本發(fā)明涉及一種煤礦瓦斯的精準(zhǔn)抽采方法，尤其適用于煤礦井下含瓦斯煤層的瓦斯精準(zhǔn)高效抽采，包括鉆孔終孔點(diǎn)的準(zhǔn)確定位和瓦斯抽采量與殘余瓦斯含量的準(zhǔn)確量化，從而能避免抽采鉆孔設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的瓦斯抽采空白帶。

背景技術(shù)：

通過(guò)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采是瓦斯防治的主要措施。由于我國(guó)煤層透氣性較差，地面鉆井影響范圍小、抽放效果差，大多通過(guò)在煤礦井下施工小直徑鉆孔進(jìn)行抽采，這些鉆孔施工簡(jiǎn)單、數(shù)量較多。但是目前來(lái)看，抽采效果不理想，這其中主要的原因是煤層與其它較硬的巖石相比相對(duì)較軟、距離又短，導(dǎo)致鉆孔的施工軌跡很難控制，鉆孔的實(shí)際見(jiàn)煤長(zhǎng)度和終孔點(diǎn)到底落在何處并不是很清楚。然而，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)大都基于鉆孔是從開(kāi)孔點(diǎn)施工的直線鉆孔的假設(shè)，沒(méi)有準(zhǔn)確定位鉆孔的終點(diǎn)位置。而且，鉆孔的軌跡也不是完全呈直線形態(tài)，從而導(dǎo)致對(duì)每個(gè)鉆孔到底能夠抽采多少瓦斯量形成誤判。此外，由于我國(guó)煤層賦存不穩(wěn)定，煤層厚度變化大，以往的設(shè)計(jì)也都假設(shè)煤層賦存是穩(wěn)定的，各處厚度一直，走向和傾向的角度不變化，造成設(shè)計(jì)參數(shù)相同的鉆孔可能抽采的瓦斯量存在較大差異。上述原因都會(huì)導(dǎo)致對(duì)每個(gè)鉆孔抽采的瓦斯量計(jì)算不準(zhǔn)確，形成瓦斯抽采空白帶，后期煤巷掘進(jìn)過(guò)程中極易遇到瓦斯超限問(wèn)題，帶來(lái)安全隱患，威脅礦工生命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是針對(duì)煤礦瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)和施工不精確，導(dǎo)致煤層瓦斯抽采時(shí)空不均，存在抽采空白帶的問(wèn)題，提供一種煤礦瓦斯的精準(zhǔn)抽采方法，通過(guò)采用煤層賦存精準(zhǔn)定位和瓦斯鉆孔精確設(shè)計(jì)的方法，實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯的精準(zhǔn)抽采，提高瓦斯治理的針對(duì)性。

技術(shù)方案：本發(fā)明的煤礦瓦斯的精準(zhǔn)抽采方法，包括如下步驟：

(a)在煤層的待抽采區(qū)域進(jìn)行地層剖面掃描；

(b)在地層剖面掃描區(qū)域施工地層探測(cè)鉆孔；

(c)描繪待抽采區(qū)域的煤層走向、傾向、煤層厚度變化趨勢(shì)圖；

(d)根據(jù)待抽采區(qū)域的煤層參數(shù)和瓦斯抽采達(dá)標(biāo)要求，確定需要施工的鉆孔數(shù)量及其具體施工參數(shù)；

(e)在待施工位置固定鉆機(jī)，并在鉆機(jī)的鉆頭內(nèi)部安裝陀螺儀和內(nèi)窺攝像頭；

(f)利用鉆機(jī)在煤層中施工并跟蹤一組各種不同施工參數(shù)鉆孔的軌跡，記錄鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)施工參數(shù)與實(shí)際見(jiàn)煤點(diǎn)坐標(biāo)和孔底坐標(biāo)；

(g)根據(jù)鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)施工參數(shù)與鉆孔實(shí)際見(jiàn)煤點(diǎn)參數(shù)的三維方位關(guān)系，調(diào)整鉆孔開(kāi)孔施工參數(shù)；

(h)將鉆孔連接到抽采管路，并安裝孔口流量計(jì)，記錄不同鉆孔瓦斯抽采流量和單米瓦斯抽采流量；

(i)根據(jù)調(diào)整后的鉆孔施工參數(shù)和單米瓦斯抽采流量，設(shè)計(jì)并精確施工其它鉆孔至預(yù)定設(shè)計(jì)的鉆孔位置，施工完畢后密封鉆孔，進(jìn)行瓦斯抽采。

