基于無煤柱開采y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法，屬于瓦斯抽采領(lǐng)域，本發(fā)明根據(jù)沿空留巷Y型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律和瓦斯富集區(qū)域進(jìn)行鉆孔布置，使得瓦斯抽采效果好，抽采鉆孔依次貫穿垮落帶、斷裂帶至彎曲下沉帶的下部，解決不同煤系地層覆巖結(jié)構(gòu)下抽采瓦斯鉆孔準(zhǔn)確定位的問題，使抽采瓦斯的效果得到保證。由于大量的卸壓瓦斯和采空區(qū)瓦斯被抽出，從根本上解決上隅角瓦斯超限和回風(fēng)流瓦斯超限問題，保證礦井的安全生產(chǎn)。同時(shí)本發(fā)明提出的鉆孔布置方法在保證抽采效果的前提下，對(duì)瓦斯富集區(qū)域的針對(duì)性強(qiáng)，減少了抽采鉆孔數(shù)量，增大了抽采鉆孔布置間距，具有工程量小，經(jīng)濟(jì)節(jié)約的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于瓦斯抽取領(lǐng)域，特別是涉及一種基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法。
【背景技術(shù)】
[0002]礦井采掘空間的瓦斯來源主要是工作面和采空區(qū)涌出瓦斯以及鄰近層涌入瓦斯，其中采空區(qū)涌出瓦斯占采掘空間瓦斯涌出量的40%左右，有些礦井采空區(qū)涌出瓦斯占到采掘空間總瓦斯涌出量的60%?70%。因此，研究采空區(qū)瓦斯運(yùn)移及富集規(guī)律，對(duì)礦井瓦斯災(zāi)害防治、采空區(qū)瓦斯抽采和煤與瓦斯共采技術(shù)的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。
[0003]在礦體沒有開采之前，巖體處于平衡狀態(tài)。當(dāng)?shù)V體開采后，形成了地下空間，破壞了巖體的原始應(yīng)力場，引起巖體應(yīng)力重新分布，并一直延續(xù)到巖體內(nèi)形成新的平衡為止。在應(yīng)力重新分布過程中，圍巖產(chǎn)生變形、移動(dòng)甚至破壞，從而對(duì)工作面、巷道及圍巖產(chǎn)生壓力。根據(jù)礦山壓力理論，隨著工作面向前推進(jìn)，在工作面周圍將形成一個(gè)采動(dòng)應(yīng)力場，采動(dòng)應(yīng)力場及其影響范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(qū)”，沿工作面推進(jìn)方向分別為重新壓實(shí)區(qū)、離層區(qū)和煤壁支撐影響區(qū)。隨著工作面的向前推進(jìn)，采動(dòng)應(yīng)力場隨時(shí)空演化并形成采動(dòng)裂隙場，為瓦斯在采空區(qū)上覆巖層中的運(yùn)移和富集提供了通道和空間。由于對(duì)瓦斯在工作面附件及采空區(qū)的運(yùn)移與富集規(guī)律不甚清楚，傳統(tǒng)的穿層鉆孔抽采方法往往不能正確地確定鉆孔位置。
[0004]傳統(tǒng)的U型通風(fēng)方式，由于采空區(qū)漏風(fēng)導(dǎo)致采空區(qū)高濃度瓦斯匯聚于工作面上隅角，采用高位鉆孔抽采時(shí)，層位難以控制，瓦斯抽采效果難以得到充分的保證，乃至于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(fēng)沿空留巷內(nèi)由布置在瓦斯富集區(qū)中的傾向抽采瓦斯鉆孔進(jìn)行抽采，瓦斯富集區(qū)不只是單純的位于Y型通風(fēng)工作面沿空留巷的采空區(qū)頂板斷裂帶，現(xiàn)場環(huán)境的不同會(huì)導(dǎo)致實(shí)際瓦斯富集區(qū)的變化。
[0005]在現(xiàn)有的沿空留巷Y型通風(fēng)采空區(qū)頂板卸壓瓦斯抽采的方法，未能解決如何尋找采空區(qū)上覆巖層中的瓦斯富集區(qū)域的問題，嚴(yán)重影響了采煤工作面的安全和高效生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)瓦斯運(yùn)移與富集機(jī)理的不明，提供一種準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、有利于高效抽采瓦斯的基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法，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(jìn)40m以后，在沿空留巷的頂板成組布置抽采鉆孔，每組所述抽采鉆孔至少兩個(gè)，每組抽采鉆孔間距為20米?30米；
[0008]每隔一組鉆孔待工作面繼續(xù)推進(jìn)60米?80米之后再在沿空留巷的頂板增加1-2個(gè)抽采鉆孔；抽采鉆孔終孔位置與沿空留巷水平距離為40?50米，所述抽采鉆孔終孔位置距煤層頂板法向距離7-15倍采高且所述抽采鉆孔終孔位置距煤層頂板法向距離不小于25米。
[0009]較佳的，所述抽采鉆孔直徑不小于90mm。
[0010]較佳的，所述抽采鉆孔的封孔越過垮落帶塑性區(qū)，所述抽采鉆孔封孔長度為采高的4-6倍且不小于8m。
