專(zhuān)利名稱(chēng)：低滲透單一煤層瓦斯綜合治理一體化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及瓦斯防治、利用，特別是一種低滲透單一煤層瓦斯綜合治理一體化的 方法。
背景技術(shù)：
煤與瓦斯突出是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的嚴(yán)重自然災(zāi)害之一，它是采掘工作面周?chē)簬r 體快速破碎、伴隨煤巖向巷道拋出或移動(dòng)、并大量涌出瓦斯的一種極其復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，會(huì) 造成人員傷亡和井巷機(jī)電設(shè)備被毀，破壞礦井通風(fēng)系統(tǒng)，在煤與瓦斯突出過(guò)程中易引起瓦 斯爆炸和火災(zāi)事故。我國(guó)是突出災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。截止目前，我國(guó)已有20個(gè)省區(qū)的 一些礦井發(fā)生了突出，僅國(guó)有煤礦就有突出礦井250多處，共發(fā)生突出14500多次，占世界 總突出次數(shù)的37%，僅強(qiáng)度超過(guò)千噸的特大型突出就有100次。近年來(lái)，隨著開(kāi)采深度的增 加，一些低瓦斯礦井或高瓦斯礦井逐步成為突出礦井，突出次數(shù)日漸增多，造成的災(zāi)害日益 嚴(yán)重。2004年10月20日，鄭煤集團(tuán)大平煤礦發(fā)生特大型煤礦瓦斯突出，突出的瓦斯逆流 后，使瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸界限而造成爆炸事故，造成148人死亡、35人受傷。由于防治突出的措施工序復(fù)雜，使得煤巷掘進(jìn)速度緩慢，造成采掘比例嚴(yán)重失 調(diào)。嚴(yán)重突出礦井更是采掘效率低，目前，大多數(shù)嚴(yán)重突出礦井的煤層巷道掘進(jìn)速度大都在 30 40m/月?，F(xiàn)有防突技術(shù)、裝備不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，在一些條件特殊的礦井采用常 規(guī)的防突措施又很難取得預(yù)期效果。因而，開(kāi)發(fā)一種可行的高效防突設(shè)備及技術(shù)措施，提高 防突效果和工作面進(jìn)尺，改善防突技術(shù)現(xiàn)狀，是煤與瓦斯突出礦井實(shí)現(xiàn)安個(gè)、高效生產(chǎn)的迫 切需要。過(guò)程中頻繁的突出成為危及職工生命安全的主要原因；嚴(yán)重突出礦井更是采掘效 率低下，經(jīng)營(yíng)狀況舉步維艱。有效防治煤巷掘進(jìn)工作面突出，不僅是安全生產(chǎn)的保障，同時(shí) 又能加快施工速度，為回采工作面消除突出危險(xiǎn)性拓展空間和時(shí)間。因此，研究工作面快速 有效的防突技術(shù)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述情況，本發(fā)明之目的就是提供一種低滲透單一煤層瓦斯綜合治理一體化 的方法，可有效解決瓦斯的綜合防治與利用的問(wèn)題。本發(fā)明解決的技術(shù)方案是，首先進(jìn)行鉆孔，采用大扭矩的鉆機(jī)及來(lái)復(fù)線(xiàn)或三棱鉆 桿解決鉆孔施工中因塌孔、噴孔造成夾鉆桿的現(xiàn)象，然后對(duì)煤體水力壓裂增透，再鉆孔預(yù) 裂爆破，之后對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采，并對(duì)抽采的瓦斯進(jìn)行回收利用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的一體化治理。本發(fā)明通過(guò)防突技術(shù)和裝備研究、實(shí)施，鉆孔采用三棱和來(lái)復(fù)線(xiàn)鉆桿施工，減少鉆 孔堵塞，研究改進(jìn)并采用大扭距鉆機(jī)，鉆孔深度在IOOm以上，施工能力和成孔率顯著提高， 采用煤體高壓增透，使煤體透氣性提高，增加鉆孔影響范圍，應(yīng)力降低，提高瓦斯抽采效果 和減少煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，探索和優(yōu)化爆破參數(shù)，對(duì)衰減后的煤體實(shí)施深孔控制預(yù)裂爆破進(jìn)一步提高煤體透氣性。