阅读说明：本技术 近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采方法 (Method for extracting pressure-relief gas from adjacent layer mined by upper protection layer of close-distance thin coal seam group ) 是由 胡杰 吕贵春 冯康武 孙臣 张睿 刘志伟 邓华易 蒋昱行 肖乔 韩恩光 李思乾 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明属于煤层瓦斯抽采技术领域。涉及一种近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采方法,根据煤岩体破碎前的应力、裂隙、渗透率之间的关系,建立卸压瓦斯三维渗流模型,并根据煤体渗透率的大小,利用卸压瓦斯三维渗流模型将被保护层下的煤层划分为近场、远场及其它区域,针对不同区域采用不同的瓦斯抽采方式,以减少煤层中瓦斯涌出到上保护层工作面。本发明对近场内的煤层采用大直径顺层定向钻孔全覆盖抽采卸压瓦斯,远场内的煤层采用穿层钻孔层间卸压抽采卸压瓦斯,其它区域的煤层不进行瓦斯抽采；实现了近距离薄煤层群上保护层开采过程中邻近层瓦斯有效抽采与截流,有效控制上保护层开采过程中工作面瓦斯涌出,实现安全回采。(The invention belongs to the technical field of coal seam gas extraction. The method comprises the steps of establishing a pressure relief gas three-dimensional seepage model according to the relation among stress, cracks and permeability before a coal rock body is broken, dividing a coal bed under a protected layer into a near field, a far field and other areas by using the pressure relief gas three-dimensional seepage model according to the permeability of the coal body, and adopting different gas extraction modes aiming at different areas so as to reduce gas in the coal bed from flowing out to the working face of an upper protection layer. The method adopts large-diameter bedding directional drilling holes to fully cover and extract the pressure relief gas for the coal seams in the near field, adopts bedding drilling hole interlayer pressure relief and extracts the pressure relief gas for the coal seams in the far field, and does not extract the gas for the coal seams in other areas; the gas of the adjacent layer is effectively extracted and intercepted in the process of mining the upper protective layer of the short-distance thin coal seam group, the gas emission of the working face in the process of mining the upper protective layer is effectively controlled, and the safe extraction is realized.)

近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采方法

技术领域

本发明属于煤层瓦斯抽采技术领域，涉及一种近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采方法。

背景技术

保护层开采结合被保护层卸压瓦斯抽采已成为我国煤矿优先推广的一种区域瓦斯治灾技术，但对于近距离严重突出煤层群开采，首采层开采过程中面临抽采达标时间长、邻近层瓦斯涌出量大、采掘接替紧张等难题。采用上保护层开采的近距离薄煤层群而言，由于近距离被保护层卸压充分，卸压瓦斯沿着煤岩体中的裂隙向保护层工作面空间内运移流动，同时由于首采薄煤层通风空间小、通风能力有限，极易导致保护层工作面瓦斯超限，并形成重大的安全隐患；另外，卸压效果随着距离的增大而逐渐变差，较远距离的煤层卸压瓦斯对工作面瓦斯涌出影响如何尚不清楚。因此，更具针对性的治理邻近煤层群卸压瓦斯是在薄煤层群保护层开采过程中亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于降低煤层卸压瓦斯对工作面瓦斯涌出的影响，提出一种近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采方法，根据煤岩体破碎前的应力、裂隙、渗透率之间的关系，建立卸压瓦斯三维渗流模型，并根据煤体渗透率的大小，利用卸压瓦斯三维渗流模型将被保护层下的煤层进行区域划分，针对不同区域采用不同的瓦斯抽采方式，以减少煤层中瓦斯涌出到上保护层工作面。

进一步，将监测或计算得到的煤岩体参数赋值到卸压瓦斯三维渗流模型中，建立采场煤体渗透率分布的模型图，并根据模型图中煤体渗透率值分布情况，沿煤层埋深方向上划分出三维增渗区、水平增渗区及原始渗透区的范围；

三维增渗区为被保护层渗流区段的近场，水平增渗区为被保护层渗流区段的远场，并根据被保护层的层位及埋深位置关系，确定出近场和远场内的煤层；

对原始渗透区的煤层不进行瓦斯抽采，近场内的煤层采用大直径顺层定向钻孔全覆盖抽采卸压瓦斯；远场内的煤层采用穿层钻孔层间卸压抽采卸压瓦斯。

进一步，卸压瓦斯三维渗流模型建立过程如下：

裂隙的闭合或扩展受到正向应力影响，其裂隙承压闭合尺寸与正向应力的关系为：

其中，σ为正向应力；k₀为裂隙初始刚度；δ为裂隙闭合尺寸；δ_m为裂隙破坏前的极限宽度；

定义b为裂隙宽度，则b＝δ_m-δ，根据单个裂隙渗透率k与其裂隙宽度的平方成正比，即将σ代入得：

其中，σ₀＝k₀δ_m，为初始正应力；

由于为常数，定义一个无量纲渗透率得出：

初始应力状态下，σ＝σ₀，k_f取值为0.25，当0<k_f<0.25，正向应力大于初始正应力，煤体渗透率降低；k_f>0.25时，正向应力小于初始正应力，煤体渗透率增大；由此建立三向应力状态下三维渗流模型为：

其中x方向为工作面走向方向，y方向为工作面倾向方向，z方向为煤层埋深方向；k_xoy，k_xoz，k_yoz分别为沿xoy，xoz，yoz平面的无量纲渗透率；σ_x，σ_y，σ_z分别为沿x，y，z方向的地应力；σ_xo，σ_yo，σ_zo分别为x，y，z方向的初始地应力。

