CN102852546B - 未采区单一松软突出煤层预抽煤巷条带瓦斯的方法 - Google Patents
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Abstract
未采区单一松软突出煤层预抽煤巷条带瓦斯的方法，涉及瓦斯的抽采技术领域。本发明可以解决单一、松软、低渗、高突煤层煤巷条带的区域消突技术难题。一种未采区单一松软突出煤层预抽煤巷条带瓦斯的方法是：从地面向未采区单一松软突出煤层顶、底板施工距煤层3~6m的顺层水平井，定向射孔后实施分段压裂，将原来封存煤层瓦斯的顶底板岩层改造成裂隙网络发达的抽采解放层，并通过裂隙网络与煤层大面积连通，通过排水降压、产气，并根据产水情况确定是否进行负压抽采，使煤层瓦斯不断解吸、扩散，通过抽采解放层中的水平井眼大规模抽采瓦斯。本发明通过大规模抽采瓦斯，可使煤巷条带内防突指标降至防突规定中的安全标准以下，实现安全快速掘进。
Description
技术领域
本发明涉及一种未采区单一松软突出煤层预抽煤巷条带瓦斯的方法。具体指针对单一、松软、低渗、突出煤层，提出一种通过地面水平压裂井预抽煤巷条带瓦斯的方法。
背景技术
矿井瓦斯已成为我国煤矿安全生产的最大危害，是威胁矿工生命的“第一杀手”。控制瓦斯灾害，消除煤与瓦斯突出，实现煤与瓦斯资源绿色共采的根本途径是抽出煤体瓦斯。
随着矿井采掘深度的增加，瓦斯含量与瓦斯压力的增大，很多低瓦斯矿井逐渐演变为高瓦斯矿井和突出矿井，且突出灾害越来越严重，以至于在本煤层打钻孔这样对煤体轻微的扰动往往就能诱发煤与瓦斯突出。《防治煤与瓦斯突出规定》明确指出防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则，区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯两类。我国严重突出矿区基本全是构造煤强烈发育区，尤其河南地区所采煤层普遍为单一、松软、低渗、高突煤储层，无保护层可采，瓦斯治理措施只能以预抽煤层瓦斯为主。煤种几乎全是典型的碎粒煤或糜棱煤。但因所采煤层煤质松软、渗透率低，煤的破坏类型几乎全为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类煤，天然裂隙的连通性较差，如果不采取增透措施，抽采效果很差，单一的进行井下瓦斯抽采难以短时间实现煤层消突和获取高浓度瓦斯资源的目的，往往以密集布孔和煤层顶底板岩抽巷等高工程投入为代价进行抽采。而且此类煤储层破碎严重，内生裂隙不复存在，瓦斯含量大、瓦斯压力高，在煤层内钻孔施工困难，打钻时喷孔、塌孔、堵孔和卡钻现象严重，钻孔打不深，浓度衰减快，抽采效果差。尤其是面对高突矿井构造煤强烈发育的首采区首条煤巷，瓦斯动力现象更加严重，而采用目前的增透技术直接对煤储层进行增透强化改造难度较大，致使高突煤层巷道掘进速度很低，每月进尺只有30m左右，难以达到抽、采、掘平衡，限制了矿井安全高效生产。
中国专利200810230940.4公开了“煤矿井下钻孔水力压裂增透抽采瓦斯工艺”，该技术首先在井下选取压裂地点，根据煤体类型、巷道布置和构造发育程度确定压力类型，采用顶底板顺层钻孔水力压裂、顶底板穿层钻孔水力压裂、本煤层顺层钻孔水力压裂或本煤层穿层钻孔水力压裂技术，进行压裂增透抽采煤层瓦斯。但该工艺技术只能在煤矿井下已布置采掘巷道的条件下实施，对于没有巷道布置的未采区松软高突原始煤层仍无法应用。
发明内容
