CN105971662A - 一种l型钻孔分段压裂弱化煤层顶板的抽采瓦斯方法 - Google Patents
一种l型钻孔分段压裂弱化煤层顶板的抽采瓦斯方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种L型钻孔分段压裂弱化煤层顶板的抽采瓦斯方法，其包含如下步骤：1)在所采煤层工作面对应的地面位置选取钻孔位置及参数，施工L型钻孔；2)所述L型钻孔施工完毕后在L型钻孔中布置套管和压裂设备，利用水力喷射分段压裂的方法压裂煤层顶板的各预设压裂地点，以弱化煤层顶板；3)压裂作业完成后，卸除压裂设备并将L型钻孔中的套管连接到瓦斯抽采装置；4)开始采煤工作面的采煤作业，并在采煤工作面向前推移的同时通过瓦斯抽采装置抽采裂隙带瓦斯。本方案解决了现有技术中瓦斯抽采量有限和抽采力度不够，达不到使煤层瓦斯极大程度地被抽采利用的问题。
Description
技术领域
本发明涉及瓦斯抽采领域，具体是一种L型钻孔分段压裂弱化煤层顶板的抽采瓦斯方法。
背景技术
我国是世上最大的煤炭生产国和消费国，也是瓦斯灾害最严重的国家，瓦斯灾害严重地制约着我国煤矿的安全生产。在我国，94％的煤炭是通过井工方法开采出来的，然而随着煤矿井下开采深度和生产能力的不断增大，煤层瓦斯含量和压力不断升高，顶板管理日趋困难，井下工作面危险性也越来越高。
针对这一日渐严峻和向深部地层开采必将面临的问题，我国形成了一系列以煤柱支撑、爆破、注水软化和水力压裂等为核心的顶板管理方法和瓦斯巷抽采法、钻孔抽采法及埋管抽采法等采空区瓦斯抽采方法。这些顶板管理方法和采空区瓦斯抽采方法在一些矿井中起到了有益作用，但毕竟各方法单独使用时的效果有限，且往往由于井下的复杂情况导致这些方法不能充分的发挥其作用。又由于普通的采空区瓦斯抽采方法主要限于抽采由遗煤和少量煤层逸散出来积聚到采空区的瓦斯，而瓦斯的升浮-扩散和聚积作用又使得采空区的瓦斯浓度分布呈下低上高的态势，所以普通的瓦斯抽采方法的抽采管往往因为布置得离底板较近，导致瓦斯抽采浓度低且易被采空区冒落的岩石堵塞或破坏；当两抽采管间隔较远时，留下抽采盲区。这些原因都将造成瓦斯抽采量有限和抽采力度不够，达不到使煤层瓦斯极大程度地被抽采利用的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种L型钻孔分段压裂弱化煤层顶板的抽采瓦斯方法，其能够解决现有技术中瓦斯抽采量有限和抽采力度不够，达不到使煤层瓦斯极大程度地被抽采利用的问题。
为达到上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种L型钻孔分段压裂弱化煤层顶板的抽采瓦斯方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)在所采煤层工作面对应的地面位置选取钻孔位置及参数，施工L型钻孔。
2)所述L型钻孔施工完毕后在L型钻孔中布置套管和压裂设备，利用水力喷射分段压裂的方法压裂煤层顶板的各预设压裂地点，以弱化煤层顶板。
3)压裂作业完成后，卸除压裂设备并将L型钻孔中的套管连接到瓦斯抽采装置。
4)开始采煤工作面的采煤作业，并在采煤工作面向前推移的同时通过瓦斯抽采装置抽采裂隙带瓦斯。
优选的，所述步骤1)中，所述L型钻孔包括朝向煤层顶板的直孔段以及与煤层顶板平行的水平段，所述直孔段与水平段通过造斜段连通过渡，L型钻孔的水平段布置在准备工作面煤层上方的潜在裂隙带范围内；其中，HLmin为裂隙带高度下限值，HLmax为裂隙带高度上限值。
优选的，所述步骤1)中，相邻两L型钻孔在煤层顶板上的投影间距为L2，L型钻孔的个数N＝L1/L2，其中，L1为煤层工作面的长度，L2为数值模拟或试验得到的参考值。
优选的，所述步骤2)中，在L型钻孔的水平段中沿钻孔施工的反方向沿拖动压裂设备的压裂管柱，依次压裂煤层顶板的各预设压裂地点，水力喷射压裂的间距L3取值为控顶距。
优选的，所述套管内设置具有气孔的瓦斯抽采管。
