CN112855166B - 山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿安全领域，涉及一种山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，通过在井筒的地表预定位置对表土进行剥离，并加固形成表土层施工沉台，接着在煤矿井下沿井筒预定位置垂直向地表施工导向钻孔，待穿透煤岩层至表土层施工沉台后，安装井筒施工钻头；然后在煤矿井下启动钻进设备使井筒施工钻头由地表向井下的方向施工井筒；解决山地地形条件下含瓦斯煤层井筒难以安全快速施工，施工人员人生安全难以保障的问题。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全领域，涉及一种山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法。
背景技术
近年来煤炭占能源生产和消费的比重持续下降，但仍处于主体能源地位。从生产侧来看，改革开放以来我国一次能源生产总量整体呈持续上升态势，其中原煤占一次能源的比重在2011年达到81.9％的历史高位之后迅速降低，但目前占比仍处于75％左右(按电热当量法计算)；从消费侧来看，煤炭占能源消费总量的比重也处于65％左右(按电热当量法计算)，煤炭的能源主体地位仍旧牢固。随着目前我国能源消费结构改革的深入，煤炭产能的集中度提升，煤矿安全生产形势趋于好转。但由于我国煤层地质赋存条件普遍较为复杂，随着当前煤炭开采深度的增加，矿井瓦斯灾害已成为制约煤炭安全高效开采的主要因素。故多数矿井选择采用增加瓦斯抽采系统或施工技改风井的方法，提升矿井瓦斯抽采或强化通风能力。而增加瓦斯抽采系统或施工技改风井，均需要施工新的井筒。但由于我国西南、华北矿区多数属于山地地形，故先进的反井钻进工艺在该类地形条件的施工势必受到制约。这是由于反井钻井工艺需运输大量的重型设备，并在地表施工大型的作业平台。而传统的钻爆法施工井筒工艺在实施的过程中，由于工作人员劳动强度大，且人员需在吊挂平台施工，若钻进至高瓦斯或煤与瓦斯突出的煤层时，极易因瓦斯涌出或突出而造成人员伤亡。
因此，针对山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的施工难题，寻求某种适宜的工艺，既能适应该种地形条件下的设备运输，又能降低作业人员劳动强度，保障人身安全，提高井筒施工的技术、经济效益，已成为我国煤矿安全科技工作者亟需解决的关键技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决山地地形条件下含瓦斯煤层井筒难以安全快速施工，施工人员人生安全难以保障的问题，提供一种山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，该施工方法主要是在井筒的地表预定位置对表土进行剥离，并加固形成表土层施工沉台，而后在煤矿井下沿井筒预定位置垂直向地表施工导向钻孔，待穿透煤岩层至表土层施工沉台后，安装井筒施工钻头；最后在煤矿井下启动钻进设备使井筒施工钻头由地表向井下的方向施工井筒，完成山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的安全快速施工。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，包括以下步骤：
S1：在井筒的地表预定位置对表土进行剥离，并加固形成表土层施工沉台，而后在煤矿井下沿井筒预定位置垂直向地表方向施工导向钻孔，直至导向钻头穿透煤岩层至表土层施工沉台；
S2：在地面安装塔型支架，并将拉索与施工钻头连接，下放至施工沉台，同时将钻杆与施工钻头连接；在煤矿井下启动大功率钻机使井筒施工钻头由地表向井下的方向施工井筒；
S3：井筒的施工过程中，由施工钻头产生的钻屑通过施工钻头上设置的排渣孔挤压至施工钻头的上方，待钻进至一定深度后，随即停止钻进设备，并拆开大功率钻机与钻杆的连接；
S4：通过塔型支架上的拉索将施工钻头提拉至地表，通过人工或机械的方法将施工钻头上方的钻屑进行清除；待钻屑清除后，随即用拉索将施工钻头下放至钻进停止的位置，并在煤矿井下将钻杆与大功率钻机再次连接；
S5：持续对煤层上覆的岩层进行钻进，即重复S3～S4，直至施工钻头穿透煤层的底板岩层，且达到煤层的底板岩层内布置的岩巷内；
S6：断开拉索与施工钻头的连接，并移走大功率钻机与防护平台，并将施工钻头通过煤层的底板岩层内布置的岩巷运送至煤矿副井井口；施工吊盘与拉索进行连接，作业人员于施工吊盘上由煤矿井下至地表对形成的井筒内壁进行喷浆、加固；同时，将刚性风筒自地表延伸至施工吊盘上方5m处，并在地表设置防爆抽出式风机与刚性风筒连接；
