一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法与流程

1.本发明属于采矿工程技术领域，具体为一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法。


背景技术：

2.目前对于旧式采煤法回采率不足20%，形成了巨大的残煤资源量。旧采残煤有利于提高矿井服务年限，解决衰老矿井剩余服务年限不足的问题，缓解矿井生产接替紧张问题。旧采残煤还能最大程度回收煤炭资源，有利于煤炭资源的保护。
3.残煤复采过程中，在残煤区内存在许多的旧采巷式采空区，很多采空区都存在地质资料不全的问题。尤其是一些乡镇小煤矿和私有小煤窑采用巷式采煤方法进行开采，乱采乱挖现象严重，导致残煤复采时工作面前方地质条件不明朗，给残煤复采带来很大的安全隐患。综上，残煤区物理勘探先行是非常必要的。在残煤复采前，需基本勘探清楚采空区和实体煤的分布情况，以及采空区积水与积气的分布情况，可以使用钻探的方法对上述情况进行探测。传统的钻探方式存在孔径小，易塌孔堵塞，造成有效孔深缩减的问题，而且使用传统长距离钻孔穿过采空区二次进入煤体时，钻孔方位不易控制，最终钻孔位置精度差，偏斜率高，最终导致残煤区物理勘探精度低，效果差。


技术实现要素：

4.本发明克服了现有技术的不足，提出一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法，解决残煤区物理勘探精度低的问题。
5.为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
6.一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法，包括以下步骤：1）在复采巷道的掘进工作面中布置钻机，向残煤区方向施工水平顺层钻孔；所述钻机包括截割钻头、内钻杆和外钻杆；截割钻头连接在内钻杆末端，外钻杆套装在内钻杆外并与内钻杆同轴，截割钻头位于外钻杆外部；外钻杆和内钻杆分别连接独立的驱动装置；杆施工钻孔时，由内钻杆导向钻进，外钻杆套管护壁滞后内钻杆的截割钻头一定距离同步钻进，直至穿过复采巷道掘进工作面前方100-150m的残煤区域；2）沿水平
±5°
角扇形布置第一斜向顺层钻孔和第二斜向顺层钻孔，按照步骤1）钻进；3）在步骤1）和步骤2）钻进的过程中根据内钻杆的扭矩大小以及外钻杆与内钻杆之间的回水量大小、排渣量大小区分采空区和实体煤区域；4）在掘进工作面不同位置重复步骤1）至步骤3），将每个钻孔路径上实体煤和采空区的分界点进行连线，绘制复采巷道掘进工作面前100~150m扇形区域的实体煤、采空区空间分布特征图。
7.优选的，如遇采空区积水或积气，在水平顺层钻孔、第一斜向顺层钻孔和第二斜向顺层钻孔的下方布置低位钻孔，排放采空区积水，在水平顺层钻孔、第一斜向顺层钻孔和第
二斜向顺层钻孔的上方布置高位钻孔，抽放采空区积聚瓦斯和有害气体。
8.优选的，所述钻机还设置有给水管路；所述给水管路与内钻杆相连接，所述截割钻头设有喷水孔；所述给水管路设置有单向阀。
9.优选的，所述钻机设置有行走机构，所述行走机构上设置有长方形箱体，所述驱动装置设置在长方形箱体上，长方形箱体内设置有加压供水装置，所述给水管路与加压供水装置相连接。
10.更优的，所述行走机构设置有液压支撑柱，所述液压支撑柱用于将水平钻机系统支撑固定于顶底板之间。
11.更优的，所述行走机构连接有管路接口装置；所述管路接口装置设置有多个接头，分别与给水管路和排水管相连接，所述排水管与设置在外钻杆连接壳体上的排水口相连接。煤渣泥浆通过空腔流回管路接口装置经排水管排出，通过排水管流量判断回水量和排渣量大小。
12.更进一步，在钻杆到达巷式采空区时，如出现内钻杆钻孔所需扭矩突然减小，管路接口装置回水量突然增大但含渣量小的情况，需将管路接口装置接入抽水系统，对采空区积水进行抽排；如出现内钻杆钻孔所需扭矩突然减小，管路接口装置有气体涌出的情况，将管路接口装置接入瓦斯抽采系统，对采空区瓦斯和有害气体进行抽放。
13.本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：本发明以中心杆大钻头作为导向，在中心杆外置同轴大直径钻杆作为套管跟进钻进的钻机为主要设备，对旧采残煤时的巷式采空区空间特征及水文地质概况进行探查。本发明钻探过程采用管构结构，钻套同步，受力平衡，偏斜率低，钻孔精度高，可满足一次探测复采工作面前方100~150m距离的残煤区，操作简单，效率高，具有较高的经济效益。本发明方法还可直接接入排水系统和瓦斯抽放系统，对采空区积水和有害气体进行抽排。
附图说明
14.图1为本发明所述旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法的示意图；图2为本发明钻机的钻头经过巷式采空区前示意图；图3为本发明钻机的钻头经过巷式采空区时示意图；图4为本发明钻机的钻头经过巷式采空区后示意图。