进一步，所述三维增渗区、水平增渗区及原始渗透区的划分方法为：在模型图中k_xoy、k_xoz、k_yoz值均大于0.25的区域为三维增渗区，k_xoz、k_yoz等于原始值0.25，k_xoy值仍大于0.25的区域为水平增渗区，其余区域为原始渗透区。

进一步，所述大直径顺层定向钻孔全覆盖抽采卸压瓦斯为采用本煤层瓦斯抽采模式进行瓦斯抽采，利用定向钻机由运输巷向回风巷进行钻工施工，施工钻孔为全煤段钻孔，实现钻孔在该煤层两巷道对穿，对煤层进行卸压抽采；

所述穿层钻孔层间卸压抽采卸压瓦斯为利用定向钻机进行钻孔施工，在最下部煤层底板巷向远场区段内的多煤层进行长钻孔穿层，对多个煤层同时进行卸压抽采。

进一步，所述近场内的煤层钻孔施工完毕后，在钻孔两端的孔口同时接上抽采计量装置进行近场内煤层的双向瓦斯抽采。

本发明的有益效果在于：

本发明通过建立卸压瓦斯三维渗流模型，将监测或计算得到的煤岩体参数赋值到卸压瓦斯三维渗流模型中，得到采场煤体渗透率分布模型图，根据煤体渗透率的大小，划分三维增渗区、水平增渗区及原始渗透区，原始渗透区的煤层不进行瓦斯抽采，近场内的煤层采用大直径顺层定向钻孔全覆盖抽采卸压瓦斯；远场内的煤层采用穿层钻孔层间卸压抽采卸压瓦斯；实现了近距离薄煤层群上保护层开采过程中邻近层瓦斯有效抽采与截流，有效控制上保护层开采过程中工作面瓦斯涌出，实现安全回采。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明中方法流程示意图；

图2为本发明实施过程示意图；

图3为图2中A-A剖视图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，为一种近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采方法的实施流程示意，根据煤岩体破碎前的应力、裂隙、渗透率之间的关系，建立卸压瓦斯三维渗流模型，并根据煤体渗透率的大小，利用卸压瓦斯三维渗流模型将被保护层下的煤层进行区域划分，针对不同区域采用不同的瓦斯抽采方式，以减少煤层中瓦斯涌出到上保护层工作面。

将监测或计算得到的煤岩体参数赋值到卸压瓦斯三维渗流模型中，建立采场煤体渗透率分布的模型图，并根据模型图中煤体渗透率值分布情况，沿煤层埋深方向上划分出三维增渗区、水平增渗区及原始渗透区的范围；其中，三维增渗区为被保护层渗流区段的近场，水平增渗区为被保护层渗流区段的远场，并根据被保护层的层位及埋深位置关系，确定出近场和远场内的煤层。

其中，对原始渗透区的煤层不进行瓦斯抽采，近场内的煤层采用大直径顺层定向钻孔全覆盖抽采卸压瓦斯；远场内的煤层采用穿层钻孔层间卸压抽采卸压瓦斯。

本实施例中，卸压瓦斯三维渗流模型建立过程如下：

裂隙的闭合或扩展受到正向应力影响，其裂隙承压闭合尺寸与正向应力的关系为：

其中，σ为正向应力；k₀为裂隙初始刚度；δ为裂隙闭合尺寸；δ_m为裂隙破坏前的极限宽度；

定义b为裂隙宽度，则b＝δ_m-δ，根据单个裂隙渗透率k与其裂隙宽度的平方成正比，即将σ代入得：

其中，σ₀＝k₀δ_m，为初始正应力；

由于为常数，定义一个无量纲渗透率得出：

初始应力状态下，σ＝σ₀，k_f取值为0.25，当0<k_f<0.25，正向应力大于初始正应力，煤体渗透率降低；k_f>0.25时，正向应力小于初始正应力，煤体渗透率增大；由此建立三向应力状态下三维渗流模型为：

其中x方向为工作面走向方向，y方向为工作面倾向方向，z方向为煤层埋深方向；k_xoy，k_xoz，k_yoz分别为沿xoy，xoz，yoz平面的无量纲渗透率；σ_x，σ_y，σ_z分别为沿x，y，z方向的地应力；σ_xo，σ_yo，σ_zo分别为x，y，z方向的初始地应力。

本实施例中，三维增渗区、水平增渗区及原始渗透区的划分方法为：在模型图中k_xoy、k_xoz、k_yoz值均大于0.25的区域为三维增渗区，k_xoz、k_yoz等于原始值0.25，k_xoy值仍大于0.25的区域为水平增渗区，其余区域为原始渗透区。

请参阅图3，大直径顺层定向钻孔全覆盖抽采卸压瓦斯为采用本煤层瓦斯抽采模式进行瓦斯抽采，利用定向钻机由运输巷向回风巷进行钻工施工，施工钻孔为全煤段钻孔，实现钻孔在该煤层两巷道对穿，对煤层进行卸压抽采；

请参阅图2，穿层钻孔层间卸压抽采卸压瓦斯为利用定向钻机进行钻孔施工，在最下部煤层底板巷向远场区段内的多煤层进行长钻孔穿层，对多个煤层同时进行卸压抽采。

在近场内的煤层钻孔施工完毕后，在钻孔两端的孔口同时接上抽采计量装置进行近场内煤层的双向瓦斯抽采。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。