底板岩石巷道联合钻孔爆破卸压强化瓦斯抽采的方法
技术领域
本发明涉及矿业工程领域预抽条带煤层瓦斯的方法，尤其涉及一种底板岩石巷道卸压抽采煤层瓦斯的方法。
背景技术
预抽煤层瓦斯可以有效防治矿井瓦斯灾害，降低煤层瓦斯含量并减少温室气体排放。据统计我国百分之七十的煤炭矿井煤层地应力高，透气性差，瓦斯抽采困难且效率较低，上述条件严重制约煤层瓦斯抽采技术的实施效果，对矿井安全生产造成巨大威胁。
针对上述问题，有效的煤层卸压增透成为矿井瓦斯动力灾害防治、强化煤层瓦斯抽采的有效方法之一。它的基本思路是通过释放煤层所受应力，使得煤层孔裂隙发育扩展以提高煤层透气性，增加瓦斯气体运移通道，增强瓦斯解吸扩散与渗透能力，从而改善瓦斯抽采效果。当前煤层增透技术中应用最为广泛和有效的手段之一便是开采保护层，其在我国矿井中取得较佳的卸压增透效果，但是我国很多矿井面临煤层间距太大保护层开采卸压效果不佳或者无保护层可采的情况。
因而在无保护层开采情况下，为防止工作面煤巷掘进过程中瓦斯动力灾害事故的发生，矿井多采用底板岩巷穿层钻孔预抽煤层条带瓦斯的方法降低煤层瓦斯含量。然而，单纯底板岩巷的布置并不能有效增加煤层透气性以至于穿层钻孔抽采瓦斯效果有限。同时在煤层开采时工作面本煤层瓦斯抽采过程中，煤层应力依然较高，渗透率仍然较低，抽采效果不佳。上述问题严重制约底板岩巷穿层钻孔在瓦斯灾害防治及瓦斯抽采利用上的发展和应用。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种底板岩石巷道联合钻孔爆破卸压强化瓦斯抽采的方法，通过底板岩石巷道联合钻孔爆破形成卸压区域以降低上覆煤层应力，增大煤层裂隙发育程度，增加煤层透气性与渗透率，提高煤层瓦斯预抽效果。
为实现本发明的上述目的，本发明提供的底板岩石巷道联合钻孔爆破卸压强化瓦斯抽采的方法包括：
对需进行瓦斯抽采的煤层底板下方的稳定坚硬岩层进行开掘，形成底板岩石巷道；
沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压爆破孔和多个穿层岩石卸压爆破孔；
利用顺层岩石卸压爆破孔和穿层岩石卸压爆破孔对煤层底板下方的岩层进行爆破处理以形成卸压区域，使得卸压区域上覆的煤层下沉、孔裂隙扩展；
待煤层下沉稳定后，沿底板岩石巷道走向方向施工多个垂直于岩石底板巷道走向方向且穿透煤层的穿层瓦斯抽采孔，以通过穿层瓦斯抽采孔抽采卸压区域煤层中的瓦斯气体。
其中，沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压爆破孔和多个穿层岩石卸压爆破孔之前，还包括如下步骤：
通过对底板岩石巷道所在岩层至煤层之间的岩石进行力学性质测定，获取岩石力学参数；
根据获取的岩石力学参数，沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压爆破孔和多个穿层岩石卸压爆破孔。
其中，获取岩石力学参数后、沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压爆破孔和多个穿层岩石卸压爆破孔之前，还包括如下步骤：
根据获取的岩石力学参数，确定沿底板岩石巷道走向方向布置的顺层岩石卸压爆破孔和穿层岩石卸压爆破孔的相关参数。
其中，根据获取的岩石力学参数，确定沿底板岩石巷道走向方向布置的顺层岩石卸压爆破孔和穿层岩石卸压爆破孔的相关参数包括：
根据获取的岩石力学参数，确定沿底板岩石巷道走向方向布置的顺层岩石卸压爆破孔和穿层岩石卸压爆破孔的相关模拟参数；
