[发明专利]基于煤与瓦斯物理流态化同采的石门快速揭煤系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于煤与瓦斯物理流态化同采的石门快速揭煤系统及方法，石门快速揭煤系统包括射流破煤单元、孔口密封单元和水煤分离单元；石门快速揭煤方法包括穿层钻孔施工、流态化气煤同采以及注浆充填等步骤。本发明运用高压密封钻杆和喷射装置，在穿层钻孔内形成高压水射流，原位切割破碎石门揭煤处的煤体，并通过设计围绕石门揭煤处巷道轮廓线阵列排列的流态化采煤钻孔，将石门附近的煤与瓦斯全部采出，快速释放突出煤层瓦斯压力，降低石门揭煤时煤与瓦斯突出的发生几率。本发明可实现安全快速石门揭煤，极大缩短石门揭煤工期，保证煤矿开采的整体生产进度，特别适用于高瓦斯矿井的石门揭煤。

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下石门揭煤系统及方法，具体是一种适用于高瓦斯突出矿井的基于煤与瓦斯物理流态化同采的石门快速揭煤系统及方法，属于煤矿安全技术领域。

背景技术

煤矿开采技术领域中，石门不是真正意义的门，指的是岩层中开凿的、不直通地面、并与煤层走向垂直或斜交的岩石平巷，其主要是将多层煤连通的一种穿层巷道。由于石门的掘进延伸方向会穿过煤层，因此在石门掘进过程中遇到煤层时揭穿煤层的过程就称为石门揭煤。

煤与瓦斯突出是一种瓦斯特殊涌出的现象，即破碎的煤与瓦斯在压力作用下由煤体内突然向采掘空间大量喷出的现象，煤与瓦斯突出具有极大的破坏性，是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。当石门揭穿煤层时，煤与瓦斯的突出危险性较大，据统计，80％以上的特大型突出都发生在石门揭煤过程中，其突出的平均强度为其他各类巷道突出强度的6倍以上，石门揭煤的突出防治比其他类型突出防治难度更大。

国家煤矿安全监察局于2019年8月发布的《防治煤与瓦斯突出细则》中有规定：“防突工作必须坚持‘区域综合防突措施先行、局部综合防突措施补充’的原则，按照‘一矿一策、一面一策’的要求，实现‘先抽后建、先抽后掘、先抽后采、预抽达标’。”；“穿层钻孔预抽井巷揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施的钻孔应当在揭煤工作面距煤层最小法向距离7m以前实施，并用穿层钻孔至少控制以下范围的煤层：石门和立井、斜井揭煤处巷道轮廓线外12m(急倾斜煤层底部或者下帮6m)，同时还应当保证控制范围的外边缘到巷道轮廓线(包括预计前方揭煤段巷道的轮廓线)的最小距离不小于5m。”因此，目前石门揭煤方法通常是先对煤层进行瓦斯抽采、待瓦斯预抽达标后再进行掘进并揭穿煤层。为提高瓦斯抽采效果，通常采用水力冲孔、松动爆破、水力割缝等措施进行揭煤处的卸压增透。这种传统的石门揭煤方法虽然取得一定成效，但存在很大的局限性：一方面，水力冲孔、松动爆破、水力割缝等措施会破坏煤体的完整性，会使揭煤区域采动应力场变化、煤体强度降低，煤与瓦斯突出风险依然存在；另一方面，即使实施卸压增透措施，抽采瓦斯所需时间依旧十分长久，特别是针对高瓦斯突出矿井，抽采瓦斯所需时间甚至长达一年以上，如我国西南地区某煤矿，其114石门揭18#煤的瓦斯抽采作业长达2年，严重影响并制约煤矿开采的整体生产进度。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于煤与瓦斯物理流态化同采的石门快速揭煤系统及方法，能够在实现缩短抽采瓦斯所需时间的前提下，实现对揭煤处煤层进行同步安全开采，进而实现安全快速石门揭煤，保证煤矿开采的整体生产进度，特别适用于高瓦斯突出矿井的石门揭煤。

为实现上述目的，基于煤与瓦斯物理流态化同采的石门快速揭煤系统包括流态化气煤同采部分，流态化气煤同采部分包括射流破煤单元射流破煤单元、孔口密封单元、水煤分离单元；

射流破煤单元包括破煤钻头、喷射装置、高压密封钻杆、高压水尾、钻机以及高压水泵；高压密封钻杆是外径一致的多段密闭安装连接的圆柱体结构、且高压密封钻杆内部设有中空过水结构，最前端密闭安装连接喷射装置，最后端密闭安装连接高压水尾；喷射装置前端安装破煤钻头；高压水泵的高压水输出端可通过管路与高压水尾密闭安装连接；钻机与高压密封钻杆传动连接；