所述步驟(a)中的地層剖面采用地層剖面儀，施工地點(diǎn)在煤層底板巷道中沿巷道掘進(jìn)方向掃描。

所述步驟(b)中的地層探測(cè)鉆孔應(yīng)施工穿過(guò)見(jiàn)煤段，直至不排出煤渣為止。

所述步驟(c)中的待抽采區(qū)域的煤層走向、傾向、煤層厚度變化趨勢(shì)圖描繪方法采用地層剖面儀掃描和鉆孔坐標(biāo)修正相結(jié)合的綜合判定方法：首先用地層剖面儀確定含煤地層的走向趨勢(shì)，然后利用鉆孔坐標(biāo)劃定煤層的準(zhǔn)確邊界。

所述步驟(f)中的實(shí)際煤層底板和頂板見(jiàn)煤點(diǎn)坐標(biāo)，利用內(nèi)窺攝像頭記錄鉆孔底板見(jiàn)煤點(diǎn)和頂板見(jiàn)煤終點(diǎn)各自的對(duì)應(yīng)軌跡點(diǎn)，然后在陀螺儀記錄的鉆孔軌跡點(diǎn)上對(duì)應(yīng)確定具體的坐標(biāo)數(shù)值。

所述步驟(g)中的調(diào)整鉆孔施工參數(shù)方法為：首先調(diào)整方位角，使實(shí)際鉆孔軌跡的頂板見(jiàn)煤點(diǎn)與設(shè)計(jì)頂板見(jiàn)煤點(diǎn)在與巷道垂直方向上的水平投影長(zhǎng)度相同，然后根據(jù)鉆孔在巷道方向上的偏移量沿偏移方向的反方向調(diào)整開(kāi)孔位置。

有益效果：由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明通過(guò)實(shí)施煤礦瓦斯的精準(zhǔn)抽采方法，一方面可以準(zhǔn)確獲知煤層和瓦斯的賦存情況，并根據(jù)煤層和瓦斯的實(shí)際賦存情況，精確設(shè)計(jì)瓦斯抽采方案；另一方面可以根據(jù)鉆孔軌跡特征，通過(guò)調(diào)整施工參數(shù)，準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)定鉆孔設(shè)計(jì)位置，從而避免了工程技術(shù)人員對(duì)煤層和瓦斯賦存變化情況了解不夠精確，而導(dǎo)致的煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)不到位、造成存在抽采空白帶的問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)跟蹤定位鉆孔的實(shí)際軌跡，避免了對(duì)鉆孔實(shí)際軌跡和見(jiàn)煤點(diǎn)位置難以定位的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采量的準(zhǔn)確評(píng)估，進(jìn)而判斷煤層的殘余瓦斯含量，為煤層后期開(kāi)采或掘進(jìn)時(shí)的瓦斯防治提供參考。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的實(shí)施流程示意圖。

圖2是本發(fā)明的煤層走向、傾向、煤層厚度變化趨勢(shì)探測(cè)方法示意圖。

圖3是本發(fā)明的鉆孔設(shè)計(jì)和實(shí)際軌跡剖面示意圖。

圖4是本發(fā)明的鉆孔開(kāi)孔方位角、傾角和鉆孔長(zhǎng)度與鉆孔實(shí)際見(jiàn)煤點(diǎn)坐標(biāo)、孔底坐標(biāo)和三維鉆孔軌跡的對(duì)應(yīng)關(guān)系原理立體示意圖。

圖5是本發(fā)明的設(shè)計(jì)軌跡、實(shí)際鉆孔軌跡和糾偏后的鉆孔軌跡在水平面上的相對(duì)關(guān)系投影示意圖。

圖中：圖中：1－底板巷道；2－含煤地層；3－煤層；4－地層探測(cè)鉆孔；5－鉆孔實(shí)際底板見(jiàn)煤點(diǎn)；6－鉆孔實(shí)際頂板見(jiàn)煤終點(diǎn)；7－煤層底板；8－煤層頂板；901～907－實(shí)際施工鉆孔；10－設(shè)計(jì)鉆孔；11－鉆孔設(shè)計(jì)底板見(jiàn)煤點(diǎn)；12－鉆孔設(shè)計(jì)頂板見(jiàn)煤終點(diǎn)；13－鉆孔的實(shí)際方位角；14－糾偏后的鉆孔方位角；15－鉆孔的設(shè)計(jì)方位角；16－實(shí)際鉆孔軌跡的水平投影；17－設(shè)計(jì)鉆孔軌跡的水平投影；18－糾偏后鉆孔軌跡的水平投影。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明的煤礦瓦斯的精準(zhǔn)抽采方法，包括以下步驟：

