一种高瓦斯低洼孤岛工作面煤层采前多灾害联合防治方法

技术领域

本发明涉及一种高瓦斯低洼孤岛工作面煤层采前多灾害联合防治方法，尤其适用于两侧为老采空区并存有大量老空水，煤层开采处于瓦斯、水灾、冲击地压、火灾等多灾害威胁之下的高瓦斯低洼孤岛工作面煤层。

背景技术

我国能源结构是“富煤、贫油、少气”，在一次能源消费中煤炭占比达60％以上。根据中国工程院《国家能源发展战略2030-2050》报告到2050年煤炭年产量控制在30亿吨左右，因此煤炭作为我国主导能源的格局短时间内不会改变。我国浅部煤层资源逐渐枯竭，煤层开采深度正在以每年8-25m的速度向深部延伸。然而，随着煤矿开采深度和强度的增大，为防止冲击地压事故，条带开采成为普遍的开采方法。采用条带开采或开采布局不合理会在井田内形成孤岛工作面。孤岛工作面开采是我国乃至世界煤矿开采界的一个重大技术难题，因为孤岛工作面开采会受到多种灾害(冲击地压、瓦斯、煤火、水灾等)的影响。

高瓦斯低洼孤岛工作面开采主要受到开采方案、煤层本身地质构造及赋存条件、冲击地压及两侧采空区危险源四个方面的影响。孤岛工作面周围顶板失去支撑，具有应力高度集中的特点，其开采掘进速度、煤柱留设宽度、开采强度等均会影响安全开采。煤层自身的地质构造、瓦斯赋存条件也会对孤岛工作面的安全开采产生影响。孤岛工作面开采卸压，积聚的能量大量释放造成严重矿压事故。由于放顶煤开采方法，孤岛工作面两侧采空区遗煤严重，遗煤中的瓦斯失去约束条件自然解吸扩散积聚在采空区内；采空区顶板垮落，形成垮塌三带后，上覆含水层在渗漏作用下，会在采空区中聚集大量的老空水；采空区浸水遗煤与泄漏进采空区的氧气发生氧化反应，致使煤炭自燃发火。因此高瓦斯低洼孤岛工作面的灾害防治问题是多元性的，必须从系统的角度来考虑。针对上述问题，传统方法很难统筹兼顾，因此当前亟需一种高瓦斯低洼孤岛工作面煤层采前多灾害联合防治方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种高瓦斯孤岛工作面煤层采前多灾害联合防治方法，以解决高瓦斯低洼孤岛工作面煤层开采难度大，灾害诱因多(水、瓦斯、煤火、冲击地压等)，缺少统筹兼顾的采前灾害联合防治方法。

技术方案：本发明一种高瓦斯低洼孤岛工作面煤层采前多灾害联合防治方法，包括施工掘进端面预抽瓦斯钻孔、疏放水钻孔、顺层钻孔、瓦斯抽采钻场、疏放水钻场、充填密闭墙、疏放水巷道、本煤层预抽瓦斯钻孔和充填管路，其特征在于：多灾害联合防治方法包括以下步骤：

a.探明待开采煤层工作面地质情况：在对本煤层执行灾害防治措施之前，充分了解本煤层、邻近采空区一和邻近采空区二的地质赋存情况，主要包括向本煤层中较完整区域打测试钻孔测定煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量和地应力分布状况，在本煤层中取试样进行实验室试验测定煤的自然发火期和物理力学性质，使用电测法测定邻近采空区一和邻近采空区二中的含水量及水头标高；

b.本煤层巷道拟定设计：根据邻近采空区一和邻近采空区二中水头标高以及本煤层煤体的物理力学性质确定疏放水巷道的位置，并设定本煤层边界位置处的预留煤柱一和预留煤柱二的宽度，将拟掘进风巷和拟掘回风巷的位置布置于预留煤柱一和预留煤柱二靠近本煤层一侧，疏放水巷道布置于本煤层的正中间位置；

c.掘进疏放水巷道：在本煤层的中间位置开掘疏放水巷道，首先在掘进面端头部位掘进端面预抽瓦斯钻孔，对掘进前方煤体150m内的瓦斯进行预抽采，达标后推进疏放水巷道的掘进，重复进行掘进端面的预抽瓦斯，直至疏放水巷道掘进到指定位置；