根据所述相关模拟参数，确定沿底板岩石巷道走向方向布置的顺层岩石卸压爆破孔和穿层岩石卸压爆破孔的相关实际参数；
根据所述相关实际参数，沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压爆破孔和多个穿层岩石卸压爆破孔。
优选的，所述顺层岩石卸压爆破孔垂直于底板岩石巷道走向方向且与底板岩石巷道所在岩层平行。
优选的，所述穿层岩石卸压爆破孔与水平面具有夹角，其向底板岩石巷道的投影垂直于底板岩石巷道走向。
其中，沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压爆破孔和多个穿层岩石卸压爆破孔的同时，还包括如下步骤：
沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压空孔和穿层岩石卸压空孔，以便顺层岩石卸压空孔、穿层岩石卸压空孔与顺层岩石卸压爆破孔、穿层岩石卸压爆破孔配合，在煤层下伏岩层中形成所述卸压区域。
优选的，沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压空孔和穿层岩石卸压空孔包括：
根据获取的所述岩石力学参数，沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压空孔和穿层岩石卸压空孔。
其中，获取岩石力学参数后、沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压空孔和穿层岩石卸压空孔之前，还包括如下步骤：
根据获取的岩石力学参数，确定沿底板岩石巷道走向方向布置的多个顺层岩石卸压空孔和穿层岩石卸压空孔的相关参数。
优选的，根据获取的岩石力学参数，确定沿底板岩石巷道走向方向布置的顺层岩石卸压空孔和穿层岩石卸压空孔的相关参数包括：
根据获取的岩石力学参数，确定沿底板岩石巷道走向方向布置的顺层岩石卸压空孔和穿层岩石卸压空孔的相关模拟参数；
根据所述相关模拟参数，确定沿底板岩石巷道走向方向布置的顺层岩石卸压空孔和穿层岩石卸压空孔的相关实际参数；
根据所述相关实际参数，沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压空孔和多个穿层岩石卸压空孔。
优选的，所述顺层岩石卸压爆破孔的周边均布设置多个顺层岩石卸压空孔，所述穿层岩石卸压爆破孔的周边均布设置多个穿层岩石卸压空孔。
优选的，所述顺层岩石卸压空孔垂直于底板岩石巷道走向方向且与底板岩石巷道所在岩层平行。
优选的，所述穿层岩石卸压空孔与水平面具有夹角，其向底板岩石巷道的投影垂直于底板岩石巷道走向。
优选的，靠近底板岩石巷道入口的第一排顺层与穿层岩石卸压钻孔和出口最后一排顺层与穿层卸压钻孔分别为空孔。
优选的，所述岩石力学参数包括岩石坚固系数、单轴抗压和抗剪强度、摩擦角、粘聚力。
与现有技术相比，本发明的底板岩石巷道联合钻孔爆破卸压强化瓦斯抽采的方法具有如下优点：
1、本发明实施例的方法，不受煤层与瓦斯赋存条件限制，可应用的范围广。
2、本发明实施例的方法，通过爆破在煤层与底板岩石巷道之间的岩层形成卸压区域，有效释放上覆煤层应力并提供煤层下沉空间，煤层在下沉过程中发生剪切与拉伸破坏产生大量孔裂隙，大幅提高煤层透气性。
3、本发明实施例的方法，爆破过程所产生的地震波与振动对煤层的煤体造成二次损伤，进一步增加了瓦斯运移渗流通道，利于瓦斯抽采。增加煤层透气性与渗透率，提高煤层瓦斯预抽效果。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例底板岩石巷道联合钻孔爆破卸压强化煤层瓦斯抽采的工艺图；
