一種l型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采方法，其包含如下步驟：1)在所采煤層工作面對(duì)應(yīng)的地面，確定鉆孔位置和選取鉆孔參數(shù)；2)進(jìn)行L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔施工；3)L型壓裂鉆孔施工完畢后，在L型鉆孔中布置套管和壓裂設(shè)備；4)L型瓦斯抽采鉆孔施工完畢后，在L型瓦斯抽采鉆孔中布置帶有氣孔的瓦斯抽采管；5)利用水力噴射分段壓裂的方法超前預(yù)壓裂煤層頂板；6)在采煤作業(yè)的同時(shí)通過(guò)瓦斯抽采管抽采裂隙帶瓦斯。本方案解決了現(xiàn)有技術(shù)中煤礦開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題和采空區(qū)裂隙帶瓦斯超限問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及瓦斯抽采領(lǐng)域，具體是一種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽 采方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)工業(yè)化發(fā)展，能源需求日益增大，資源開(kāi)采量與日倶增，人們已經(jīng)開(kāi)始向 著更深的地層索取資源。就煤礦而言，目前整體發(fā)展趨勢(shì)是淺礦井資源正在枯竭，中深礦井 的資源正被大力開(kāi)采，深礦井的資源開(kāi)采量成倍增加，并將出現(xiàn)更多井深超過(guò)1200m的特深 礦井。然而隨開(kāi)采深度增加而來(lái)的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題和瓦斯抽采問(wèn)題嚴(yán)重地制約著煤礦的安 全生產(chǎn)，并耗費(fèi)了大量的人力物力和財(cái)力。
[0003] 對(duì)于強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的治理，我國(guó)主要采取超前深孔預(yù)裂爆破、注水軟化和水力壓裂 的方法。但超前深孔預(yù)裂爆破弱化頂板時(shí)，預(yù)裂爆破引起的震動(dòng)會(huì)對(duì)圍巖造成擾動(dòng)，并且爆 破需用大量炸藥，成本高，危險(xiǎn)性大，爆破產(chǎn)生的有害氣體、火焰等也會(huì)帶來(lái)一系列危害;注 水軟化的不足在于注水時(shí)間長(zhǎng)，效果不夠明顯；水力壓裂技術(shù)明顯的克服了前面兩種技術(shù) 的不足，已成為了一種經(jīng)濟(jì)有效的煤礦堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)，并在國(guó)內(nèi)外得到了推廣應(yīng)用。對(duì) 于瓦斯抽采，有瓦斯巷抽采法、埋管抽采法和鉆孔抽采法等采空區(qū)瓦斯抽采方法。瓦斯巷抽 采法效果明顯，能有效減少井下瓦斯含量，但成本太高，施工工期長(zhǎng);埋管抽采法往往布置 得距底板較近而導(dǎo)致抽采濃度較低，且易被垮落的巖石堵塞或壓壞等;相較而言，只要鉆孔 位置布置得當(dāng)，鉆孔抽采法不失為一種經(jīng)濟(jì)有效綜合效益高的瓦斯抽采方法。
[0004] 鑒于我國(guó)煤礦堅(jiān)硬頂板分布范圍廣且分布在半數(shù)以上的礦區(qū)，如大同、晉城、棗 莊、通化、鶴崗、神府、東勝等都存在堅(jiān)硬頂板導(dǎo)致的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)也有許多礦井存 在嚴(yán)重的瓦斯超限問(wèn)題。亟需提出一種新的瓦斯抽采方案來(lái)解決煤礦開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的強(qiáng) 礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題和采空區(qū)裂隙帶瓦斯超限問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采方法，其 能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中煤礦開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題和采空區(qū)裂隙帶瓦斯超限問(wèn) 題。
[0006] 為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采方法，其包含如下步驟：
[0008] 1)在所采煤層工作面對(duì)應(yīng)的地面，確定鉆孔位置和選取鉆孔參數(shù)。
[0009] 2)進(jìn)行L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔施工。