本发明的目的是为了超前对未采区单一、松软、低渗、高突煤层煤巷条带进行区域消突，提供一种未采区单一松软松软高突煤层预抽煤巷条带瓦斯的方法。通过地面水平井超前将煤层中的瓦斯大规模抽放出来，使煤巷条带内的煤层瓦斯含量和瓦斯压力降低至防突规定中的安全标准，实现安全快速掘进。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种未采区单一松软松软高突煤层预抽煤巷条带瓦斯的方法，其特征是：借鉴地面水平井煤层气开发工艺，从地面向未采区单一松软突出煤层顶（底）板施工顺层水平井，射孔、压裂、排水降压、产气，并根据产水情况确定是否进行负压抽采瓦斯
当单一、松软、低渗高突煤层顶板稳定、易成孔时，优先采用从地面向煤层顶板中施工的水平井抽采瓦斯；当单一、松软、低渗高突煤层底板比顶板更稳定、更易成孔时，优先采用从地面向煤层底板中施工的水平井抽采瓦斯；当单一、松软、低渗高突煤层顶底板均稳定、易成孔时，为缩短预抽期可采用从地面向煤层顶、底板分别施工多分支水平井抽采瓦斯。
所述的在煤层顶板中施工的水平井眼垂向上位于煤层正上方3~6m，横向上在距拟掘进的煤层巷道一定范围内，且水平井眼钻进方向与巷道掘进方向相反。
所述的在煤层底板中施工的水平井眼垂向上位于煤层正下方3~6m，横向上在距拟掘进的煤层巷道一定范围内，且水平井眼钻进方向与巷道掘进方向相反。
所述的在煤层顶板中施工的水平井眼垂向上位于煤层正上方3~6m，在煤层底板中施工的水平井眼垂向上位于煤层正下方3~6m，横向上在距拟掘进的煤层巷道一定范围内，且水平井眼钻进方向与巷道掘进方向相反。
所述的从地面施工的水平井采取三开结构，均下入技术套管，一开表层套管封固地表易漏地层，水泥返至地面；二开井眼下入技术套管后固井，水泥返至煤顶100m以上；三开钻水平井眼，技术套管下入后固井。
所述施工在煤层顶板中的水平井，在水平圆形井眼内仅向下半圆定向射孔；施工在煤层底板中的水平井，在水平圆形井眼内仅向上半圆定向射孔；以此形成人工弱面。
所述的压裂为在水平井眼段每隔一定距离下封隔器实施分段压裂，对水平井眼与煤层之间的一段岩层进行强化处理，使压裂后在横向上以拟掘煤巷为轴线两侧各一定范围内的该段煤层顶底板原有裂隙延伸、扩展，并产生新的大量人造裂隙，在纵向上使煤层顶底板经压裂改造沿定向射孔形成的人工弱面获得的裂隙尽可能与煤层沟通，最终起到增透解封作用（即增加岩层的透气性，解除岩层对煤层内瓦斯的封存能力），将原来封存煤层瓦斯的顶底板岩层改造成为裂隙网络发达的“抽采解放层”。
所述的抽采解放层指的是通过强化工艺产生大量裂隙使透气性大幅度提高的靠近煤层一定范围内的岩层，厚度一般为10m左右，且通过与煤层导通的裂隙解除岩层对煤层内瓦斯的封存能力。
所述的排水降压后进行负压抽采瓦斯是利用排水、降压作用，使煤层瓦斯达到临界解吸压力以下，并在负压抽采过程中，使封闭在煤层中的瓦斯不断从煤层中解吸、扩散，通过与煤层连通的裂隙网络向“抽采解放层”渗流运移，再通过“抽采解放层”岩层中的水平井眼被大规模抽采出来。达到以拟掘煤层巷道为轴线两侧一定范围内的煤层瓦斯降至防突规定中要求的安全标准。
