一种用于瓦斯治理的地面复合L型钻井和瓦斯治理方法.pdf

本发明提供一种用于瓦斯治理的地面复合L型钻井和瓦斯治理方法。本发明的钻井，包括：水平井段和输出井段，水平井段位于第一开采层上方的冒落带和裂隙带之间，水平井段包括第一井道、第二井道和第三井道，第一井道位于第一开采层的采空区的上方，第二井道位于第一开采层的工作面的上方，第三井道位于所述第一开采层的待开采矿体的上方；工作面位于待开采矿体的一侧，采空区位于所述工作面远离待开采矿体的一侧；输出井段包括第一管道和第二管道；第二管道位于第一开采层的外侧，第一管道的第一管口与第三井道的第六开口端连通，第二管道的第四管口用于与地面相接。本发明用以抽采第一开采层的采空区富集的瓦斯。

1.  一种用于瓦斯治理的地面复合L型钻井，其特征在于，包括：水平 井段和输出井段，
所述水平井段位于所述第一开采层上方的冒落带和裂隙带之间，所述裂 隙带位于所述冒落带的上方，所述水平井段包括第一井道、第二井道和第三 井道，所述第一井道包括第一开口端和第二开口端，所述第二井道包括第三 开口端和第四开口端，所述第三井道包括第五开口端和第六开口端，所述第 一井道的第二开口端与第二井道的第三开口端连通，所述第二井道的第四开 口端与第三井道的第五开口端连通，所述第一井道位于所述第一开采层的采 空区的上方，所述第二井道位于所述第一开采层的工作面的上方，所述第三 井道位于所述第一开采层的待开采矿体的上方；所述工作面位于所述待开采 矿体的一侧，所述采空区位于所述工作面远离所述待开采矿体的一侧；
所述输出井段包括第一管道和第二管道；所述第二管道位于所述第一开 采层的外侧，所述第一管道包括第一管口和第二管口，所述第二管道包括第 三管口和第四管口，所述第一管道的第一管口与所述第三井道的第六开口端 连通，所述第一管道的第二管口与所述第二管道的第三管口连通，所述第二 管道的第四管口用于与地面相接。

2.  根据权利要求1所述的钻井，其特征在于，所述水平井段与所述第一 开采层的回风巷的水平投影间的距离小于第一预设距离，所述第一开采层还 包括进风巷，所述回风巷通过所述工作面与所述进风巷连通。

3.  根据权利要求1所述的钻井，其特征在于，所述第一开口端低于所述 第二开口端，和/或，
所述第三开口端低于所述第四开口端，和/或，
所述第五开口端低于所述第六开口端。

4.  根据权利要求1所述的钻井，其特征在于，所述水平井段的井道的侧 壁上具有向岩层延伸的裂隙。

5.  根据权利要求1所述的钻井，其特征在于，所述第一管道为弧形。

6.  根据权利要求1所述的钻井，其特征在于，所述第一管道的所述第一 管口低于所述第二管口。

7.  根据权利要求1所述的钻井，其特征在于，所述第二管道垂直于地面。

8.  根据权利要求1所述的钻井，其特征在于，还包括：设置于所述第四 管口处的负压施加装置。

9.  一种瓦斯治理方法，其特征在于，包括：
在矿产开采系统中设置如权利要求1-7任一所述的用于瓦斯治理的地面 复合L型钻井，所述矿产开采系统中包括至少一个第一开采层，以使在所述 第一开采层进行开采的过程中，所述第一开采层的采空区上方富集的瓦斯排 出井下。

10.  根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第一开采层进行开采的过程中，在所述钻井的第二管道的第四管 口处施加负压。