[0010] 3)L型壓裂鉆孔施工完畢后，在L型鉆孔中布置套管和壓裂設(shè)備。
[0011] 4)L型瓦斯抽采鉆孔施工完畢后，在L型瓦斯抽采鉆孔中布置帶有氣孔的瓦斯抽采 管。
[0012] 5)利用水力噴射分段壓裂的方法超前預(yù)壓裂煤層頂板。
[0013] 6)在采煤作業(yè)的同時(shí)通過(guò)瓦斯抽采管抽采裂隙帶瓦斯。
[0014] 優(yōu)選的，所述步驟1)中，所述L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔包括朝向煤層頂板 的直孔段以及與煤層頂板平行的水平段，所述直孔段與水平段通過(guò)造斜段連通過(guò)渡，L型壓 裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔的水平段都布置在準(zhǔn)備工作面煤層上方的潛在裂隙帶
[0015] 其中，hmin為裂隙帶高度下限值，hmax為裂隙帶高度上限值。
[0016] 優(yōu)選的，所述步驟1)中，所述L型瓦斯抽采鉆孔與L型壓裂鉆孔相平行，相鄰兩鉆孔 在煤層頂板上的投影間距為1，鉆孔個(gè)數(shù)n = L/l，其中，L為煤層工作面的長(zhǎng)度，1為數(shù)值模擬 或試驗(yàn)得到的參考值。
[0017] 優(yōu)選的，所述步驟2)中，相鄰兩L型瓦斯抽采鉆孔之間有一個(gè)L型壓裂鉆孔。
[0018] 優(yōu)選的，所述步驟5)中，采用水力噴射分段壓裂方法，L型瓦斯抽采鉆孔沿鉆孔施 工的反方向沿拖動(dòng)壓裂設(shè)備的壓裂管柱，間隔一個(gè)壓裂間距實(shí)施一次壓裂，依次壓裂煤層 頂板的各預(yù)設(shè)壓裂地點(diǎn)。
[0019] 優(yōu)選的，所述步驟5)中，水力噴射壓裂間距取值為控頂距，超前預(yù)壓裂煤層頂板的 超前距離設(shè)置為2倍控頂距。
[0020] 本發(fā)明克服了單純的水力壓裂弱化煤層頂板或布孔抽采瓦斯的不足，實(shí)現(xiàn)利用水 力分段壓裂技術(shù)超前預(yù)壓裂弱化煤層頂板的同時(shí)進(jìn)行采煤和抽采瓦斯作業(yè)，降低工作面上 隅角瓦斯含量。本發(fā)明通過(guò)在地面施工L型鉆孔，在地面鉆L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔 到準(zhǔn)備工作面煤層頂板，將L型鉆孔水平段平行煤層布置在裂隙帶內(nèi)，L型壓裂鉆孔和L型瓦 斯抽采鉆孔交替布置，對(duì)煤層頂板進(jìn)行超前分段壓裂后誘導(dǎo)頂板隨工作面向前推移而逐步 垮落，并隨采煤工作面向前推移超前預(yù)壓裂煤層頂板，同時(shí)抽采裂隙帶瓦斯，從而實(shí)現(xiàn)弱化 煤層頂板、減少?gòu)?qiáng)礦壓顯現(xiàn)、縮短來(lái)壓步距和減少工作面上隅角瓦斯含量，解決堅(jiān)硬頂板下 礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的危害和瓦斯抽采不力的問(wèn)題。
[0021] 本發(fā)明解決了煤礦開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題和采空區(qū)裂隙帶瓦斯解決 瓦斯超限問(wèn)題，尤其是超前預(yù)壓裂煤層頂板后隨工作面采煤同時(shí)抽采裂隙帶瓦斯能極大的 提高瓦斯的抽采效率，減少采空區(qū)瓦斯含量。
[0022]本發(fā)明的有益效果是：
[0023] 根據(jù)采場(chǎng)上覆巖層裂隙帶既是瓦斯積聚的場(chǎng)所又是瓦斯逸散的通道，本發(fā)明提出 從地面鉆L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔到準(zhǔn)備工作面煤層上方潛在裂隙帶內(nèi)，超前預(yù)壓 裂弱化煤層頂板、抽采裂隙帶瓦斯可獲得以下有益效果：
[0024] 1)壓裂弱化煤層頂板破壞了頂板的完整性，有利于減少甚至消除堅(jiān)硬頂板下強(qiáng)礦 壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。
[0025] 2)在潛在裂隙帶內(nèi)超前預(yù)壓裂弱化煤層頂板可促進(jìn)日后裂隙帶內(nèi)裂隙的發(fā)育，促 進(jìn)頂板垮落，達(dá)到弱化頂板的目的。
[0026] 3)抽采孔的存在對(duì)壓裂裂縫具有導(dǎo)向作用，有利于誘導(dǎo)裂縫形成水平貫通裂縫， 強(qiáng)化頂板壓裂效果。
[0027] 4)實(shí)施壓裂后聚積在裂隙帶內(nèi)的瓦斯更易于被抽采，且利用負(fù)壓抽采能促進(jìn)煤層 瓦斯的大量解吸，使瓦斯抽采濃度更高，抽采量更大，抽采效果更好。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為本發(fā)明的L型鉆孔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明的L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔的布置示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明采用的水力噴射的原理示意圖；
