施工定向长钻孔之前，先在煤壁生产帮确定该次施工定向长钻孔的范围(即X与W之间的范围)，这样能保证达到所需的瓦斯抽采及卸载冲击地压的效果，最终保证范围内煤层的卸压效果及瓦斯抽采效果，从而保证后续在该范围内掘进运输顺槽与回风顺槽过程中的安全性。

3、本发明在定向长钻孔施工后进行卸压效果评估，当卸压效果达到要求时，则进行后续掘进工作，若否，则在相邻定向长钻孔之间均增设一个定向长钻孔，并进行评估直至该范围内的煤层卸压效果达标，这样能进一步保证后续掘进过程的安全性。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2为本发明施工定向长钻孔后的示意图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的具体步骤为：

①基于瓦斯抽采有效半径获取定向长钻孔的间距L1：先确定定向长钻孔的施工孔径D与矿井现有抽采钻孔孔径一致，矿井现有抽采钻孔孔径根据瓦斯含量，煤层性质，地质条件，以及矿井生产设备条件等因素共同决定；接着采用瓦斯压力降低法或瓦斯流量测试法得出以施工孔径D情况下定向长钻孔的瓦斯抽采有效半径，并将该有效半径确定为定向长钻孔的间距L1；，所述煤层为既具有瓦斯灾害也具有冲击地压危险的煤层；

②基于卸载冲击地压获取定向长钻孔的间距L2：采用公式计算确定定向长钻孔的间距L2，使该间距L2能满足各钻孔周围的卸压区相互贯通形成弱化带；具体公式为：

式中：L2为定向长钻孔间距，单位m；k为定向长钻孔间距的危险性修正系数，与钻孔排粉有关，排粉质量比b＝m'/m，m'为单个定向长钻孔单位长度实际排粉质量，m为单个定向长钻孔单位长度计算排粉质量；m＝ρπd

③确定定向长钻孔的施工参数：将步骤①和②获取的L1和L2进行比较，取两者较小值为定向长钻孔的施工间距L，获取步骤①确定的定向长钻孔的施工孔径D，并设定定向长钻孔的施工深度S为500m，后续根据卸压评估情况，若评估未达到卸压要求，则对各个定向长钻孔增加深度。如图2所示，接着按照上述定向长钻孔的施工参数，在距煤壁生产帮X距离向煤层内部施工第一个定向长钻孔，依次按照施工间距L施工后续各个定向长钻孔，直至在距煤壁生产帮W距离施工最后一个定向长钻孔，完成所有定向长钻孔的施工；其中X距离的计算过程为：

X＝KH+Y+Z+1(2)

式中：X为第一个定向长钻孔距煤壁生产帮的距离，m；K为安全系数，取2；H为冒落拱高度，m，由公式H＝B/2f估算获得；B为巷道开挖宽度；f为煤岩体坚固系数，f＝2；Y为锚杆锚入岩层深度，根据经验条件，取0.3m；Z为锚杆在巷道中的外漏长度；W距离的长度必须超过当前煤层的煤壁支撑压力峰值位置；当煤层开采厚度小于3.5m时，W距离不小于15m，当煤层开采厚度为3.5m～8m时，W距离不小于20m；煤层开采厚度大于8m时，W距离不小于25m；如图2所示，向煤层内部施工定向长钻孔时，其各个定向长钻孔均与运输顺槽的掘进方向平行，且各个定向长钻孔均与煤层中位线处在同一平面。

④瓦斯抽采及卸压：在步骤③每施工完成一个定向长钻孔，则对其封孔处理后进行瓦斯抽采，直至所有定向长钻孔均进行瓦斯抽采；当瓦斯抽采时间不低于60天后，进入步骤⑤；

⑤卸压效果评估：在掘进运输顺槽与回风顺槽之前，在掘进方向前方10m距离内，采用钻屑法和应力监测法分别评估煤层定向长钻孔在运输顺槽与回风顺槽的卸压效果，若两种方法均评估达到卸压要求，则进入步骤⑥；否则，在该段距离内的相邻定向长钻孔之间均增设一个定向长钻孔，完成后再次对该段进行评估，直至两种方法均评估达到卸压要求，进入步骤⑥；

⑥工作面回采：在步骤⑤评估的距离内开始掘进运输顺槽与回风顺槽，达到10m距离后停止掘进，并重复步骤⑤的评估过程，完成后继续掘进。

在掘进过程中，当掘进迎头距离当前已施工定向长钻孔的孔底位置20～30m时，停止掘进，重复步骤③至⑥再次施工定向长钻孔并卸压评估后进行掘进，如此重复直至完成运输顺槽和回风顺槽的掘进工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。