为克服现有技术中存在的不足，本发明利用同一钻孔进行压裂弱化煤层顶板后抽采采空区裂隙带瓦斯，其通过在地面施工L型钻孔，利用L型钻孔打钻到准备工作面煤层顶板中，运用水力分段压裂的方法将钻孔水平段布置在裂隙带内对煤层顶板进行分段压裂，压裂弱化顶板后，促使顶板随工作面向前推移而逐步垮落，再利用原L型钻孔被压裂后的裂隙连通性和位置优势，将压裂后的套管连接到瓦斯抽采装置，随采煤工作面向前推移，抽采裂隙带瓦斯。
该方法不仅能对煤层顶板进行分段压裂，达到弱化煤层顶板的目的；而且还能实现对各种原因造成积聚在采空区上方裂隙带内的瓦斯的抽采。本发明是以L型钻孔为载体，将分段压裂技术与瓦斯抽采技术相结合，以探究一种一孔多用的压裂抽采瓦斯的方法。利用同一钻孔进行压裂后抽采瓦斯大大降低了施工成本和时间成本，极大地提高了瓦斯抽采效率。
本发明具有以下有益效果：
1)在潜在裂隙带内进行水力喷射分段压裂可促进日后裂隙带内裂隙的发育，促进顶板垮落、卸压，弱化顶板。
2)实施压裂后，提供了更多的瓦斯运移通道，使聚积在裂隙带内的瓦斯更易于被抽采，且利用负压抽采能促进煤层瓦斯的大量解吸，使瓦斯抽采浓度更高，抽采量更大。
3)利用同一钻孔进行压裂和抽采既节约了施工成本和时间成本，也充分发挥了压裂弱化顶板和在裂隙带内抽采瓦斯的双重优势。
4)为我国煤矿顶板管理和瓦斯治理提供了一种有别于传统的新思路、新方法。
附图说明
图1为本发明的L型钻孔的结构示意图；
图2为本发明的L型钻孔的垂直剖面布置示意图；
图3为本发明的L型钻孔的水平剖面布置示意图；
图4为本发明采用的水力喷射的原理示意图；
图5为本发明的拖动压裂效果图；
图6为本发明的瓦斯抽采效果图。
附图标记说明：R-转弯半径；A-直孔段；B-造斜段；C-水平段；D-垮落带；E-裂隙带；F-弯曲下沉带；M-煤层采高(分层开采时为累计采高)；L1-工作面长度；L2-钻孔间距；L3-水力喷射压裂间距(控顶距)；1-L型钻孔；2-压裂裂缝；3-压裂流体；4-环空流体；5-喷嘴；6-环空低压区；7-环空中压区；8-环空高压区；9-瓦斯。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明的步骤如下：
1)在所采煤层工作面对应的地面位置选取钻孔位置及参数，施工L型钻孔1。
根据井上下对照图，找到准备工作面所采煤层对应的地面位置，选择一组地面平坦、空旷，交通和施工便利，不受洪水、火灾和滑坡等自然灾害威胁的施工地段进行L型钻孔施工。选用TD2000/600型液压顶驱钻机，采用先进的定向钻进技术在所选的地面钻孔位置进行直孔段施工后调整回转器角度进行造斜段施工(如图1所示)。
为使压裂弱化顶板后瓦斯抽采效果显著，在准备工作面煤层上方潜在裂隙带中部到2/3倍裂隙带高度范围内，即在范围内，将钻杆调整到平行于煤层的位置，并贯穿待压裂的煤层顶板。
其中，HLmin——据经验公式所得裂隙带高度下限值，m；HLmax——据经验公式所得裂隙带高度上限值，m；裂隙带高度HL由下式确定：
坚硬岩层：
中硬岩层：
式中，M为煤层采高，分层开采时为累计采高，m。
相邻两L型钻孔在煤层顶板上的投影间距为L2，L型钻孔的个数N＝L1/L2，计算后四舍五入取值；其中，L1为煤层工作面的长度，L2为数值模拟或试验得到的参考值。L型钻孔布置如图2、图3所示。
2)所述L型钻孔施工完毕后在L型钻孔1中布置套管和压裂设备，利用水力喷射分段压裂的方法压裂煤层顶板的各预设压裂地点，以弱化煤层顶板。
所述步骤2)中，为使顶板在压裂后能及时垮落，水力喷射压裂间距L3取值为控顶距，通过拖动压裂设备的压裂管柱将喷嘴拖动到各个压裂地点(如图5)可依次压裂全部所需压裂地点。
3)压裂作业完成后，卸除压裂设备并将L型钻孔1中的套管连接到瓦斯抽采装置。在准备工作面煤层开采之前，先对顶板各欲压裂地点进行充分的水力喷射压裂，压裂结束后依次将压裂设备从钻孔中拆卸出来，但保留钻孔内的套管，并将套管连接到瓦斯抽采装置，为下一步抽采裂隙带瓦斯做准备。