图2为图1中A-A剖面图；
图3为图1中B-B剖面图；
图4为本发明实施例底板岩石巷道联合钻孔爆破卸压强化煤层瓦斯抽采方法的流程图。
附图标记说明：1、顺层岩石卸压空孔；2、顺层岩石卸压爆破孔；3、穿层瓦斯抽采孔；4、底板岩石巷道；5、穿层岩石卸压空孔；6、穿层岩石卸压爆破孔；7、煤层；8、岩层。
具体实施方式
如图4所示，为本发明提供的底板岩石巷道联合钻孔爆破卸压强化瓦斯抽采方法的流程图，由图4可知，本发明方法包括：
对需进行瓦斯抽采的煤层底板下方的稳定坚硬岩层进行开掘，形成底板岩石巷道；
沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压爆破孔和多个穿层岩石卸压爆破孔；
利用顺层岩石卸压爆破孔和穿层岩石卸压爆破孔对煤层底板下方的岩层进行爆破处理以形成卸压区域，使得卸压区域上覆的煤层下沉、孔裂隙扩展；
待煤层下沉稳定后，沿底板岩石巷道走向方向施工多个垂直于岩石底板巷道走向方向且穿透煤层的穿层瓦斯抽采孔，以通过穿层瓦斯抽采孔抽采卸压区域煤层中的瓦斯气体。
其中，沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压爆破孔和多个穿层岩石卸压爆破孔的同时，还包括如下步骤：
沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压空孔和穿层岩石卸压空孔，以便顺层岩石卸压空孔、穿层岩石卸压空孔与顺层岩石卸压爆破孔、穿层岩石卸压爆破孔配合，在煤层下伏岩层中形成卸压区域。
本发明底板岩石巷道联合钻孔爆破卸压强化瓦斯抽采方法采用的技术原理，是在煤层底板下伏一定距离的岩层中开掘一条底板岩石巷道，用以预抽开采工作面条带煤层中的瓦斯气体。同时，在底板岩石巷道中布置顺层与穿层的联合爆破孔、空孔和穿层瓦斯抽采孔，通过顺层与穿层联合爆破孔与空孔在煤层下伏岩层中形成一层破碎的卸压层(即卸压区域)，使得卸压区域上覆煤层在地压与重力作用下下沉，运动过程中煤层应力释放，孔裂隙得以扩展，煤层透气性与渗透率得到增大。同时，爆破振动导致上覆煤层破裂程度加大，产生的裂隙网与煤层下沉运动扩展的裂隙网沟通，使得瓦斯扩散运移通道增加，进一步增强了瓦斯扩散与运移能力，可显著提高区域瓦斯治理能力与抽采效果。
依据上述技术原理，本发明底板岩石巷道联合钻孔爆破卸压强化瓦斯抽采的方法包括如下步骤：
S01、根据矿井实际情况，遵照相关法规准则选定需消除瓦斯突出危险性并进行瓦斯抽采的煤层所在区域。
S01、选择煤层底板下方较稳定坚硬岩层作为底板岩石巷道开掘层位，在保证巷道稳定性的前提下，尽量缩减底板岩石巷道与煤层间距。
S03、沿底板岩石巷道走向方向分别布置多个顺层岩石卸压爆破孔、顺层岩石卸压空孔和多个穿层岩石卸压爆破孔、穿层岩石卸压空孔：
开掘底板岩石巷道后，在底板岩石巷道4中钻取底板岩石巷道所在岩层至煤层7之间一个或多个岩层8的2–3个穿层钻孔(穿层钻孔即指穿过多个岩层的钻孔)，取出钻孔时得到的岩芯，以对岩层中岩石力学性质进行测定并获得岩石力学参数，测定所得的参数包括岩石坚固系数、单轴抗压和抗剪强度、摩擦角、粘聚力。
依据所获取的岩石力学参数及工程技术人员已有的理论与经验，确定关于顺层、穿层卸压钻孔及穿层瓦斯抽采孔的相关模拟参数，相关模拟参数包括炸药参数和孔参数，炸药参数包括炸药类型与用量，孔参数包括顺层岩石卸压爆破孔、顺层岩石卸压空孔、穿层岩石卸压爆破孔、穿层岩石卸压空孔和穿层瓦斯抽采孔的直径、间距与数量。