經(jīng)過(guò)鉆孔施工和煤體增透，采用大流量、高負(fù)壓的分源瓦斯抽 采，提高瓦斯預(yù)抽率，降低煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，并對(duì)抽采的瓦斯進(jìn)行回收利用，從根本上 杜絕了鉆孔施工堵塞鉆孔，解決鉆孔施工鉆具能力不足和低透氣性煤層瓦斯難以抽放的難 題，進(jìn)而降低煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，減少和杜絕煤與瓦斯突出事故，為煤礦的安全生產(chǎn)創(chuàng)造 條件，提高礦井安全生產(chǎn)系數(shù)，保障煤礦職工生命和企業(yè)財(cái)產(chǎn)安全，意義重大。
四

圖1為本發(fā)明鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明壓裂流程圖。圖3為鉆孔預(yù)裂爆破布置圖。圖4為瓦斯抽采情況示意圖。
五具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體情況和附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明在實(shí)施中，是由以下步驟實(shí)現(xiàn)的(一 )鉆孔，方法是使用2000 6200KN扭距的鉆機(jī)提高鉆孔施工能力，采用來(lái)復(fù) 線(xiàn)或三棱鉆桿，鉆桿上呈螺旋狀均布有深2mm，寬IOmm的凹槽，利用該鉆桿鉆孔，有效解決 鉆孔施工過(guò)程中因塌孔、噴孔造成夾鉆桿現(xiàn)象，鉆桿的結(jié)構(gòu)如圖1所示。(二)煤體水力壓裂增透，方法是在鉆孔鉆好后，用封孔器采用C 50mm無(wú)縫鋼管和 水泥砂漿、聚胺脂進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度25 35m，之后通過(guò)高壓管線(xiàn)與用于壓裂的注水泵連 接，對(duì)煤體實(shí)施壓裂，注水泵上裝有壓力表和高壓水表，注水泵經(jīng)連接管與水箱相連，水箱 與供水的水管相連，壓裂時(shí)壓力為20Mpa以上，水量為20 40m3，其壓裂流程如圖2所示。(三)鉆孔預(yù)裂爆破，方法是在頂或底板巖巷采用爆破孔和控制孔間隔布置，如圖 3所示，其中，爆破孔直徑75mm，控制孔直徑75mm，爆破鉆孔要求必須穿過(guò)煤層底板，控制爆 破孔間距為5m，相鄰兩個(gè)爆破孔的傾角不同，一個(gè)鉆孔在機(jī)巷上幫的幫頂交結(jié)處通過(guò)，相鄰 的一個(gè)應(yīng)在機(jī)巷下幫的幫頂交結(jié)處通過(guò)，依次交換位置。爆破孔成立體狀，這樣就可以對(duì)煤 體進(jìn)行立體全面預(yù)裂爆破，控制全煤層。(四)瓦斯抽采，預(yù)裂爆破后，對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采，如圖4所示，方法是1.帶壓封孔第一步，構(gòu)筑注漿空間利用Smin以上延時(shí)聚氨酯等材料固定瓦斯抽采管，構(gòu)筑注漿空間。(1)首先抽采鉆孔成孔后，為了方便抽采管的下放，以及聚氨酯的發(fā)泡均勻性，故 成孔后要利用壓風(fēng)將封孔段鉆孔煤屑吹凈，然后向鉆孔內(nèi)送入瓦斯抽采管；(2)向鉆孔內(nèi)送入瓦斯抽采管前，在瓦斯抽采管預(yù)定設(shè)置聚氨酯堵頭位置，利用鐵 絲將500mm長(zhǎng)筒狀雨衣布套袋一端扎緊，注意扎牢，另一端待倒入調(diào)勻的約1. 5公斤聚氨酯 后再行扎緊，保證中間有約300mm的聚氨酯膨脹空間即可。為了減少單個(gè)操作時(shí)間，前、后 兩堵頭控制段聚氨酯可在抽采管下放前皆將里端扎緊；注意保留大約0. 5m的瓦斯抽采管花管與前端聚氨酯段的距離，以防意外流出的 聚氨酯溢到抽采管路前端封死瓦斯抽采系統(tǒng)。孔口端聚氨酯段進(jìn)行聚氨酯固管操作時(shí)，要注意預(yù)留好注漿管，注漿管前端深入注漿封孔段中間即可。注漿管要求與抽采管捆扎在一 起，此時(shí)需要做好密封工作，以防聚氨酯膨脹時(shí)，從抽采管與注漿管裂隙間溢出；(3)聚氨酯操作完成之后，需要等待0. 5h發(fā)泡完全，再進(jìn)行下一步帶壓封孔工藝 抽采管注漿操作。第二步，帶壓操作待聚氨酯發(fā)泡完全，約0. 