基於無煤柱開採y型通風採空區的鑽孔布置方法
2023-05-24 13:31:06
基於無煤柱開採y型通風採空區的鑽孔布置方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法，屬於瓦斯抽採領域，本發明根據沿空留巷Y型通風採空區瓦斯運移規律和瓦斯富集區域進行鑽孔布置，使得瓦斯抽採效果好，抽採鑽孔依次貫穿垮落帶、斷裂帶至彎曲下沉帶的下部，解決不同煤系地層覆巖結構下抽採瓦斯鑽孔準確定位的問題，使抽採瓦斯的效果得到保證。由於大量的卸壓瓦斯和採空區瓦斯被抽出，從根本上解決上隅角瓦斯超限和迴風流瓦斯超限問題，保證礦井的安全生產。同時本發明提出的鑽孔布置方法在保證抽採效果的前提下，對瓦斯富集區域的針對性強，減少了抽採鑽孔數量，增大了抽採鑽孔布置間距，具有工程量小，經濟節約的優點。
【專利說明】基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於瓦斯抽取領域，特別是涉及一種基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法。
【背景技術】
[0002]礦井採掘空間的瓦斯來源主要是工作面和採空區湧出瓦斯以及鄰近層湧入瓦斯，其中採空區湧出瓦斯佔採掘空間瓦斯湧出量的40%左右，有些礦井採空區湧出瓦斯佔到採掘空間總瓦斯湧出量的60%?70%。因此，研究採空區瓦斯運移及富集規律，對礦井瓦斯災害防治、採空區瓦斯抽採和煤與瓦斯共採技術的實現具有重要的意義。
[0003]在礦體沒有開採之前，巖體處於平衡狀態。當礦體開採後，形成了地下空間，破壞了巖體的原始應力場，引起巖體應力重新分布，並一直延續到巖體內形成新的平衡為止。在應力重新分布過程中，圍巖產生變形、移動甚至破壞，從而對工作面、巷道及圍巖產生壓力。根據礦山壓力理論，隨著工作面向前推進，在工作面周圍將形成一個採動應力場，採動應力場及其影響範圍在垂直方向上形成「豎三帶」，由下向上分別為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。在水平方向上形成「橫三區」，沿工作面推進方向分別為重新壓實區、離層區和煤壁支撐影響區。隨著工作面的向前推進，採動應力場隨時空演化並形成採動裂隙場，為瓦斯在採空區上覆巖層中的運移和富集提供了通道和空間。由於對瓦斯在工作面附件及採空區的運移與富集規律不甚清楚，傳統的穿層鑽孔抽採方法往往不能正確地確定鑽孔位置。
[0004]傳統的U型通風方式，由於採空區漏風導致採空區高濃度瓦斯匯聚於工作面上隅角，採用高位鑽孔抽採時，層位難以控制，瓦斯抽採效果難以得到充分的保證，乃至於利用高抽巷也不能從根本上解決上隅角瓦斯超限問題。在Y型通風沿空留巷內由布置在瓦斯富集區中的傾向抽採瓦斯鑽孔進行抽採，瓦斯富集區不只是單純的位於Y型通風工作面沿空留巷的採空區頂板斷裂帶，現場環境的不同會導致實際瓦斯富集區的變化。
[0005]在現有的沿空留巷Y型通風採空區頂板卸壓瓦斯抽採的方法，未能解決如何尋找採空區上覆巖層中的瓦斯富集區域的問題，嚴重影響了採煤工作面的安全和高效生產。
【發明內容】
[0006]有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是針對瓦斯運移與富集機理的不明，提供一種準確、經濟、有利於高效抽採瓦斯的基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法。
[0007]為實現上述目的，本發明提供了一種基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法，包括以下步驟:從沿空留巷的頂板位置開孔，向工作面方向施工；在切眼工作面推進40m以後，在沿空留巷的頂板成組布置抽採鑽孔，每組所述抽採鑽孔至少兩個，每組抽採鑽孔間距為20米?30米；