S7：待井筒内壁的喷浆、加固作业完成后，随即拆除施工吊盘与刚性风筒。
进一步，步骤S1具体为：利用人工或机械的方式对井筒的地表预定位置进行表土剥离，从而形成圆柱体型的施工沉台；施工沉台的直径与井筒的直径相同；在井筒的地表预定位置对表土进行剥离，并加固形成表土层施工沉台，而后在煤矿井下沿井筒预定位置垂直向地表方向施工导向钻孔，待穿透煤岩层至表土层施工沉台后，安装井筒施工钻头；
S12：施工导向钻孔是应用导向钻头对煤、岩层进行钻进切削，待导向钻头穿透岩层至表土层施工沉台后，随即断开导向钻头与钻杆的连接；
S13：而后将导向钻头运送至地表，并将井筒施工钻头下放至施工沉台；所述井筒施工钻头与钻杆采用螺纹连接。
进一步，步骤S2具体包括以下步骤：
S21：施工钻头中心处设置有轴承，拉索通过地面安装的塔型支架与轴承的定子相连接；通过拉索将井筒施工钻头下放至地表施工沉台后与钻杆进行连接；
S22：在煤矿井下启动大功率钻机使井筒施工钻头由地表向井下的方向施工井筒。
进一步，步骤S3具体包括以下步骤：
S31：施工钻头为圆盘形，且下部设置切割截齿用于对煤岩石进行破碎切割，施工钻孔上开设有排渣口，切削下的煤岩碎块通过施工钻头上设置的排渣口移动至施工钻头的上部；
S32：待施工钻头钻进至一定深度后，停止大功率钻机，而后拆开大功率钻机与钻杆的连接。
进一步，步骤S4具体包括以下步骤：
S41：通过拉索将携带有钻杆的井筒施工钻头提拉至地表，将井筒施工钻头上部的钻屑进行清除；
S42：待钻屑清除后，随即用拉索将施工钻头下放至钻进停止的位置，并在煤矿井下将钻杆与大功率钻机再次连接。
进一步，步骤S5具体包括以下步骤：
S51：保持大功率钻机开启，使其带动钻杆与施工钻头对煤层的上覆岩层进行切削，待钻进至一定深度后，重复步骤S4进行钻屑的清除；
S52：施工钻头钻进至含瓦斯煤层时，煤层内的瓦斯气体将向上涌出，此时可适当降低钻进速度，由于施工钻头处无作业人员，故即使大量涌出瓦斯亦不会造成人员伤亡；
S53：若施工钻头穿透含瓦斯煤层后，则进入煤层的底板岩层，在即将到达煤层底板内布置的岩巷时，在大功率钻机上部设置防护平台用于保证井下作业人员的安全，以免钻切下的岩石碎块发生垂落造成的伤害。
进一步，所述防护平台由支撑座与上防护盖板构成，防护平台能阻拦大粒径的岩石碎块，且又不影响作业人员的视线。
进一步，所述防护盖板为网状结构。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，解决了山地地形条件下含瓦斯煤层井筒施工地面作业劳动强度大、施工周期长等难题；本发明提出的山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法既能适应该种地形条件下的设备运输，又能降低作业人员劳动强度，保障人身安全，提高井筒施工的技术、经济效益，本发明的山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，与以往的含瓦斯煤层井筒施工方法相比具有以下优点：
(1)本发明特有的山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，无需在地面布置大型的施工设备，仅需布置塔型支架、拉索的提拉装置以及施工钻头，其余的钻进设备与钻杆可通过煤矿工业广场的副井运输至井下，降低了井筒施工的设备材料的运输难度，具有极为明显的经济效益。
(2)本发明提供的山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，在穿透含瓦斯煤层的过程中，可使得煤层内的瓦斯气体经卸压释放至地表，完全避免了传统的钻爆法施工中需作业人员接触瓦斯气体的缺陷，从而切实保障井筒施工过程中的人身安全；并且在井筒井身形成以后，可通过地面敷设至井下的刚性风筒与防爆抽出式通风机对煤层内涌出的瓦斯进行引排，从而避免了煤层内的瓦斯气体进入至煤矿井下。
(3)本发明提供的山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，在井筒井身形成后，即可实现自煤矿井下往地表方向进行喷浆、加固的作业，从而省去了对含瓦斯煤层进行抽采的时间，大大缩短了井筒的施工周期。
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为本发明山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法的结构示意图一；
