煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法技术

本发明专利技术涉及一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法。本发明专利技术利用待采工作面相邻工作面已掘进风巷道内的钻场，利用先导定向钻具和冲击复合扩孔钻具等装备，采用多级回转扩孔工艺、滑动定向钻进工艺、复合定向钻进工艺和冲击复合扩孔工艺钻进得到顶板上仰穿层定向孔，使其提前进入顶板采动裂隙带和离层区内，并长距离大直径延伸。钻孔施工后，待采工作面回采时，顶板岩层受采动影响形成的上向裂隙与顶板上仰穿层定向孔连通，采动产生的瓦斯进入顶板上仰穿层定向孔，从而实现采动瓦斯抽采利用，解决了当前采动瓦斯抽采钻孔存在的孔径小、裂隙带延伸距离短、钻进效率低、成本高、施工周期长等不足，提高了采动瓦斯抽采效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种定向孔施工方法及装备，属于煤矿井下坑道钻探领域，具体是涉及一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法。
技术介绍
煤矿瓦斯灾害是矿山建设与矿山生产过程中的主要安全灾害之一，其破坏性巨大，给煤矿安全生产带来了很大隐患和损失。近年来，本煤层瓦斯预抽采技术显著降低了工作面煤层瓦斯含量，但是随着煤矿综合机械化采煤工艺的发展，工作面推进加速，开采时的瓦斯涌出量急剧增加，成为制约一些矿井安全高效开采的关键因素。目前大部分矿井采用垮落法管理煤层顶板，煤层开采后，在采空区上覆岩层剖面上由下至上依次存在冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，平面上依次存在煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区。其中裂隙带和离层区内存在两类裂隙：一类为离层裂隙，是随岩层下沉在层与层间出现的沿层裂隙，它使煤层产生膨胀变形而使瓦斯卸压，并使卸压瓦斯沿离层涌出；另一类为竖向破断裂隙，是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙，它形成了上、下岩层间瓦斯流动的通道。在瓦斯和空气密度差以及采空区漏风的共同作用下，使得工作面上隅角附近采空区顶板裂隙中聚集有大量的高浓度瓦斯。在通风负压的作用和大气压力变化情况下，顶板裂隙带存储的瓦斯可能会通过密闭墙或煤柱裂隙进入采区或矿井巷道中，增加通风负担和不安全因素。针对采空区顶板发育理论、瓦斯运移规律和瓦斯抽采需要，国内开展了大量研究，形成了高位巷采空区瓦斯井下抽采方法，形成了高位巷和高位钻孔两种采空区瓦斯井下抽采方法，但高位巷由于掘进成本高、施工周期长，其技术推广受到一定的限制；高位钻孔在我国阳泉、沈阳、铁法、淮南等很多矿区都进行过试验，且取得了很好的效果，但是由于其不具备钻孔轨迹测控能力，无法确保钻孔轨迹在采空区裂隙带延伸，钻孔深度浅且有效孔段短，覆盖面积小，孔径小，工程量大，钻进效率低，施工周期长且成本高等不足，给矿方高效采煤带来一定的阻力。因此，本专利技术结合煤层开采过程中采动区和采空区瓦斯抽采需要，针对目前煤矿井下高位钻孔钻进方法存在的不足，研究设计了一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，克服了上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前煤矿井下采动瓦斯抽采钻孔存在孔径小、裂隙带延伸距离短、钻进效率低、成本高、施工周期长等不足，提供了一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，包括：利用分析确定的煤层采动裂隙带和采动离层区设计顶板上仰穿层定向孔的钻孔轨迹；工作面回采前，依据所述钻孔轨迹在井下待采工作面的相邻工作面已掘进风巷道内钻场的煤层中开孔并施工顶板上仰穿层定向孔，穿过上覆顶板岩层后,进入采动裂隙带并长距离延伸；当工作面回采至顶板上仰穿层定向孔范围内，利用顶板上仰穿层定向孔抽采采动产生的瓦斯；工作面回采至顶板上仰穿层定向孔范围以外后，停止抽采。优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，所述顶板上仰穿层定向孔包括：从煤层开孔至钻出煤层的上仰套管孔段，开孔倾角为12-20°，用于下入固定套管和活动套管，其中，固定套管内径≥200mm，活动套管外径≤150mm；从钻孔钻出煤层至进入采动裂隙带之间的定向造斜孔段，其弯曲强度≤1°/3m；沿采动裂隙带长距离延伸的定向稳斜孔段，其倾角≥0°。优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，所述的顶板上仰穿层定向孔施工数量为若干个并且在平面上呈集束型布置，并且各顶板上仰穿层定向孔沿采动裂隙带长距离延伸的定向稳斜孔段之间平行布置，相邻钻孔间距7m-10m，定向稳斜孔段与待采工作面已掘回风巷道的距离≥15m，且位于采动离层区内。优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，所述钻场之间的距离为顶板上仰穿层定向孔沿采动裂隙带长距离延伸的定向稳斜孔段的水平投影长度。优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，从煤层开孔至钻出煤层的上仰套管孔段施工时采用逐级回转扩孔工艺施工，扩孔完成后下入封孔套管，然后从封孔套管与孔壁的环状间隙内插入排气管和注浆管，再采用速凝聚氨酯双料封孔材料和石膏封闭孔口环状间隙，待石膏凝固后从注浆管内注入水泥浆；当排气管中有水泥浆流出时停止注浆，候凝若干小时。从钻孔钻出煤层至进入采动裂隙带之间的定向造斜孔段使用先导定向钻具采用滑动定向钻进工艺进行先导定向孔施工；沿采动裂隙带长距离延伸的定向稳斜孔段使用先导定向钻具采用复合定向钻进工艺进行先导定向孔施工。