基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法和系统转让专利
申请号 : CN202111088945.X
文献号 : CN113550754B
文献日 : 2021-12-10
发明人 : 刘世奇 , 郭懂宇 , 孙伟 , 刘洋 , 苗葳 , 吕忠宇 , 黄磊 , 吴迪 , 董岩霖
申请人 : 中国矿业大学(北京)
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法,其特征在于,包括:步骤S101、从多个不同的探测方向对井下掘进巷道在超前探放水前进行物探探测,将井下掘进巷道划分为安全区域、受水威胁区域和异常区域;其中,安全区域为掘进工作面不存在水体威胁,且无顶板水或顶板水为弱富水性,底板带压系数<0.06 的区域;受水威胁区域为掘进工作面受已知水体威胁的区域;异常区域为物探异常、存在对矿井水害有诱导作用的地质构造和钻探出水的区域;
步骤S102、在安全区域内,实施底抽巷穿层钻孔:根据确定的底抽巷与掘进巷道的相对位置关系以及确定的开孔位置、终孔间距、钻孔密度、钻孔长度、开孔角度,进行底抽巷穿层钻孔;
其中,按照公式:
计算穿层钻孔的有效抽采半径 ,以确定底抽巷穿层钻孔的终孔间距;式中, 为开始抽采时钻孔内瓦斯流量; 为流量衰减系数;为抽采时间; 为煤层的平均密度;为瓦斯抽采率; 为煤层中原始瓦斯含量;
若 小于煤层巷道掘进宽度 ,则底抽巷穿层钻孔的终孔间距 ;若 大于煤层巷道掘进宽度,则底抽巷穿层钻孔的终孔间距 小于等于煤层巷道掘进宽度 ;
步骤S103、根据目标煤层掘进巷道松动圈范围、掘进工作面所受的水体威胁、以及底抽巷穿层钻孔的终孔位置,确定是否在受水威胁区域补充钻孔。
2.根据权利要求1所述的基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法,其特征在于,在步骤S101中,
从3个横向探测方向和1个纵向探测方向对井下掘进巷道在超前探放水前进行物探探测;其中,3个横向探测方向分别为:与巷道顶板呈45°夹角向前方顶板探测的方向、顺岩层方向向前方探测的方向、以及与巷道底板呈45°夹角向前方底板探测的方向;1个纵向探测方向为垂直于掘进方向,向巷道顶板、底板进行探测的方向。
3.根据权利要求1所述的基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法,其特征在于,
按照公式:
计算穿层钻孔沿巷道宽度方向的个数 ,以确定底抽巷穿层钻孔的钻孔密度。
4.根据权利要求1所述基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法,其特征在于,
底抽巷穿层钻孔的钻孔长度穿透目标煤层全厚,且终孔在煤层顶板和/或底板以上至少0.5米;
底抽巷穿层钻孔呈扇形均匀布置,且覆盖目标煤层掘进巷道两帮轮廓线外至少20米范围。
5.根据权利要求1所述的基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法,其特征在于,步骤S103包括:
按照公式:
计算目标煤层掘进巷道松动圈半径 ,以确定是否需要补充钻孔;其中, 为巷道等效圆半径; 为上覆岩层的平均体积力; 为埋深,单位为千米 ; 为围岩的黏聚力; 为围岩的内摩擦角;
若掘进工作面受已知底板承压水威胁,且底抽巷位于目标煤层掘进巷道松动圈范围内,则沿目标煤层掘进巷道底板下进行补充钻孔,且补充钻孔覆盖巷道底板下方两帮范围,补充钻孔终孔位置超过目标煤层掘进巷道松动圈至少1米。
6.根据权利要求5所述的基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法,其特征在于,沿目标煤层掘进巷道底板下方至少布置 个钻孔,且沿巷道中线两侧至少各有1个钻孔位于目标煤层掘进巷道正下方;其中, 大于等于2。
7.根据权利要求1‑6任一所述的基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法,其特征在于,水体威胁包括:封闭不良钻孔和老空水、顶板水、底板承压水。