[0031] 圖4為本發(fā)明的拖動(dòng)壓裂效果圖；
[0032]圖5為本發(fā)明的水力壓裂和瓦斯抽采側(cè)視示意圖；
[0033]圖6為本發(fā)明的水力壓裂和瓦斯抽采俯視示意圖。
[0034]附圖標(biāo)記說(shuō)明：R-轉(zhuǎn)彎半徑;A-直孔段;B-造斜段;C-水平段;D-垮落帶;E-裂隙帶； F-彎曲下沉帶;M-煤層采高(分層開(kāi)采時(shí)為累計(jì)采高）；L-工作面長(zhǎng)度;-鉆孔間距;d-水力噴 射壓裂間距(控頂距）；1_壓裂裂縫;2-壓裂流體;3-環(huán)空流體;4-噴嘴；5-環(huán)空低壓區(qū)；6-環(huán) 空中壓區(qū)；7-環(huán)空高壓區(qū)；8-瓦斯。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0036] -種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采方法，其包含如下步驟：
[0037] 1)在所采煤層工作面對(duì)應(yīng)的地面，確定鉆孔位置和選取鉆孔參數(shù)。
[0038] 根據(jù)井上下對(duì)照?qǐng)D，對(duì)應(yīng)到準(zhǔn)備工作面所采煤層對(duì)應(yīng)的地面位置，選擇一組地面 空曠、平坦便于施工的位置布置L型鉆孔。L型鉆孔包括L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔，L 型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔包括朝向煤層頂板的直孔段以及與煤層頂板平行的水平 段，所述直孔段與水平段通過(guò)造斜段連通過(guò)渡。為確保水力壓裂弱化頂板后瓦斯抽采效果 顯著，將L型鉆孔水平段布置在準(zhǔn)備工作面煤層上方潛在裂隙帶1/2~2/3倍裂隙帶高度內(nèi)， L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔的水平段都布置在準(zhǔn)備工作面煤層上方的潛在裂隙帶
高度內(nèi)；其中，hmin-一據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式所得裂隙帶高度下限值，m; hmax-一據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式所得裂隙帶高度上限值，m。
[0039] 裂隙帶高度h可由下式確定：
[0042] 式中，Μ為煤層采高(分層開(kāi)采時(shí)為累計(jì)采高），m。
[0043] 2)進(jìn)行L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔施工。
[0044] 選好地面鉆孔位置后，選用TD2000/600型液壓頂驅(qū)鉆機(jī)和先進(jìn)的定向鉆進(jìn)技術(shù)在 目標(biāo)鉆孔位置進(jìn)行L型鉆孔施工，鉆進(jìn)一定距離后再調(diào)整回轉(zhuǎn)器角度進(jìn)行造斜段施工，如圖 1所示。所述L型瓦斯抽采鉆孔與L型壓裂鉆孔相平行，相鄰兩鉆孔在煤層頂板上的投影間距 為1，相鄰兩L型瓦斯抽采鉆孔之間有一個(gè)L型壓裂鉆孔。完成一鉆孔后沿與該L型鉆孔水平 段相垂直且水平距離為1的下一鉆孔位置施工L型瓦斯抽采鉆孔，如此交替施工壓裂鉆孔和 瓦斯抽采鉆孔，如圖2所示。其中1由數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)結(jié)果得出一合理值，鉆孔個(gè)數(shù)η由公式 [0045] n = L/l
[0046] 計(jì)算后四舍五入取值;式中，L為工作面長(zhǎng)度，m。
[0047] 3)L型壓裂鉆孔施工完畢后，在L型鉆孔中布置套管和壓裂設(shè)備，為后面進(jìn)行壓裂 作業(yè)做準(zhǔn)備。
[0048] 4)L型瓦斯抽采鉆孔施工完畢后，在L型瓦斯抽采鉆孔中布置帶有氣孔的瓦斯抽采 管，并將瓦斯抽采管連接到瓦斯抽采裝置。
[0049] 5)利用水力噴射分段壓裂的方法超前預(yù)壓裂煤層頂板。
[0050] 壓裂裝置準(zhǔn)備就緒后利用水力噴射專(zhuān)用噴射工具產(chǎn)生高速高壓流體，穿透套管和 頂板巖石以形成孔眼并壓開(kāi)頂板巖層，如圖3所示;為使頂板在壓裂后能及時(shí)垮落，水力噴 射壓裂間距d取值為控頂距，超前壓裂距離設(shè)置為2倍控頂距。在L型瓦斯抽采鉆孔中沿鉆孔 施工的反方向沿拖動(dòng)壓裂設(shè)備的壓裂管柱，間隔一個(gè)壓裂間距實(shí)施一次壓裂，依次壓裂煤 層頂板的各預(yù)設(shè)壓裂地點(diǎn)通過(guò)拖動(dòng)壓裂管柱將噴嘴拖動(dòng)到各個(gè)壓裂位置，如圖4所示，如此 依次壓裂全部所需壓裂的地點(diǎn)。
