一种煤矿老采空区瓦斯抽采方法与流程

本发明涉及煤矿瓦斯开发利用领域的一种瓦斯抽采方法，尤其一种煤矿老采空区瓦斯抽采方法。

背景技术：

煤层瓦斯是成煤过程中的一种伴生产物,大部分以吸附态储存于煤层中。它是煤矿生产过程中的主要灾害源，其主要成分CH4是较强烈的温室气体，但同时也是一种洁净能源和优质化工原料。因此，开发利用瓦斯，既可以充分利用地下资源，又可以改善矿井安全条件和提高经济效益，对缓解常规油气供应的紧张状况、实施国民经济可持续发展战略、降低因其向大气逸散而产生的温室效应等均具有十分重要的意义。

采煤工作面封闭后，其采动影响范围内能够卸压解吸的瓦斯称为老采空区瓦斯。据统计，目前中国约有500个国有重点煤矿已封闭，其中70%为高瓦斯煤矿，老采空区中赋存的瓦斯资源高达数千亿立方米。因此对老采空区瓦斯进行抽采利用具有十分显著的经济效益、社会效益和环境效益。

目前，老采空区主要由地面向采空区上部裂隙带内施工地面钻井以抽采老空区瓦斯。为了抽采老采空区下部煤层瓦斯，往往需要有地面钻井穿透老采空区进入下部煤层进行瓦斯抽采。此种方法仅仅可抽采单一老空区瓦斯，并且由于需要穿透老采空区，此种方法钻井施工过程中施工难度大、事故发生率高、成孔率低，抽采瓦斯产量低且成本高。申请号为201510055357.4的中国专利公布了一种穿透多层老采空区残留煤柱抽采多层老采空区残余瓦斯的方法，由地面向残留煤柱施工地面钻井，并穿透所有残留煤柱。当残留煤柱宽度较小时，地面钻井穿透残留煤柱后直接与老空区贯通。当残留煤柱宽度较大时，地面钻井穿透残留煤柱至残留煤柱底板处，由地面向钻井内插入外部固定有高压囊袋的钢管至残留煤柱底部；将高压软管与高压囊袋连通，且延伸至地面；经高压软管将水压入高压囊袋，形成封孔段，随后将高压水流经钢管注入钻井，压裂残留煤柱后，将高压囊袋放水卸压。继续穿透其它残留煤柱后，由地面向钻井内插入抽采管，抽采老空区内残余煤层气。该方法由地面施工地面钻井穿透残留煤柱。申请号为201510468722.4的中国专利公开了一种老空区抽采煤层气的系统及方法，向相邻采空区空洞之间的煤柱施工抽采钻井，依次送入抽采管、注浆管；打开阀门Ⅲ，注入水泥砂浆与煤柱形成一个密闭的空间，打开阀门Ⅰ由地面N2储气罐经过气体增压泵增压向注气管注入N2，压裂煤柱；打开阀门Ⅱ，由地面抽采站经抽采管对煤层气进行抽采，并记录初始瓦斯流量为A ；当煤层气流量再次下降至初始瓦斯流量A的30% 时重复N2驱替煤层气，直至煤层气流量最终下降至初始瓦斯流量A 的16% 时，关闭阀门Ⅱ停止煤层气抽采。上述方法均自地面钻井，需要大量的设备投入，同时，在裂隙带直接进行开采作业难度较高，维护地面钻井费用较大，收益率低。而目前的井下开采钻孔的方法也仅仅是在密闭墙附近开孔抽采瓦斯，瓦斯浓度低，经济收益较低。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法，包括以下步骤：

每个采空区设计一组抽采钻孔，抽采钻孔开孔位置位于气压相对较低的密闭墙附近，钻孔终孔位置位于采空区上部瓦斯富集的区域；

钻孔施工时选择用水排渣，通过用水排渣法判断钻孔是否已经钻进至采空区上部瓦斯富集的区域；

调节两侧闭墙内的气压差，促进采空区瓦斯向抽采钻孔侧流动；

对老采空区瓦斯抽采进行安全防范。

优选的是，所述瓦斯气流高压区域为顶板裂隙“O”型圈区域。

在上述任一方案中优选的是，所述抽采钻孔终孔口位于顶板裂隙“O”型圈。由于老采空区裂隙带具有丰富的瓦斯资源，顶板裂隙“O”型圈附近瓦斯浓度极高，因此将钻孔的终孔设置于顶板裂隙“O”型圈在瓦斯开采过程中瓦斯浓度高，流量大。