一种用于瓦斯治理的地面复合L型钻井和瓦斯治理方法
技术领域
本发明实施例涉及安全生产技术，尤其涉及一种用于瓦斯治理的地面复 合L型钻井和瓦斯治理方法。
背景技术
随着煤矿矿井开采强度加大，新建矿井和生成矿井向深部地层延伸， 瓦斯对安全生产的威胁也越来越大，瓦斯治理工作备受关注和重视。
瓦斯抽采是一种瓦斯治理措施，现有的井下瓦斯抽采技术，需要在井 下煤层中钻孔掘进专用瓦斯抽采巷道并设置抽采泵站。
这种方式需要统一协调煤矿开采和瓦斯抽采，瓦斯抽采效果和煤矿开 采效率难以兼顾。
发明内容
本发明提供一种用于瓦斯治理的地面复合L型钻井和瓦斯治理方法，以 克服需要统一协调煤矿开采和瓦斯抽采，瓦斯抽采效果和煤矿开采效率难以 兼顾的问题。
本发明的第一方面提供一种用于瓦斯治理的地面复合L型钻井，其特征 在于，包括：水平井段和输出井段，
所述水平井段位于所述第一开采层上方的冒落带和裂隙带之间，所述裂 隙带位于所述冒落带的上方，所述水平井段包括第一井道、第二井道和第三 井道，所述第一井道包括第一开口端和第二开口端，所述第二井道包括第三 开口端和第四开口端，所述第三井道包括第五开口端和第六开口端，所述第 一井道的第二开口端与第二井道的第三开口端连通，所述第二井道的第四开 口端与第三井道的第五开口端连通，所述第一井道位于所述第一开采层的采 空区的上方，所述第二井道位于所述第一开采层的工作面的上方，所述第三 井道位于所述第一开采层的待开采矿体的上方；所述工作面位于所述待开采 矿体的一侧，所述采空区位于所述工作面远离所述待开采矿体的一侧；
所述输出井段包括第一管道和第二管道；所述第二管道位于所述第一开 采层的外侧，所述第一管道包括第一管口和第二管口，所述第二管道包括第 三管口和第四管口，所述第一管道的第一管口与所述第三井道的第六开口端 连通，所述第一管道的第二管口与所述第二管道的第三管口连通，所述第二 管道的第四管口用于与地面相接。
进一步地，所述水平井段与所述第一开采层的回风巷的水平投影间的距 离小于第一预设距离，所述第一开采层还包括进风巷，所述回风巷通过所述 工作面与所述进风巷连通。
进一步地，所述第一开口端低于所述第二开口端，和/或，
所述第三开口端低于所述第四开口端，和/或，
所述第五开口端低于所述第六开口端。
进一步地，所述水平井段的井道的侧壁上具有向岩层延伸的裂隙。
进一步地，所述第一管道为弧形。
进一步地，所述第一管道的所述第一管口低于所述第二管口。
进一步地，所述第二管道垂直于地面。
进一步地，还包括：设置于所述第四管口处的负压施加装置。
本发明实施例的第二方面提供一种瓦斯治理方法，包括：
在矿产开采系统中设置如第一方面任一所述的用于瓦斯治理的地面复合 L型钻井，所述矿产开采系统中包括至少一个第一开采层，以使在所述第一 开采层进行开采的过程中，所述第一开采层的采空区上方富集的瓦斯排出井 下。
进一步地，还包括：
在所述第一开采层进行开采的过程中，在所述钻井的第二管道的第四管 口处施加负压。
本发明提供的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井和瓦斯治理方法，通过 通过设置水平管道与输出管道相连，所述水平管道位于所述第一开采层上方 的冒落带和裂隙带之间，在不影响工作面正常开采作业的情况下，抽采第一 开采层的采空区上方富集的瓦斯，降低从采空区向工作面移动的瓦斯量，从 而降低工作面的瓦斯涌出量，提高采矿工作面作业的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述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为本发明提供的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井实施例一的主视 图；
图2为图1所示的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的俯视图；
图3为图1所示的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的侧视图；
图4为图1所示的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的立体图；
图5为图1至图4所示的的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的一种具 体实施方式的示意图。
附图标记：
1、水平井段；       2、输出井段；
