專利名稱：煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)近年來(lái)煤礦瓦斯事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，我國(guó)煤礦瓦斯事故雖然在逐年減少，但是重特大瓦斯事故仍然沒(méi)有得到有效的遏制，煤與瓦斯突出事故排在近兩年來(lái)煤礦瓦斯重特大事故的首位，煤與瓦斯突出事故呈嚴(yán)重趨勢(shì)。2009年國(guó)家安全監(jiān)督管理局頒布了《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，在規(guī)定中明確提出煤與瓦斯突出防治工作堅(jiān)持“區(qū)域防突措 施先行、局部防突措施補(bǔ)充”的原則，未采取區(qū)域綜合防突措施并未達(dá)到指標(biāo)要求的區(qū)域嚴(yán)禁進(jìn)行采掘活動(dòng)。區(qū)域防突方法措施包括開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯，對(duì)于單一突出煤層及其它不具備開采保護(hù)層的突出煤層，目前區(qū)域防突只能采取預(yù)抽煤層瓦斯方法措施。但是由于突出煤層往往為滲透性極差、強(qiáng)度極低的碎粒煤和糜棱煤，直接預(yù)抽煤層瓦斯不僅鉆進(jìn)困難，鉆孔抽采半徑小，抽采效果差，而且瓦斯抽采時(shí)間長(zhǎng)，往往以密集布孔、高工程投入為代價(jià)進(jìn)行預(yù)抽。為了增加預(yù)抽煤層瓦斯的效率，目前主要采用高壓水射流擴(kuò)孔、深孔松動(dòng)爆破、水力壓裂、水力沖孔、高壓磨料射流割縫等方法進(jìn)行強(qiáng)化抽采，這些方法的研究雖然取得了較大的進(jìn)展，但是推廣應(yīng)用還存在諸多問(wèn)題，如有可能造成局部應(yīng)力集中、不能均勻地區(qū)域性卸壓，技術(shù)應(yīng)用成本較高，技術(shù)工藝過(guò)程較復(fù)雜，工藝過(guò)程存在一定的安全隱患等問(wèn)題。開采保護(hù)層能夠有效地對(duì)被保護(hù)的突出煤層瓦斯預(yù)抽和區(qū)域消突，《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》四十五條規(guī)定，對(duì)于具備開采保護(hù)層條件的突出礦井必須優(yōu)先采用開采保護(hù)層措施；不具備開采保護(hù)層條件的，必須預(yù)抽煤層瓦斯。開采保護(hù)層能均勻地使被保護(hù)的突出煤層區(qū)域性卸壓和消突，技術(shù)工藝過(guò)程較成熟簡(jiǎn)單，安全可靠，應(yīng)用成本一般不高，而對(duì)于其應(yīng)用和推廣最大的問(wèn)題包括兩方面一方面是國(guó)內(nèi)很多礦區(qū)的突出煤層為單一煤層或煤層間距太大，找不到適合的保護(hù)層進(jìn)行開采；另一方面是當(dāng)開采的保護(hù)層本身具有突出危險(xiǎn)或煤層太薄賦存不穩(wěn)定時(shí)，保護(hù)層本身開采難度較大。因此，極需要找到一種新開采保護(hù)層開采方法，以突破保護(hù)層開采條件的局限?，F(xiàn)有的保護(hù)層開采技術(shù)
我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，同時(shí)也是世界上煤層瓦斯資源最豐富的國(guó)家之一。我國(guó)煤層瓦斯資源為美國(guó)的3倍，但瓦斯抽采量與美國(guó)相差甚遠(yuǎn)，這主要是我國(guó)煤層瓦斯儲(chǔ)存特征所決定的，其特點(diǎn)是“兩低一高”，即煤層瓦斯壓力低、煤層透氣性低、煤層瓦斯吸附能力高，這一特點(diǎn)給煤層開采和瓦斯抽放帶來(lái)了較大困難。我國(guó)多年的科研和生產(chǎn)實(shí)踐，尤其煤礦瓦斯抽放經(jīng)驗(yàn)表明，瓦斯只是在煤體直接被開采和圍巖體在采動(dòng)影響下變形、破斷后才會(huì)有大量的運(yùn)移，包括瓦斯的滲流、擴(kuò)散、升浮，向采場(chǎng)涌出、突出等，由于煤層本身賦存條件和經(jīng)濟(jì)技術(shù)因素，不能有效地大規(guī)模進(jìn)行地面鉆井抽放瓦斯，而應(yīng)該著力于研究采動(dòng)過(guò)程中層狀巖體應(yīng)力分布狀態(tài)和型隙分布與煤層瓦斯運(yùn)移的特點(diǎn)，研究有效控制瓦斯運(yùn)移的技術(shù)。預(yù)防煤與瓦斯突出措施按作用范圍來(lái)劃分，有區(qū)域性措施和局部性措施，其中開采保護(hù)層是預(yù)防突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域性措施。幾乎所有發(fā)生煤與瓦斯突出的國(guó)家，只要有保護(hù)層，都采用這項(xiàng)措施。我國(guó)從1958年起成功地使用了開采保護(hù)層的技術(shù)。在突出礦井中，預(yù)先開采的，并能使其他相鄰的有突出危險(xiǎn)煤層受到采動(dòng)影響而減少或喪失危險(xiǎn)的煤(巖)層稱為保護(hù)層，即危險(xiǎn)煤層掘進(jìn)和回采之前，在時(shí)間上和空間上都超前開采位于危險(xiǎn)煤層頂扳或底扳內(nèi)的煤(巖)層。保護(hù)層與被保護(hù)層之間的層間距若合適，開采保護(hù)層才能使突出危險(xiǎn)煤層的應(yīng)力一應(yīng)變狀態(tài)和瓦斯動(dòng)力狀態(tài)發(fā)生改變，以達(dá)到預(yù)防煤與瓦斯突出的目的。開采薄保護(hù)層起防護(hù)作用的條件是保護(hù)層的采高要大于圍巖的總形變量，當(dāng)其他因素相同時(shí)，主要取決于開采深度和回來(lái)參數(shù)(工作面長(zhǎng)度和頂板控制方法)。若保護(hù)層太薄，采空區(qū)披巖石自行充填，或在保護(hù)層變形帶留下煤柱，開采保護(hù)層所起的保護(hù)作用影響 范圍就縮小了，因?yàn)樵谏匣蛳卤Ｗo(hù)層產(chǎn)生保護(hù)作用之前.采空區(qū)的頂板利底板已閉合。開采保護(hù)層方法的選取，首先決定于煤系地層的結(jié)構(gòu)——煤系中含有的煤層數(shù)，以及是否有可作為保護(hù)層的煤層；其次是保護(hù)層與被保護(hù)層之間的巖層厚度，這些巖層的巖石成分和物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)保護(hù)效果具有實(shí)質(zhì)性的影響。按瓦斯因素，保護(hù)的范圍是保護(hù)層和被保護(hù)層之間的層間距相適應(yīng)。在層間距合適時(shí)可以消除瓦斯因素(危險(xiǎn)煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量)對(duì)煤與瓦斯突出勢(shì)態(tài)造成的影響。當(dāng)突出危險(xiǎn)煤層的應(yīng)力一應(yīng)變和瓦斯動(dòng)力狀態(tài)發(fā)生人為變化時(shí)，保護(hù)作用才能表現(xiàn)出來(lái)。保護(hù)層的圍巖在自然平衡拱內(nèi)移動(dòng)，取決于工作面推進(jìn)后的時(shí)間，以及保護(hù)層與被保護(hù)層之間的法線距離。根據(jù)巖石移動(dòng)時(shí)巖層裂隙發(fā)育及透氣性把自然平衡拱內(nèi)的圍巖分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，簡(jiǎn)稱“三帶”。冒落帶內(nèi)有貫通的透氣裂隙，形成統(tǒng)一的透氣系統(tǒng)；裂隙帶內(nèi)形成解吸瓦斯可通過(guò)貫通裂隙，但未形成統(tǒng)一的透氣系統(tǒng)，其殘余瓦斯壓力很少與原始?jí)毫τ嘘P(guān)；彎曲下沉內(nèi)煤層透氣性在煤層水平方向上有一定的提高，但瓦斯不能沿裂隙從被保護(hù)層流向保護(hù)層巷道，被保護(hù)層的瓦斯排放和突出危險(xiǎn)性只有不大的局部變化，其殘余瓦斯壓力主要取決于原始?jí)毫?。保護(hù)層回采后有突出危險(xiǎn)煤層的瓦斯動(dòng)力狀態(tài)與層間巖石厚度的關(guān)系可用下式表不:
