本申請涉及煤炭開采，特別涉及一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法。

背景技術：

1、煤炭是我國的基礎能源和重要工業原料，在我國能源體系中占據主導地位。當前，我國的能源需求仍呈增長趨勢，盡管煤炭在能源消費總量中的占比不斷下降，但考慮到可再生能源短期內難以大規模替代傳統化石能源，煤炭仍將是我國能源供應的“壓艙石”和“穩定器”。

2、目前，我國煤炭開采技術不斷提高，不斷加大科技創新力度，推廣應用綜合機械化、自動化、智能化等先進設備；加強資源整合和優化配置，關閉退出落后小型煤礦，提高原煤入洗率等指標，煤炭回采率和高效利用率不斷提高。

3、然而，盡管目前我國煤炭開采技術和回采率已經達到了較高水平，但在上世紀90年代之前，我國多采用巷柱式、巷放式等以掘代采的采煤工藝及方法，加上當時的煤炭工業裝備以及技術的發展水平比較落后，煤炭回采率較低，造成了煤炭資源的極大浪費，形成了大量的遺煤資源，并且其中的很大一部分為特殊和稀缺煤種，是重要的工業原料。因此實現遺留煤柱復采是保證我國能源供給和可持續發展的重要方向。

4、背斜房柱式采煤法遺留煤柱的復采工作是遺留煤柱高效回收的重要部分，背斜房柱式復采區遺留煤柱的高效回收復采對于提高煤炭資源的回采率具有重要意義。但是背斜房柱式復采區經常有同時存在積水和積氣的情況，且由于背斜房柱式復采區巷道分布復雜，要求盡快投產，使得背斜房柱式復采區的積水積氣排放面臨井下巷道情況未知、投產周期長、對復采區積水積氣排放效果無法實時監測評估等的問題。

技術實現思路

1、為了解決背斜房柱式復采區域積水積氣情況復雜，排放過程難以有效監測，排放效果難以評估等問題，本申請提出了一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法。

2、本申請采用的技術方案為：一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，包括以下步驟：

3、s1：收集背斜房柱式復采區的地質資料；

4、s2：根據步驟s1中收集到的地質資料估算復采區積水、積氣總量，并根據排水排氣能力初步估算排水排氣工期；

5、s3：根據復采區積水和積氣分布特點，利用現有巷道，向背斜房柱式復采區的煤層傾向水平高度最高處的煤層頂板施工一批排氣鉆孔，向背斜房柱式復采區的煤層傾向水平高度最低處的煤層底板施工一批排水鉆孔，在現有巷道向背斜房柱式復采區傾向方向均勻施工監測鉆孔；其中煤層傾向水平高度是指以煤層埋深最深處為基準面，沿煤層傾向方向上的某一點相對于基準面的高度；

6、s4：對復采區的積水和積氣同步進行排放，并通過監測鉆孔對復采區的積水積氣情況進行實時監測，根據實時積氣濃度下降速率和積水水位下降速率與步驟s2中估算的理論結果進行對比，判斷復采區積水積氣的實時排放效果，并根據排放效果動態調整排氣排水策略。

7、進一步地，步驟s1中根據煤田開采歷史和附近礦井的地質資料整理得到背斜房柱式復采區的地質資料，對于沒有地質資料或地質資料不全的背斜房柱式復采區需要進行鉆井工程或采用探測方法對背斜房柱式復采區的地質資料進行補充。

8、進一步地，復采區積氣的估算中僅考慮瓦斯和空氣，并采用理想氣體狀態方程和多組分的分壓定律計算復采區瓦斯物質的量濃度，從而估算出復采區瓦斯體積。

9、進一步地，復采區積水量估算是通過歷史回采率、歷史開采煤層厚度和歷史開采煤層面積得到的。

10、進一步地，步驟s3中的監測鉆孔包括積水監測鉆孔和積氣監測鉆孔，積水監測鉆孔中固定有水位傳感器，積氣監測鉆孔中固定有瓦斯濃度檢測傳感器。

11、采用優化模型確定步驟s3中排氣鉆孔和排水鉆孔的布置，其中優化模型的表達式如下：

12、

13、式中：z為布置總成本；ci為第i個鉆孔的施工成本；di為第i個鉆孔的距離權重；n為鉆孔總數。

14、進一步地，在最終完成排氣排水后，通過排放效率對整個復采區內的排水排氣進行校核，判斷其是否達到了能夠進行復采工作的要求，其中排放效率的表達式為：

15、

16、式中：egas為瓦斯排放效率；vremoved為已排放的瓦斯體積，vtotal為復采區瓦斯總量；ewater為積水排放效率；wremoved為已排放的積水體積；wtotal為復采區積水總量。

17、進一步地，對于積水積氣情況復雜的復采區，排水排氣效率會隨時間動態變化，采用以下公式描述：

18、

19、式中：η(t)gas為瓦斯累計排放效率；η(t)water為積水累計排放效率；q(t')gas為瓦斯瞬時排放流量；q(t')water為積水瞬時排放流量；t'為積分時間變量。