5h后，利用高壓注漿泵進(jìn)行水泥漿、硅酸鈉溶液雙液帶 壓注入操作。(1)進(jìn)行注漿操作前，先用清水檢驗(yàn)注漿泵，及注漿管路，保證注漿泵的運(yùn)行可靠 性及管路的暢通性；(2)要嚴(yán)格按照工藝要求配制水灰比為0.8-3 1的水泥漿，并將硅酸鈉溶液調(diào) 制成25波美度的稀釋水溶液，以待注漿操作，該操作可以在等待聚氨酯完全發(fā)泡時(shí)間內(nèi)進(jìn) 行，以節(jié)約操作時(shí)間；(3)將注漿高壓管路接到瓦斯抽采管旁預(yù)留注漿管路上，然后將配制好的水泥漿、 硅酸鈉溶液按照1 1的比例注入封孔段鉆孔空間內(nèi)，注漿壓力達(dá)到0. 6 0. 7MPa即停 (根據(jù)注漿和封孔管材料及耐壓強(qiáng)度確定)，硅酸鈉溶液為25波美度；(4)注漿操作結(jié)束，首先關(guān)閉封孔段預(yù)留注漿管上注漿閥，然后拆下高壓注漿管、 并利用清水反復(fù)沖洗，直至整個(gè)注漿系統(tǒng)出清水為止，以防水泥漿凝固堵塞注漿管路，影響 下一次使用。第三步，封孔效果檢驗(yàn)根據(jù)添加劑試驗(yàn)，水灰比0.8-3 1與硅酸鈉溶液25波美度按1 1混合時(shí)，水 泥漿凝固速度最快，約Ih后即具有一定的抗壓強(qiáng)度，水灰比最好為2 1，此時(shí)水泥漿凝固 速度最快，約1小時(shí)后即具有一定的抗壓強(qiáng)度。(1)利用注漿泵，通過(guò)瓦斯抽采管向抽采鉆孔內(nèi)注入清水。一旦，注漿泵壓力表顯 示壓力，且鉆孔周?chē)鸁o(wú)水滲漏出，則可證明該鉆孔封孔質(zhì)量合格，達(dá)工程密封要求；(2)或利用壓風(fēng)灌注，抽采鉆孔空間能夠維持正常風(fēng)壓，即可認(rèn)為合格。注意利用壓風(fēng)檢驗(yàn)鉆孔密封性能，如若存在漏氣，則漏氣現(xiàn)象不是很明顯，檢測(cè) 時(shí)要格外細(xì)心。但此種操作相對(duì)簡(jiǎn)單、快速；利用注漿泵注清水時(shí)，效果檢驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但此 操作有點(diǎn)類(lèi)似煤層注水，增強(qiáng)煤體塑性，降低煤體支撐強(qiáng)度，倘若煤體相對(duì)偏軟，則有致使 塌孔坍塌的可能，影響有效抽采鉆孔長(zhǎng)度。第四步，檢驗(yàn)合格，并網(wǎng)抽采(1)將瓦斯抽采管接入瓦斯抽采系統(tǒng)；(2)各結(jié)合口配合要緊密，對(duì)接處要放置密封墊圈，快速接頭要及時(shí)更換密封；(3)對(duì)接完畢，立即進(jìn)行各抽采參數(shù)測(cè)定工作，并懸掛瓦斯抽采牌板，標(biāo)注封孔時(shí) 間、鉆孔參數(shù)，及時(shí)測(cè)量鉆孔瓦斯抽采參數(shù)并做好記錄。2.雙漿液注漿雙漿液就是選擇合適的水泥漿配比，確保水泥漿能夠最大限度的滲透、封堵抽采 鉆孔周?chē)后w內(nèi)生裂隙、節(jié)理，隔絕貫通裂隙。把水泥與水按重量2 1的比例直接調(diào)制成的水泥漿，并采取單液注入方式，這樣 的漿液通常稱(chēng)為單一水泥漿。單一水泥漿由于材料來(lái)源廣，價(jià)格低，操作單一，并產(chǎn)生較高強(qiáng)度，是目前注漿漿液用途最廣的一種。但存在凝固時(shí)間無(wú)法控制，凝固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)影響封孔 器效果，過(guò)短時(shí)封孔工序無(wú)法完成，因此增加25波美度的硅酸鈉溶液，并按0.75 1比例 配制硅酸鈉溶液和水泥漿，用注漿機(jī)將上述雙漿液注漿封鉆孔，使封孔漿液的凝固時(shí)間不 要過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)，從而降低因注漿液的凝固時(shí)間影響封孔質(zhì)量，進(jìn)而影響瓦斯抽采效果。同時(shí) 可以通過(guò)硅酸鈉溶液和水泥漿的不同配比，改變封孔注漿液的凝固時(shí)間，來(lái)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)不同 的條件封孔需要。3.高強(qiáng)度抽采建立“大流量、多臺(tái)泵，大管徑、多回路"的礦井瓦斯抽采系統(tǒng)，實(shí)施高強(qiáng)抽采能力 格局。