在上述任一方案中优选的是，所述抽采钻孔终孔口位于顶板裂隙“O”型圈的上界面、下界面或上下界面之间的的至少一个位置。

在上述任一方案中优选的是，所述抽采钻孔优选三个，所述三个采钻孔终孔口分别位于顶板裂隙“O”型圈上界面，下界面和上下界面之间。所述抽采孔的数目可根据实际的开采情况，也可以优选为少于三个，优选为一个或者两个，也可以根据实际开采情况优选为大于三个，优选为四个、五个或者更多。

在上述任一方案中优选的是，所述顶板裂隙“O”型圈为3至5倍采高，所述抽采钻孔终孔口高度分别距煤层顶板3至5倍采高区域内。所述开采孔的终孔高度根据顶板裂隙“O”型圈决定，当顶板裂隙“O”型圈为3至4倍采高时，所述抽采钻孔终孔口高度分别距煤层顶板3至4倍采高区域内。

在上述任一方案中优选的是，，所述抽采钻孔为三个，终孔高度分别距煤层顶板3倍、3.5倍、5倍采高，优选为终孔高度分别距煤层顶板3倍、3.5倍、4倍采高。

在上述任一方案中优选的是，所述三个抽采钻孔分别内错采空区10m、15m、20m。

在上述任一方案中优选的是，用水排渣同时，钻进至所述开孔口不返水为止。

在上述任一方案中优选的是，设置临时控风装置，降低老采空区抽采钻孔侧密闭墙外气压，同时增加另一侧密闭墙外气压。

在上述任一方案中优选的是，临时控风装置位于密闭墙非密封的一侧，临时控风装置设置在老采空区两侧不同位置。

在上述任一方案中优选的是，临时控风设施为采空区顺槽内设置的调节风窗，所述调节风窗优选设置于顺槽内距离横贯10至30米处，优选为20米。

在上述任一方案中优选的是，抽采钻孔连接于矿井低负压抽采系统。

在上述任一方案中优选的是，开孔口抽采负压为6至10KPa。

在上述任一方案中优选的是，所述安全防范包括在在抽采管路设置安全监控装置。

在上述任一方案中优选的是，所述安全监控装置包括自然发火指标气体浓度的监测设备。

在上述任一方案中优选的是，所述自然发火指标气体浓度的监测设备包括CO、C₂H₂、C₂H₄和C₂H₆传感装置中的至少一种。

在上述任一方案中优选的是，所述安全防范包括在抽采管路上安设瓦斯抽采参数

在上述任一方案中优选的是，所述安全防范包括设置阻爆抑爆装置。

在上述任一方案中优选的是，所述阻爆抑爆装置为喷粉阻爆抑爆装置。

本发明提供了一种利用老采空区已有的地下系统进行老采空区瓦斯的抽采方法。本发明钻孔开口于密闭墙附近采空区漏风气流的低压区域，并钻孔至具有高浓度瓦斯的裂隙层。本发明的有益技术效果在于克服了现有技术中井上开采难度系数高、资金设备投入巨大、后期维护难以及现有的井下开采瓦斯浓度低、流量小的技术问题，提高了老采空区瓦斯抽采的安全性，同时可获得高浓度、大流量的瓦斯，具有可观的经济效益和收益率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法的工作面巷道布置示意的一优选实施例的示意图；

图2为本发明的用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法采空区抽采孔平面的一优选实施例的示意图；

图3为按照本发明的用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法的采空区抽采孔图2所示实施例的侧视图；

图4为按照本发明的用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法的调节风窗设置位置的一优选实施例的示意图。