(a)在煤層的待抽采區(qū)域進(jìn)行地層剖面掃描；所述地層剖面掃描采用地層剖面儀，施工地點(diǎn)在煤層底板巷道中沿巷道掘進(jìn)方向掃描；

(b)在地層剖面掃描區(qū)域施工地層探測(cè)鉆孔；所述地層探測(cè)鉆孔應(yīng)施工穿過(guò)見(jiàn)煤段，直至不排出煤渣為止；

(c)描繪待抽采區(qū)域的煤層走向、傾向、煤層厚度變化趨勢(shì)圖；所述待抽采區(qū)域的煤層走向、傾向、煤層厚度變化趨勢(shì)圖描繪方法采用地層剖面儀掃描和鉆孔坐標(biāo)修正相結(jié)合的綜合判定方法：首先用地層剖面儀確定含煤地層的走向趨勢(shì)，然后利用鉆孔坐標(biāo)劃定煤層的準(zhǔn)確邊界；

(d)根據(jù)待抽采區(qū)域的煤層參數(shù)和瓦斯抽采達(dá)標(biāo)要求，確定需要施工的鉆孔數(shù)量及其具體施工參數(shù)；

(e)在待施工位置固定鉆機(jī)，并在鉆機(jī)的鉆頭內(nèi)部安裝陀螺儀和內(nèi)窺攝像頭；

(f)利用鉆機(jī)在煤層中施工并跟蹤一組各種不同施工參數(shù)鉆孔的軌跡，記錄鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)施工參數(shù)與鉆孔實(shí)際見(jiàn)煤點(diǎn)坐標(biāo)和孔底坐標(biāo)，即記錄實(shí)際鉆孔的方位角、傾角、煤層底板和頂板見(jiàn)煤點(diǎn)坐標(biāo)、以及孔長(zhǎng)；所述實(shí)際見(jiàn)煤點(diǎn)坐標(biāo)和孔底坐標(biāo)，采用陀螺儀和內(nèi)窺攝像頭相結(jié)合的方法確定，即內(nèi)窺攝像頭記錄鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)和孔底各自的對(duì)應(yīng)軌跡點(diǎn)，然后對(duì)應(yīng)確定陀螺儀記錄的鉆孔軌跡點(diǎn)上的坐標(biāo)數(shù)值；

(g)將鉆孔連接到抽采管路，并安裝孔口流量計(jì)，記錄不同鉆孔瓦斯抽采流量和單米瓦斯抽采流量；

(h)根據(jù)鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)施工參數(shù)與鉆孔實(shí)際見(jiàn)煤點(diǎn)參數(shù)的三維方位關(guān)系，調(diào)整鉆孔開(kāi)孔參數(shù)；所述步驟(h)中調(diào)整鉆孔施工參數(shù)的方法為：首先調(diào)整方位角，使實(shí)際鉆孔軌跡的頂板見(jiàn)煤點(diǎn)與設(shè)計(jì)頂板見(jiàn)煤點(diǎn)在與巷道垂直方向上的水平投影長(zhǎng)度相同，然后根據(jù)在巷道方向上的偏移量沿偏移方向的反方向調(diào)整開(kāi)孔點(diǎn)坐標(biāo)。

(i)根據(jù)調(diào)整后的鉆孔施工參數(shù)，精確施工至預(yù)定設(shè)計(jì)的鉆孔位置，施工完畢后密封鉆孔，進(jìn)行瓦斯抽采。

下面結(jié)合附圖中的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

某煤礦煤層瓦斯含量為12m³/t，地勘煤層厚度4m，煤層下方施工有底板巷道，該底板巷道長(zhǎng)1km，底板巷道離煤層的垂直距離為10m，通過(guò)在底板巷道內(nèi)施工穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，使預(yù)抽區(qū)域的瓦斯含量降低至8m³/t以下。預(yù)抽區(qū)域長(zhǎng)、寬分別要求為30m和4m，煤炭密度為1.2t/m³，則可以有效控制的煤炭?jī)?chǔ)量共有576噸。原先設(shè)計(jì)7個(gè)鉆孔，預(yù)抽6個(gè)月可以抽采瓦斯2304m³，從而可以使殘余瓦斯含量達(dá)到8m³/t以下。