[0008]每隔一組鑽孔待工作面繼續推進60米?80米之後再在沿空留巷的頂板增加1-2個抽採鑽孔；抽採鑽孔終孔位置與沿空留巷水平距離為40?50米，所述抽採鑽孔終孔位置距煤層頂板法向距離7-15倍採高且所述抽採鑽孔終孔位置距煤層頂板法向距離不小於25米。
[0009]較佳的，所述抽採鑽孔直徑不小於90mm。
[0010]較佳的，所述抽採鑽孔的封孔越過垮落帶塑性區，所述抽採鑽孔封孔長度為採高的4-6倍且不小於8m。
[0011]進一步的，布置鑽孔前還包括確定Y型通風採空區瓦斯富集區域的步驟，其按以下步驟進行:
[0012]Al、根據現場工況進行含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流試驗，得到煤樣在應力-應變全過程中的滲透率，同時根據現場工況確定瓦斯源項；
[0013]A2、通過得到的煤樣滲透率進行峰值點前關係K = ak0exp(-bo)和K = ckQed°峰值
點後關係中a、b、c、d的擬合，得到煤層滲透率與應力狀態之間的關係；通過計算
【權利要求】
1.一種基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法，其特徵在於包括以下步驟:從沿空留巷的頂板位置開孔，向工作面方向施工；在切眼工作面推進40m以後，在沿空留巷的頂板成組布置抽採鑽孔，每組所述抽採鑽孔至少兩個，每組抽採鑽孔間距為20米~30米; 每隔一組鑽孔待工作面繼續推進60米~80米之後再在沿空留巷的頂板增加1-2個抽米鑽孔； 抽採鑽孔終孔位置與沿空留巷水平距離為40~50米，所述抽採鑽孔終孔位置距煤層頂板法向距離7-15倍採高且所述抽採鑽孔終孔位置距煤層頂板法向距離不小於25米。
2.如權利要求1所述的基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法，其特徵在於:所述抽採鑽孔直徑不小於90mm。
3.如權利要求1所述的基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法，其特徵在於:所述抽採鑽孔的封孔越過垮落帶塑性區，所述抽採鑽孔封孔長度為採高的4-6倍且不小於8m ο
4.如權利要求1至3任一所述的基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法，其特徵在於:布置鑽孔前還包括確定Y型通風採空區瓦斯富集區域的步驟，其按以下步驟進行: Al、根據現場工況進行含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流試驗，得到煤樣在應力-應變全過程中的滲透率，同時根據現場工況確定瓦斯源項； A2、通過得到的煤樣滲透率進行峰值點前關係K = ak0exp(-bo)和峰值點後關係K =ck0ed°中a、b、c、d的擬 合，得到煤層滲透率與應力狀態之間的關係；通過計算f = 轉換得到煤層孔隙率與應力狀態之間的關係；所述K為煤樣滲透率，所述σ為有效體積應力，所述a、b、C、d均為依據材料特性得到的參數；Φ為孔隙率，(K為初始孔隙率； A3、利用Navier-Stokes方程和Brinkman方程構建出採煤工作面空氣流動模型,求解模型得出空氣流動平衡狀態下壓力場分布和速度場分布；利用對流-擴散方程和Fick定律擴散方程來構建瓦斯擴散模型； A4、通過COMSOL MULTIPHYSICS對空氣流動模型和瓦斯擴散模型聯立求解，得到瓦斯富集區域。