本发明所述的未采区单一松软突出煤层预抽煤巷条带瓦斯的方法，针对未采区单一、松软、低渗、高突煤层，在不改变原有地应力状态下，应用“煤层气封存机理”、“煤层气运移机制”、“煤层气储层强化机理”、“瓦斯抽采扰动机理”，借鉴地面水平井煤层气开发工艺，从地面向煤层顶底板岩层内沿拟掘进的煤巷走向方位施工顺层水平井，通过定向射孔形成人工定向若面，利用高压水的压裂作用，对煤层顶底板岩层水平井眼与煤层之间的一段岩层进行强化处理，增透解封，将原来封存煤层瓦斯的该段顶底板岩层改造成为裂隙连通网络发达的“抽采解放层”，并通过压裂改造获得的裂隙网络将“抽采解放层” 与煤层大面积连通，通过排水降压、负压抽采和巷道掘进等工序的多重扰动等，使从煤层中解吸出来的瓦斯通过人造裂隙迅速运移至 “抽采解放层”中，进而通过地面水平井超前将煤层中的瓦斯大规模抽放出来，使煤巷条带内的煤层瓦斯含量和瓦斯压力降低至防突规定中要求的安全标准，真正做到区域防突措施先行，局部防突措施补充，从根本上消除单一、松软、低渗、高突煤层煤巷掘进过程中的煤与瓦斯突出危险，实现安全快速掘进。
采用未采区单一松软突出煤层预抽煤巷条带瓦斯的方法进行煤巷条带瓦斯超前预抽时，实施的地面水平井在同一时间段内抽采的瓦斯量不低于与地面水平井水平井眼长度相等的顶底板岩巷所有穿层钻孔（穿层钻孔的钻孔密度以实施矿井的穿层钻孔平均密度为准）的总抽采瓦斯量，进而取代顶底板专用岩抽巷，既能避免开掘岩抽巷高工程投入，又能加大煤巷条带的超前预抽时间，确保矿井“抽、掘、采”平衡。
附图说明
图1是本发明针对从地面向单一松软低渗高突煤层顶板中施工水平井预抽煤巷条带瓦斯的立体图；
图2是图1实施压裂前的A-A’剖面图；
图3是图1实施压裂前的B-B’剖面图；
图4是图1实施压裂后的A-A’剖面图；
图5是图1实施压裂后的B-B’剖面图；
图6是本发明针对从地面向单一松软低渗高突煤层底板中施工水平井预抽煤巷条带瓦斯的立体图；
图7是图6实施压裂前的A-A’剖面图；
图8是图6实施压裂前的B-B’剖面图；
图9是图6实施压裂后的A-A’剖面图；
图10是图6实施压裂后的B-B’剖面图；
图11是本发明针对从地面向单一松软低渗高突煤层底顶、底板中施工多分支水平井预抽煤巷条带瓦斯的立体图；
图12是图11实施压裂前的A-A’剖面图；
图13是图11实施压裂前的B-B’剖面图；
图14是图11实施压裂后的A-A’剖面图；
图15是图11实施压裂后的B-B’剖面图。
具体实施方式
实施例1：
向未采区单一松软突出煤层顶板施工地面水平井预抽煤巷条带瓦斯的方法。对于厚度为5.7m，埋藏深度685m的近水平的单一、松软、低渗、高突煤层6，该层煤的破坏类型为Ⅴ类，煤质多为粉末状，煤种为糜棱煤；瓦斯含量为21m3/t，瓦斯压力为1.5MPa；煤层直接顶板7为砂质泥岩和粉砂质岩，厚1.96-9.97m，平均5.27m，老顶为细砂岩，厚1.22-11.95米，平均厚5.05米；煤层直接底板8为砂质泥岩或炭质泥岩，厚0.74-17.93米，平均7.00米，老底为砂岩，厚0.45-26.5m，平均厚10.70m。煤层底板有灰岩含水层，上距煤层20～30m，岩溶与裂隙发育不均衡。
实施步骤如下：
（1）根据拟掘进的巷道5空间位置，在地面1选取合适地点布置井位；
（2）采用三开井身结构向煤层顶板7钻井施工，一开井眼2直径为311.1mm，下入Φ244.5mm的J55钢级技术套管，一开表层套管封固地表易漏地层，水泥返至地面1；二开井眼3直径为215.9mm，下入Φ177.8mm的J55钢级技术套管后固井，水泥返至煤6顶100m以上；三开钻水平井眼4直径为152.4mm，下入Φ127mm的J55钢级技术套管封固煤层顶板7。采用导向钻进技术使三开水平井眼4距煤层6为3~6m，为保证二开井段3和三开井段4固井质量，使套管串居中，在二开大斜度井段3采用螺旋滚轮式钢性扶正器与双弓弹性扶正器交叉使用，三开水平段4使用刚性旋流扶正器，通过螺旋流顶替技术提高顶替效率。
（3）钻井工程移交后射孔准备压裂，按照16弹/m在水平圆形井眼4内仅向下半圆定向射孔，射孔后根据已定的水力压裂方案对水平井眼4与煤层6之间的煤层顶板岩层7实施分段压裂，将原来封存煤层瓦斯的顶底板岩层改造成为裂隙连通网络发达的抽采解放层9。