d.开掘瓦斯抽采钻场和疏放水钻场：在疏放水巷道掘进完成后，在疏放水巷道内的两侧煤壁上对称开挖多个瓦斯抽采钻场和疏放水钻场；

e.疏放水和瓦斯抽采：在每个瓦斯抽采钻场中靠近掘进端头一面施工多个倾斜钻孔，在与掘进方向平行的一面同样施工多个倾斜钻孔，构成呈扇形分布的本煤层预抽瓦斯钻孔，对呈扇形分布的本煤层预抽瓦斯钻孔进行瓦斯预抽采；同时在每个疏放水钻场中分别向邻近采空区的积水中打疏放水钻孔疏放采空区积水；

f.顺层钻孔瓦斯抽采：在疏放水巷道的两侧巷帮中间打顺层钻孔进一步抽采本煤层中的瓦斯，顺层钻孔的终孔位置处于拟掘进风巷和拟掘回风巷的外边缘位置；

g.掘进进回风巷道：当疏放采空区积水和瓦斯抽采达标后，同时开挖拟掘进风巷和拟掘回风巷；

h.巷道充填煤层回采：为避免在回采期间由于疏放水巷道的存在产生应力集中，在本煤层回采前，在疏放水巷道中构筑多个充填密闭墙，采用充填密闭墙分段后退充填方式，在每个充填密闭墙顶端留充填眼，经过充填管路将柔性高水充填材料泵入疏放水巷道，对疏放水巷道进行充填，完成后封堵充填眼，形成充填密实区，最后对本煤层进行回采。

所述的疏放水巷道与邻近采空区积水之间最小距离的设计依照公式：

式中：L为疏放水巷道与邻近采空区积水的垂直距离，m；K为安全系数，取值2-5；M为煤层厚度或采高；P为水头压力；K

所述的多个瓦斯抽采钻场沿着疏放水巷道均匀分布，约50m布置一个。

所述的多个疏放水钻场的位置根据探水情况布置在疏放水钻孔打到积水最多的位置。

所述疏放水巷道中的多个充填密闭墙之间的间距≤120m，充填材料采用柔性高水材料，利用充填泵经充填管路泵注进行充填。

所述的疏放水钻孔、顺层钻孔和本煤层预抽瓦斯钻孔打钻时相互之间不贯通，在本煤层形成立体钻孔缝网。

所述的疏放水钻孔先用直径121mm钻头钻进10m，然后下直径108mm的套管，套管和钻孔之间用水泥浆固管后，再用直径91mm的钻头继续钻进到采空区积水区域，疏放水钻孔(11)全程下直径不小于75mm的PVC管，并在终孔前3m下入筛管。

所述的掘进端面预抽瓦斯钻孔孔径为90-120mm，掘进端面预抽瓦斯钻孔终孔位置与掘进端面的垂直距离为150m，掘进端面预抽瓦斯钻孔分上中下三层布置，三层布置的孔间距为1m，从下到上，钻孔终孔位置分别至本煤层的底板、中部和顶板，两侧掘进端面预抽瓦斯钻孔的终孔位置距离疏放水巷道巷帮15m。

所述本煤层预抽瓦斯钻孔的孔径为90-120mm；顺层钻孔的孔径为90-120mm，在本煤层无构造带区域顺层钻孔的间距为5-6m，在本煤层构造带区域则加大顺层钻孔的布置密度，顺层钻孔间距变为2-3m。

有益效果：本发明通过对高瓦斯低洼孤岛工作面采用了上述技术措施，通过疏放水巷道将两侧高位采空区中的积水疏放至达标，而且通过布置瓦斯预抽钻孔对本煤层中的瓦斯进行了预抽采达标。瓦斯治理达标后，在掘进拟掘进、回风巷时便免去瓦斯超限的麻烦，大大加快了进、回风巷道的掘进周期。使用柔性高水材料后退式分段充填疏放水巷道，掐除氧气的供给来源，消除潜在的自燃发火危险，还可以避免本煤层回采时的应力集中现象，消除潜在的冲击地压危险。采用在本煤层中间掘进一条疏放水巷道作为多灾害防治措施集中地，在此巷道中执行“积聚能提前释放-采空区疏放水-本煤层瓦斯预抽采-巷道充填防止应力集中”的措施。提高了疏放水巷道的利用效率，避免了多种灾害各防各治造成的巷道错乱、工艺复杂、成本激增等问题。采取措施效果好，缩短了采前多灾害防治周期，真正做到采前灾害的联合防治，不但降低了生产成本，而且大幅度提高了开采效益。对于受多灾害影响的高瓦斯低洼孤岛工作面的开采意义重大，在本技术领域内具用广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明一种高瓦斯低洼孤岛工作面煤层开采多灾害联合治理方法示意图；