P
P = φ exp(<zJ )
P’——被保護(hù)層殘余瓦斯壓力；
R-保護(hù)開采后的保護(hù)范圍，m。上保護(hù)層時(shí)R = M (M為層間距，m),下保護(hù)層時(shí)R = M/h (h為保護(hù)層采高，m)；
伊和——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)?，F(xiàn)有的保護(hù)層開采技術(shù)主要包括常規(guī)保護(hù)層開采技術(shù)、遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采技術(shù)、近距離薄保護(hù)層開采技術(shù)及厚煤層分層保護(hù)層開采技術(shù)。常規(guī)保護(hù)層開采技術(shù)主要是指煤層間距在保護(hù)層開采后圍巖裂隙帶范圍之內(nèi)的保護(hù)層開采技術(shù)。遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采技術(shù)指煤層間距在保護(hù)層開采后圍巖彎曲下沉帶范圍之內(nèi)的保護(hù)層開采技術(shù)，由于沒(méi)有裂隙連通進(jìn)入保護(hù)層工作面和采空區(qū)，其卸壓瓦斯需要通過(guò)地面鉆進(jìn)、頂?shù)装宕涌走M(jìn)行抽采。近距離薄保護(hù)層開采技術(shù)及厚煤層分層保護(hù)層開采技術(shù)由于層間距很近甚至為合層，開采時(shí)容易破壞被保護(hù)層開采條件，同時(shí)保護(hù)層開采受被保護(hù)層突出威脅且工作面瓦斯涌出來(lái)量受被保護(hù)層卸壓瓦斯影響很大，開采難度較大。開采保護(hù)層能均勻地使被保護(hù)的突出煤層區(qū)域性卸壓和消除突出危險(xiǎn)，技術(shù)工藝過(guò)程較成熟簡(jiǎn)單，安全可靠，應(yīng)用成本一般不高，但是其應(yīng)用和推廣存在較大的制約一方面是國(guó)內(nèi)很多礦區(qū)的突出煤層為單一煤層或煤層間距太大，找不到適合的保護(hù)層進(jìn)行開采；另一方面是當(dāng)開采的保護(hù)層本身具有突出危險(xiǎn)或煤層太薄賦存不穩(wěn)定時(shí)，保護(hù)層本身的開采難度較大，經(jīng)濟(jì)成本高。因此，極需要找到一種全新開采保護(hù)層開采方法，以突破現(xiàn)有保護(hù)層開采條件的局限性。現(xiàn)有的水力采煤技術(shù) 水力采煤技術(shù)是以高壓水射流為動(dòng)力源進(jìn)行破落煤體的一種采煤工藝。該技術(shù)具有系統(tǒng)裝備簡(jiǎn)單、生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)、回采工序單一、勞動(dòng)強(qiáng)度低、對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。水力采煤主要有井下工作面水力采煤和地面鉆孔水力采煤兩種方式。2.1國(guó)內(nèi)外水采生產(chǎn)現(xiàn)狀
目前世界上采用水采技術(shù)的國(guó)家有中國(guó)、俄羅斯、加拿大、新西蘭等。如俄羅斯新西伯利亞的庫(kù)斯尼克煤田煤層傾角60 70°，70%都采用水采。由于俄羅斯國(guó)產(chǎn)設(shè)備壓力低，落煤困難，2007年引進(jìn)我國(guó)高壓污水泵、液動(dòng)閥門和液控水槍等水采設(shè)備，使落煤壓力升至16MPa。新西蘭南島的強(qiáng)人礦采用水采技術(shù)后，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，產(chǎn)量比水采前提高了2倍。與該礦相鄰的大衛(wèi)山礦正在由日本進(jìn)行水采設(shè)計(jì)。目前，許多國(guó)家都在關(guān)注水采，如越南、俄羅斯、新西蘭來(lái)我國(guó)水采礦井參觀學(xué)習(xí)，朝鮮、印度、澳大利亞等國(guó)與我國(guó)進(jìn)行信息交流。我國(guó)遼寧的北票、南票、山東的高莊礦、大屯煤電公司的孔莊礦、吉林通化礦業(yè)集團(tuán)、山西地方煤礦采用水采技術(shù)后，都取得較好的效果。2. 2工作面水力采煤
現(xiàn)行工作面水力采煤方法主要為短壁無(wú)支護(hù)采煤法。這種采煤法的實(shí)質(zhì)是利用設(shè)置在回采巷道內(nèi)的水槍射流實(shí)現(xiàn)短壁工作面內(nèi)煤的破落與運(yùn)輸工作，由于作業(yè)人員不進(jìn)入采煤工作面內(nèi)，因此除水槍工作地點(diǎn)外，不存在回采空間的頂板支護(hù)問(wèn)題。我國(guó)常用的水力采煤方法行傾斜短避水力采煤法和走向短壁水力采煤法兩種。工作面水力采煤具有以下特點(diǎn)
①采用無(wú)人水力掏槽防突技術(shù)，較好地解決了掘進(jìn)過(guò)程中突出問(wèn)題；
②水采回采巷道多、段高或巷道間距小、密度大，從掘到采有一段間隔時(shí)間，便于瓦斯釋放；
③水采工作面靠高壓水射流落煤，沒(méi)有電氣設(shè)備，產(chǎn)生電氣火花的機(jī)率很小，沒(méi)有引爆源，相對(duì)比較安全；
④水采靠水射流落煤，濕度大浮煤少，不易氧化著火，相對(duì)延長(zhǎng)了發(fā)火期，開采瓦斯含量高和易自燃的煤層，水采是一項(xiàng)安全措施；
⑤水采工作面及煤倉(cāng)等卸載點(diǎn)沒(méi)有煤塵，不能產(chǎn)生煤塵爆炸。工作面水力采煤的主要缺點(diǎn)為工作面采用“采空區(qū)竄風(fēng)”，往往沒(méi)有完整的獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，采區(qū)內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)比較復(fù)雜；水采產(chǎn)品含有較多的水分，必須經(jīng)過(guò)脫水處理，而脫水工作和廢水的凈化處理比較困難；水采區(qū)的空氣潮濕，對(duì)工人健康有不利影響；對(duì)煤層頂板條件要求較高，頂板堅(jiān)硬的深部煤層，較易出現(xiàn)沖擊地壓，而頂板破碎時(shí)，又容易出現(xiàn)采垛過(guò)程中，中途冒頂?shù)仁鹿仕晒ぷ髅娴牟沙雎实陀陂L(zhǎng)壁工作面；噸煤的電耗量高；水力采煤礦井掘巷多、掘進(jìn)率高、采掘接替關(guān)系往往比較緊張；區(qū)內(nèi)的輔助運(yùn)輸工作比較困難。2. 3鉆孔水力采煤