由于帶壓方式和雙漿液的使用，使封孔質(zhì)量得到提高，能夠承受足夠高的抽采負(fù)壓， 而不會(huì)從鉆孔及周?chē)后w空隙漏氣影響鉆孔氣密性，為高強(qiáng)度的瓦斯抽采創(chuàng)造了條件。瓦 斯抽采采用流量150 250m7min瓦斯抽放泵，在井下各采區(qū)都安裝了井下抽放泵站，采 用0 300 800mm抽放管路系統(tǒng)，工作面鋪設(shè)C 200 300mm抽放管路，當(dāng)需要單孔負(fù)壓 30kpa以上的高負(fù)壓的煤層鉆孔抽采時(shí)，要與采空區(qū)的低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)分開(kāi)，以適應(yīng)不 同的抽采形式，同時(shí)與井上瓦斯抽采系統(tǒng)聯(lián)結(jié)，實(shí)行井上、下聯(lián)合抽放，這樣既能提高工作 面的抽采率，又能有效利用瓦斯，達(dá)到雙贏的效果。隨著水泥漿配比(水灰)數(shù)據(jù)的變大，即在水灰比相對(duì)較小，漿液粘度較大時(shí) 漿液初凝時(shí)間短，而隨著水灰比系數(shù)的增大，漿液初凝時(shí)間開(kāi)始變化較大，變化幅度逐漸 減小，并直至趨于穩(wěn)定，這是由于水泥漿顆粒的比表面積越小，相互間較分散致使初凝時(shí)間 長(zhǎng)；水泥漿漿液粘度與水灰比(水灰)呈反比，即水灰比較小時(shí)，粘度很大，且隨著漿液水 灰比系數(shù)的增大，粘度開(kāi)始迅速減小(幾乎呈直線(xiàn)遞減)，約至水灰比0.8 1時(shí)，粘度遞減 速度降低。硅酸鈉溶液能夠加快水泥漿凝固時(shí)間，兩者混合后發(fā)生反應(yīng)，生成具有一定強(qiáng)度 的膠質(zhì)體(凝膠性硅酸鈣)，反應(yīng)連續(xù)快速進(jìn)行，膠質(zhì)體強(qiáng)度不斷增大，于是就轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定 的結(jié)晶狀態(tài)——凝固。從水泥與等體積的硅酸鈉溶液混合時(shí)起，到混合漿液不能自流為止，稱(chēng)為C-S漿 液(水泥與硅酸鈉溶液混合漿液)的膠凝時(shí)間或初凝時(shí)間，在注漿工藝過(guò)程中漿液膠凝時(shí) 間越短，注漿效果越好。影響膠凝時(shí)間的因素很多主要有以下幾點(diǎn)。一般水泥——硅酸鈉溶液漿液中硅酸鈉溶液體積越大則膠凝時(shí)間長(zhǎng)，反之，則短； 且同一體積比下硅酸鈉溶液濃度大則膠凝時(shí)間長(zhǎng)，反之則短。當(dāng)水泥漿水灰比一定時(shí)，在一定波美度范圍內(nèi)膠凝時(shí)間與硅酸鈉溶液波美度成正 比，即隨著硅酸鈉溶液濃度的增大，膠凝時(shí)間也在增加；當(dāng)硅酸鈉溶液濃度一定時(shí)，膠凝時(shí) 間隨水泥漿水灰比系數(shù)的增大而增大；當(dāng)水泥-硅酸鈉溶液溶液中c、s濃度均一定時(shí)，膠凝 時(shí)間隨CS系數(shù)的增大而增大。在上述抽采中，根據(jù)煤層瓦斯?jié)舛鹊牟煌?，采用分源抽采，即?duì)不同煤層濃度的瓦 斯進(jìn)行分別抽采，以備不同的利用。(五)瓦斯利用，對(duì)抽采后的瓦斯回收利用，煤礦開(kāi)采中抽排出的瓦斯作為煤炭的 伴生資源，是一種使用方便、潔凈、中熱值的優(yōu)質(zhì)燃料，也可作為重要的化工原料，同時(shí)也是 一種強(qiáng)烈的溫室氣體。對(duì)其加以綜合利用，既可節(jié)約能源，又可減少對(duì)大氣環(huán)境的污染。目前對(duì)瓦斯的利用主要采用發(fā)電、民用和作為化工原料。民用燃?xì)夤?jié)能效果顯著，
7且對(duì)環(huán)境的改善較為明顯，但需要穩(wěn)定的氣源，且其貯存和遠(yuǎn)距離輸送，投資較大，難以達(dá) 到。而瓦斯發(fā)電具有安全、環(huán)保、節(jié)能的顯著特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益都十分顯著，在地面抽采 站建立瓦斯發(fā)電站和瓦斯儲(chǔ)蓄罐，實(shí)現(xiàn)“就地發(fā)電，就地使用，多余上網(wǎng)市售”，或職工食堂 作為燃?xì)獾哪Ｊ?，提高煤礦企業(yè)生產(chǎn)效益。瓦斯發(fā)電站安裝500 JFI-2W型500 X 4KW發(fā)電機(jī) 組四臺(tái)，5000m3儲(chǔ)蓄罐一座。