20、進一步地，通過探測鉆孔實時監測復采區瓦斯濃度下降速率，若監測結果與理論計算結果的差值處于設定范圍內，則說明復采區瓦斯排放效果較好；若監測結果與理論計算結果的差值超出設定范圍，則說明復采區瓦斯排放存在區域性效果不好的情況，需要進一步采取區域針對性的瓦斯抽排方式；

21、通過探測鉆孔實時監測復采區水位下降速率，若監測結果與理論計算結果的差值處于設定范圍內，則說明復采區積水排放效果較好；若監測結果與理論計算結果的差值超出設定范圍，則說明復采區積水排放存在區域性效果不好的情況，需要進一步采取區域針對性的積水排放方式。

22、進一步地，根據排放效果動態調整排氣排水策略如下：

23、如果排氣效率與理論計算基本一致，但排水效果未達預期，通過調整排氣抽放強度、增加輔助排水措施、重新布置鉆孔和/或結合氣水分離技術的措施增強排水效果；

24、如果排水效率與理論計算基本一致，但排氣效果未達預期，通過優化鉆孔位置、增加水平定向鉆孔、提高抽氣系統負壓和/或檢查管道系統的密封性措施增強排氣效果。

25、本申請相對于現有技術具備的有益效果為：本申請提供的方法利用井下現有可用巷道進行鉆孔施工，減小了巷道施工工作量以及鉆孔長度；利用房柱式復采區的遺留巷道連通復采區域的積水和積氣，簡化了排水排氣系統，實現了復采區積水積氣的高效排放；對復采區排水排氣情況進行實時監測，可以動態評估復采區積水積氣排放效果；利用現有巷道對房柱式復采區積水積氣進行排放，減少了巷道掘進的工作量，提高了經濟效益。

技術特征：

1.一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，其特征在于：步驟s1中根據煤田開采歷史和附近礦井的地質資料整理得到背斜房柱式復采區的地質資料，對于沒有地質資料或地質資料不全的背斜房柱式復采區需要進行鉆井工程或采用探測方法對背斜房柱式復采區的地質資料進行補充。

3.根據權利要求1所述的一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，其特征在于：復采區積氣的估算中僅考慮瓦斯和空氣，并采用理想氣體狀態方程和多組分的分壓定律計算復采區瓦斯物質的量濃度，從而估算出復采區瓦斯體積。

4.根據權利要求1所述的一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，其特征在于：復采區積水量估算是通過歷史回采率、歷史開采煤層厚度和歷史開采煤層面積得到的。

5.根據權利要求1所述的一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，其特征在于：步驟s3中的監測鉆孔包括積水監測鉆孔和積氣監測鉆孔，積水監測鉆孔中固定有水位傳感器，積氣監測鉆孔中固定有瓦斯濃度檢測傳感器。

6.根據權利要求5所述的一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，其特征在于：采用優化模型確定步驟s3中排氣鉆孔和排水鉆孔的布置，其中優化模型的表達式如下：

7.根據權利要求1所述的一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，其特征在于：在最終完成排氣排水后，通過排放效率對整個復采區內的排水排氣進行校核，判斷其是否達到了能夠進行復采工作的要求，其中排放效率的表達式為：

8.根據權利要求7所述的一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，其特征在于：對于積水積氣情況復雜的復采區，排水排氣效率會隨時間動態變化，采用以下公式描述：

9.根據權利要求1所述的一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，其特征在于：通過探測鉆孔實時監測復采區瓦斯濃度下降速率，若監測結果與理論計算結果的差值處于設定范圍內，則說明復采區瓦斯排放效果較好；若監測結果與理論計算結果的差值超出設定范圍，則說明復采區瓦斯排放存在區域性效果不好的情況，需要進一步采取區域針對性的瓦斯抽排方式；

10.根據權利要求9所述的一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，其特征在于：根據排放效果動態調整排氣排水策略如下：

技術總結
本申請提供了一種針對背斜房柱式復采區同步排水抽氣的方法，屬于煤炭開采技術領域；解決了背斜房柱式復采區域積水積氣情況復雜，排放過程難以有效監測，排放效果難以評估等問題；包括以下步驟：收集背斜房柱式復采區的地質資料并估算復采區積水、積氣總量，根據排水排氣能力初步估算排水排氣工期；根據復采區積水和積氣分布特點，利用現有巷道，向背斜房柱式復采區施工排氣鉆孔、排水鉆孔和監測鉆孔；對復采區的積水和積氣同步進行排放，并通過監測鉆孔對復采區的積水積氣情況進行實時監測，根據實時積氣濃度下降速率和積水水位下降速率與估算的理論結果進行對比，判斷復采區積水積氣的實時排放效果；本申請應用于復采區排水抽氣。

技術研發人員：馮國瑞,崔江慧,張玉江,張帥,杜云樓,郭軍亮
受保護的技術使用者：太原理工大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28