其中，顺层岩石卸压钻孔和穿层岩石卸压钻孔均包括爆破孔与空孔，爆破孔是对煤层底板岩石进行松动爆破使岩层破碎，释放上覆煤层应力，提供地震波与震动动力，增大煤体损伤程度；空孔为爆破孔提供爆破自由面和岩石破碎后的碎胀空间，为上覆煤层下沉提供空间。
在上述相关模拟参数的基础上，通过理论计算与数值模拟分析爆破后不同顺层、穿层卸压钻孔和穿层瓦斯抽采孔布置形式下的煤层下沉位移量、应力释放值、裂隙网扩展范围及瓦斯抽采效果，从而优化并确定卸压钻孔及穿层瓦斯抽采孔的相关实际参数，相应的，相关实际参数包括炸药实际参数和孔实际参数，炸药实际参数包括卸压爆破孔实际所采用的炸药类型与用量，孔实际参数包括顺层岩石卸压爆破孔、顺层岩石卸压空孔、穿层岩石卸压爆破孔、穿层岩石卸压空孔和穿层瓦斯抽采孔的直径、间距与数量。
根据上述步骤所确定的相关实际参数，沿底板岩石巷道走向方向布置多个顺层和穿层岩石爆破孔与空孔。其中，顺层岩石爆破孔与空孔垂直于底板岩石巷道走向方向且与底板岩石巷道所在岩层平行；穿层岩石爆破孔与空孔具有一定倾角，各孔向底板岩石巷道的投影同样垂直于底板岩石巷道走向。每一个爆破孔周边均布置n个空孔，n可以是4、5、6、7或者8。
优选的，靠近底板岩石巷道入口的第一排顺层与穿层岩石卸压钻孔和出口最后一排顺层与穿层卸压钻孔仅布置为空孔。
S04、按照上述步骤中已选定的炸药实际参数，在各爆破孔中装设雷管、导爆索、炸药。空孔空置，即，在顺层与穿层的各空孔中不装设任何物体。完成上述操作后，引爆爆破孔进行深孔卸压爆破，形成卸压区域，使得卸压区域上覆的煤层下沉、孔裂隙扩展。
S05、进行深孔卸压爆破后，待煤层下沉稳定沿底板岩石巷道走向方向由底板岩石巷道向煤层施工若干穿层瓦斯抽采孔，穿层瓦斯抽采孔垂直于岩石底板巷道走向方向且穿透煤层。其中，穿层瓦斯抽采孔用于抽采爆破卸压区域煤层中的瓦斯气体。穿层瓦斯抽采孔钻取后，立即将穿层瓦斯抽采孔与矿井瓦斯抽采系统连接，并对瓦斯抽采孔进行封孔。
下面，通过一个具体实施例对采用本发明方法降低具有煤与瓦斯突出倾向性工作面危险性的过程进行详细说明。
首先，根据矿井实际情况，遵照《煤矿安全规程》对于有煤与瓦斯突出倾向性的工作面首先确定回采煤巷预掘进位置，并将其坐落位置圈定为需进行瓦斯抽采的煤层区域。
其次，选择需要进行瓦斯抽采区域煤层底板下方的岩石坚固系数f大于6的较稳定坚硬岩层作为底板岩石巷道4开掘岩层位置，通常底板岩石巷道顶板距离煤层底板的垂直距离为15-50m之间。当煤层7底板下方存在多层坚硬稳定岩层(如图2所示为3层岩层8)时，在保证底板岩石巷道4稳定性的前提下，一方面，所选择岩石层位应尽量缩减底板岩石巷道与煤层底板的间距，以减少穿层钻孔施工长度；另一方面，应避免底板岩石巷道距离煤层底板太近，以防穿层钻孔时穿过起伏煤层(起伏煤层指煤层底板起伏较大的煤层)引发安全事故。
接着，在底板岩石巷道4中钻取底板岩石巷道所在岩层至煤层的2–3个取芯钻孔。取底板岩石巷道所在岩层岩芯的钻孔通常顺层布置，由巷道两帮钻取，钻孔倾角0°-5°，直径需大于25mm；取底板岩石巷道与煤层之间岩层岩芯的钻孔通常穿层布置，由巷道顶板钻取，钻孔倾角60°-90°，直径大于25mm。对所取出岩芯进行煤岩石力学性质测定，测定参数包括岩石坚固系数、单轴抗压和抗剪强度、摩擦角、粘聚力。