瓦斯抽采采用了分源抽采，其利用也考慮分源，對(duì)于抽采出的 濃度大于30%的瓦斯，輸入儲(chǔ)氣罐貯存，用于職工食堂民用燃?xì)饣蛲咚拱l(fā)電；對(duì)于抽采出 的濃度小于30 %的低濃度瓦斯，直接進(jìn)入低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電。本發(fā)明根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和煤層藏深的實(shí)際情況，申請(qǐng)人針對(duì)煤層瓦斯含量和壓力 大，加上構(gòu)造煤發(fā)育，鉆孔施工過(guò)程中噴孔、夾鉆、響煤炮現(xiàn)象嚴(yán)重，造成抽放鉆孔施工深度 淺、施工困難。開(kāi)展煤層深孔施工裝備及工藝改進(jìn)和攻關(guān)，一根據(jù)大鉆機(jī)空間受限制，小鉆 機(jī)能力不足的現(xiàn)場(chǎng)施工情況，采用液壓鉆車(chē)并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使操作、控制、動(dòng)力之間 結(jié)構(gòu)更合理、緊奏，降低整個(gè)設(shè)備體積，減小占用空間，使在礦井下有限空間發(fā)揮更大作用； 二是采用和改進(jìn)鉆孔施工鉆具，為克服鉆孔施工期間由于噴孔、夾鉆使鉆孔卡死在煤層無(wú) 法拔出，采用三棱鉆桿進(jìn)行施工，并根據(jù)礦井不同煤層賦存條件和三棱鉆桿原理，對(duì)三棱鉆 桿改進(jìn)為來(lái)復(fù)線(xiàn)鉆桿，使鉆孔施工時(shí)排渣更順暢，避免堵塞鉆孔而夾死鉆桿。通過(guò)深孔施工 裝備和工藝的改進(jìn)攻關(guān)，使施工裝備能力得到提高，施工工藝更加先進(jìn)，使煤層瓦斯預(yù)抽鉆 孔深度達(dá)到IOOm以上，孔徑由75mm增加到120mm，消除了工作面瓦斯抽放空白帶，為采面回 采創(chuàng)造了安全條件；實(shí)施煤體水力壓裂增透是申請(qǐng)人針對(duì)開(kāi)采煤層透氣性低，抽放效果差的現(xiàn)時(shí)條 件，為增加煤層透氣性，提高低透氣性煤層瓦斯抽放量，在一定范圍內(nèi)起到防突和消除沖擊 地壓的作用，對(duì)低滲透煤體實(shí)施高壓水力壓裂增透技術(shù)。水力壓裂增透可以將大量含支撐 劑的高壓液體注入煤層，迫使煤層破裂，產(chǎn)生裂隙后，支撐劑停留在縫隙內(nèi)，阻止煤體裂隙 的重新閉合，從而提高煤層的透氣性。同時(shí)迫使瓦斯向煤壁深部運(yùn)移，增大前方煤體的安全 屏障，并使煤體充分浸潤(rùn)，達(dá)到消突、防塵、降溫的效果。再者就是能改變煤巖體本身的結(jié)構(gòu) 及物理力學(xué)性能，減弱煤體應(yīng)力積蓄能力、減緩煤體和圍巖破壞時(shí)的能量釋放速率，從而起 到防治沖擊地壓作用。該技術(shù)通過(guò)在十礦的實(shí)驗(yàn)并首次在十礦井下試驗(yàn)獲得成功，實(shí)施高 壓水力壓裂增透后，鉆孔單孔抽采瓦斯總量提高了 100倍，煤層透氣性由0. 0019mD增加到 0. 065mD,鉆孔抽放衰減期延長(zhǎng)11倍，百米鉆孔流量提高3倍。在^MPa下進(jìn)行壓裂后的壓 裂影響范圍為50 56m，抽放影響范圍由1. 5m提高到20m以上，有效提高了煤層瓦斯預(yù)抽 率；在煤體實(shí)施高壓水力壓裂增透并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間抽放后，煤體重新閉合，煤體透氣 性較壓裂前降低，瓦斯抽放效果降低，但由于首次壓裂已造成鉆孔周?chē)鷩鷰r破碎，承壓強(qiáng)度 降低，再次壓裂時(shí)無(wú)法達(dá)到煤體內(nèi)部支撐的初始?jí)毫?，因此再次無(wú)法達(dá)到壓裂增透目的，為 此申請(qǐng)人對(duì)首次壓裂抽放后的煤體采用控制預(yù)裂爆破方法，增加煤體透氣性。控制預(yù)裂爆 破技術(shù)是在爆破孔周?chē)黾虞o助自由面(控制孔)進(jìn)行爆破，以增加煤體內(nèi)的裂隙，擴(kuò)大爆 破所產(chǎn)生的松動(dòng)(裂隙)范圍的一種增透方法，它是由爆炸壓力波、爆生氣體和瓦斯壓力共 同作用于煤體的結(jié)果。通過(guò)分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)爆破鉆孔參數(shù)和布置方案，炸藥選擇、裝藥方 式、結(jié)構(gòu)工藝，采用專(zhuān)用套管輔助裝藥，孔內(nèi)敷設(shè)導(dǎo)火索、雙炮頭正向裝藥技術(shù)，實(shí)施混合模 塊化封孔工藝，形成了由松動(dòng)爆破和控制孔組合形成的一種防治煤與瓦斯突出的技術(shù)。