CN102678117A

CN102678117A - 基于聚能爆破的定向水力致裂方法

Info

Publication number: CN102678117A
Application number: CN2012101664570A
Authority: CN
Inventors: 黄炳香; 程庆迎; 陈树亮; 张统
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-05-28
Also published as: CN102678117B

Abstract

一种基于聚能爆破的定向水力致裂方法，在工作面顶板或煤体内打致裂钻孔至设定位置，致裂孔的深度和角度根据现场条件和工程需要确定但不应小于5m，将聚能管送入致裂孔深部并封孔，进行定向聚能爆破。通过爆破在钻孔内壁聚能孔方向形成一定深度的定向爆生裂隙。用水冲洗净钻孔后，在钻孔爆破段以浅安装封孔器封孔，向钻孔内进行高压注水，在水压力作用下定向爆生裂隙会继续扩展，从而实现定向水力致裂。可有效控制水力致裂过程中裂缝的扩展方向，也可进行水压聚能爆破致裂，减少由于爆破所引发的安全隐患，大大减小了对围岩的冲击波、地震波影响，增大钻孔间距，减少钻孔费用和劳动强度。施工工艺简单、节省炸药，安全可靠、切缝效果好。

Description

基于聚能爆破的定向水力致裂方法

技术领域

本发明涉及一种水力致裂方法，尤其是一种用于煤岩体聚能爆破的定向水力致裂方法。

背景技术

在我国煤矿开采中诱发的煤岩动力灾害问题一直十分突出。其中冲击矿压是最棘手的一种煤岩动力灾害。研究表明冲击矿压多发生在具有坚硬顶板的煤层中，尤其是在具有厚度大、强度高、整体性强、结构致密的坚硬厚层砂岩顶板中，以及煤质中硬，脆性和弹性较强的煤层中。而对坚硬顶板定向处理弱化和煤层弱化是防止冲击矿压的有效途径。采用普通钻孔炸药爆破方法会形成较强烈的冲击波，对煤岩体造成较大的应力扰动，存在诱导动力灾害的隐患，对局部围岩的破坏较大不易实现定向处理。另外采用单纯水力致裂法不能控制孔内裂缝的扩展方向。寻找一种安全、高效的处理坚硬顶板、煤岩体强度弱化、防治冲击矿压的有效技术途径和配套装置，对于保障煤矿的安全高效生产具有重要的理论和现实意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种操作简便、控制性好，安全可靠的煤岩体聚能爆破的定向水力致裂方法。

技术方案：本发明的煤岩体聚能爆破的定向水力致裂方法，包括如下步骤：

a．在工作面两端头沿煤层上方各打一个倾斜的致裂钻孔，同时分别在机巷和风巷超前工作面靠两巷外帮侧沿顶板向上施工5~10个致裂钻孔；

b．在施工好的致裂钻孔内逐一安装多节聚能管，聚能管的管壁两侧开有若干聚能孔，安装前在除Ⅰ号聚能管外的所有聚能管内分别穿入细电线，将矿用水胶炸药装入每个聚能管内，每个聚能管的两端均用炮泥填塞，同时在聚能管的末端连接一发电雷管，将Ⅰ号聚能管的电雷管脚线引出插入快速接头的公头，同时将Ⅱ号聚能管前端的细电线插入快速接头的母头，将Ⅱ号聚能管末端的细电线和电雷管脚线一起插入快速接头的公头，同时将Ⅲ号聚能管前端的细电线插入快速接头母头，依次逐个连接至最后一节聚能管，所述的向致裂钻孔内送装的所有聚能管的聚能孔朝向一致，均沿预裂方向；

c．将Ⅰ号聚能管送入致裂钻孔内，把Ⅰ号聚能管的快速接头的公头与Ⅱ号聚能管前端快速接头的母头插接在一起，然后将Ⅱ号聚能管送入致裂钻孔内，将Ⅱ号聚能管快速接头的公头与Ⅲ号聚能管快速接头的母头插接在一起，聚能管与聚能管之间设有防止聚能管转向的限位装置，依次送入并连接多节聚能管至致裂钻孔内，在致裂钻孔孔口处装入一节空聚能管；

d．用膨胀螺栓封孔防止聚能管滑落，同时将电雷管脚线引出至孔外，将1~3个致裂钻孔孔外的电雷管脚线并联，引爆炸药进行聚能爆破，使爆炸能量优先沿聚能孔方向产生爆生裂隙，卸除膨胀螺栓，用水管冲洗爆破后的致裂钻孔，再向钻孔内送入与注水泵相连的封孔器进行封孔；