8.一种基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的系统,其特征在于,包括:区域划分单元,配置为从多个不同的探测方向对井下掘进巷道在超前探放水前进行物探探测,将井下掘进巷道划分为安全区域、受水威胁区域和异常区域;其中,安全区域为掘进巷道工作面不存在水体威胁,且无顶板水或顶板水为弱富水性,底板带压系数<0.06的区域;受水威胁区域为掘进工作面受已知水体威胁的区域;异常区域为物探异常、存在对矿井水害有诱导作用的地质构造和钻探出水的区域;
穿层钻孔单元,配置为在安全区域内,实施底抽巷穿层钻孔:根据确定的底抽巷与掘进巷道的相对位置关系以及确定的开孔位置、终孔间距、钻孔密度、钻孔长度、开孔角度,进行底抽巷穿层钻孔;
其中,按照公式:
计算穿层钻孔的有效抽采半径 ,以确定底抽巷穿层钻孔的终孔间距;式中, 为开始抽采时钻孔内瓦斯流量; 为流量衰减系数;为抽采时间; 为煤层的平均密度;为瓦斯抽采率; 为煤层中原始瓦斯含量;
若 小于煤层巷道掘进宽度 ,则底抽巷穿层钻孔的终孔间距 ;若 大于煤层巷道掘进宽度,则底抽巷穿层钻孔的终孔间距 小于等于煤层巷道掘进宽度 ;
补充钻孔单元,配置为根据目标煤层掘进巷道松动圈范围、掘进工作面所受的水体威胁、以及底抽巷穿层钻孔的终孔位置,确定是否在受水威胁区域补充钻孔。
说明书 :
基于底抽巷穿层钻孔进行煤层巷道超前钻探的方法和系统
技术领域
背景技术
以为煤矿防治水提供相应的依据,从而减少和壁面溃水事故的发生。如何对目标煤层掘进
巷道进行超前探放水,消除巷道掘进过程中的水患威胁,已经成为煤层掘进时的一个亟需
解决的问题。
发明内容
进巷道划分为安全区域、受水威胁区域和异常区域;其中,安全区域为掘进工作面不存在水
体威胁,且无顶板水或顶板水为弱富水性,底板带压系数<0.06 的区域;受水威胁区
域为掘进工作面受已知水体威胁的区域;异常区域为物探异常、存在对矿井水害有诱导作
用的地质构造和钻探出水的区域;步骤S102、在安全区域内,实施底抽巷穿层钻孔;步骤
S103、根据目标煤层掘进巷道松动圈范围、掘进工作面所受的水体威胁、以及底抽巷穿层钻
孔的终孔位置,确定是否在受水威胁区域补充钻孔。
方顶板探测的方向、顺岩层方向向前方探测的方向、以及与巷道底板呈45°夹角向前方底板
探测的方向;1个纵向探测方向为垂直于掘进方向,向巷道顶板、底板进行探测的方向。
巷穿层钻孔。
为瓦斯抽采率; 为煤层中原始瓦斯含量;若2 小于煤层巷道掘进宽度 ,则底抽巷穿
层钻孔的终孔间距 ;若2 大于煤层巷道掘进宽度,则底抽巷穿层钻孔的终孔间距
小于等于煤层巷道掘进宽度 。
线外至少20米范围。
内摩擦角;
围,补充钻孔终孔位置超过目标煤层掘进巷道松动圈至少1米。
探探测,将井下掘进巷道划分为安全区域、受水威胁区域和异常区域;其中,安全区域为掘
进巷道工作面不存在水体威胁,且无顶板水或顶板水为弱富水性,底板带压系数<0.06
的区域;受水威胁区域为掘进工作面受已知水体威胁的区域;异常区域为物探异
常、存在对矿井水害有诱导作用的地质构造和钻探出水的区域;穿层钻孔单元,配置为在安
全区域内,实施底抽巷穿层钻孔;补充钻孔单元,配置为根据目标煤层掘进巷道松动圈范
围、掘进工作面所受的水体威胁、以及底抽巷穿层钻孔的终孔位置,确定是否在受水威胁区
域补充钻孔。
在安全区域内实时底抽巷穿层全控,并根据目标煤层掘进巷道松动圈范围、掘进工作面所
受的水体威胁、以及底抽巷穿层钻孔的终孔位置,确定是否在受水威胁区域补充钻孔。籍
此,利用井下底抽巷穿层钻孔代替掘进巷道超前探放水工作,在巷道掘进前,利用物探超前
探测,同时结合底抽巷穿层钻孔超前钻探对掘进巷道从多个不同的探测方向进行探测,达
到对目标煤层掘进巷道的全面覆盖,以便对查明的异常区域或受水威胁区域进行加密探查
及治理,有效降低目标煤层超前探施工的工作损耗,有效提高钻探精度、提升掘进效率,消
除巷道掘进进程中的水患威胁。
附图说明
具体实施方式
神的情况下,可在本申请中进行修改和变型。例如,示为或描述为一个实施例的一部分的特
征可用于另一个实施例,以产生又一个实施例。因此,所期望的是,本申请包含归入所附权