爆破后鉆孔單孔瓦斯抽放濃度有了明顯的提高，比爆破前濃度平均增大了 2 4. 2倍。同時(shí)控 制預(yù)裂爆破在一定程度上改變了掘進(jìn)前方煤體的結(jié)構(gòu)，煤體中爆破段形成了破碎圈和松動(dòng) 圈，一定程度上增大了煤體的透氣性，掘進(jìn)工作面近區(qū)域煤體的瓦斯壓力得到了釋放卸壓， 提高了抽放效果，從而降低了煤體的瓦斯壓力和瓦斯含量，起到了消突的作用；在增加煤層透氣性后，為增加煤體瓦斯抽出量，實(shí)施“大流量、多臺(tái)泵，大管徑、多 回路"的高強(qiáng)度抽采方法，加大瓦斯抽采力度、提高瓦斯抽采效率，是解決煤礦瓦斯災(zāi)害的 一項(xiàng)治本之策。抽放鉆孔施工后，影響瓦斯抽放效果好壞的關(guān)鍵是封孔質(zhì)量，特別是突出煤層往 往煤質(zhì)較軟，鉆孔密封效果較差，漏氣較多，再加上封孔深度淺，不能給鉆孔帶來(lái)足夠的負(fù) 壓，最終影響抽放效果。因此，申請(qǐng)人采用帶壓注漿鉆孔密封技術(shù)，使得大多數(shù)近水平和仰 角抽放鉆孔能夠獲得大俯角鉆孔注漿的封堵效果，即漿液在一定注漿壓力的驅(qū)動(dòng)能夠更好 的與鉆孔周?chē)后w裂隙結(jié)合，并能滲透充填一定距離內(nèi)的孔、裂隙，實(shí)現(xiàn)封堵鉆孔周?chē)蓜?dòng) 裂隙空氣通道的目的。由于煤的多孔的特性，在煤體內(nèi)部形成很大的表面積，未受工程擾動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)面處 于緊密擠壓狀態(tài)，但結(jié)合程度較差。當(dāng)巷道開(kāi)挖后或打鉆后，其周邊的煤體受到變形破壞， 產(chǎn)生裂隙，正是由于裂隙和孔隙的存在，使得煤體強(qiáng)度變化不均，在弱面上極易受力破壞， 帶壓漿液就會(huì)頂開(kāi)縫隙，壓注到煤體內(nèi)部，滲入較大的裂隙和孔隙內(nèi)部。漿液在壓力作用下 充滿(mǎn)塊體表面的縫隙或凹凸處，并產(chǎn)生咬合力，漿液在壓力的作用下產(chǎn)生的滲透固化現(xiàn)象， 形成較有規(guī)則的走向，有主干和分支，形成樹(shù)枝狀分布，連成一體。待漿液固化后，并與煤顆 粒粘結(jié)在一起，形成巨大的粘結(jié)力，很明顯增加了煤體的強(qiáng)度；采用雙漿液有利于漿液的快速凝固，可增加、減少凝固等待時(shí)間。保證漿液在鉆 孔周?chē)毫?nèi)的滲透擴(kuò)散時(shí)間。使抽放鉆孔周?chē)后w內(nèi)擾動(dòng)裂隙充填、堵塞密實(shí)，切斷氣體 擴(kuò)散通道，鞏固了煤體的完整性，為煤體瓦斯抽采效果和壓裂成功的提高奠定了基礎(chǔ)；高強(qiáng)度抽采采用建立“大流量、多臺(tái)泵，大管徑、多回路"的礦井瓦斯抽采系統(tǒng)，實(shí) 施高強(qiáng)抽采能力格局。在井下各采區(qū)都安裝了井下抽放泵站，采用C 200 800mm抽放管 路系統(tǒng)，井上另建單臺(tái)額定能力250 600m7min，總抽放能力2250m7min抽放系統(tǒng)，對(duì)井 下各采區(qū)的工作面進(jìn)行連續(xù)抽放，并且將抽出的瓦斯并入礦井抽放系統(tǒng)主管，實(shí)行井上、下 聯(lián)合抽放，這樣既能提高工作面的抽采率，又能有效利用瓦斯，達(dá)到雙贏的效果。通過(guò)運(yùn)用帶壓注漿，完全可以有效封堵鉆孔壁的裂隙，加固煤體的強(qiáng)度，使孔壁的 透氣性比原始的煤體透氣性更差，甚至接近巖石的透氣性。成功改造了抽采及壓裂鉆孔封 孔工藝，并將該工藝運(yùn)用到瓦斯抽采及壓裂工作中，利用該封孔工藝可將能夠適應(yīng)各種復(fù) 雜的地質(zhì)條件，達(dá)到徹底封堵鉆孔周?chē)鷶_動(dòng)裂隙的目的，從而可以在煤層瓦斯抽采的應(yīng)用 中提高瓦斯抽采效果和煤體水力壓裂提高壓裂成功，延長(zhǎng)瓦斯抽采周期，進(jìn)而增大瓦斯抽 采量。抽放鉆孔內(nèi)抽放管長(zhǎng)度由8m增加到15m、壓裂孔25m以上，封孔段長(zhǎng)度提高到8 25m以上，鉆孔封孔后的耐壓強(qiáng)度提高到2Mpa以上，鉆孔單孔抽放瓦斯?jié)舛忍岣吡?20% 40 %，平均可延長(zhǎng)瓦斯抽放周期2個(gè)月以上，單孔平均可多抽出瓦斯200m3，孔口負(fù)壓提高到 13 20Kpa，單孔封孔材料投入減少102元。該技術(shù)使鉆孔的封孔質(zhì)量和效果得到提高，對(duì) 壓裂實(shí)施和瓦斯抽放效果提高提供了技術(shù)保證。實(shí)施高強(qiáng)瓦斯抽采，2010年1 10月份礦 井瓦斯抽放量2105萬(wàn)m3，瓦斯利用349. 04萬(wàn)m3。經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。