11、第一井道；      12、第二井道；      13、第三井道；
21、第一管道；      22、第二管道；
111、第一开口端；   112、第二开口端；
121、第三开口端；   122、第四开口端；
131、第五开口端；   132、第六开口端；
211、第一管口；     212、第二管口；
221、第三管口；     222、第四管口；
1000、用于瓦斯治理的地面复合L型钻井；
2000、第一开采层；  2001、工作面；
2002、待开采矿体；  2003、进风巷；
2004、回风巷；      2005、采空区；
3000、地面；        4000、裂隙带；
5000、冒落带；      6000、矿开采系统。
具体实施方式
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。
图1为本发明提供的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井实施例一的主视 图；图2为图1所示的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的俯视图；图3为 图1所示的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的侧视图；图4为图1所示的 用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的立体示意图。
如图1至图4所示，本发明提供的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井1000 可以包括：水平井段1和输出井段2。
水平井段1位于第一开采层2000上方的冒落带5000和裂隙带4000之间， 裂隙带4000位于冒落带5000的上方，水平井段1包括第一井道11第二井道 12和第三井道13，第一井道11包括第一开口端111和第二开口端112，第 二井道12包括第三开口端121和第四开口端122，第三井道13包括第五开 口端131和第六开口端132，第一井道11的第二开口端112与第二井道12 的第三开口端121连通，第二井道的第四开口端122与第三井道的第五开口 端131连通；第一井道11位于第一开采层2000的采空区2005的上方，第二 井道12位于第一开采层2000的工作面2001的上方，所述第二井道12位于 第一开采层2000的待开采矿体2002的上方。其中，工作面2001位于待开采 矿体2002的一侧，采空区2005位于工作面2001远离待开采矿体2002的一 侧；
输出井段2包括第一管道21和第二管道22；第二管道22位于第一开采 层2000的外侧，第一管道21包括第一管口211和第二管口212，第二管道 22包括第三管口221和第四管口222，第一管道21的第一管口211与第三井 道13的第六开口端132连通，第一管道21的第二管口212与第二管道22的 第三管口221连通，第二管道22的第四管口222用于与地面4000相接。
需要说明的是，第一采矿层可以为一开采块段，例如，可以是地下具有 一定长度、宽度和深度的立体区域，第一采矿层可以包括待开采矿体、工作 面和采空区，在工作面2001不断向待开采矿体2002推进的过程中，回采完 毕的工作面2001转变为采空区2005的一部分，第一开采层2000的采空区 2005释放出的瓦斯聚集在采空区2005的上方，此时，若不及时抽采，随着 采空区2005上方冒落带5000的冒落，则采空区2005上方富集的瓦斯会从采 空区2005挤向工作面2001，造成工作面瓦斯浓度升高，影响生产的安全性， 在本发明实施例的应用场景中，随着工作面的推进，煤层中的地应力发生变 化，采空区2005上方的顶板垮落，高层位岩层发生弯曲变形，在采空区2005 上方的冒落带5000和裂隙带6000中形成裂隙，通过在与地面3000相接的第 四管口222处施加负压，例如，可以在第四管口222处设置一负压施加装置， 使得聚集在第一开采层2000的采空区2005上方的瓦斯，从采空区2005向上 移动，通过冒落带5000的裂隙、冒落带5000与裂隙带6000之间的裂隙进入 第一井道，经第二井道、第三井道、第一管道和第二管道抽离。
与此同时，工作面2001推进到第二井道12下方时，第二井道12的部分 井道可以划分至第一井道11，使得第一井道11始终可以抽出采空区2005上 方富集区聚集的瓦斯，从而使得在不影响工作面正常开采作业的情况下，降 低第一开采层2000的采空区2005的瓦斯涌出量，提高工作面作业的安全性。