[0011]進(jìn)一步的，布置鉆孔前還包括確定Y型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯富集區(qū)域的步驟，其按以下步驟進(jìn)行:
[0012]Al、根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流試驗(yàn)，得到煤樣在應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中的滲透率，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場工況確定瓦斯源項(xiàng)；
[0013]A2、通過得到的煤樣滲透率進(jìn)行峰值點(diǎn)前關(guān)系K = ak0exp(-bo)和K = ckQed°峰值
點(diǎn)后關(guān)系中a、b、c、d的擬合，得到煤層滲透率與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系；通過計(jì)算
【權(quán)利要求】
1.一種基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法，其特征在于包括以下步驟: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(jìn)40m以后，在沿空留巷的頂板成組布置抽采鉆孔，每組所述抽采鉆孔至少兩個(gè)，每組抽采鉆孔間距為20米~30米; 每隔一組鉆孔待工作面繼續(xù)推進(jìn)60米~80米之后再在沿空留巷的頂板增加1-2個(gè)抽米鉆孔； 抽采鉆孔終孔位置與沿空留巷水平距離為40~50米，所述抽采鉆孔終孔位置距煤層頂板法向距離7-15倍采高且所述抽采鉆孔終孔位置距煤層頂板法向距離不小于25米。
2.如權(quán)利要求1所述的基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法，其特征在于:所述抽采鉆孔直徑不小于90mm。
3.如權(quán)利要求1所述的基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法，其特征在于:所述抽采鉆孔的封孔越過垮落帶塑性區(qū)，所述抽采鉆孔封孔長度為采高的4-6倍且不小于8m ο
4.如權(quán)利要求1至3任一所述的基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法，其特征在于:布置鉆孔前還包括確定Y型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯富集區(qū)域的步驟，其按以下步驟進(jìn)行: Al、根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流試驗(yàn)，得到煤樣在應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中的滲透率，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場工況確定瓦斯源項(xiàng)； A2、通過得到的煤樣滲透率進(jìn)行峰值點(diǎn)前關(guān)系K = ak0exp(-bo)和峰值點(diǎn)后關(guān)系K =ck0ed°中a、b、c、d的擬 合，得到煤層滲透率與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系；通過計(jì)算f = 轉(zhuǎn)換得到煤層孔隙率與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系；所述K為煤樣滲透率，所述σ為有效體積應(yīng)力，所述a、b、C、d均為依據(jù)材料特性得到的參數(shù)；Φ為孔隙率，(K為初始孔隙率； A3、利用Navier-Stokes方程和Brinkman方程構(gòu)建出采煤工作面空氣流動(dòng)模型,求解模型得出空氣流動(dòng)平衡狀態(tài)下壓力場分布和速度場分布；利用對(duì)流-擴(kuò)散方程和Fick定律擴(kuò)散方程來構(gòu)建瓦斯擴(kuò)散模型； A4、通過COMSOL MULTIPHYSICS對(duì)空氣流動(dòng)模型和瓦斯擴(kuò)散模型聯(lián)立求解，得到瓦斯富集區(qū)域。
5.如權(quán)利要求4所述的基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法，其特征在于:所述根據(jù)現(xiàn)場工況進(jìn)行含瓦斯煤熱流固耦合三軸滲流試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行: S1、煤樣試件安裝:用704硅橡膠將煤樣試件側(cè)面抹一層Imm左右的膠層，待抹上的膠層完全干透后，將煤樣放置于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(shí)將加壓活塞桿放置于煤樣上，用熱風(fēng)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桿的重合部分分別用金屬箍箍住，在煤樣試件上安裝鏈?zhǔn)綇较蛭灰埔煊?jì)； S2、裝機(jī):將三軸壓力室上座與下座對(duì)好位，將瓦斯進(jìn)氣管與加壓活塞桿上端進(jìn)氣孔連通，在瓦斯出氣管上設(shè)置流量計(jì)；向三軸壓力室排空充油，檢查各系統(tǒng)是否正常工作； S3、真空脫氣:打開試驗(yàn)容器的出氣閥門，用真空泵對(duì)試驗(yàn)容器內(nèi)的煤樣進(jìn)行脫氣；S4、吸附平衡:脫氣后，關(guān)閉試驗(yàn)容器的出氣閥門，將所述三軸壓力室降入恒溫水箱，設(shè)定恒溫水箱的溫度值，并對(duì)所述三軸壓力室施加恒定的軸壓和圍壓，調(diào)節(jié)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(nèi)充氣，使煤樣瓦斯充分吸附平衡； S5、進(jìn)行含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流試驗(yàn)，得到滲透率與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系。
6.如權(quán)利要求4所述的基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法，其特征是:所述根據(jù)現(xiàn)場工況確定瓦斯源項(xiàng)按以下步驟進(jìn)行:


計(jì)算
7.如權(quán)利要求4所述的基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法，其特征是:所述根據(jù)現(xiàn)場工況確定瓦斯源項(xiàng)按以下步驟進(jìn)行: 計(jì)算
8.如權(quán)利要求1至3任一所述的基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法，其特征是:還包括獲取沿空留巷Y型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的步驟；所述獲取沿空留巷Y型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律按以下步驟進(jìn)行: B1、在可旋轉(zhuǎn)箱式相似模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)，得到基于三維激光掃描技術(shù)的采動(dòng)裂隙場分布規(guī)律； B2、利用UDEC對(duì)現(xiàn)場工況進(jìn)行模擬得到采動(dòng)裂隙場分布規(guī)律；B3、在現(xiàn)場工作面前方煤層頂板施工一個(gè)觀測鉆孔，用鉆孔成像儀觀察工作面推進(jìn)過程中鉆孔內(nèi)的裂隙發(fā)展發(fā)育情況并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以此確定煤層頂板采動(dòng)裂隙區(qū)存在的位置；B4、結(jié)合前三步的采動(dòng)裂隙場的演化形態(tài)，通過圖像處理方法得到空間形態(tài)圖，作為裂隙場裂隙場模型將其導(dǎo)入COMSOL Multiphysics中，再模擬瓦斯氣體的運(yùn)移，得到沿空留巷Y型通風(fēng)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律。
9.如權(quán)利要求8所述的基于無煤柱開采Y型通風(fēng)采空區(qū)的鉆孔布置方法，其特征是:所述在可旋轉(zhuǎn)箱式相似模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行: Cl、選取細(xì)河砂為骨料，石膏和碳酸鈣為黏結(jié)料，水泥、軟木屑和機(jī)油作為調(diào)理；C2、進(jìn)行相似材料配比試驗(yàn)，找出符合原材料力學(xué)參數(shù)的配比； C3、按照選定的配比好，在相似模擬試驗(yàn)架上將材料堆砌成型；堆砌是按層進(jìn)行，每層間撒上云母粉作為離層； C4、在預(yù)開挖每層堆砌時(shí)，煤層上下用云母設(shè)置離層，同時(shí)在煤層間鋪上塑料薄膜； C5、對(duì)風(fēng)干完畢的相似模型進(jìn)行開挖，開挖順序從左向右； C6、每次開挖前，通過三維激光掃描儀對(duì)所要觀測的模型進(jìn)行全方位的掃描；開挖完成后間隔ISOmin進(jìn)行掃描，待其完全穩(wěn)定后再進(jìn)行下次開挖； C7、將掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Trimble Real-works形成點(diǎn)云數(shù)據(jù),得到基于三維激光掃描技術(shù)的采動(dòng)裂隙場分布 規(guī)律。
【文檔編號(hào)】E21F7/00GK103821554SQ201410083088
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)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(qǐng)人:重慶大學(xué)