鉆孔水力采煤是指從地表鉆孔至煤層借助送至孔底的水射流切割破碎煤層，使之變成具有流動(dòng)性的煤水混合物。通過(guò)水力或氣舉提升的方法提升到地表并在地表進(jìn)行煤、水分離的一種采煤方法。I)鉆孔水力采煤法的工作流程
在地表設(shè)計(jì)一個(gè)鉆孔鉆進(jìn)到煤層頂板，在鉆孔中下入套管柱，套管鞋坐落在生產(chǎn)區(qū) 間(煤層)的上面，固井后鉆開水泥塞至煤層底板，鉆孔采煤在裸井段進(jìn)行，下入開采鉆具。采煤鉆具包括①牙輪鉆頭用于鉆進(jìn)垮塌的采煤區(qū)間射流泵產(chǎn)生水力提升作用，吸取煤水混合物并泵送到地表；③水射流器含有一個(gè)切割噴嘴，用高壓水射流破碎礦層形成煤水混合物(煤漿)；④雙壁鉆具用作鉆孔水力采煤的水力通道，由內(nèi)外管組成，外管用于泵送高壓水，內(nèi)管用來(lái)輸送煤水混合物空壓機(jī)氣舉提升煤水混合物，降低射流泵揚(yáng)程；⑥高壓泵用于水射流器提供高壓水。鉆孔水力采煤的工作流程為采礦工具下入鉆孔內(nèi)，高壓水被泵送進(jìn)雙壁鉆具，在工具的底部，一部分高壓水通過(guò)水射流器噴嘴以水射流噴出，切割煤層形成煤漿，另一部分水通過(guò)射流泵產(chǎn)生負(fù)壓。當(dāng)煤漿到達(dá)負(fù)壓區(qū)時(shí)，射流泵吸取煤漿并沿雙壁鉆具的內(nèi)管泵送到地表，與此同時(shí)，空壓機(jī)將空氣送入內(nèi)管內(nèi)的空氣混合器產(chǎn)生氣舉提升作用，煤水在分離器內(nèi)分離過(guò)濾后又重新泵送到孔內(nèi)形成鉆孔水力采煤水系統(tǒng)的閉路循環(huán)。在地表，鉆機(jī)提供回轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)盤)和提升機(jī)構(gòu)(鉆塔)，鉆孔采煤工具懸掛在鉆塔上，鉆機(jī)帶動(dòng)開采工具旋轉(zhuǎn)和沿孔軸線垂直運(yùn)動(dòng)并連接水泵和煤水分離器，隨著鉆孔水力采煤進(jìn)行，煤層被采出，形成地下硐室，開采鉆具能夠沿鉆孔回轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)或者其組合運(yùn)動(dòng)來(lái)建立不同形狀地下硐室。鉆孔水力采煤技術(shù)將水力破碎、水力射流泵提升、氣舉提升等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，借助于送至孔底的水力沖采液流，利用水力直接破碎煤層，使之變成具有流動(dòng)性的煤漿，并通過(guò)水力提升或氣舉提升將煤漿送至地表。鉆孔水力采煤特點(diǎn)
(D資源利用率高。將目前人員下井難以開采的一些特殊煤(如瓦斯含量特別高、地下水特別豐富、頂板不穩(wěn)定煤層及邊角煤等)低成本開采，尤其是邊角煤或大型綜采設(shè)備無(wú)法開采的棄礦、尾礦或雞窩煤通過(guò)該技術(shù)也能逐一開采。(2)開采施工安全。無(wú)須巷道開拓和人員井下作業(yè)，完全避免了因人員下井可能發(fā)生一切井下事故，如瓦斯爆炸、瓦斯突出、透水事故、冒頂?shù)取? 3)基建投資少。鉆孔水力采煤節(jié)省了巷道開采所必須的井下運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、瓦斯抽排系統(tǒng)、大型綜采設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施投入，降低了投資規(guī)模。(4)勞動(dòng)強(qiáng)度低。將工人從惡劣的井下工作中放出來(lái)，根本改善了工人的工作條件。
2· 4水力采煤局限性
水采的適用范圍有限。對(duì)水采而言，也不是旱采機(jī)械化開采有困難的煤層都能水采，而有它的適用范圍，如特硬煤層、頂板極為破碎煤層、傾角過(guò)緩的煤層就不適用水采。水采主要針對(duì)不穩(wěn)定煤層、急傾斜煤層、邊角煤以及塊段不規(guī)則儲(chǔ)量小的煤層，因而主要在地方小型礦井應(yīng)用。水力沖孔技術(shù)
水力沖孔是在突出煤層中直接應(yīng)用的一種防治突出措施，它是以巖柱或者煤柱作為安全屏障，沖孔時(shí)，隨著鉆孔的前進(jìn)，煤、水、瓦斯經(jīng)過(guò)孔道向孔外排出，孔道周圍煤體劇烈向孔道方向移動(dòng)，同時(shí)發(fā)生煤體的膨脹變形和頂?shù)装宓南嘞蛭灰?，引起在沖孔一定影響范圍內(nèi)的地應(yīng)力降低，煤層卸壓，裂隙增加，使煤層透氣性增高，促進(jìn)瓦斯的解吸和排放，煤的強(qiáng)度增高和濕度增加，既消除了突出動(dòng)力，又改變了突出煤層的性質(zhì)，在采掘作業(yè)時(shí)起到了防治煤與瓦斯突出的作用。鉆孔沖出一定數(shù)量的煤體后形成孔徑較大的空洞，一方面有利于提高沖孔后的瓦斯抽放效果，另外其抽放影響半徑相對(duì)較大，減少了鉆孔施工量，同時(shí)也縮 短了預(yù)抽時(shí)間，解決了常規(guī)預(yù)抽煤層瓦斯方式的不足。水力沖孔施工順序打鉆一見煤后停鉆一使用快速封孔器封孔抽放一安裝防噴裝置一穿煤一沖整個(gè)煤段一返水變清。存在的主要問(wèn)題存在沖孔時(shí)間較長(zhǎng)、沖孔需要的水量大、出現(xiàn)應(yīng)力分布不均和應(yīng)力集中以至于增加煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性等問(wèn)題。因此，目前主要還是在局部區(qū)域應(yīng)用，難以大范圍推廣應(yīng)用。水力割縫技術(shù)
水力割縫法提高瓦斯抽放量的基本原理是在鉆孔內(nèi)運(yùn)用高壓水射流對(duì)鉆孔兩側(cè)的煤體進(jìn)行切割，在鉆孔兩側(cè)形成I條具有一定深度的扁平縫槽，利用水流將切割下來(lái)的煤塊帶出孔外，由于增加了煤體暴露面積，且扁平縫槽相當(dāng)于局部范圍內(nèi)開采了一層極薄的保護(hù)層，因此使得鉆孔附近煤體得到了局部卸壓，改善了瓦斯流動(dòng)條件。水力割縫法也是一種以水作為動(dòng)力的水力化卸壓措施。高壓水割縫所涉及的設(shè)備和裝置包括高壓水泵站、高壓鉆桿、高壓水切縫總成、高壓輸水器、壓力表、截閥、高壓膠管、三通(32_)，高壓流量表等。鉆孔內(nèi)切縫有2種方式一種為軸向切縫，另一種為徑向切縫。采用徑向切縫時(shí)，只需緩慢旋轉(zhuǎn)鉆桿，不需要軸向移動(dòng)。徑向切縫適用于掘進(jìn)工作面的防突和瓦斯抽放鉆孔。軸向切縫是使鉆桿保持不旋轉(zhuǎn)而在軸向緩慢起拔。根據(jù)不同需要軸向切縫可以與煤層底板垂直也可以與煤層底板平行。采用與煤層底板垂直切縫時(shí)抽放瓦斯的效果好，因?yàn)橥咚乖诜謱觾?nèi)的流動(dòng)比穿過(guò)分層的流動(dòng)容易得多。