（4）从地面封井、排水、降压后，利用负压抽采，使封闭在煤层6中的瓦斯不断从煤层6中解吸、扩散，通过与煤层连通的裂隙网络向抽采解放层9渗流运移，再通过抽采解放层9岩层中的水平井眼4被大规模抽采出来。
实施例2：
向未采区单一松软突出煤层底板施工地面水平井预抽煤巷条带瓦斯的方法。对于厚度为4.8m，埋藏深度720m的近水平的单一、松软、低渗、高突煤层6，该层煤的破坏类型为Ⅲ类，煤质多为碎块状；瓦斯含量为14m3/t，瓦斯压力为1.2MPa；煤层直接顶7板为黑色泥岩和炭质泥岩，厚2.8-7.2m，平均5.4m，老顶为中粗粒砂岩，厚8.1-12.3米，平均厚9.5米；煤层直接底板8为砂质泥岩或泥岩，厚2.4-15.6米，平均10.3米，老底为砂岩，厚3.5-27.8m，平均厚14.5m。煤层顶板7有山西组砂岩裂隙承压水，距煤层5～30m。底板岩层总体完整性较好。
实施步骤如下：
（1）根据拟掘进的巷道5空间位置，在地面1选取合适地点布置井位；
（2）采用三开井身结构向煤层顶板7钻井施工，一开井眼2直径为311.1mm，下入Φ244.5mm的N80钢级技术套管，一开表层套管封固地表易漏地层，水泥返至地面1；二开井眼3直径为215.9mm，下入Φ177.8mm的N80钢级技术套管封固煤层6，水泥返至煤6顶100m以上；三开钻水平井眼4直径为152.4mm，下入Φ127mm的N80钢级技术套管后封固煤层底板8。采用导向钻进技术使三开水平井眼4距煤层6为3~6m，为保证二开井段3和三开井段4固井质量，使套管串居中，在二开大斜度井段3采用螺旋滚轮式钢性扶正器与双弓弹性扶正器交叉使用，三开水平段4使用刚性旋流扶正器，通过螺旋流顶替技术提高顶替效率。
（3）钻井工程移交后射孔准备压裂，按照16弹/m在水平圆形井眼4内仅向上半圆定向射孔，射孔后根据已定的水力压裂方案对水平井眼4与煤层6之间的煤层顶板岩层7实施分段压裂，将原来封存煤层瓦斯的顶底板岩层改造成为裂隙连通网络发达的抽采解放层9。
（4）从地面封井、排水、降压后，利用负压抽采，使封闭在煤层6中的瓦斯不断从煤层6中解吸、扩散，通过与煤层连通的裂隙网络向抽采解放层9渗流运移，再通过抽采解放层9岩层中的水平井眼4被大规模抽采出来。
实施例3：
向未采区单一松软突出煤层顶底板施工地面多分支水平井预抽煤巷条带瓦斯的方法。对于厚度为6.68m，埋藏深度700m的近水平的单一、松软、低渗、高突煤层6，该层煤的破坏类型为Ⅳ类，煤质多为粉粒状和碎块状；瓦斯含量为28m3/t，瓦斯压力为1.7MPa；煤层直接顶板7为砂质泥岩，厚2.6-6.9m，平均4.8m，老顶为细砂岩，厚3.2-16.5米，平均厚8.4米；煤层直接底板8为砂质泥岩或炭质泥岩，厚2.4-15.6米，平均7.6米，老底为砂岩，厚1.8-20.6m，平均厚12.5m。煤层顶底板稳定，岩溶与裂隙发育不均衡。
实施步骤如下：
（1）根据拟掘进的巷道5空间位置，在地面1选取合适地点布置井位；
（2）采用三开井身结构向煤层顶板7和煤层底板8施工多分支水平井，首先在煤层顶板7中施工的水平井，该分支水平井一开井眼2直径为311.1mm，下入Φ244.5mm的N80钢级技术套管，一开表层套管封固地表易漏地层，水泥返至地面1；二开井眼3直径为215.9mm，下入Φ177.8mm的N80钢级技术套管后固井，水泥返至煤6顶100m以上；三开钻水平井眼4直径为152.4mm，下入Φ127mm的N80钢级技术套管封固煤层顶板7。