4)开始采煤工作面的采煤作业，并在采煤工作面向前推移的同时通过瓦斯抽采装置抽采裂隙带瓦斯9。
步骤(3)完成后开始进行采煤作业，随采煤工作面向前推移，顶板逐步垮落，瓦斯9逐渐积累到裂隙带上方，在采煤的同时抽采裂隙带瓦斯9。若在抽采过程中出现套管被堵塞，可在套管内下入带有气孔的瓦斯抽采管。
若在抽采过程中出现套管被堵塞，可在所述套管内设置具有气孔的瓦斯抽采管。
在步骤(1)中L型钻孔1完成后向钻孔中装入套管，利用水力喷射专用工具产生高速高压流体射穿套管和顶板岩石形成孔眼，压裂流体在高压作用下在喷射通道中增压，环空流体使环空压力升高，压裂流体压力和环空压力相互叠加后超过顶板岩层破裂压力时顶板岩层则被压开；该水力喷射原理(如图4)是由伯努利方程：得来，流体在通过喷射工具时流体的压能被转换成为动能，在高速流体冲击作用下进行射孔，射孔形成裂缝后，流体喷射进入裂缝和环空流体一道维持裂缝的延伸与扩展，整个喷射压裂过程采用水动力学原理实现封隔，无需机械封隔。
煤层顶板在喷射压裂后裂隙发育，工作面上方的顶板随工作面向前推移而逐渐垮落，工作面前方的顶板在压裂裂隙和采动影响下逐渐断裂、下沉，其重力施加在煤体上也进一步压酥了煤体，使煤体中的瓦斯沿压裂裂隙进入到抽采范围；采空区的瓦斯逸散到裂隙带上部也在抽采范围之内，且在压裂后抽采，瓦斯抽采浓度更高，能抽采到的范围更广，只要L型钻孔1水平段覆盖下的煤层还未采完，有瓦斯抽采之必要，都可进行持续的瓦斯抽采作业。压裂后瓦斯抽采示意图如图6所示。
本发明应我国各大煤矿管理顶板和抽采瓦斯的需求，迎合未来煤炭深部开采的必然趋势，结合分段压裂技术和瓦斯抽采技术，在采场上覆岩层裂隙带既是瓦斯积聚的场所又是瓦斯逸散的通道的理论指导下，在潜在裂隙带内布置L型钻孔1，并以L型钻孔1为压裂和抽采通道进行压裂施工和抽采瓦斯，最终实现弱化顶板和抽采裂隙带瓦斯，为我国压裂煤层顶板、抽采瓦斯提供一种新思路、新方法。
Claims (5)
1.一种L型钻孔分段压裂弱化煤层顶板的抽采瓦斯方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)在所采煤层工作面对应的地面位置选取钻孔位置及参数，施工L型钻孔；
2)所述L型钻孔施工完毕后在L型钻孔中布置套管和压裂设备，利用水力喷射分段压裂的方法压裂煤层顶板的各预设压裂地点，以弱化煤层顶板；
3)压裂作业完成后，卸除压裂设备并将L型钻孔中的套管连接到瓦斯抽采装置；
4)开始采煤工作面的采煤作业，并在采煤工作面向前推移的同时通过瓦斯抽采装置抽采裂隙带瓦斯。
2.根据权利要求1所述的一种L型钻孔分段压裂弱化煤层顶板的抽采瓦斯方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述L型钻孔包括朝向煤层顶板的直孔段以及与煤层顶板平行的水平段，所述直孔段与水平段通过造斜段连通过渡，L型钻孔的水平段布置在准备工作面煤层上方的潜在裂隙带范围内；
其中，HLmin为裂隙带高度下限值，HLmax为裂隙带高度上限值。
3.根据权利要求1所述的一种L型钻孔分段压裂弱化煤层顶板的抽采瓦斯方法，其特征在于，所述步骤1)中，相邻两L型钻孔在煤层顶板上的投影间距为L2，L型钻孔的个数N＝L1/L2，其中，L1为煤层工作面的长度，L2为数值模拟或试验得到的参考值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种L型钻孔分段压裂弱化煤层顶板的抽采瓦斯方法，其特征在于，所述步骤2)中，在L型钻孔的水平段中沿钻孔施工的反方向沿拖动压裂设备的压裂管柱，依次压裂煤层顶板的各预设压裂地点，水力喷射压裂的间距L3取值为控顶距。
5.根据权利要求4所述的一种L型钻孔分段压裂弱化煤层顶板的抽采瓦斯方法，其特征在于，所述套管内设置具有气孔的瓦斯抽采管。
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