采用與煤層底板平行切縫時(shí)，可以有效地?cái)U(kuò)大瓦斯抽放半徑。例如原來(lái)的鉆孔間距為3m，即抽放半徑為1.5m。如果在鉆孔兩側(cè)各切一深度為O. 6m的縫，瓦斯抽放鉆孔的間距就可以增加至4. 2m。存在的問(wèn)題工藝過(guò)程和設(shè)施相對(duì)較為復(fù)雜，且割縫過(guò)程中施工耗時(shí)較長(zhǎng)，由于對(duì)突出煤層預(yù)抽，目前主要是采用穿層鉆孔，采用穿層鉆孔水力割縫難以在底板巷道不同角度鉆孔實(shí)現(xiàn)定向割縫，因而而對(duì)穿層鉆孔割縫僅能在鉆孔局部范圍形成卸壓，鉆孔之間易存在空白帶，形成應(yīng)力集中區(qū)，增加煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，在本發(fā)明中，超薄虛擬保護(hù)層定義為對(duì)開采煤層的某一固定層位的極薄分層先行進(jìn)行開采，從而達(dá)到保護(hù)其它分層開采目的，那么這一固定層位的極薄分層稱之為超薄虛擬保護(hù)層。主要目的是通過(guò)極薄分層水力開采，在整個(gè)煤層開采范圍內(nèi)形成均勻卸壓區(qū)域，從而達(dá)到區(qū)域消突的效果。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)不具備保護(hù)層開采條件的煤與瓦斯突出煤層的虛擬保護(hù)層開采，提高回采工作面、煤巷條帶和石門揭煤的區(qū)域消突和瓦斯抽放效率、縮短抽放時(shí)間、加大抽放半徑、減少鉆進(jìn)工程量、最大限度消除瓦斯災(zāi)害。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，包括以下步驟，
(I )、打鉆取芯，確定煤層參數(shù)，根據(jù)煤層參數(shù)來(lái)選擇超薄虛擬保護(hù)層水力開采類型，所述開采類型為軟煤虛擬保護(hù)層開采或軟分層虛擬保護(hù)層開采；
(2)、根據(jù)開采煤層厚度、煤層中軟分層位置、厚度及相關(guān)理論、計(jì)算確定超薄虛擬保護(hù)層的層位和最小開采厚度；
(3)、設(shè)計(jì)穿層鉆孔參數(shù)和超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭，并加工水力開采鉆頭；
(4)、進(jìn)行水力定向射流參數(shù)設(shè)計(jì)；
(5)、在孔ロ安裝防噴裝置后按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工穿層鉆孔，至設(shè)計(jì)終孔位置后停止鉆
進(jìn);
(6)、將超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭退至設(shè)計(jì)的虛擬保護(hù)層水力開采層位，并將水力開采鉆頭旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)的方向，進(jìn)行水力定向射流；
(7 )、水力定向射流至出煤量很少且増大射流壓カ后出煤量變化不大時(shí)停止射流，退出鉆桿及鉆頭，檢驗(yàn)首次水力定向開采范圍，如符合設(shè)計(jì)要求，則向下繼續(xù)進(jìn)行，如不符合要求轉(zhuǎn)向步驟(3 );
(8 )、每個(gè)鉆孔在水力開采結(jié)束后立即聯(lián)入瓦斯抽放管路進(jìn)行抽放；
(9)、完成所有鉆孔水力開采后，進(jìn)行虛擬保護(hù)層開采措施效果檢驗(yàn)，如達(dá)到預(yù)期效果則結(jié)束虛擬保護(hù)層水力開采，如未達(dá)到預(yù)期效果，則采取補(bǔ)充抽放措施，并優(yōu)化虛擬保護(hù)層水力開采參數(shù)；
(10)、抽放結(jié)束后進(jìn)行區(qū)域消突驗(yàn)證。所述步驟(I)中煤層參數(shù)為回采工作面區(qū)域消突、煤巷條帶區(qū)域消突、石門揭煤區(qū)域消突區(qū)域的煤層結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)類型、煤層或煤層軟分層硬度；針對(duì)煤層存在穩(wěn)定軟分層的単一突出煤層，采用軟分層虛擬保護(hù)層開采；針對(duì)較軟單ー突出煤層，采用軟煤虛擬保護(hù)層開米。所述步驟(3)中穿層鉆孔參數(shù)包括鉆孔數(shù)量、虛擬保護(hù)層層位上的孔間距、孔長(zhǎng)、開孔位置、孔徑、傾角和方位角，超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭的設(shè)計(jì)參數(shù)包括水力開采鉆頭上噴嘴位置布置、安裝數(shù)量、安裝角度、噴嘴射流角和射流厚度。所述穿層鉆孔的虛擬保護(hù)層層位上的孔間距設(shè)計(jì)應(yīng)以開采分層的硬度、水力定向射流的額定功率和噴嘴的效率及據(jù)此設(shè)計(jì)的水力開采半徑為依據(jù)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。所述穿層鉆孔的角度設(shè)計(jì)應(yīng)采用相同或相近的方向角，以減少噴嘴安裝角度的變化，所述超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭為以穿層鉆孔與煤層夾角范圍為依據(jù)的鉆頭，所述鉆頭根據(jù)水力開采鉆孔設(shè)計(jì)角度來(lái)安裝不同角度的噴嘴。所述水力開采鉆頭上的定向射流噴嘴設(shè)計(jì)以水力開采鉆頭上安裝噴嘴數(shù)量、虛擬保護(hù)層開采的厚度為依據(jù)，噴嘴采用扇形噴嘴，射流為扁平扇形，扇形射流的有效開采厚度即為超薄虛擬保護(hù)層厚度，超薄虛擬保護(hù)層厚度不小于計(jì)算的區(qū)域卸壓、消突的最小厚度；噴嘴的安裝角度根據(jù)鉆孔與煤層的夾角來(lái)設(shè)計(jì)，不同角度范圍的水力開采鉆孔對(duì)應(yīng)一系列不同安裝角度的水力開采鉆頭，鉆頭上安裝的不同噴嘴的射流面與煤層面接近平行；鉆頭上側(cè)噴嘴安裝角度等于或接近于鉆孔與煤層傾向夾角，鉆頭下側(cè)噴嘴安裝角度小于鉆孔與煤層傾向夾角，下側(cè)噴嘴射流方向接近水平或沿傾斜向上方向；當(dāng)煤體硬度較小時(shí)，為了防止水力開采過(guò)程中過(guò)早出現(xiàn)開采空間上部煤體垮塌，應(yīng)在各個(gè)噴嘴的扇形射流范圍之間留設(shè)煤柱，以延緩上部煤體垮塌時(shí)間，煤柱留設(shè)的范圍和數(shù)量應(yīng)根據(jù)單個(gè)鉆孔開采時(shí)間和煤體強(qiáng)度來(lái)確定；各個(gè)噴嘴射流范圍和各個(gè)煤柱留設(shè)范圍在煤層面上的投影疊加范圍為360。。進(jìn)行水力定向射流方向和層位應(yīng)以虛擬保護(hù)層開采的煤層或軟分層的方向和層位為準(zhǔn)，采用軟分層虛擬保護(hù)層開采時(shí)水力定向射流方向和層位應(yīng)以軟分層中下部層面為 準(zhǔn)；采用軟煤虛擬保護(hù)層開采時(shí)水力定向射流方向和層位應(yīng)以煤層中下部層面為準(zhǔn)；當(dāng)在軟煤層中鉆進(jìn)存在塌孔、噴孔及埋鉆掉鉆現(xiàn)象較為嚴(yán)重時(shí)，為提高水力開采效率和防止埋鉆，應(yīng)選擇軟分層或軟煤層最底部分層作為虛擬保護(hù)層開采層位。