權(quán)利要求
1. 一種低滲透單一煤層瓦斯綜合治理一體化的方法，其特征在于，由以下步驟實(shí)現(xiàn)(一)鉆孔，用2000 6200KN扭距的鉆機(jī)和來(lái)復(fù)線(xiàn)或三棱鉆桿鉆孔，有效解決鉆孔施 工過(guò)程中因塌孔、噴孔造成夾鉆桿現(xiàn)象；(二)煤體水力壓裂增透，鉆孔鉆好后，用封孔器采用C50_無(wú)縫鋼管和水泥砂漿、聚 胺脂進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度25 35m，之后通過(guò)高壓管線(xiàn)與用于壓裂的注水泵連接，對(duì)煤體實(shí) 施壓裂，注水泵上裝有壓力表和高壓水表，注水泵經(jīng)連接管與水箱相連，水箱與供水的水管 相連，壓裂時(shí)壓力為20Mpa以上，水量為20 40m3 ；(三)鉆孔預(yù)裂爆破，方法是，在頂或底板巖巷采用爆破孔和控制孔間隔布置，其中，爆 破孔、控制孔直徑均為75mm，爆破孔穿過(guò)煤層底板，爆破孔間距為5m，相鄰兩個(gè)爆破孔的傾 角不同，一個(gè)鉆孔在機(jī)巷上幫的幫頂交結(jié)處通過(guò)，相鄰的一個(gè)應(yīng)在機(jī)巷下幫的幫頂交結(jié)處 通過(guò)，依次交換位置，爆破孔成立體狀，對(duì)煤體進(jìn)行立體全面預(yù)裂爆破，控制全煤層；(四)瓦斯抽采，預(yù)裂爆破后，對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采，方法是a.帶壓封孔第一步，構(gòu)筑注漿空間利用Smin以上延時(shí)聚氨酯等材料固定瓦斯抽采管，構(gòu)筑注漿空間(1)首先抽采鉆孔成孔后，為了方便抽采管的下放，以及聚氨酯的發(fā)泡均勻性，成孔后 利用壓風(fēng)將封孔段鉆孔煤屑吹凈，然后向鉆孔內(nèi)送入瓦斯抽采管；(2)向鉆孔內(nèi)送入瓦斯抽采管前，在瓦斯抽采管預(yù)定設(shè)置聚氨酯堵頭位置，利用鐵絲將 500mm長(zhǎng)筒狀雨衣布套袋一端扎緊，另一端待倒入調(diào)勻的1. 5公斤聚氨酯后再行扎緊，中間 有300mm的聚氨酯膨脹空間，前、后兩堵頭控制段聚氨酯在抽采管下放前皆將里端扎緊；(3)聚氨酯注入抽采管后，待發(fā)泡0.證后，再進(jìn)行下一步帶壓封孔，抽采管注漿；第二步，帶壓注漿待聚氨酯發(fā)泡0. 5h后，用高壓注漿泵進(jìn)行水泥漿、硅酸鈉溶液雙液帶壓注入(1)進(jìn)行注漿前，先用清水檢驗(yàn)注漿泵，及注漿管路，保證注漿泵的運(yùn)行可靠及管路的 暢通；(2)配制水灰比為0.8-3 1的水泥漿，并將硅酸鈉溶液調(diào)制成25波美度的稀釋水溶 液，以備注漿；(3)將注漿高壓管路接到瓦斯抽采管旁預(yù)留注漿管路上，然后將配制好的水泥漿、硅酸 鈉溶液按照1 1的比例注入封孔段鉆孔空間內(nèi)，注漿壓力達(dá)到0. 6 0. 7MPa即停；(4)注漿結(jié)束后，首先關(guān)閉封孔段預(yù)留注漿管上注漿閥，然后拆下高壓注漿管、并利用 清水反復(fù)沖洗，直至整個(gè)注漿系統(tǒng)出清水為止，以防水泥漿凝固堵塞注漿管路，影響下一次 使用；第三步，封孔效果檢驗(yàn)(1)利用注漿泵，通過(guò)瓦斯抽采管向抽采鉆孔內(nèi)注入清水，注漿泵壓力表顯示壓力，且 鉆孔周?chē)鸁o(wú)水滲漏出，則可證明該鉆孔封孔質(zhì)量合格，達(dá)工程密封要求；(2)或利用壓風(fēng)灌注，抽采鉆孔空間能夠維持正常風(fēng)壓，即為合格；第四步，檢驗(yàn)合格后，并網(wǎng)抽采(1)將瓦斯抽采管接入瓦斯抽采系統(tǒng)；(2)各結(jié)合口配合要緊密，對(duì)接處要放置密封墊圈，快速接頭要及時(shí)更換密封；(3)對(duì)接完畢，立即進(jìn)行各抽采參數(shù)測(cè)定工作，并懸掛瓦斯抽采牌板，標(biāo)注封孔時(shí)間、鉆 孔參數(shù)，及時(shí)測(cè)量鉆孔瓦斯抽采參數(shù)并做好記錄；b.