特别的是，当工作面2001进行高强度作业时，采空区2005和工作面2001 富集大量瓦斯，采用本发明提供的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井可以连 续、高效抽采采空区上方富集的瓦斯，有效降低瓦斯大量涌出时对生产安全 造成的威胁。
可选的，水平井段1与第一开采层2000的回风巷2004的水平投影间的 距离可以小于第一预设距离，第一开采层2000还包括进风巷2003，回风巷 2004通过工作面2001与进风巷2003连通，可参考图2。
举例来说，可参考图2，回风巷2004与进风巷2003可以位于待开采矿 体的两侧，且相互平行，回风巷2004的一端与工作面2001连通，进风巷2003 的一端与工作面2001连通，水平井段1可以为一直线井道，水平井段1可以 设置与第一开采层2000的回风巷2004平行，且水平井段1与回采巷2004在 地面的投影之间的距离可以略小于第一预设距离，例如，所述第一预设距离 可以为50米。
由于进风巷2003、工作面2001和回风巷2004本身构成一空气和瓦斯的 流通通道，采煤作业的工作面2001和采空区2005涌出的瓦斯通过回风巷2004 排出，若采空区2005的瓦斯涌出量异常增大，极容易造成工作面2001瓦斯 浓度超限，因此，将水平井段1靠近回风巷2004设置可以使得水平井段1将 采空区2005富集的瓦斯通过水平井段1排出井下。
可选的，水平井段1的井道的侧壁上在施工时可以产生一些向岩层延伸 的裂隙，冒落层5000在冒落时也会产生一些裂隙，井道的侧壁的裂隙可以与 冒落层5000的裂隙直接连通，使得瓦斯更容易进入水平井段。
可选的，可以将第一井段的第一开口端111设置低于第二开口端112； 可选的，可以将第二井段的第三开口端121设置低于第四开口端122；可选 的，可以将第三井段的第五开口端131设置低于第六开口端132；用以使得 进入水平井段1的瓦斯经过倾斜的井道更容易进入输出管道2，进一步提升 瓦斯的抽采效果。
例如，第一开口端111可以距离待第一开采层的顶层边缘3倍采高，第 四开口端122可以距离第一开采层的待开采矿体的顶层边缘3.5倍采高，第 六开口端132可以距离第一开采层的待开采矿体的顶层边缘5倍采高。其中， 采高是指采矿机的开采高度，可参考图4。
类似的，为了方便瓦斯顺利排出，第一管道21可以为弧形；可选的，第 一管道21的第一管口211可以设置低于第二管口212。
可选的，输出管道2的第二管道22可以设置垂直于地面，也可以根据第 四管口的位置确定第二管道22的具体位置。
本发明提供的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井，通过设置水平管道与 输出管道相连，所述水平管道位于所述第一开采层上方的冒落带和裂隙带之 间，在不影响工作面正常开采作业的情况下，抽采第一开采层的采空区上方 富集的瓦斯，降低采空区向工作面移动的瓦斯量，提高工作面作业的安全性。
并且，相对于一些仅能抽采煤矿开采层的整个区域的瓦斯的传统瓦斯治 理方式，由于其抽采范围大，抽采力度分散，抽采效果较差，而本发明提供 的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井，可以抽采煤矿开采层的采空区上方的 局部范围富集的瓦斯，抽采范围的针对性强，抽采力度集中，抽采效果得到 极大提升。
图5为图1至图4所示的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的一种具体 实施方式的示意图。
如图5所示，本实施例提供的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井中各井 段的施工详细参数如下。
需要说明的是，本发明提供的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井可以选 择在煤矿开采前或者开采初期进行用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的施 工。
其中，地面钻井位置的选择可以遵循以下原则。第一，优先选择第一开 采层的工作面的在地面的投影的对应位置，用以减少工作面作业造成岩层移 动对第二管道结构的破坏；第二，优先选择地质构造简单、容易施工的位置， 例如，没有断层或者其他地质构造的位置；第三，优先选择矿层连续或者受 地质构造破坏程度较小的位置；第四，优先选择地下水文地质条件相对简单， 例如，远离地下含水层或者溶洞等的位置；第五，优先选择地面交通比较方 便，适合运输机械设备，或者适宜钻井施工的位置。