[0051] 6)在采煤作業(yè)的同時(shí)通過(guò)瓦斯抽采管抽采裂隙帶瓦斯8。
[0052]壓裂準(zhǔn)備工作面上覆頂板到預(yù)設(shè)的超前距離時(shí)就可開(kāi)始準(zhǔn)備工作面的采煤作業(yè)， 隨采煤工作面向前推移，頂板逐步垮落，瓦斯逐漸積聚到裂隙帶上方，在采煤的同時(shí)抽采裂 隙帶瓦斯8,如圖5圖6所示。
[0053]煤層頂板在分段壓裂后裂隙更加發(fā)育，工作面上方的頂板隨工作面向前推移逐漸 垮落，工作面前方的頂板在壓裂和采動(dòng)影響下逐漸斷裂、下沉，其重力施加在煤體上有利于 進(jìn)一步壓酥煤體，使煤體中的瓦斯沿壓裂裂隙進(jìn)入到抽采范圍；同時(shí)采空區(qū)的瓦斯逸散到 裂隙帶上部也正處于L型瓦斯抽采鉆孔的抽采范圍，且在壓裂后抽采瓦斯抽采效果更好，抽 采濃度更高，能抽采到的范圍更廣，抽采效率更高。
[0054]本發(fā)明是根據(jù)我國(guó)部分大煤礦煤層頂板大面積懸而不落和工作面上隅角瓦斯超 限難治這一現(xiàn)狀，結(jié)合分段壓裂技術(shù)和瓦斯抽采技術(shù)，在采場(chǎng)上覆巖層裂隙帶既是瓦斯積 聚的場(chǎng)所又是瓦斯逸散的通道的理論指導(dǎo)下，在潛在裂隙帶內(nèi)交替布置L型壓裂鉆孔和L型 瓦斯抽采鉆孔對(duì)頂板進(jìn)行超前壓裂的同時(shí)進(jìn)行采煤和抽采瓦斯作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)弱化煤層頂 板和抽采裂隙帶瓦斯的目標(biāo)，為我國(guó)弱化煤層頂板、抽采瓦斯提供一種新思路、新方法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采方法，其特征在于，包含如下步驟： 1) 在所采煤層工作面對(duì)應(yīng)的地面，確定鉆孔位置和選取鉆孔參數(shù)； 2) 進(jìn)行L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔施工； 3. L型壓裂鉆孔施工完畢后，在L型鉆孔中布置套管和壓裂設(shè)備； 4. L型瓦斯抽采鉆孔施工完畢后，在L型瓦斯抽采鉆孔中布置帶有氣孔的瓦斯抽采管； 5) 利用水力噴射分段壓裂的方法超前預(yù)壓裂煤層頂板； 6) 在采煤作業(yè)的同時(shí)通過(guò)瓦斯抽采管抽采裂隙帶瓦斯。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采方法，其特征在 于，所述步驟1)中，所述L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔包括朝向煤層頂板的直孔段以及與煤 層頂板平行的水平段，所述直孔段與水平段通過(guò)造斜段連通過(guò)渡，L型壓裂鉆孔和L型瓦斯抽采鉆孔的水平段都布置在準(zhǔn)備工作面煤層上方的潛在裂隙帶（ 高度內(nèi)； 其中，11_為裂隙帶高度下限值，hmax為裂隙帶高度上限值。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采方法，其特征 在于，所述步驟1)中，所述L型瓦斯抽采鉆孔與L型壓裂鉆孔相平行，相鄰兩鉆孔在煤層頂板 上的投影間距為1，鉆孔個(gè)數(shù)n = L/l，其中，L為煤層工作面的長(zhǎng)度，1為數(shù)值模擬或試驗(yàn)得到 的參考值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的一種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采 方法，其特征在于，所述步驟2)中，相鄰兩L型瓦斯抽采鉆孔之間有一個(gè)L型壓裂鉆孔。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采方法，其特征 在于，所述步驟5)中，采用水力噴射分段壓裂方法，L型瓦斯抽采鉆孔沿鉆孔施工的反方向 沿拖動(dòng)壓裂設(shè)備的壓裂管柱，間隔一個(gè)壓裂間距實(shí)施一次壓裂，依次壓裂煤層頂板的各預(yù) 設(shè)壓裂地點(diǎn)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種L型鉆孔壓裂弱化頂板平行布孔的瓦斯抽采方法，其特征 在于，所述步驟5)中，水力噴射壓裂間距取值為控頂距，超前預(yù)壓裂煤層頂板的超前距離設(shè) 置為2倍控頂距。
【文檔編號(hào)】E21B43/26GK105927270SQ201610522852
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】夏彬偉, 龔濤, 盧義玉, 王海洋, 葛兆龍, 湯積仁
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)