图2为本发明山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法的结构示意图二；
图3为本发明山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法的结构示意图三。
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。
如图1～3所述山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，包括以下步骤：
S1：在井筒的地表预定位置对表土进行剥离，并加固形成表土层施工沉台，而后在煤矿井下沿井筒预定位置垂直向地表方向施工导向钻孔，直至导向钻头穿透煤岩层至表土层施工沉台；具体包括以下步骤：
S11：利用人工或机械的方式对井筒的地表预定位置进行表土剥离，从而形成圆柱体型的施工沉台；施工沉台的直径与井筒的直径相同；在井筒的地表预定位置对表土进行剥离，并加固形成表土层施工沉台，而后在煤矿井下沿井筒预定位置垂直向地表方向施工导向钻孔，待穿透煤岩层至表土层施工沉台后，安装井筒施工钻头；
S12：施工导向钻孔是应用导向钻头对煤、岩层进行钻进切削，待导向钻头穿透岩层至表土层施工沉台后，随即断开导向钻头与钻杆的连接；
S13：而后将导向钻头运送至地表，并将井筒施工钻头下放至施工沉台；所述井筒施工钻头与钻杆采用螺纹连接。
S2：在地面安装塔型支架，并将拉索与施工钻头连接，下放至施工沉台，同时将钻杆与施工钻头连接；在煤矿井下启动大功率钻机使井筒施工钻头由地表向井下的方向施工井筒；具体包括以下步骤：
S21：施工钻头中心处设置有轴承，拉索通过地面安装的塔型支架与轴承的定子相连接；通过拉索将井筒施工钻头下放至地表施工沉台后与钻杆进行连接；
S22：在煤矿井下启动大功率钻机使井筒施工钻头由地表向井下的方向施工井筒。
S3：井筒的施工过程中，由施工钻头产生的钻屑挤压至施工钻头的上方，待钻进至一定深度后，随即停止钻进设备，并拆开大功率钻机与钻杆的连接；
具体包括以下步骤：
S31：施工钻头为圆盘形，且下部设置切割截齿用于对煤岩石进行破碎切割，施工钻孔上开设有排渣口，切削下的煤岩碎块通过施工钻头上设置的排渣口移动至施工钻头的上部；
S32：待施工钻头钻进至一定深度后，停止大功率钻机，而后拆开大功率钻机与钻杆的连接。
S4：通过塔型支架上的拉索将施工钻头提拉至地表，将施工钻头上方的钻屑进行清除；待钻屑清除后，随即用拉索将施工钻头下放至钻进停止的位置，并在煤矿井下将钻杆与大功率钻机再次连接；
具体包括以下步骤：
S41：通过拉索将携带有钻杆的井筒施工钻头提拉至地表，通过人工或机械的方法将井筒施工钻头上部的钻屑进行清除；
S42：待钻屑清除后，随即用拉索将施工钻头下放至钻进停止的位置，并在煤矿井下将钻杆与大功率钻机再次连接。
S5：持续对煤层上覆的岩层进行钻进，即重复S3～S4，直至施工钻头穿透煤层的底板岩层，且达到煤层的底板岩层内布置的岩巷内；
具体包括以下步骤：
S51：保持大功率钻机开启，使其带动钻杆与施工钻头对煤层的上覆岩层进行切削，待钻进至一定深度后，重复步骤S4进行钻屑的清除；
S52：施工钻头钻进至含瓦斯煤层时，煤层内的瓦斯气体将向上涌出，此时降低钻进速度，由于施工钻头处无作业人员，故即使大量涌出瓦斯亦不会造成人员伤亡；
S53：若施工钻头穿透含瓦斯煤层后，则进入煤层的底板岩层，在即将到达煤层底板内布置的岩巷时，在大功率钻机上部设置防护平台用于保证井下作业人员的安全，以免钻切下的岩石碎块发生垂落造成的伤害。防护平台由支撑座与上防护盖板构成，防护盖板为网状结构，防护平台能阻拦大粒径的岩石碎块，且又不影响作业人员的视线。
S6：断开拉索与施工钻头的连接，并移走大功率钻机与防护平台，并将施工钻头通过煤层的底板岩层内布置的岩巷运送至煤矿副井井口；施工吊盘与拉索进行连接，作业人员于施工吊盘上由煤矿井下至地表对形成的井筒内壁进行喷浆、加固；同时，将刚性风筒自地表延伸至施工吊盘上方5m处，并在地表设置防爆抽出式风机与刚性风筒连接；
S7：井筒内壁的喷浆、加固作业完成后，随即拆除施工吊盘与刚性风筒。
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。
Claims (8)
1.山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在井筒的地表预定位置对表土进行剥离，并加固形成表土层施工沉台，而后在煤矿井下沿井筒预定位置垂直向地表方向施工导向钻孔，直至导向钻头穿透煤岩层至表土层施工沉台；