如圖2所示，首先在煤層的底板巷道1內(nèi)，利用地層剖面儀沿底板巷道的掘進(jìn)方向勻速掃描含煤煤層2，探測(cè)煤層3的大體走向趨勢(shì)；掃描完畢后，在巷道內(nèi)安設(shè)鉆機(jī)，靠近鉆頭的鉆桿內(nèi)安裝孔內(nèi)窺視儀和陀螺儀，沿巷道每隔10米施工向煤層垂直一個(gè)地層探測(cè)鉆孔4，該鉆孔還可用于后期瓦斯抽采，記錄鉆孔實(shí)際底板見(jiàn)煤點(diǎn)5和鉆孔實(shí)際頂板見(jiàn)煤終點(diǎn)6位置，分別連接所有的底板見(jiàn)煤點(diǎn)和頂板見(jiàn)煤終點(diǎn)，獲得煤層底板7和煤層頂板8的準(zhǔn)確走向趨勢(shì)位置圖。同時(shí)，獲得設(shè)計(jì)預(yù)抽區(qū)域的實(shí)際煤層厚度為3.5m，小于地勘煤層厚度4m，則預(yù)抽區(qū)域的實(shí)際控制煤炭?jī)?chǔ)量有504噸。

然后，在底板巷道1內(nèi)，安設(shè)鉆機(jī)，施工完成后形成一組實(shí)際施工鉆孔901～907，如圖3所示；利用陀螺儀和內(nèi)窺攝像頭分別跟蹤記錄每個(gè)鉆孔的參數(shù)，獲得的鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際完工參數(shù)見(jiàn)表一；以907鉆孔為例，設(shè)計(jì)鉆孔和實(shí)際施工鉆孔的方位關(guān)系如圖4所示；。

表一鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際完工參數(shù)對(duì)應(yīng)表

備注：表中的角單位為“°”，坐標(biāo)和孔長(zhǎng)單位為“m”。

根據(jù)表一的數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆孔糾偏。以907鉆孔為例，首先調(diào)整鉆孔的實(shí)際方位角13至糾偏后的鉆孔方位角14，使得調(diào)整方位角后實(shí)際軌跡和設(shè)計(jì)鉆孔10的橫坐標(biāo)x一致，由于僅調(diào)整方位角不會(huì)改變鉆孔軌跡形狀，因此，糾偏后鉆孔軌跡的水平投影18的長(zhǎng)度l與實(shí)際鉆孔軌跡的水平投影16的長(zhǎng)度相同，即表一中907鉆孔的實(shí)際頂板見(jiàn)煤終點(diǎn)x坐標(biāo)值18.4m/cos336°＝20.1m，因此，設(shè)計(jì)鉆孔軌跡的水平投影17的x軸長(zhǎng)度lx與糾偏后鉆孔軌跡的水平投影18的長(zhǎng)度l的比值的反余弦值arcos(lx/l)＝41.7°，表一中907鉆孔的設(shè)計(jì)頂板見(jiàn)煤終點(diǎn)x坐標(biāo)15m，因此，糾偏后的鉆孔方位角14為360°-41.7°＝318.3°。

將調(diào)整方位角后的鉆孔再沿y軸偏移方向的反方向調(diào)整lp，lp等于實(shí)際施工鉆孔907進(jìn)行方位角糾偏后鉆孔軌跡的水平投影18在y軸的投影長(zhǎng)度lj減去設(shè)計(jì)鉆孔10在y軸的投影長(zhǎng)度ly，表一中鉆孔編號(hào)為907的設(shè)計(jì)頂板見(jiàn)煤終點(diǎn)y坐標(biāo)值1.3m，其中，lj＝l×sin(arcos(lx/l))＝12.2m，則lp＝lj-ly＝10.9m，從而獲得糾偏后的設(shè)計(jì)參數(shù)：方位角為318.3°、傾角42°、開(kāi)孔x坐標(biāo)為0m、y坐標(biāo)為-10.9m、z坐標(biāo)為0m。

最后，將糾偏并重新施工后的901～907鉆孔連接至瓦斯抽采管路，分別計(jì)量每個(gè)鉆孔6個(gè)月的累計(jì)單米瓦斯抽采量，填入表二。根據(jù)實(shí)際孔長(zhǎng)和實(shí)際單米瓦斯抽放量可知，6個(gè)月可累計(jì)抽采瓦斯量2816.8m³，則可使控制區(qū)域的瓦斯含量實(shí)際降低5.6m³/t，殘余瓦斯含量為6.4m³/t，達(dá)到要求。

表二鉆孔抽采流量設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際抽采參數(shù)對(duì)比表

由于鉆孔是沿巷道方向按組施工的，每組鉆孔的設(shè)計(jì)和施工參數(shù)是一樣的，因此，其它組鉆孔根據(jù)上述糾偏后的鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工，達(dá)到與該組鉆孔的預(yù)期設(shè)計(jì)效果，從而提高了設(shè)計(jì)和施工的準(zhǔn)確性。