或采用封孔器封孔，同时将雷管脚线引出至孔外，将1~3个致裂钻孔孔外的电雷管脚线并联，连接好注水管路向致裂钻孔孔内注满水，进行水压聚能爆破，使爆炸能量优先沿聚能孔方向产生爆生裂隙；

e．打开水泵开关向致裂钻孔内注入高压水进行水力致裂，使致裂钻孔周边的爆生裂隙进一步扩展；

f．当致裂钻孔孔壁或周边出现渗水或水压力小于5MPa时，关闭注水阀，停止注水。

所述靠两巷外帮侧垂直顶板向上施工的致裂钻孔深度为5~10m；所述的聚能管采用PVC管。

有益效果：由于采用了上述技术方案，将定向聚能爆破与水力致裂的优势结合，首先采用定向聚能爆破预裂坚硬顶板（煤体），用聚能管进行聚能装药使能量更集中，能将爆生气体的能量更多地转化成聚能射流的动能，使爆炸能量优先沿聚能孔方向产生爆生裂隙，有效控制裂缝方向，防止其他方向裂缝的形成和延伸；大大减小了对围岩的冲击波、地震波影响，增大钻孔间距，减少钻孔费用和劳动强度。最后，通过水力致裂使爆生裂隙进一步扩展形成完整的破裂面，可有效控制水力致裂过程中裂缝的扩展方向，也可进行水压聚能爆破致裂，减少由于爆破所引发的安全隐患，施工工艺简单、节省炸药，安全可靠、切缝效果好，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明采煤工作面内致裂钻孔平面布置示意图；

图2是本发明机巷内聚能爆破钻孔剖面布置示意图；

图3是本发明机巷内水力致裂钻孔结构示意图；

图4是本发明采煤工作面两端头沿煤层上方致裂钻孔布置示意图；

图5是本发明聚能管装药连接示意图；

图6是本发明聚能管装药剖面示意图。

图中：K—致裂钻孔，G—聚能管，G₁—Ⅰ号聚能管，G₂—Ⅱ号聚能管，G₃—Ⅲ号聚能管， G_k—空聚能管，J—聚能孔，1—机巷，2—风巷，3—顶板，4—工作面，5—煤层，6—细电线，7—电雷管，8—快速接头公头，9—快速接头母头，10—电雷管脚线，11—限位装置，12—炮泥，13—矿用水胶炸药，14—爆生裂隙，15—封孔器，16—注水泵，17—高压水，18—膨胀螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的基于聚能爆破的定向水力致裂方法：

如图1图4所示，先在工作面4两端头沿煤层5上方各打1个倾斜的致裂钻孔K，同时分别在机巷1和风巷2超前工作面4靠两巷外帮侧沿顶板向上施工5~10个致裂钻孔K，所述靠两巷外帮侧沿顶板向上施工的致裂钻孔K深度为5~10m；

如图2所示，在施工好的致裂钻孔K内逐一安装多节聚能管G，所述的聚能管G采用PVC管，聚能管G的管壁两侧开有若干聚能孔J，安装前在除Ⅰ号聚能管G₁外的所有聚能管G内分别穿入长约1.5m的细电线6，将矿用水胶炸药13装入每个聚能管G内，每个聚能管G的两端均用炮泥填塞，同时在聚能管G的末端连接一发电雷管7，电雷管脚线10长约0.3m，将Ⅰ号聚能管G₁的雷管脚线10引出插入快速接头的公头8，同时将Ⅱ号聚能管G₂前端的细电线6插入快速接头的母头9，将Ⅱ号聚能管G₂末端的细电线6和脚线10一起插入快速接头的公头8，同时将Ⅲ号聚能管G₃前端的细电线6插入快速接头母头9，依次逐个连接至最后一节聚能管G，所述的向致裂钻孔K内送装的所有聚能管G的聚能孔J朝向一致，均沿预裂方向，具体安装如下：