雙漿液注漿把水泥與水按重量0. 8-3 1的比例調(diào)制成水泥漿，再加入25波美度的硅酸鈉溶液， 并按0.75 1的重量比例配制硅酸鈉溶液和水泥漿，用注漿機(jī)將上述雙漿液注漿封鉆孔， 以降低因注漿液的凝固時(shí)間影響封孔質(zhì)量及瓦斯抽采效果；c.高強(qiáng)度抽采利用“大流量、多臺(tái)泵，大管徑、多回路"的礦井瓦斯抽采系統(tǒng)，實(shí)施高強(qiáng)抽采，即瓦 斯抽采用流量150 250m7min的瓦斯抽放泵，在井下各采區(qū)都安裝井下抽放泵站，用C 300 800mm抽放管路系統(tǒng)，工作面鋪設(shè)C 200 300mm抽放管路，當(dāng)需要單孔負(fù)壓30kpa 以上的高負(fù)壓的煤層鉆孔抽采時(shí)，要與采空區(qū)的低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)分開(kāi)，以適應(yīng)不同的 抽采形式，同時(shí)與井上瓦斯抽采系統(tǒng)聯(lián)結(jié)，實(shí)行井上、下聯(lián)合抽放，這樣既能提高工作面的 抽采率，又能有效利用瓦斯；在上述抽采中，根據(jù)煤層瓦斯?jié)舛鹊牟煌?，采用分源抽采，即?duì)不同煤層濃度的瓦斯進(jìn) 行分別抽采，以備不同的利用；(五)瓦斯利用，對(duì)分源抽采后的瓦斯回收利用，在地面抽采站建立瓦斯發(fā)電站和瓦斯 儲(chǔ)蓄罐，實(shí)現(xiàn)“就地發(fā)電，就地使用，多余上網(wǎng)市售”。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低滲透單一煤層瓦斯綜合治理一體化的方法，其特征在于， 在步驟(一)中，所述的鉆桿，其鉆桿上呈螺旋狀均布有深2mm，寬IOmm的凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低滲透單一煤層瓦斯綜合治理一體化的方法，其特征在于， 在步驟(四)中，所述的前端聚氨酯控制段有與前段聚氨酯控制段相距為0. 5m的瓦斯抽采 管花管，以防意外流出的聚氨酯溢到抽采管路前端封死瓦斯抽采系統(tǒng)，孔口端聚氨酯段進(jìn) 行聚氨酯固管封裝時(shí)，預(yù)留注漿管，注漿管前端深入注漿封孔段中間，注漿管與抽采管捆扎 在一起密封，以防聚氨酯膨脹時(shí)，從抽采管與注漿管裂隙間溢出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低滲透單一煤層瓦斯綜合治理一體化的方法，其特征在于， 在步驟(四)中，所述的水灰比為2 1。
全文摘要
本發(fā)明涉及低滲透單一煤層瓦斯綜合治理一體化的方法，可有效解決瓦斯的綜合防治與利用的問(wèn)題。其解決的技術(shù)方案是，首先進(jìn)行鉆孔，采用大扭矩的鉆機(jī)及來(lái)復(fù)線(xiàn)或三棱鉆桿解決鉆孔施工中因塌孔、噴孔造成夾鉆桿的現(xiàn)象，然后對(duì)煤體水力壓裂增透，再鉆孔預(yù)裂爆破，之后對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采，并對(duì)抽采的瓦斯進(jìn)行回收利用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的一體化治理。本發(fā)明使煤體透氣性提高，瓦斯預(yù)抽率高，并對(duì)抽采的瓦斯進(jìn)行回收利用，從根本上杜絕了施工堵塞鉆孔，解決鉆孔施工鉆具能力不足和低透氣性煤層瓦斯難以抽放的難題，進(jìn)而降低煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，減少和杜絕煤與瓦斯突出事故，保障礦井安全生產(chǎn)和煤礦職工生命，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。
文檔編號(hào)E21F7/00GK102121395SQ20111002532
公開(kāi)日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者張廣彥, 張福旺, 徐森, 朱同功, 黃勵(lì)新 申請(qǐng)人:平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