利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
前探水方法,利用井下底抽巷穿层钻孔代替掘进巷道超前探放水,在巷道掘进前利用物探
超前探测,同时,结合底抽巷穿层钻孔超前钻探对掘进巷道前方及两帮进行探测,并对查明
的异常区或受水威胁区域进行加密探查,同时采用超前疏放或注浆加固的方式进行治理,
降低目标煤层超前探施工的工作损耗,有效提高钻探精度、提升掘进效率,同时消除巷道掘
进过程中的水患威胁。
探的方法包括:
体威胁的区域;异常区域为物探异常、存在对矿井水害有诱导作用的地质构造和钻探出水
的区域。
示,从3个横向探测方向和1个纵向探测方向对井下巷道在超前探放水前进行物探探测;其
中,3个横向探测方向分别为:与巷道顶板呈45°夹角向前方顶板探测的方向(顶板45°方
向)、顺岩层方向向前方探测的方向(顺层0°方向)、以及与巷道底板呈45°夹角向前方底板
探测的方向(底板45度方向);1个纵向探测方向为垂直于掘进方向,向巷道顶板、底板进行
探测的方向(顶板方向或底板方向)。籍此,多角度,多扇面数据采集,分析前方水体赋存情
况及变化趋势,尽可能获得完整的前方空间信息,相对于现有探测方法,探测角度多、探测
范围广,有效的提高了探测精度。
掘、理论推到等综合分析方向确定的不存在物探异常区、不存在对矿井水害有诱导作用的
地质构造、封闭不良钻孔和老空水等水体威胁的区域。安全区域的弱富水性是指钻孔单位
涌水量 ,其中,钻孔单位涌水量以口径91mm、抽水水位降深10m为准。
诱导作用的地质构造和钻探出水的区域。其中,对矿井水害有诱导作用的地质构造包括但
不限于断层、陷落柱等。
巷与掘进巷道的相对位置包括底抽巷与掘进巷道的垂距、平距,层位;底抽巷与掘进巷道的
垂距为底抽巷与掘进巷道的安全距离;开孔位置(钻孔起钻高度)根据现场条件、探放水施
工设计确定(包括开孔角度、钻孔长度均无定性条件);钻孔密度根据每组钻孔数量及钻孔
间距即可确定。
层间的垂距、平距等参数会直接影响到穿层钻孔的工程量、瓦斯抽采以及探放水效果。因
此,通过确定底抽巷与掘进巷道的相对位置可以有效的降低穿层钻孔的工程量,提高瓦斯
抽采及探放水效果。
式(1)如下:
为年 ; 为煤层的平均密度,单位为顿每立方米 ; 为瓦斯抽采率; 为煤层
中原始瓦斯含量,单位为立方米每吨 。
间距 小于等于煤层巷道掘进宽度 。籍此,通过对终孔间距的约束,可保证至少有一个钻
孔能够穿过煤层顶板。
距离为70米,超前距不小于30米,以100米为一个单元,每个单元最少布置 个钻孔。
有钻孔呈扇形均匀布置,且覆盖目标煤层掘进巷道两帮轮廓线外至少20米范围。籍此,实现
对掘进巷道前方及两帮进行探测。
文地质条件和物探结果,类比周边矿井已掘巷道或本煤层相邻工作面巷道围岩破坏情况,
确定松动圈范围。
半径(松动圈半径)按照公式(3)计算。公式(3)如下:
为千米 ; 为围岩的黏聚力,单位为兆帕 ; 为围岩的内摩擦角。
围,补充钻孔终孔位置超过目标煤层掘进巷道松动圈至少1米。
范围小于1米,不需要补充钻孔。即若受顶板水威胁区域与松动圈重合或在松动圈内,穿层
钻孔即可达到探查目的。
终孔位置进入异常区域范围内(如图7所示);若钻孔施工后出现水文异常,查明导含水情
况,并利用超前疏放或注浆加固方式对其进行治理。
时,需进行针对性的煤层探放水。
布置,钻孔终孔位置完全覆盖上方煤层巷道两侧20米范围,能有效满足探放水帮距不小于
20米要求;穿层钻孔从底抽巷穿过上方煤层至煤层顶板进行整体覆盖,可确保上方煤层在
巷道掘进中不受底板水影响;回采工作面施工时,在满足梳放水要求的同时,解决了瓦斯抽
采问题,提高了钻孔的利用率,达到一孔多用的效果。
系统包括:区域划分单元901、穿层钻孔单元902和补充钻孔单元903。
区域为掘进巷道工作面不存在水体威胁,且无顶板水或顶板水为弱富水性,底板带压系数
<0.06 的区域;受水威胁区域为掘进工作面受已知水体威胁的区域;异常区域为物
探异常、存在对矿井水害有诱导作用的地质构造和钻探出水的区域。
穿层钻孔的终孔位置,确定是否在受水威胁区域补充钻孔。
到相同的有益效果,在此不再一一赘述。
等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。