所述步驟(4)中水力定向射流參數(shù)包括水力定向射流水量、壓カ和時(shí)間，所述設(shè)計(jì)水力定向射流水量、壓カ和時(shí)間應(yīng)以達(dá)到設(shè)計(jì)開采半徑為標(biāo)準(zhǔn)，如調(diào)整射流參數(shù)后仍不能達(dá)到設(shè)計(jì)開采半徑，則需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)開采半徑和穿層鉆孔參數(shù)。所述步驟(5)所述的設(shè)計(jì)終孔位置一般應(yīng)為煤層頂板，但當(dāng)打鉆過(guò)程中噴孔、塌孔、埋鉆和掉鉆現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)設(shè)計(jì)終孔位置應(yīng)在軟煤或軟分層底板位置；步驟(5)所述的防噴裝置為在煤層打鉆時(shí)安裝在孔ロ防止噴孔和瓦斯超限的瓦斯、煤、水分離裝置，防噴裝置的瓦斯排放管應(yīng)聯(lián)入礦井瓦斯抽放系統(tǒng)，并在穿層孔施工和水力開采過(guò)程中通過(guò)防噴裝置進(jìn)行瓦斯抽放。所述超薄虛擬保護(hù)層的最小開采厚度應(yīng)通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行確定，以超薄虛擬保護(hù)層開采后上部和下部分層能充分卸壓為準(zhǔn)；超薄虛擬保護(hù)層開采措施效果檢驗(yàn)采用被保護(hù)煤層變形量或殘余瓦斯壓カ含量或《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中的其它保護(hù)層開采效果檢驗(yàn)指標(biāo)，應(yīng)滿足區(qū)域消突的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)在空白處施工檢驗(yàn)孔，檢驗(yàn)卸壓均勻性。本發(fā)明與其它相接近的現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別為
I)與現(xiàn)有保護(hù)層技術(shù)的區(qū)別
現(xiàn)有的保護(hù)層技術(shù)需要滿足開采保護(hù)層條件，即在開采的突出煤層上部或下部存在能起到保護(hù)作用的保護(hù)層，且保護(hù)層本身無(wú)突出危險(xiǎn)或突出危險(xiǎn)較小，同時(shí)具備開采條件。本發(fā)明不需要具備開采保護(hù)層條件，只需開采煤層相對(duì)較軟或存在軟分層。由于強(qiáng)突出危險(xiǎn)性煤層大部分為存在構(gòu)造煤，開采煤層相對(duì)較軟或存在軟分層，能滿足煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采條件，因此，適用范圍非常寬，能有效填補(bǔ)現(xiàn)有開采保護(hù)層技術(shù)的空白。同時(shí)，與現(xiàn)有保護(hù)層技術(shù)相比，本發(fā)明采用的エ藝方法簡(jiǎn)單可靠，時(shí)間短，成本低。2)與現(xiàn)有的水力采煤技術(shù)的區(qū)別
現(xiàn)有的水力采煤技術(shù)主要是采用高壓水力對(duì)整個(gè)煤層進(jìn)行開采，開采效率較低，主要在開采不穩(wěn)定煤層、急傾斜煤層、邊角煤以及塊段不規(guī)則儲(chǔ)量小的地方小型礦井應(yīng)用；
本發(fā)明是利用穿層鉆孔對(duì)開采煤層的某一固定層位的極薄分層進(jìn)行開采，開采エ藝簡(jiǎn)單，效率高，主要目的是通過(guò)極薄分層水力開采，在整個(gè)煤層開采范圍內(nèi)形成均勻卸壓區(qū)域，從而達(dá)到區(qū)域消突的效果。3)與現(xiàn)有水力沖孔技術(shù)區(qū)別
現(xiàn)有水力沖孔主要是通過(guò)高壓水力對(duì)鉆孔壁進(jìn)行沖刷擴(kuò)孔，沖孔時(shí)間長(zhǎng)，且易出現(xiàn)應(yīng)力分布不均和應(yīng)カ集中現(xiàn)象；本發(fā)明エ藝簡(jiǎn)單，速度快，能在整個(gè)煤層開采范圍內(nèi)形成均勻卸壓區(qū)域，能有效解決水力沖孔、水力壓裂等水力增透措施造成的應(yīng)カ分布不均和應(yīng)カ集中現(xiàn)象。4)與現(xiàn)有水力割縫技術(shù)區(qū)別
現(xiàn)有水力割縫技術(shù)エ藝較復(fù)雜，割縫時(shí)間長(zhǎng)，采用底板穿層孔進(jìn)行割縫時(shí)不同角度的穿層孔難以實(shí)現(xiàn)定向割縫，只能在單個(gè)鉆孔局部范圍形成卸壓區(qū)域；本發(fā)明采用不同角度的底板穿層孔實(shí)現(xiàn)同一分層的定向水力開采，在水力開采過(guò)程中不需要移動(dòng)鉆頭和噴嘴，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，エ藝簡(jiǎn)單、安全可靠，開采速度快，能實(shí)現(xiàn)在整個(gè)區(qū)域目標(biāo)范圍形成均勻卸壓區(qū)域。本發(fā)明可在突出煤層不具備開采保護(hù)層條件下，通過(guò)底板巷向目標(biāo)區(qū)域施工穿層鉆孔，通過(guò)高壓水力和安裝在鉆頭的定向水力射流噴嘴開采突出煤層下部或軟分層下部固定層位的超薄分層，使突出煤層區(qū)域性均勻卸壓，極大增強(qiáng)煤層透氣性，同時(shí)能較好避免其它水力沖孔、水力壓裂、水力割縫等水力強(qiáng)化措施存在的應(yīng)カ集中和卸壓不均現(xiàn)象。本發(fā)明區(qū)域消突時(shí)間短，應(yīng)用工程成本低，エ藝相對(duì)簡(jiǎn)單，充分提高抽放效率、縮短抽放時(shí)間、加大抽放半徑、減少鉆進(jìn)工程量、最大限度消除瓦斯災(zāi)害。本發(fā)明可廣泛適用于低透氣性松軟突 出煤層或存在穩(wěn)定軟分層的突出煤層區(qū)域瓦斯抽采和消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。本發(fā)明可以大大増加煤層透氣性，區(qū)域性消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。井下經(jīng)試驗(yàn)表明，采用煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采后，煤層透氣性系數(shù)増大1100 1680倍，煤層相對(duì)變形率達(dá)到4. 6%o -20. 14%。，瓦斯抽采率達(dá)到65%-77. 8%，完全達(dá)到了現(xiàn)有保護(hù)層開采技術(shù)的保護(hù)效果，且所耗費(fèi)的時(shí)間、人力及物力不到現(xiàn)有保護(hù)層開采技術(shù)所需的50%。實(shí)施井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采后，煤層百米鉆孔瓦斯流量成數(shù)倍增長(zhǎng)，大大縮短了瓦斯抽放時(shí)間；鉆孔抽放半徑成數(shù)倍増加，減少鉆進(jìn)工程量；使掘進(jìn)及回采期間的突出幾率大為減少，為煤礦安全高效回采、掘進(jìn)提供了寶貴時(shí)間及安全保障。