（3）待在煤层顶板7中施工的水平井钻井结束后，再施工煤层底板中的分支水平井，该分支水平井一开井眼2直径为311.1mm，下入Φ244.5mm的N80钢级技术套管，一开表层套管封固地表易漏地层，水泥返至地面1；二开井眼3直径为215.9mm，下入Φ177.8mm的N80钢级技术套管封固煤层6，水泥返至煤6顶100m以上；三开钻水平井眼4直径为152.4mm，下入Φ127mm的N80钢级技术套管封固煤层底板8。采用导向钻进技术使三开水平井眼4距煤层6为3~6m，为保证二开井段3和三开井段4固井质量，使套管串居中，在二开大斜度井段3采用螺旋滚轮式钢性扶正器与双弓弹性扶正器交叉使用，三开水平段4使用刚性旋流扶正器，通过螺旋流顶替技术提高顶替效率。
（3）钻井工程移交后射孔准备压裂，按照16弹/m进行射孔，在煤层顶板7中的分支水平圆形井眼4内仅向上半圆定向射孔，在煤层底板8中的分支水平圆形井眼4内仅向上半圆定向射孔，射孔后根据已定的水力压裂方案分别对水平井眼4与煤层6之间的煤层顶板岩层7和煤层底板8实施分段压裂，将原来封存煤层瓦斯的顶底板岩层改造成为裂隙连通网络发达的抽采解放层9。
（4）从地面封井、排水、降压后，利用负压抽采，使封闭在煤层6中的瓦斯不断从煤层6中解吸、扩散，通过与煤层连通的裂隙网络向抽采解放层9渗流运移，再通过抽采解放层9岩层中的水平井眼4被大规模抽采出来。
Claims (3)
1.一种未采区单一松软突出煤层预抽煤巷条带瓦斯的方法，其特征是：采用地面水平井煤层气开发工艺，从地面向未采区单一松软突出煤层顶或底板施工顺层水平井，射孔、压裂、排水降压、产气，并根据产水情况确定是否进行负压抽采瓦斯；
采用从地面向煤层顶、底板分别施工多分支水平井抽采瓦斯，所述的在煤层顶板中施工的水平井眼垂向上位于煤层正上方3~6m，在煤层底板中施工的水平井眼垂向上位于煤层正下方3~6m，水平井眼钻进方向与巷道掘进方向相反；
所述的从地面施工的水平井采取三开结构，均下入技术套管，一开表层套管封固地表易漏地层，水泥返至地面；二开井眼下入技术套管后固井，水泥返至煤顶100m以上；三开钻水平井眼，技术套管下入后固井；
所述的压裂为在水平井眼段每隔一定距离下封隔器实施分段压裂，对水平井眼与煤层之间的一段岩层进行强化处理，使压裂后在横向上以拟掘煤巷为轴线两侧各一定范围内的该段煤层顶底板原有裂隙延伸、扩展，并产生新的大量人造裂隙，在纵向上使煤层顶底板经压裂改造沿定向射孔形成的人工弱面获得的裂隙尽可能与煤层沟通，最终起到增透解封作用，即增加岩层的透气性，解除岩层对煤层内瓦斯的封存能力，将原来封存煤层瓦斯的顶底板岩层改造成为裂隙网络发达的“抽采解放层”。
2.根据权利要求1所述的未采区单一松软突出煤层预抽煤巷条带瓦斯的方法，其特征是：所述的抽采解放层指的是通过强化工艺产生大量裂隙使透气性大幅度提高的靠近煤层一定范围内的岩层，厚度为8-12m，且通过与煤层导通的裂隙解除岩层对煤层内瓦斯的封存能力。
3.根据权利要求1所述的未采区单一松软突出煤层预抽煤巷条带瓦斯的方法，其特征是：所述的排水降压后进行负压抽采瓦斯是利用排水、降压作用，使煤层瓦斯达到临界解吸压力以下，并在负压抽采过程中，使封闭在煤层中的瓦斯不断从煤层中解吸、扩散，通过与煤层连通的裂隙网络向“抽采解放层”渗流运移，再通过“抽采解放层”岩层中的水平井眼被大规模抽采出来；达到以拟掘煤层巷道为轴线两侧一定范围内的煤层瓦斯降至防突规定中要求的安全标准。
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