先将Ⅰ号聚能管G₁送入致裂钻孔K内，把Ⅰ号聚能管G₁的快速接头的公头8与Ⅱ号聚能管G₂前端快速接头的母头9插接在一起，如图5、图6所示，然后将Ⅱ号聚能管G₂送入致裂钻孔K内，将Ⅱ号聚能管G₂快速接头的公头8与Ⅲ号聚能管G₃快速接头的母头9插接在一起，聚能管G与聚能G之间设有防止聚能管转向的限位装置11，依次送入并连接多节聚能管G至致裂钻孔K内，在致裂钻孔K孔口处装入一节不装药的空聚能管G_k；用膨胀螺栓18封孔防止聚能管G滑落，同时将雷管脚线10引出至孔外，将1~3个致裂钻孔K孔外的电雷管脚线10并联，引爆炸药进行聚能爆破，使爆炸能量优先沿聚能孔J方向产生爆生裂隙14，如图3（a）所示，卸除膨胀螺栓18，用水管冲洗爆破后的致裂钻孔K，再向钻孔内送入与注水泵16相连的封孔器15封孔；或采用封孔器15封孔，同时将雷管脚线10引出至孔外，将1~3个致裂钻孔K孔外的电雷管脚线10并联，连接好注水管路并向致裂钻孔K孔内注满水，进行水压聚能爆破，使爆炸能量优先沿聚能孔J方向产生爆生裂隙14；

打开水泵16开关向致裂钻孔K内注入高压水17进行水力致裂，使致裂钻孔K周边的爆生裂隙14进一步扩展，如图3（b）所示；

当致裂钻孔K孔壁或周边出现渗水或注水压力小于5MPa时，关闭注水阀，停止注水。

具体实施例1、某矿工作面4煤层平均厚度2.64m，倾角平均为2°，煤层硬度f=2.7~3.7；伪顶为灰褐色砂质泥岩，平均厚度0.18m；直接顶为灰色粉砂岩，结构均匀，平均厚度3.94m；老顶为灰白色粗砂岩，平均厚度2.38m。

在工作面4两端头斜向煤层5上方各打1个致裂钻孔K，如图4所示，钻孔直径42mm，孔深9.2m。同时分别在机巷1和风巷2超前工作面10m靠两巷外帮侧沿顶板向上施工致裂钻孔K，钻孔直径42mm，孔深6.5m，钻孔间距为4m，依次沿工作面推进方向施工5~10个致裂钻孔。在施工致裂钻孔K的同时进行平行作业，将矿用水胶炸药13装入聚能管G内，聚能管G均采用PVC管，并且聚能管G的管壁两侧开有若干聚能孔J，如图5、图6所示。装药前先将除Ⅰ号聚能管G₁外的所有聚能管G内分别放入长约1.5m的细电线6，再依次向聚能管G内装入矿用水胶炸药13，并将聚能管G的两端用炮泥12填塞，同时在每节聚能管G的末端连接一发电雷管7，电雷管脚线10长约0.3m。将Ⅰ号聚能管G₁末端引出的电雷管脚线10插入快速接头的公头8，同时将Ⅱ号聚能管G₂前端的细电线6插入快速接头的母头9，将Ⅱ号聚能管G₂末端引出的细电线6和Ⅱ号聚能管G₂的电雷管脚线10一起插入快速接头的公头8，同时将Ⅲ号聚能管G₃前端的细电线6插入快速接头母头9，依次逐个连接至最后一节聚能管G。如图2所示，向打好的致裂钻孔K内送装聚能管G，在送装Ⅰ号聚能管G₁至孔口时将快速接头的公头8与Ⅱ号聚能管G₂前端快速接头的母头9插接在一起，并利用两节聚能管间的限位装置11限位防止聚能管G转向，确保所有聚能孔J的方向为预裂方向。然后继续送装Ⅱ号聚能管G₂至孔底时将快速接头的公头8与Ⅲ号聚能管G₃前端快速接头的母头9插接在一起，利用两节聚能管间的限位装置11限位防止聚能管转向，依次送装聚能管G至最后一节。最后将1节空聚能管G_k送入孔内，并将孔口用膨胀螺栓18封孔防止聚能管滑落，同时将电雷管脚线10引出至孔外，将1~3个致裂钻孔K孔外的电雷管脚线10并联，引爆炸药进行聚能爆破，在聚能孔J方向产生定向爆生裂隙14，再卸除膨胀螺栓18，用水冲洗净致裂钻孔K后，向致裂钻孔K浅部送入封孔器15封孔；或直接将封孔器15送入致裂钻孔K内，同时将电雷管脚线10引出至孔外，将1~3个致裂钻孔K孔外的电雷管脚线10并联，连接好注水管路向致裂钻孔K内注满水，引爆炸药进行水压聚能爆破，在聚能孔J方向产生定向爆生裂隙14。如图3所示，聚能爆破后打开水泵16开关向致裂钻孔内注入高压水17进行水力致裂，使钻孔周边的定向爆生裂隙14继续扩展，实现水力致裂，当致裂钻孔K孔壁或周边出现渗水或注水压力小于5MPa时，即关闭注水阀，停止注水。