圖I是本發(fā)明的エ藝流程 圖2是本發(fā)明當(dāng)中軟煤虛擬保護(hù)層層位示意 圖3是本發(fā)明當(dāng)中軟分層虛擬保護(hù)層層位示意 圖4是本發(fā)明當(dāng)中虛擬保護(hù)層水力開采穿層鉆孔設(shè)計(jì)平面示意 圖5是本發(fā)明當(dāng)中虛擬保護(hù)層水力開采穿層鉆孔設(shè)計(jì)剖面示意 圖6是本發(fā)明當(dāng)中虛擬保護(hù)層水力開采鉆桿及鉆頭示意 圖7是本發(fā)明當(dāng)中虛擬保護(hù)層水力開采噴嘴射流示意 圖8是圖7的A-A向剖視圖；圖9是本發(fā)明當(dāng)中虛擬保護(hù)層采空區(qū)及被保護(hù)層采動(dòng)裂隙分布示意 圖10是本發(fā)明當(dāng)中首個(gè)虛擬保護(hù)層水力開采鉆孔開采范圍檢測(cè)孔示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明的煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，包括以下步驟
(I )、打鉆取芯，確定煤層參數(shù)，根據(jù)煤層參數(shù)來(lái)選擇超薄虛擬保護(hù)層水力開采類型，所述開采類型為軟煤虛擬保護(hù)層開采或軟分層虛擬保護(hù)層開采；煤層參數(shù)為回采工作面區(qū)域消突、煤巷條帶區(qū)域消突、石門揭煤區(qū)域消突區(qū)域的煤層結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)類型、煤層或煤層軟分層硬度；針對(duì)煤層存在穩(wěn)定軟分層的單一突出煤層，采用軟分層虛擬保護(hù)層開采；針對(duì)較軟単一突出煤層，采用軟煤虛擬保護(hù)層開采；(2)、根據(jù)開采煤層厚度、煤層中軟分層厚度及相關(guān)理論、計(jì)算確定選取超薄虛擬保護(hù)層的層位和最小開采厚度；進(jìn)行水力定向射流方向和層位應(yīng)以虛擬保護(hù)層開采的分層或軟分層的方向和層位為準(zhǔn)，采用軟分層虛擬保護(hù)層開采時(shí)水力定向射流方向和層位應(yīng)以軟分層中下部層面為準(zhǔn)；采用軟煤虛擬保護(hù)層開采時(shí)水力定向射流方向和層位應(yīng)以煤層中下部層面為準(zhǔn)；當(dāng)在軟煤層中鉆進(jìn)存在塌孔、噴孔及埋鉆現(xiàn)象較為嚴(yán)重時(shí)，為提高水力開采效率和防止埋鉆掉鉆，應(yīng)選擇軟分層或軟煤層最底部分層作為虛擬保護(hù)層開采層位；超薄虛擬保護(hù)層的最小開采厚度應(yīng)通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行確定，以超薄虛擬保護(hù)層開采后上部和下部分層能充分卸壓為準(zhǔn)；
(3)、設(shè)計(jì)穿層鉆孔參數(shù)和超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭；穿層鉆孔參數(shù)包括鉆孔數(shù)量、虛擬保護(hù)層層位上孔間距、孔長(zhǎng)、開孔位置、孔徑、傾角和方位角，超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭的設(shè)計(jì)參數(shù)包括水力開采鉆頭上噴嘴的布置位置、安裝數(shù)量、安裝角度、噴嘴射流角和射流厚度；水力開采鉆頭上的噴嘴射流角和射流厚度設(shè)計(jì)以水力開采鉆頭安裝噴嘴的數(shù)量、虛擬保護(hù)層開采的厚度和硬度為依據(jù)，采用扇形噴嘴，其射流為扁平扇形，扇形射流的有效開采厚度即為超薄虛擬保護(hù)層厚度，超薄虛擬保護(hù)層厚度不小于計(jì)算的區(qū)域卸壓、消突的最小厚度；虛擬保護(hù)層層位上孔間距設(shè)計(jì)應(yīng)以開采分層的硬度、水力定向射流的額定功率和噴嘴的效率及據(jù)此設(shè)計(jì)的鉆孔水力開采半徑為依據(jù)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭為以穿層鉆孔與煤層夾角范圍為依據(jù)的鉆頭，所述鉆頭根據(jù)水力開采鉆孔設(shè)計(jì)角度來(lái)安裝不同角度的噴嘴，噴嘴的安裝角度應(yīng)根據(jù)鉆孔與煤層的夾角設(shè)計(jì)，不同角度范圍的水力開采鉆孔對(duì)應(yīng)一系列不同安裝角度的水力開采鉆頭，以確保水力開采時(shí)鉆頭上安裝的不同噴嘴的射流面與煤層面接近平行，例如，某一超薄虛擬保護(hù)層開采目標(biāo)區(qū)域設(shè)計(jì)的開采鉆孔與煤層夾角為30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，則應(yīng)分別設(shè)計(jì)7個(gè)對(duì)應(yīng)不同噴嘴安裝角度的鉆頭；鉆頭左右兩側(cè)噴嘴與鉆桿軸線方向成90°夾角，鉆頭上側(cè)噴嘴安裝角度等于或接近于鉆孔與煤層傾向夾角，鉆頭下側(cè)噴嘴安裝角度應(yīng)小于鉆孔與煤層傾向夾角，下側(cè)噴嘴射流方向接近水平或沿傾斜向上方向，以減小水カ開采時(shí)下向排渣難度；當(dāng)煤體硬度較小時(shí)，為了防止水力開采過(guò)程中過(guò)早出現(xiàn)開采空間上部煤體垮塌，應(yīng)在各個(gè)噴嘴的扇形射流范圍之間留設(shè)煤柱，以延緩上部煤體垮塌時(shí)間，煤柱留設(shè)的范圍和數(shù)量應(yīng)根據(jù)單個(gè)鉆孔開采時(shí)間和煤體強(qiáng)度來(lái)確定；各個(gè)噴嘴射流范圍和各個(gè)煤柱留設(shè)范圍在煤層面上的投影疊加范圍為360° ；
(4)、進(jìn)行水力定向射流參數(shù)設(shè)計(jì)；水力定向射流參數(shù)包括水力定向射流水量、壓カ和時(shí)間，所述設(shè)計(jì)水力定向射流水量、壓カ和時(shí)間應(yīng)以達(dá)到設(shè)計(jì)有效射流半徑為標(biāo)準(zhǔn)，如調(diào)整射流參數(shù)后仍不能達(dá)到設(shè)計(jì)開采半徑，則需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)開采半徑和穿層鉆孔參數(shù)；
(5)、在孔ロ安裝防噴裝置后按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工穿層鉆孔，至設(shè)計(jì)終孔位置后停止鉆迸；設(shè)計(jì)終孔位置一般應(yīng)為煤層頂板，但當(dāng)打鉆過(guò)程噴孔、塌孔、埋鉆和掉鉆現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)設(shè)計(jì)終孔位置應(yīng)在軟煤或軟分層底板位置；