在具体的钻井施工过程中，可以先向下施工一段直井，可以采用直径 444.5毫米的钻头钻至基岩下60米，放入直径339.7毫米、厚度为9.65毫 米的表层套管，固井，等待表层套管凝结固定后，再由直井段落点向工作面 内倾斜施工一弧形孔，弧形孔段落点至煤层顶板距离煤层5倍采高位置，在 水平面的投影位置距离回风巷2004可以为50米左右，可以采用直径311毫 米的钻头钻至A靶点，放入直径244.5毫米、厚度8.94毫米的技术套管，固 井，等待技术套管凝结固定，然后，由弧形孔段落点向工作面回采方向施工 一长斜孔，长斜孔段与工作面回风巷平行，终孔点距离煤层顶板3倍采高， 采用直接190毫米的钻头钻至B靶点结束，长斜孔段的长度一般不小于200 米。
本实施例提供的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井经过生产实践，结构 稳定、安全耐用，可以在不影响工作面正常开采作业的情况下，有效降低第 一开采层的工作面的瓦斯浓度，提高工作面作业的安全性。
本发明还提供一种应用用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的矿产开采系 统，包括：至少一个第一开采层和至少一个如权利要求1-7任一所述的用于 瓦斯治理的地面复合L型钻井；
其中，所述至少一个用于瓦斯治理的地面复合L型钻井中的任一钻井与 一个第一开采层对应；
对应的所述第一开采层包括位于同一平面的待开采矿体、工作面、采空 区、进风巷和回风巷，所述工作面位于所述待开采矿体的一侧，所述采空区 位于所述工作面远离所述待开采矿体的一侧；所述回风巷通过所述工作面与 所述第一开采层的进风巷连通；
所述第一开采层的上方存在冒落带和裂隙带，所述裂隙带位于所述冒落 带的上方。
需要说明的是，可参考图1，在煤矿开采的场景，可以包括多个待开采 的矿层。每个矿层可以称为一个开采层，每个开采层通常包括：待开采矿体 2002、工作面2001、采空区2005、进风巷2003和回风巷2004。随着工作面 2001的回采和不断推进，工作面2001开采推进方向相反的一侧变为采空区 2005。
本发明提供的应用用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的矿产开采系统， 通过将用于瓦斯治理的地面复合L型钻井的水平井道与输出管道相连，所述 水平井道位于所述第一开采层上方的冒落带和裂隙带之间，所述裂隙带位于 所述冒落带的上方，使得在不影响工作面正常开采作业的情况下，对第一开 采层的采空区上方的瓦斯富集区实施瓦斯抽采，降低第一开采层的采空区向 工作面移动的瓦斯量，提高工作面作业的安全性。
本发明实施例还提供一种瓦斯治理方法，本发明的方法可以包括：
在矿产开采系统中设置如图1至图4任一所述的用于瓦斯治理的地面复 合L型钻井，所述矿产开采系统中包括至少一个第一开采层。
采用所述钻井的具体的瓦斯抽采治理过程和技术效果在图1至图4所示 实施例中已经说明，此处不再赘述。
由此，在所述第一开采层进行开采的过程中，所述第一开采层的采空区 上方富集的瓦斯可以被排出井下。
可选的，本实施例提供的瓦斯治理方法还可以包括：
在所述第一开采层进行开采的过程中，在所述钻井的第二管道的第四管 口处施加负压，用以提高瓦斯抽采效果。
本发明提供的瓦斯治理方法，通过在矿产开采系统中设置如图1至图4 任一所述的用于瓦斯治理的地面复合L型钻井，使得在所述第一开采层进行 开采的过程中，所述第一开采层的采空区上方富集的瓦斯可以被排出井下， 也就是说，在不影响工作面正常开采作业的情况下，对第一开采层的采空区 上方的瓦斯富集区实施瓦斯抽采，降低第一开采层的采空区向工作面移动的 瓦斯量，提高工作面作业的安全性。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步 骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可 读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而 前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的 介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。