Claims

1.一种基于聚能爆破的定向水力致裂方法，其特征在于，包括如下步骤：

a．在工作面两端头沿煤层（5）上方各打一个倾斜的致裂钻孔（K），同时分别在机巷和风巷超前工作面靠两巷外帮侧沿顶板向上施工5-10个致裂钻孔（K）；

b．在施工好的致裂钻孔（K）内逐一安装多节聚能管（G），聚能管（G）的管壁两侧开有若干聚能孔（J），安装前在除Ⅰ号聚能管（G₁）外的所有聚能管（G）内分别穿入细电线（6），将矿用水胶炸药（13）装入每个聚能管（G）内，每个聚能管（G）的两端均用炮泥填塞，同时在聚能管（G）的末端连接一发电雷管（7），将Ⅰ号聚能管（G₁）的电雷管脚线（10）引出插入快速接头的公头（8），再将Ⅱ号聚能管（G₂）前端的细电线（6）插入快速接头的母头（9），将Ⅱ号聚能管（G₂）末端的细电线（6）和电雷管脚线（10）一起插入快速接头的公头（8），同时将Ⅲ号聚能管（G₃）前端的细电线（6）插入快速接头母头（9），依次逐个连接至最后一节聚能管（G），所述的向致裂钻孔（K）内送装的所有聚能管（G）的聚能孔（J）朝向一致，均沿预裂方向；

c．将Ⅰ号聚能管（G₁）送入致裂钻孔（K）内，把Ⅰ号聚能管（G₁）的快速接头的公头（8）与Ⅱ号聚能管（G₂）前端快速接头的母头（9）插接在一起，然后将Ⅱ号聚能管（G₂）送入致裂钻孔（K）内，将Ⅱ号聚能管（G₂）快速接头的公头（8）与Ⅲ号聚能管（G₃）快速接头的母头（9）插接在一起，聚能管（G）与聚能管（G）之间设有防止聚能管转向的限位装置（11），依次送入并连接多节聚能管（G）至致裂钻孔（K）内，在致裂钻孔（K）孔口处装入一节空聚能管（G_k）；

d．用膨胀螺栓（18）封孔防止聚能管（G）滑落，同时将雷管脚线（10）引出至孔外，将1~3个致裂钻孔（K）孔外的电雷管脚线（10）并联，引爆炸药进行聚能爆破，使爆炸能量优先沿聚能孔（J）方向产生爆生裂隙（14），卸除膨胀螺栓（18），用水管冲洗爆破后的致裂钻孔（K），再向钻孔内送入与注水泵（16）相连的封孔器（15）进行封孔；

或采用封孔器（15）封孔，同时将雷管脚线（10）引出至孔外，将1~3个致裂钻孔（K）孔外的电雷管脚线（10）并联，连接好注水管路向致裂钻孔（K）内注满水，进行水压聚能爆破，使爆炸能量优先沿聚能孔（J）方向产生爆生裂隙（14）；

e．打开水泵（16）开关向致裂钻孔（K）内注入高压水（17）进行水力致裂，使致裂钻孔（K）周边的爆生裂隙（14）进一步扩展；

f．当致裂钻孔（K）孔壁或周边出现渗水或注水压力小于5MPa时，关闭注水阀，停止注水。

2.根据权利要求1所述的一种定向聚能爆破的水力致裂方法，其特征在于：所述靠两巷外帮侧沿顶板向上施工的致裂钻孔（K）深度为5~10m。

3.根据权利要求1所述的一种定向聚能爆破的水力致裂方法，其特征在于：所述的聚能管（G）采用PVC管。