依据上述获取的岩石力学参数，通过理论计算或数值模拟分析爆破后不同顺层岩石卸压钻孔(顺层岩石卸压钻孔是指钻孔与其所钻取的岩层平行布置，通常只穿越一层岩层)、穿层岩石卸压钻孔(穿层岩石卸压钻孔是指钻孔穿越多层岩层，与多层岩层相交)与穿层瓦斯抽采孔布置型式下的煤层下沉位移量、应力释放值、裂隙网扩展范围及瓦斯抽采效果，从而优化并确定可以满足爆破后煤层应力得以充分释放并产生大量为瓦斯渗流提供通道的裂隙的炸药类型与用量，顺层岩石卸压爆破孔2、顺层岩石卸压空孔1、穿层岩石卸压爆破孔6、穿层岩石卸压空孔5和穿层瓦斯抽采孔3的直径、间距与数量。
其中，如图1-图3所示，顺层岩石卸压钻孔包括多个顺层岩石卸压爆破孔2和多个顺层岩石卸压空孔1，穿层岩石卸压钻孔包括多个穿层岩石卸压爆破孔6与多个穿层岩石卸压空孔。
通过数值模拟确定钻孔直径、间距与数量的过程如下：
依据工程技术人员已有理论与经验，基于矿井地质与工程条件针对顺层岩石卸压爆破孔2、顺层岩石卸压空孔1、穿层岩石卸压爆破孔6、穿层岩石卸压空孔5和穿层瓦斯抽采孔3的直径D、间距H与数量M，设定关于各孔的多组不同钻孔直径D、间距H与数量M的模拟计算方案。
依据工作面煤层与岩层赋存条件，构建与实际条件相同的数值计算模型，将上述步骤中所确定的岩石力学参数赋予数值计算模型中相应的各岩层与煤层中，并对岩层与煤层赋予莫尔库伦等本构关系(本构关系采用现有技术公式)。
对数值计算模型中的底板岩石巷道所在岩石层位开挖底板岩石巷道，并依据模拟计算方案中设定的钻孔直径D、间距H与数量M，布置顺层岩石卸压爆破孔2、顺层岩石卸压空孔1、穿层岩石卸压爆破孔6、穿层岩石卸压空孔5和穿层瓦斯抽采孔3。
对每一组方案计算后的煤层下沉位移量、应力释放值、裂隙网扩展范围及瓦斯抽采效果进行分析与对比，确定出一组瓦斯抽采效果最佳的计算方案，并将该计算方案中对应的钻孔直径D、间距H与数量M作为相关实际参数。
依据上述步骤中确定的相关实际参数中的爆破参数，沿底板岩石巷道走向方向(如1和图3中箭头所示)布置若干顺层和穿层的岩石卸压爆破孔与空孔。顺层岩石卸压爆破孔2与空孔1垂直于底板岩石巷道走向方向且与底板岩石巷道所在岩层平行；穿层岩石卸压爆破孔6和空孔5分别与水平面之间存在一定倾角，且孔向水平面投影同样垂直于底板岩石巷道走向。在每一个穿层与顺层的岩石卸压爆破孔周边均可布置4-8个空孔。
优选的，靠近底板岩石巷道入口的第一排顺层与穿层岩石卸压钻孔和出口最后一排顺层与穿层卸压钻孔作为空孔布置。
按照上述步骤中已选定的炸药实际参数，在每个顺层岩石卸压爆破孔2、穿层岩石卸压爆破孔6中分别装设炸药、一根雷管和一根导爆索，而顺层岩石卸压空孔1与穿层岩石卸压空孔5中空置不装设任何物体。完成上述操作后引爆爆破孔中炸药进行深孔卸压爆破。
进行深孔卸压爆破后，待煤层下沉量趋近于0时即表明煤层已保持稳定。此时，可沿底板岩石巷道走向方向由底板岩石巷道向煤层施工若干穿层瓦斯抽采孔3，穿层瓦斯抽采孔3垂直于岩石底板巷道走向方向且穿透煤层，以通过穿层瓦斯抽采孔抽采煤层中瓦斯。
穿层瓦斯抽采孔3钻取后，立即将穿层瓦斯抽采孔与矿井瓦斯抽采系统连接，并对瓦斯抽采孔使用超高水或水泥封堵材料进行注浆封孔以减少负压抽采过程中空气进入量。
综上所述，本发明的底板岩石巷道联合钻孔爆破卸压强化瓦斯抽采的方法，不受煤层与瓦斯赋存条件限制，可应用的范围广；通过爆破在煤层与底板岩石巷道之间的岩层形成卸压区域，有效释放上覆煤层应力并提供煤层下沉空间，煤层在下沉过程中发生剪切与拉伸破坏产生大量孔裂隙，大幅提高煤层透气性；而爆破过程所产生的地震波与振动对煤层的煤体造成二次损伤，进一步增加了瓦斯运移渗流通道，利于瓦斯抽采。增加煤层透气性与渗透率，提高煤层瓦斯预抽效果。
尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。