附图标记：1采空区，2工作面停采线，3密闭墙，4横贯，5外U回风顺槽，6回风顺槽，7胶带顺槽，8辅运顺槽，9第一调节风窗，10第二调节风窗，11顶板裂隙“0”型圈，12煤层。

实施例1

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明涉及的煤矿老采空区瓦斯抽采方法，钻孔数目不局限与本实施例中的三个，钻孔终孔的位置可位于顶板裂隙“O”型圈区域任何具有高浓度瓦斯的区域，而不局限于本实施例中的特定高度。

当工作面停采后，由切眼、两巷、停采线组成采空区1顶板裂隙“O”型圈11，甲烷气体密度较轻，上升至裂隙带附近，使这一区域具有高度的瓦斯，因此裂隙“O”型圈11为瓦斯抽采通道，钻孔与其沟透后，能够抽采出高浓度、大流量的瓦斯。

本发明提供一种用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法，以在保证安全的前提下从老采空区抽采出高浓度、大流量的瓦斯。

实施例1为本发明一种用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法的优选实施例。根据本发明的技术方案，实施例1中钻孔终孔口位于采空区1内瓦斯气流高压区域，优选为顶板裂隙“O”型圈。在本实施例中，终孔口位于顶板裂隙“O”型圈区域，终孔高度分别距煤层12顶板3倍、3.5倍、4倍采高。

采空区1顶板裂隙“O”型圈11高度受顶板岩性、回采工艺、停采时间等较多因素影响，其具体高度有不确定性。本发明的技术方案中钻孔施工时选择用水排渣，选择用水排渣的另一个作用在于判断钻孔已经钻进至顶板裂隙“O”型圈11。在实际操作中，当钻进至顶板裂隙“O”型圈11时，排渣水流就会进入顶板岩层裂隙中，因此以钻孔口不返水作为判断钻孔是否已经钻进至顶板裂隙“O”型圈11的依据，即实际施工时，钻进至开孔口不返水为止。

在采空区1封闭后，一般会存在一定的漏风，漏风量的大小取决于闭墙的密闭质量和采空区1两侧的气压差，采空区瓦斯在漏风流的带动下由高压侧向低压侧流动并积聚，最终通过漏风通道流向采空区1外部。本发明利用这一特点，在瓦斯抽采方法中进行改进，利用采空区瓦斯在漏风流的作用下由高压侧向低压侧流动并积聚这一特点，选择钻孔的位置，提高瓦斯钻采的浓度和流量。因此在进行采空区瓦斯抽采时，为使瓦斯向抽采钻孔布置侧流动，通过适当措施降低该侧闭墙外气压，同时增加另一侧闭墙外气压。本发明通过设置临时控风设施达到上述目的，即通过设置一道调节风窗降低钻孔布置侧风压，另设一道调节风窗增加另一侧闭墙风压，从而使漏风流低压测和高压测的压差增加，提高了瓦斯抽采的浓度和效率。

在本实施例中，如图1所示，采空区1在工作面停止开采后，设置有工作面停采线2，对外U回风顺槽5、回风顺槽6、胶带顺槽7和辅运顺槽8都进行了封闭，其中外U回风顺槽5与回风顺槽6、胶带顺槽7与辅运顺槽8通过横贯4（联络巷）连接。

采空区1漏风风流的流动特点表明，采空区瓦斯会随着漏风从高压侧向低压侧流动，并在低压侧积聚，因此，采空区瓦斯抽采钻孔宜布置在密闭墙3内气压较低的一侧。在本实施例中，根据密闭墙3内的气压测量结果以及井下工作面巷道条件，选择在胶带顺槽7与辅运顺槽8之间的横贯4内布置抽采钻孔，如图2和图3所示。在该横贯4内布置1#、2#和3#共3个抽采钻孔，钻孔终孔口位于煤层12顶板裂隙带内，终孔高度分别距煤层12顶板3倍、3.5倍、4倍采高；钻孔终孔位置在平面投影上分别内错采空区1 10m、15m、20m。