图2(a)是本发明掘进端面预抽瓦斯钻孔布置主视图；

图2(b)是本发明掘进端面预抽瓦斯钻孔布置侧视图；

图2(c)是本发明掘进端面预抽瓦斯钻孔布置俯视图；

图3是本发明钻场内疏放水钻孔布置示意图；

图4是本发明钻场内本煤层预抽瓦斯钻孔布置示意图；

图5是本发明一种高瓦斯低洼孤岛工作面煤层开采多灾害联合治理A-A剖切面示意图；

图6是本发明疏放水巷充填施工示意图。

图中：1-邻近采空区一，2-采空区一中积水，3-预留煤柱一，4-拟掘进风巷，5-本煤层，6-掘进端面预抽瓦斯钻孔，7-拟掘回风巷，8-预留煤柱二，9-采空区二中积水，10-邻近采空区二，11-疏放水钻孔，12-顺层钻孔，13-瓦斯抽采钻场，14-疏放水钻场，15-掘进端面，16-充填密闭墙，17-疏放水巷道，18-本煤层预抽瓦斯钻孔，19-充填管路，20-充填密实区，21-顺层钻孔加密区域。

具体实施方式

下面结合附图中的一个实施案例对本发明作进一步的描述：

如下图1所示，本发明一种高瓦斯低洼孤岛工作面煤层采前多灾害联合防治方法，包括施工掘进端面预抽瓦斯钻孔6、疏放水钻孔11、顺层钻孔12、瓦斯抽采钻场13、疏放水钻场14、充填密闭墙16、疏放水巷道17、本煤层预抽瓦斯钻孔18和充填管路19，多灾害联合防治方法的步骤如下：

a.探明待开采煤层工作面地质情况：在对本煤层5执行灾害防治措施之前，充分了解本煤层5、邻近采空区一1和邻近采空区二10的地质赋存情况，主要包括向本煤层5中较完整区域打测试钻孔测定煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、地应力分布状况，在本煤层5中取试样进行实验室试验测定煤的自然发火期和物理力学性质，使用电测法测定邻近采空区一1和邻近采空区二10中的含水量及水头标高；

b.本煤层巷道拟定设计：如图1和图5所示，根据邻近采空区一1和邻近采空区二10中水头标高以及本煤层5煤体的物理力学性质确定疏放水巷道17的位置，并设定本煤层5的边界位置处的预留煤柱一3和预留煤柱二8的宽度，将拟掘进风巷4和拟掘回风巷7的位置布置于预留煤柱一3和预留煤柱二8靠近本煤层5一侧，疏放水巷道17布置于本煤层5的正中间位置；

所述的疏放水巷道17与邻近采空区积水之间最小距离的设计依照公式：

式中：L为疏放水巷道与邻近采空区积水的垂直距离，m；K为安全系数，取值2-5；M为煤层厚度或采高；P为水头压力；K

设定本煤层5的边界位置处的预留煤柱一3和预留煤柱二8的宽度为8-12m，而预留煤柱一3和预留煤柱二8为采空区边界处的留置煤柱，其作用是隔离邻近采空区中的瓦斯、水、火等灾害，按照标准一般设置10m左右。将拟掘进风巷4和拟掘回风巷7的位置布置于预留煤柱一3和预留煤柱二8靠近本煤层5一侧；

c.掘进疏放水巷道：在本煤层5的中间位置开掘疏放水巷道17，首先在掘进面端头部位掘进端面预抽瓦斯钻孔6，对掘进前方煤体150m内的瓦斯进行预抽采，达标后推进疏放水巷道17的掘进，重复进行掘进端面的预抽瓦斯，直至疏放水巷道17掘进到指定位置，其中掘进端面预抽瓦斯钻孔布置示意图如下图2所示，掘进端面预抽瓦斯钻孔6孔径为90-120mm，掘进端面预抽瓦斯钻孔6终孔位置与掘进端面15的垂直距离为150m，掘进端面预抽瓦斯钻孔6分上中下三层布置，三层布置的孔间距为1m，从下到上，钻孔终孔位置分别至本煤层5的底板、中部和顶板，两侧掘进端面预抽瓦斯钻孔6的终孔位置距离疏放水巷道17巷帮15m；