(6)、將超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭退至設(shè)計(jì)的虛擬保護(hù)層水力開采層位，并將水力開采鉆頭旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)的方向，進(jìn)行水力定向射流；
(7 )、水力定向射流至出煤量很少且增大射流壓カ后出煤量變化不大時(shí)停止射流，退出鉆桿及鉆頭，檢驗(yàn)首次水力開采范圍，如符合設(shè)計(jì)要求，則向下繼續(xù)進(jìn)行，如不符合要求轉(zhuǎn)向步驟(3)；
(8 )、每個(gè)鉆孔在水力開采結(jié)束后立即聯(lián)入瓦斯抽放管路進(jìn)行抽放； (9)、完成所有鉆孔水力開采后，進(jìn)行虛擬保護(hù)層開采措施效果檢驗(yàn)，如達(dá)到預(yù)期效果則結(jié)束虛擬保護(hù)層水力開采，如未達(dá)到預(yù)期效果，則采取補(bǔ)充抽放措施，并優(yōu)化虛擬保護(hù)層水力開采參數(shù)；虛擬保護(hù)層開采措施效果檢驗(yàn)采用被保護(hù)煤層變形量或殘余瓦斯壓カ含量或《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中的其它保護(hù)層開采效果檢驗(yàn)指標(biāo)，應(yīng)滿足區(qū)域消突的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)在空白處補(bǔ)充檢驗(yàn)孔，檢驗(yàn)卸壓均勻性；
(10)、抽放結(jié)束后進(jìn)行區(qū)域消突驗(yàn)證。軟煤虛擬保護(hù)層層位如圖2所示，自上而下依次為煤層頂板I、煤層上被保護(hù)分層
2、軟煤虛擬保護(hù)層3、煤層下被保護(hù)分層4和煤層底板5。軟分層虛擬保護(hù)層層位如圖3所示，自上而下依次為煤層頂板I、煤層上被保護(hù)分層2、煤層軟分層6、煤層下被保護(hù)分層4和煤層底板5，在煤層軟分層6當(dāng)中還有軟分層虛擬保護(hù)層7。下面對(duì)本發(fā)明對(duì)各個(gè)步驟進(jìn)行詳細(xì)分析介紹
一、井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采區(qū)域煤層參數(shù)確定
在回采工作面區(qū)域消突、煤巷條帶區(qū)域消突、石門揭煤區(qū)域消突等目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行打鉆的取芯，并通過(guò)所取煤芯測(cè)試和分析確定目標(biāo)區(qū)域的煤層結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)類型、軟分層硬度等參數(shù)；取芯鉆孔一般可根據(jù)目標(biāo)區(qū)域大小來(lái)均勻布置2-5個(gè)，回采工作面區(qū)域一般可布置5個(gè)取芯鉆孔，其中回采工作面區(qū)域四周和中間各布置ー個(gè)，大致呈等距分布；煤巷條帶區(qū)域一般可布置3個(gè)取芯鉆孔，其中沿煤巷條帶方向的兩端和中間各布置I個(gè)取芯鉆孔，大致呈等距分布；石門揭煤消突區(qū)域一般可布置2個(gè)取芯鉆孔，沿石門揭煤消突區(qū)域煤層傾向方向均勻布置。在以上的取芯測(cè)試分析中，如果出現(xiàn)不同鉆孔煤芯測(cè)試分析的參數(shù)差異較大，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充打鉆取芯，并繪制較為準(zhǔn)確的煤層及軟分層底板等高線圖。ニ、井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采類型
根據(jù)目標(biāo)區(qū)域煤層結(jié)構(gòu)和煤體硬度分布情況，針對(duì)煤層存在穩(wěn)定軟分層的單一突出煤層，采用軟分層或者部分軟分層作為虛擬保護(hù)層進(jìn)行軟分層虛擬保護(hù)層開采；針對(duì)較軟單一突出煤層，采用下部分層作為虛擬保護(hù)層進(jìn)行軟煤虛擬保護(hù)層開采。軟煤虛擬保護(hù)層和軟分層虛擬保護(hù)層開采層位見附圖2、附圖3。三、保護(hù)層層位選擇及厚度確定
I)軟煤虛擬保護(hù)層層位選擇及厚度確定根據(jù)《AQ1050-2008_保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的保護(hù)層與被保護(hù)之間的最大保護(hù)垂距，急傾斜軟煤虛擬保護(hù)層最佳層位為距離煤層頂板4/7倍煤層厚度，緩傾斜和傾斜軟煤虛擬保護(hù)層最佳層位為距離煤層頂板2/3倍煤層厚度。在此層位的軟煤虛擬保護(hù)層能同時(shí)對(duì)上被保護(hù)分層和下被保護(hù)分層起到較佳的保護(hù)效果。表I保護(hù)層與被保護(hù)層之間的最大保護(hù)垂距
權(quán)利要求
1.煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，其特征在于包括以下步驟， (I )、打鉆取芯，確定煤層參數(shù)，根據(jù)煤層參數(shù)來(lái)選擇超薄虛擬保護(hù)層水力開采類型，所述開采類型為軟煤虛擬保護(hù)層開采或軟分層虛擬保護(hù)層開采； (2)、根據(jù)開采煤層厚度、煤層中軟分層位置、厚度及相關(guān)理論、計(jì)算確定超薄虛擬保護(hù)層的層位和最小開采厚度； (3)、設(shè)計(jì)穿層鉆孔參數(shù)和超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭，并加工水力開采鉆頭； (4)、進(jìn)行水力定向射流參數(shù)設(shè)計(jì)； (5)、在孔口安裝防噴裝置后按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工穿層鉆孔，至設(shè)計(jì)終孔位置后停止鉆進(jìn); (6)、將超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭退至設(shè)計(jì)的虛擬保護(hù)層水力開采層位，并將水力開采鉆頭旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)的方向，進(jìn)行水力定向射流； (7 )、水力定向射流至出煤量很少且增大射流壓力后出煤量變化不大時(shí)停止射流，退出鉆桿及鉆頭，檢驗(yàn)首次水力定向開采范圍，如符合設(shè)計(jì)要求，則向下繼續(xù)進(jìn)行，如不符合要求轉(zhuǎn)向步驟(3 ); (8 )、每個(gè)鉆孔在水力開采結(jié)束后立即聯(lián)入瓦斯抽放管路進(jìn)行抽放； (9)、完成所有鉆孔水力開采后，進(jìn)行虛擬保護(hù)層開采措施效果檢驗(yàn)，如達(dá)到預(yù)期效果則結(jié)束虛擬保護(hù)層水力開采，如未達(dá)到預(yù)期效果，則采取補(bǔ)充抽放措施，并優(yōu)化虛擬保護(hù)層水力開采參數(shù)； (10)、抽放結(jié)束后進(jìn)行區(qū)域消突驗(yàn)證。