S2：在地面安装塔型支架，并将拉索与施工钻头连接，下放至施工沉台，同时将钻杆与施工钻头连接；在煤矿井下启动大功率钻机使井筒施工钻头由地表向井下的方向施工井筒；
S3：井筒的施工过程中，由施工钻头产生的钻屑挤压至施工钻头的上方，待钻进至一定深度后，随即停止钻进设备，并拆开大功率钻机与钻杆的连接；
S4：通过塔型支架上的拉索将施工钻头提拉至地表，将施工钻头上方的钻屑进行清除；待钻屑清除后，随即用拉索将施工钻头下放至钻进停止的位置，并在煤矿井下将钻杆与大功率钻机再次连接；
S5：持续对煤层上覆的岩层进行钻进，即重复S3～S4，直至施工钻头穿透煤层的底板岩层，且达到煤层的底板岩层内布置的岩巷内；
S6：断开拉索与施工钻头的连接，并移走大功率钻机与防护平台，并将施工钻头通过煤层的底板岩层内布置的岩巷运送至煤矿副井井口；施工吊盘与拉索进行连接，作业人员于施工吊盘上由煤矿井下至地表对形成的井筒内壁进行喷浆、加固；同时，将刚性风筒自地表延伸至施工吊盘上方5m处，并在地表设置防爆抽出式风机与刚性风筒连接；
S7：井筒内壁的喷浆、加固作业完成后，随即拆除施工吊盘与刚性风筒。
2.如权利要求1所述的山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，其特征在于，步骤S1具体为：利用人工或机械的方式对井筒的地表预定位置进行表土剥离，从而形成圆柱体型的施工沉台；施工沉台的直径与井筒的直径相同；在井筒的地表预定位置对表土进行剥离，并加固形成表土层施工沉台，而后在煤矿井下沿井筒预定位置垂直向地表方向施工导向钻孔，待穿透煤岩层至表土层施工沉台后，安装井筒施工钻头；
S12：施工导向钻孔是应用导向钻头对煤、岩层进行钻进切削，待导向钻头穿透岩层至表土层施工沉台后，随即断开导向钻头与钻杆的连接；
S13：而后将导向钻头运送至地表，并将井筒施工钻头下放至施工沉台；所述井筒施工钻头与钻杆采用螺纹连接。
3.如权利要求2所述的山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：
S21：施工钻头中心处设置有轴承，拉索通过地面安装的塔型支架与轴承的定子相连接；通过拉索将井筒施工钻头下放至地表施工沉台后与钻杆进行连接；
S22：在煤矿井下启动大功率钻机使井筒施工钻头由地表向井下的方向施工井筒。
4.如权利要求3所述山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：
S31：施工钻头为圆盘形，且下部设置切割截齿用于对煤岩石进行破碎切割，施工钻孔上开设有排渣口，切削下的煤岩碎块通过施工钻头上设置的排渣口移动至施工钻头的上部；
S32：待施工钻头钻进至一定深度后，停止大功率钻机，而后拆开大功率钻机与钻杆的连接。
5.如权利要求4所述山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下步骤：
S41：通过拉索将携带有钻杆的井筒施工钻头提拉至地表，通过人工或机械的方法将井筒施工钻头上部的钻屑进行清除；
S42：待钻屑清除后，随即用拉索将施工钻头下放至钻进停止的位置，并在煤矿井下将钻杆与大功率钻机再次连接。
6.如权利要求5所述的山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，其特征在于，步骤S5具体包括以下步骤：
S51：保持大功率钻机开启，使其带动钻杆与施工钻头对煤层的上覆岩层进行切削，待钻进至一定深度后，重复步骤S4进行钻屑的清除；
S52：施工钻头钻进至含瓦斯煤层时，煤层内的瓦斯气体将向上涌出，此时降低钻进速度，由于施工钻头处无作业人员，故即使大量涌出瓦斯亦不会造成人员伤亡；
S53：若施工钻头穿透含瓦斯煤层后，则进入煤层的底板岩层，在即将到达煤层底板内布置的岩巷时，在大功率钻机上部设置防护平台用于保证井下作业人员的安全，以免钻切下的岩石碎块发生垂落造成的伤害。
7.如权利要求6所述的山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，其特征在于，所述防护平台由支撑座与上防护盖板构成。
8.如权利要求7所述的山地地形条件下含瓦斯煤层井筒的压钻式施工方法，其特征在于，所述防护盖板为网状结构。
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| Title |
|---|
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