如图4所示，为促进采空区瓦斯向抽采钻孔布置侧流动，根据该采空区1通风系统特点，在胶带顺槽7和回风顺槽6距离横贯4 20m处分别设置第一调节风窗9、第二调节风窗10。在胶带顺槽7设置第一调节风窗9后，相当于使胶带顺槽7和辅运顺槽8的密闭墙3外侧都处于胶带顺槽7的回风流中，降低了密闭墙3外的气压。同理，在回风顺槽6设置第二调节风窗10后，相当于使外U回风顺槽5和回风顺槽6的密闭墙3外侧都处于外U回风顺槽5的进风流中，增加了密闭墙3外的气压。

本发明提供的技术方案中抽采钻孔连接矿井低负压抽采系统，孔口抽采负压宜在6至10KPa。

为保证老采空区瓦斯抽采的安全性，本发明提供的技术方案采用全封闭式的抽采方法，并须对CO、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆等煤炭自然发火指标气体进行监测，发现采空区1遗煤有自燃倾向时立即关闭抽采钻孔，停止抽采。同时为进一步确保安全，在老采空区瓦斯抽采支管上装设阻爆抑爆装置。

实施例2

实施例2为本发明一种用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法的另一优选实施例。实施例2与实施例1具体实施方式相似。根据目前的煤矿开采经验数据，采空区1顶板裂隙“O”型圈11高度一般在3至5采高。因此，根据本发明提供的技术方案，实施例2提供的技术方案中，每个采空区1设计一组共3个抽采钻孔（钻孔孔径根据设计的抽采量计算得到），抽采钻孔开孔位置位于采空区1最后一道密闭墙3附近，钻孔终孔点位于采空区1顶板裂隙“O”型圈11，分别内错采空区1 10m、15m、20m，终孔高度分别距煤层12顶板3倍、3.5倍、5倍采高。

实施例3

实施例3为本发明一种用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法的另一优选实施例。实施例3与实施例1具体实施方式相似，不同之处在于，在实施例3中，采空区1顶板裂隙“O”型圈11终孔高度为6个，终孔高度分别距煤层12顶板4倍、4.5倍、5倍采高。

实施例4

实施例4为本发明一种用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法的另一优选实施例。实施例4与实施例1具体实施方式相似，不同之处在于，在实施例4中，采空区1顶板裂隙“O”型圈11终孔高度为8个，终孔高度分别距煤层12顶板3倍、3.5倍、4倍、4.5倍、5倍采高。

实施例5

实施例5为本发明一种用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法的另一优选实施例。实施例5与实施例1采用相同的技术方案，不同之处在于，在实施例5中，为促进采空区1瓦斯向抽采钻孔布置侧流动，根据该采空区1通风系统特点，在胶带顺槽7和回风顺槽6距离横贯4 15m处分别设置第一调节风窗9、第二调节风窗10。

实施例6

实施例6为本发明一种用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法的另一优选实施例。实施例6与实施例1具有相似的实施方式，不同之处在于，在实施例6中，为促进采空区瓦斯向抽采钻孔布置侧流动，根据该采空区1通风系统特点，在胶带顺槽7和回风顺槽6距离横贯4 25m处分别设置发的、第一调节风窗9、第二调节风窗10。

实施例7

实施例7为本发明一种用于抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法的另一优选实施例。实施例7与实施例1具体实施方式相似，不同之处在于，在实施例7中，采空区1顶板裂隙“O”型圈11钻孔终孔的个数为4个，终孔高度分别距煤层12顶板3倍、3.5倍、5倍采高。

本发明通过在采空区已有通道内进行钻孔，避免了在裂隙带直接钻孔，降低了施工难度、事故发生率，同时提高了成孔率和抽采瓦斯产量，降低了施工成本。同时本发明钻孔开口于密闭墙3附近采空区漏风气流的低压区域，并钻孔至具有高浓度瓦斯的裂隙层。在利用老采空区内漏风气流的特点的同时，本发明所提供的抽采煤矿老采空区瓦斯的抽采方法还进一步的降低采空区漏风流低压侧密闭墙外气压，同时增加另一侧密闭墙外气压，进一步提高了瓦斯的抽采的浓度和流量。具有可观的经济效益和收益率。