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，其特征在于所述步驟(I)中煤層參數(shù)為回采工作面區(qū)域消突、煤巷條帶區(qū)域消突、石門揭煤區(qū)域消突區(qū)域的煤層結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)類型、煤層硬度或煤層軟分層位置、硬度；針對(duì)煤層存在穩(wěn)定軟分層的單一突出煤層，采用軟分層虛擬保護(hù)層開采；針對(duì)較軟單一突出煤層，采用軟煤虛擬保護(hù)層開米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，其特征在于所述步驟(3)中穿層鉆孔參數(shù)包括鉆孔數(shù)量、虛擬保護(hù)層層位的孔間距、孔長(zhǎng)、開孔位置、孔徑、傾角和方位角，超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭的設(shè)計(jì)參數(shù)包括水力開采鉆頭上噴嘴的布置位置、安裝數(shù)量、安裝角度、噴嘴的扇形射流角度和射流厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，其特征在于所述穿層鉆孔的角度設(shè)計(jì)以減少水力開采鉆頭上噴嘴安裝角度的變化為依據(jù)；所述穿層鉆孔的虛擬保護(hù)層層位的孔間距設(shè)計(jì)以開采分層的硬度、水力定向射流的額定功率、噴嘴的效率及據(jù)此設(shè)計(jì)的鉆孔水力開采半徑為依據(jù)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，其特征在于所述超薄虛擬保護(hù)層水力開采鉆頭為以穿層鉆孔與煤層夾角范圍為依據(jù)的鉆頭，所述鉆頭根據(jù)水力開采鉆孔設(shè)計(jì)角度來(lái)安裝不同角度的噴嘴。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，其特征在于所述水力開采鉆頭上的噴嘴設(shè)計(jì)以水力開采鉆頭噴嘴位置布置、安裝數(shù)量、虛擬保護(hù)層開采的厚度為依據(jù)，采用扇形噴嘴，噴嘴的射流為扁平扇形，扇形射流的有效開采厚度即為超薄虛擬保護(hù)層厚度，超薄虛擬保護(hù)層厚度不小于計(jì)算的區(qū)域卸壓、消突的最小厚度；噴嘴的安裝角度根據(jù)鉆孔與煤層的夾角來(lái)設(shè)計(jì)，不同角度范圍的水力開采鉆孔對(duì)應(yīng)一系列不同安裝角度的水力開采鉆頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，其特征在于進(jìn)行水力定向射流方向和層位應(yīng)以虛擬保護(hù)層開采的煤層或軟分層的方向和層位為準(zhǔn)，采用軟分層虛擬保護(hù)層開采時(shí)水力定向射流方向和層位應(yīng)以軟分層中下部層面為準(zhǔn)；采用軟煤虛擬保護(hù)層開采時(shí)水力定向射流方向和層位應(yīng)以煤層中下部層面為準(zhǔn)；當(dāng)在軟煤層中鉆進(jìn)存在塌孔、噴孔及埋鉆掉鉆現(xiàn)象較為嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)選擇軟分層或軟煤層最底部分層作為虛擬保護(hù)層開采層位。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，其特征在于所述步驟(4 )中水力定向射流參數(shù)包括水力定向射流水量、壓力和時(shí)間,所述設(shè)計(jì)水力定向射流水量、壓力和時(shí)間以達(dá)到設(shè)計(jì)水力開采半徑為標(biāo)準(zhǔn)，如調(diào)整射流參數(shù)后仍不能達(dá)到設(shè)計(jì)水力開采半徑，則需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)水力開采半徑和穿層鉆孔參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，其特征在于所述步驟(5)所述的設(shè)計(jì)終孔位置一般應(yīng)為煤層頂板，但當(dāng)打鉆過(guò)程中噴孔、塌孔、埋鉆和掉鉆現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)設(shè)計(jì)終孔位置應(yīng)在軟煤或軟分層底板位置；步驟(5)所述的防噴裝置為在煤層打鉆時(shí)安裝在孔口防止噴孔和瓦斯超限的瓦斯、煤、水分離裝置，防噴裝置的瓦斯排放管應(yīng)聯(lián)入礦井瓦斯抽放系統(tǒng)，并在穿層孔施工和水力開采過(guò)程中通過(guò)防噴裝置進(jìn)行瓦斯抽放。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，其特征在于所述超薄虛擬保護(hù)層的最小開采厚度應(yīng)通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行確定，以超薄虛擬保護(hù)層開采后上部和下部分層能充分卸壓為準(zhǔn)；超薄虛擬保護(hù)層開采措施效果檢驗(yàn)采用被保護(hù)煤層變形量或殘余瓦斯壓力含量或《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中的其它保護(hù)層開采效果檢驗(yàn)指標(biāo)，應(yīng)滿足區(qū)域消突的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)在空白處施工檢驗(yàn)孔，檢驗(yàn)卸壓均勻性。
全文摘要
煤礦井下超薄虛擬保護(hù)層水力開采方法，包括以下步驟打鉆取芯確定煤層參數(shù)、選擇超薄虛擬保護(hù)層水力開采類型；確定超薄虛擬保護(hù)層的層位和最小開采厚度；設(shè)計(jì)穿層鉆孔參數(shù)和水力開采鉆頭；進(jìn)行水力定向射流參數(shù)設(shè)計(jì)；在孔口安裝防噴裝置，施工穿層鉆孔；進(jìn)行水力定向射流；水力定向射流至出煤量很少且增大射流壓力后出煤量變化不大時(shí)停止射流，退出鉆桿及鉆頭，檢驗(yàn)首次水力定向開采范圍；聯(lián)入管路進(jìn)行卸壓瓦斯抽放；進(jìn)行超薄虛擬保護(hù)層開采措施效果檢驗(yàn)；進(jìn)行區(qū)域消突驗(yàn)證。本發(fā)明區(qū)域消突時(shí)間短，應(yīng)用工程成本低，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，充分提高抽放效率、縮短抽放時(shí)間、加大抽放半徑、減少鉆進(jìn)工程量、最大限度消除瓦斯災(zāi)害。
文檔編號(hào)E21C45/00GK102797465SQ20121033188
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者李定啟 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)