优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，先导定向孔成孔直径120mm并且达到设计深度后进行扩孔成孔施工，使用冲击复合扩孔钻具，采用冲击复合扩孔工艺，扩孔成孔直径≥200mm，扩孔至孔底后，提钻。优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，所述的先导定向钻具包括依次连接的岩层定向钻头、四级弯壳体螺杆马达、无磁钻具、单向截止短节、中空外平钻杆、旋转送水器；其中：所述四级弯壳体螺杆马达采用高压水驱动，头部带有一定弯曲角度；所述无磁钻具内固定有水脉冲随钻测量仪器，可在钻进过程中实时测量钻孔轨迹，并利用钻进用高压水将信号传递至孔口，获得钻孔实钻轨迹；单向截止短节内安装有单向逆止阀。优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，所述的冲击复合扩孔钻具包括：依次连接的导向器、螺旋扩孔钻头、直通螺杆马达、液动冲击器、扶正器、单向截止短节、中空外平钻杆、旋转送水器；其中导向器顶端为球形结构，四周铣洗有螺旋刀翼，并镶焊有硬质合金保径；直通螺杆马达采用高压水驱动，弯头角度为0°，在直通螺杆马达弯头与马达总成之间有稳定器，稳定器和扶正器的外径小于螺旋扩孔钻头的外径。因此，本专利技术利用待采工作面回风巷道内钻场，建立了多级回转扩孔工艺、滑动定向钻进工艺、复合定向钻进工艺和冲击复合扩孔工艺及相应的施工装备钻进顶板上仰穿层定向孔的技术方案，实现了顶板采动裂隙带和离层区内大直径定向钻孔施工，并长距离大直径延伸，显著提高采动瓦斯抽采效果，保障工作面安全高效回采，具有以下优点：(1)在待采工作面回风巷道未贯通之前即可在相邻工作面进风巷道内远距离施工，节约了待采工作面回采准备周期；(2)成孔直径大，钻进效率高；(3)钻孔覆盖面积大，钻探工作量小，少量顶板上仰穿层定向孔即可实现工作面采空瓦斯区域抽采；(4)增加了钻孔在采动裂隙带和离层区内的有效孔段，提高了钻孔利用率；(5)可同时对上临近层瓦斯进行抽采、对顶板地质构造进行探查、对顶板含水体进行疏放。附图说明图1是顶板上仰穿层定向孔平面布置图。图2是顶板上仰穿层定向孔剖面布置图。图3是先导定向钻具组合连接示意图。图4是冲击复合扩孔钻具组合连接示意图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。图中，待采工作面1、进风巷道2、回风巷道3、钻场4、顶板上仰穿层定向孔5、采动裂隙带6、采动离层区7、岩层定向钻头8、四级弯壳体螺杆马达9、无磁钻具10、单向截止短节11、中空外平钻杆12、旋转送水器13、导向器14、螺旋扩孔钻头15、直通螺杆马达16、液动冲击器17、扶正器18、稳定器19、上仰套本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，其特征在于，包括：利用分析确定的煤层采动裂隙带(6)和采动离层区(7)设计顶板上仰穿层定向孔(5)的钻孔轨迹；工作面回采前，依据所述钻孔轨迹在井下待采工作面(1)的相邻工作面已掘进风巷道(2)内钻场(4)的煤层中开孔并施工顶板上仰穿层定向孔(5)，穿过上覆顶板岩层后,进入采动裂隙带(6)并长距离延伸；当工作面回采至顶板上仰穿层定向孔(5)范围内，利用顶板上仰穿层定向孔(5)抽采采动产生的瓦斯；工作面回采至顶板上仰穿层定向孔(5)范围以外后，停止抽采。

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，其特征在于，包括：利用分析确定的煤层采动裂隙带(6)和采动离层区(7)设计顶板上仰穿层定向孔(5)的钻孔轨迹；工作面回采前，依据所述钻孔轨迹在井下待采工作面(1)的相邻工作面已掘进风巷道(2)内钻场(4)的煤层中开孔并施工顶板上仰穿层定向孔(5)，穿过上覆顶板岩层后,进入采动裂隙带(6)并长距离延伸；当工作面回采至顶板上仰穿层定向孔(5)范围内，利用顶板上仰穿层定向孔(5)抽采采动产生的瓦斯；工作面回采至顶板上仰穿层定向孔(5)范围以外后，停止抽采。2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，其特征在于，所述顶板上仰穿层定向孔(5)包括：从煤层开孔至钻出煤层的上仰套管孔段，开孔倾角为12-20°，用于下入固定套管和活动套管，其中，固定套管内径≥200mm，活动套管外径≤150mm；从钻孔钻出煤层至进入采动裂隙带之间的定向造斜孔段，其弯曲强度≤1°/3m；沿采动裂隙带长距离延伸的定向稳斜孔段，其倾角≥0°。3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法一种井下采动瓦斯抽采方法，其特征在于，所述的顶板上仰穿层定向孔(5)施工数量为若干个并且在平面上呈集束型布置，并且各顶板上仰穿层定向孔(5)沿采动裂隙带长距离延伸的定向稳斜孔段之间平行布置，相邻钻孔间距7m-10m，定向稳斜孔段与待采工作面(1)已掘回风巷道(3)的距离≥15m，且位于采动离层区(7)内。4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，其特征在于，所述钻场(4)之间的距离为顶板上仰穿层定向孔(5)沿采动裂隙带长距离延伸的定向稳斜孔段的水平投影长度。5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，其特征在于，从煤层开孔至钻出煤层的上仰套管孔段施工时采用逐级回转扩孔工艺施工，扩孔完成后下入封孔套管，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泉新，方俊，许超，刘建林，曹明，赵建国，王四一，王鲜，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61