15.图1中：12-复采巷道掘进工作面、13-水平顺层钻孔、14-巷式采空区、15-钻机、16-第一斜向顺层钻孔、17-第二斜向顺层钻孔、18-残煤区、19-采空区与煤体分界点。
16.图2中：1-履带式行走系统、2-长方形箱体、3-钻杆驱动系统、4-截割钻头、5-内钻杆、6-外钻杆、7-锁口法兰盘、8-液压支撑柱、9-管路接口装置、10-单向阀、11-给水管路、14-巷式采空区。
具体实施方式
17.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
18.请参阅图1-4，本实施例提出一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法，具体为以下步骤：如图1所示，在复采巷道掘进工作面12布置钻机15，朝向残煤区18施工水平顺层钻孔13。钻机15设置有履带式行走系统1，履带式行走系统1上设置有长方形箱体2，钻杆驱动系统3跨骑在长方形箱体2上，长方形箱体2内设置有加压供水装置，给水管路11与加压供水装置相连接。履带式行走系统1连接有管路接口装置9；管路接口装置9设置有多个接头，分别与给水管路11和排水管相连接，履带式行走系统1设置有液压支撑柱8，液压支撑柱8用于将钻机15支撑固定于顶底板之间。如图2所示，由履带式行走系统1将钻机15移动至预定钻位，液压支撑柱8可将钻机15支撑固定于顶底板之间。在钻机15支稳后，钻杆驱动系统3通过驱动装置可使整个钻杆驱动系统沿钻进方向做往复运动。钻杆驱动系统3连接有嵌套式双钻杆结构，嵌套式双钻杆结构包括截割钻头4、内钻杆5和外钻杆6；截割钻头4连接在内钻杆5末端，外钻杆6的钻杆壁末端设有截齿，外钻杆6套装在内钻杆5外并与内钻杆5同轴，截割钻头4位于外钻杆6外部；外钻杆6和内钻杆5分别连接独立的驱动装置整合于钻杆驱动系统3中；内钻杆5与外钻杆6杆体互相独立，中间留有空腔。杆施工钻孔时，由内钻杆5导向钻进，外钻杆6套管护壁滞后内钻杆5的截割钻头4一定距离同步钻进，排水管与设置在外钻杆6连接壳体上的排水口相连接。
19.钻进时，钻杆驱动系统3推动截割钻头4、内钻杆5、外钻杆6向前钻进，内钻杆5带动截割钻头4在煤体中钻进，在滞后截割钻头4一段距离处，外钻杆6沿同轴方向跟进钻进，内钻杆5与外钻杆6始终保持同轴钻进，并通过锁口法兰盘7固定在煤体上，形成“管构纠偏，钻护同步”的钻孔方法。在钻进过程中，截割钻头4设有喷水孔，加压水通过长方形箱体2、给水管路11、单向阀10、内钻杆5流至截割钻头4中，通过喷水孔为钻头降温，同时水流冲刷钻孔内煤渣，起到清理钻孔的作用。外钻杆6端头设有开槽，经冲刷后的煤渣泥浆经开槽进入内钻杆5与外钻杆6间的空腔，煤渣泥浆通过空腔流回管路接口装置9，通过在管路接口设置9连接的排水管，即可将煤渣泥浆排至排水沟内。因本方法施工钻孔时内钻杆5与煤（岩）壁不发生接触，内钻杆5所需的扭矩直接反映钻头所处位置的岩性特征。在经过巷式采空区14前，内钻杆5钻孔所需的扭矩大，管路接口装置9的回水量大。
20.如图3所示，在遇到巷式采空区14时，内钻杆5钻孔所需扭矩突然减小，管路接口装置9的回水排渣量突然减小，加压水损耗突然增大，此时记录内钻杆5的钻进长度，此处钻进长度记为起始的采空区与煤体分界点19。此时长方形箱体2停止向给水管路11提供加压水，钻杆驱动系统3继续驱动内钻杆5旋转，并继续前进，外钻杆6可停止钻进，作为护壁套管支撑孔壁。如图4所示，随着内钻杆5带动截割钻头4不断前探，再次接触煤壁时，内钻杆5所需扭矩突然增大，此时钻杆驱动系统3开始驱动外钻杆6跟进钻进，长方形箱体2开始向给水管路11提供加压水，管路接口装置9回水排渣量慢慢恢复正常，此处钻进长度记录为结束的采空区与煤体分界点19。以此类推，直至钻孔探查完复采巷道掘进工作面12前100m~150m距离，分别记录各个位置的采空区与煤体分界点19
……
。
21.如图1所示，以上述方法，分别以水平夹角5
°
，布置第一斜向顺层钻孔16、第二斜向顺层钻孔17。各钻孔分别记录实采空区与煤体分界点19
……
。在绘制采空区空间分布特征图时，将各钻孔路径投影至开拓平面图上，根据钻进长度在图上标出采空区与煤体分界点19。将起始的采空区与煤体分界点19依次相连，再将结束的采空区与煤体分界点19依次相
连，两连线间即为巷式采空区范围。以此类推将所有分界点连线，得到采空区空间分布特征图。通过本方法可以对旧采残煤时的巷式采空区空间特征及水文地质概况进行探查。
22.在钻杆到达巷式采空区14时，如出现内钻杆5钻孔所需扭矩突然减小，管路接口装置9的回水量突然增大但含渣量较小的情况，说明巷式采空区14有积水存在，需将管路接口装置9接入抽水系统，对采空区积水进行抽排。如出现内钻杆5钻孔所需扭矩突然减小，管路接口装置9有气体涌出的情况，应将管路接口装置9接入瓦斯抽采系统，对采空区瓦斯和有害气体进行抽放。
23.为了增加绘制精度，可增加钻孔布置数量，改变钻孔布置方式，都属于本发明保护的范围。
24.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