5.如權利要求4所述的基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法，其特徵在於:所述根據現場工況進行含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流試驗按以下步驟進行: S1、煤樣試件安裝:用704矽橡膠將煤樣試件側面抹一層Imm左右的膠層，待抹上的膠層完全乾透後，將煤樣放置於含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流裝置的三軸壓力室中支撐軸上，用一段比煤樣長出40mm左右的圓筒熱縮管套在煤樣上，同時將加壓活塞杆放置於煤樣上，用熱風將圓筒熱縮管均勻吹緊，以保證圓筒熱縮管與煤樣試件的外壁貼合，將煤樣試件上下兩端的圓筒熱縮管與支撐軸的重合部分、圓筒熱縮管與加壓活塞杆的重合部分分別用金屬箍箍住，在煤樣試件上安裝鏈式徑向位移引伸計； S2、裝機:將三軸壓力室上座與下座對好位，將瓦斯進氣管與加壓活塞杆上端進氣孔連通，在瓦斯出氣管上設置流量計；向三軸壓力室排空充油，檢查各系統是否正常工作； S3、真空脫氣:打開試驗容器的出氣閥門，用真空泵對試驗容器內的煤樣進行脫氣；S4、吸附平衡:脫氣後，關閉試驗容器的出氣閥門，將所述三軸壓力室降入恆溫水箱，設定恆溫水箱的溫度值，並對所述三軸壓力室施加恆定的軸壓和圍壓，調節高壓甲烷鋼瓶出氣閥門，保持瓦斯壓力固定，向所述煤樣試件內充氣，使煤樣瓦斯充分吸附平衡； S5、進行含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗，得到滲透率與應力狀態之間的關係。
6.如權利要求4所述的基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法，其特徵是:所述根據現場工況確定瓦斯源項按以下步驟進行:
計算
7.如權利要求4所述的基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法，其特徵是:所述根據現場工況確定瓦斯源項按以下步驟進行: 計算
8.如權利要求1至3任一所述的基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法，其特徵是:還包括獲取沿空留巷Y型通風採空區瓦斯運移規律的步驟；所述獲取沿空留巷Y型通風採空區瓦斯運移規律按以下步驟進行: B1、在可旋轉箱式相似模擬試驗臺上進行相似模擬試驗，得到基於三維雷射掃描技術的採動裂隙場分布規律； B2、利用UDEC對現場工況進行模擬得到採動裂隙場分布規律；B3、在現場工作面前方煤層頂板施工一個觀測鑽孔，用鑽孔成像儀觀察工作面推進過程中鑽孔內的裂隙發展發育情況並進行統計，以此確定煤層頂板採動裂隙區存在的位置；B4、結合前三步的採動裂隙場的演化形態，通過圖像處理方法得到空間形態圖，作為裂隙場裂隙場模型將其導入COMSOL Multiphysics中，再模擬瓦斯氣體的運移，得到沿空留巷Y型通風採空區瓦斯運移規律。
9.如權利要求8所述的基於無煤柱開採Y型通風採空區的鑽孔布置方法，其特徵是:所述在可旋轉箱式相似模擬試驗臺上進行相似模擬試驗按以下步驟進行: Cl、選取細河砂為骨料，石膏和碳酸鈣為黏結料，水泥、軟木屑和機油作為調理；C2、進行相似材料配比試驗，找出符合原材料力學參數的配比； C3、按照選定的配比好，在相似模擬試驗架上將材料堆砌成型；堆砌是按層進行，每層間撒上雲母粉作為離層； C4、在預開挖每層堆砌時，煤層上下用雲母設置離層，同時在煤層間鋪上塑料薄膜； C5、對風乾完畢的相似模型進行開挖，開挖順序從左向右； C6、每次開挖前，通過三維雷射掃描儀對所要觀測的模型進行全方位的掃描；開挖完成後間隔ISOmin進行掃描，待其完全穩定後再進行下次開挖； C7、將掃描的數據導入Trimble Real-works形成點雲數據,得到基於三維雷射掃描技術的採動裂隙場分布 規律。
【文檔編號】E21F7/00GK103821554SQ201410083088
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】尹光志, 李銘輝, 許江, 李文璞, 張東明, 黃滾, 王維忠, 蔣長寶, 宋真龍, 尚德磊, 鄧博知, 韓佩博, 李生舟 申請人:重慶大學