d.开掘瓦斯抽采钻场和疏放水钻场：在疏放水巷道17掘进完成后，在疏放水巷道17内的两侧煤壁上对称开挖多个瓦斯抽采钻场13和疏放水钻场14。如图1所示，其中多个瓦斯抽采钻场13沿着疏放水巷道17均匀分布，每50m布置一个；所述的多个疏放水钻场14的位置根据探水情况布置在疏放水钻孔11打到积水最多的位置。

e.疏放水和瓦斯抽采：在每个瓦斯抽采钻场13中靠近掘进端头一面施工多个倾斜钻孔，在与掘进方向平行的一面同样施工多个倾斜钻孔，构成呈扇形分布的本煤层预抽瓦斯钻孔18，对呈扇形分布的本煤层预抽瓦斯钻孔18进行瓦斯预抽采；同时在每个疏放水钻场14中分别向邻近采空区的积水中打疏放水钻孔11疏放采空区积水，疏放水钻孔11和本煤层预抽瓦斯钻孔18的方向相反；所述的疏放水钻孔11首先用直径121mm钻头钻进10m，然后下直径108mm的套管，套管和钻孔之间用水泥浆固管，然后用直径91mm的钻头继续钻进到采空区积水区域，为了防止放水时，出现塌孔，堵塞放水通道，疏放水钻孔11全程下入直径不小于75mm的PVC管，并在终孔前3m下入筛管，以防止淤泥堵塞管口；本煤层预抽瓦斯钻孔18的孔径为90-120mm，预抽瓦斯钻孔封孔长度为10m；

如图1所示，在瓦斯抽采钻场13中靠近掘进端头一面施工四个倾斜钻孔，在与掘进方向平行的一面同样施工四个倾斜钻孔，构成八个呈扇形分布的本煤层预抽瓦斯钻孔18，对呈扇形布置本煤层预抽瓦斯钻孔18进行瓦斯预抽采；并在疏放水钻场14中分别向邻近采空区一1和邻近采空区二10的积水中打疏放水钻孔11疏放采空区积水，疏放水钻孔11和本煤层预抽瓦斯钻孔18在钻场中的布置如图3和图4所示；

f.顺层钻孔瓦斯抽采：在疏放水巷道17的两侧巷帮中间打顺层钻孔12进一步抽采本煤层5中的瓦斯，顺层钻孔12的终孔位置处于拟掘进风巷4和拟掘回风巷7的外边缘位置；所述的疏放水钻孔11、顺层钻孔12和本煤层预抽瓦斯钻孔18打钻时相互之间不贯通，在本煤层5形成立体钻孔缝网；顺层钻孔12的孔径为90-120mm，由于构造带区域比非构造带区域瓦斯含量更高，瓦斯压力更大，因此使用顺层钻孔抽采瓦斯在构造带区域需要加大钻孔布置密度，故在本煤层5无构造带区域顺层钻孔12的间距为5-6m，在本煤层5构造带区域则加大顺层钻孔12的布置密度，顺层钻孔12间距变为2-3m，如图1中顺层钻孔加密区域21；

g.掘进进回风巷道：当疏放采空区积水和瓦斯抽采达标后，同时开挖拟掘进风巷4和拟掘回风巷7；

h.巷道充填煤层回采：如图6所示，为避免在回采期间由于疏放水巷道17的存在产生应力集中，在本煤层5回采前，在疏放水巷道17中构筑多个充填密闭墙16，在每个充填密闭墙16顶端留充填眼，经过充填管路19将柔性高水充填材料泵入疏放水巷道17，对疏放水巷道17进行充填，完成后封堵充填眼，形成充填密实区20，最后对本煤层5进行回采。所述疏放水巷道17采用充填密闭墙16分段后退式充填方式，充填密闭墙16之间的间距≤120m，充填材料采用柔性高水材料，使用充填泵经充填管路19泵注进行充填。

在疏放水巷道17中执行“积聚能提前释放-采空区疏放水-本煤层瓦斯预抽采-巷道充填防止应力集中”的措施，可以对水害、瓦斯、火灾、冲击地压等灾害进行防治。