技术特征：
1.一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法，其特征在于，包括以下步骤：1）在复采巷道的掘进工作面中布置钻机，向残煤区方向施工水平顺层钻孔（13）；所述钻机包括截割钻头（4）、内钻杆（5）和外钻杆（6）；截割钻头（4）连接在内钻杆（5）末端，外钻杆（6）套装在内钻杆（5）外并与内钻杆（5）同轴，截割钻头（4）位于外钻杆（6）外部；外钻杆（6）和内钻杆（5）分别连接独立的驱动装置；杆施工钻孔时，由内钻杆（5）导向钻进，外钻杆（6）套管护壁滞后内钻杆（5）的截割钻头（4）一定距离同步钻进，直至穿过复采巷道掘进工作面前方100-150m的残煤区域；2）沿水平
±5°
角扇形布置第一斜向顺层钻孔（16）和第二斜向顺层钻孔（17），按照步骤1）钻进；3）在步骤1）和步骤2）钻进的过程中根据内钻杆（5）的扭矩大小以及外钻杆（6）与内钻杆（5）之间的回水量大小、排渣量大小区分采空区和实体煤区域；4）在掘进工作面不同位置重复步骤1）至步骤3），将每个钻孔路径上采空区与煤体分界点（19）进行连线，绘制复采巷道掘进工作面前100~150m扇形区域的实体煤、采空区空间分布特征图。2.根据权利要求1所述的一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法，其特征在于，如遇采空区积水或积气，在水平顺层钻孔（13）、第一斜向顺层钻孔（16）和第二斜向顺层钻孔（17）的下方布置低位钻孔，排放采空区积水，在水平顺层钻孔（13）、第一斜向顺层钻孔（16）和第二斜向顺层钻孔（17）的上方布置高位钻孔，抽放采空区积聚瓦斯和有害气体。3.根据权利要求1所述的一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法，其特征在于，所述钻机还设置有给水管路（11）；所述给水管路（11）与内钻杆（5）相连接，所述截割钻头（4）设有喷水孔；所述给水管路（11）设置有单向阀（10）。4.根据权利要求3所述的一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法，其特征在于，所述钻机设置有行走机构，所述行走机构上设置有长方形箱体（2），所述驱动装置设置在长方形箱体（2）上，长方形箱体（2）内设置有加压供水装置，所述给水管路（11）与加压供水装置相连接。5.根据权利要求4所述的一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法，其特征在于，所述行走机构设置有液压支撑柱（8），所述液压支撑柱（8）用于将水平钻机系统支撑固定于顶底板之间。6.根据权利要求4所述的一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法，其特征在于，所述行走机构连接有管路接口装置（9）；所述管路接口装置（9）设置有多个接头，分别与给水管路（11）和排水管相连接，所述排水管与设置在外钻杆（6）连接壳体上的排水口相连接。7.煤渣泥浆通过空腔流回管路接口装置（9）经排水管排出，通过排水管流量判断回水量和排渣量大小。8.根据权利要求6所述的一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法，其特征在于，在钻杆到达巷式采空区时，如出现内钻杆（5）钻孔所需扭矩突然减小，管路接口装置（9）回水量突然增大但含渣量小的情况，需将管路接口装置（9）接入抽水系统，对采空区积水进行抽排；如出现内钻杆（5）钻孔所需扭矩突然减小，管路接口装置（9）有气体涌出的情况，将管路接口装置（9）接入瓦斯抽采系统，对采空区瓦斯和有害气体进行抽放。

技术总结
本发明公开了一种旧采残煤巷式采空区钻孔探查方法，属于采矿工程技术领域；本方法以中心杆大钻头作为导向，在中心杆外置同轴大直径钻杆作为套管跟进钻进的钻机为主要设备，对旧采残煤时的巷式采空区空间特征及水文地质概况进行探查；根据内钻杆扭矩大小结合钻杆空腔的回水量和排渣量可以区分钻孔路径上的采空区和实体煤区域，并绘制实体煤与采空区空间分布特征图；本方法可满足一次探测复采工作面前方100~150m距离的残煤区，解决残煤区物理勘探精度低的问题。探精度低的问题。探精度低的问题。


技术研发人员：高红波 张一真 杨泽进 朱杨东 高鲁 吴迪 乔青山 张旭东
受保护的技术使用者：煤炭工业太原设计研究院集团有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/8/28