CN104653161A - 煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置及方法，包括脉冲水压发生系统，所述脉冲水压发生系统通过水管与钻杆或注水管连接。首先在采掘工作面本煤层巷道中交替间隔布置脉冲水力割缝的压裂孔和控制孔；然后在压裂孔中进行非均匀的脉冲水力径向割缝，割裂出具有近似椭圆形状的径向导向缝槽；之后对已经完成脉冲水力径向割缝的压裂孔进行脉冲水力压裂；完成脉冲水力压裂以后，对压裂孔进行放水，然后将压裂孔和控制孔并入瓦斯抽放管网进行瓦斯抽放，并记录抽放数据。将脉冲水力割缝技术和脉冲水力压裂技术一体化，能使煤体有效卸压，增加煤层透气性，有效抽采煤层瓦斯。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿瓦斯防治技术，尤其涉及一种煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置及方法。
背景技术
目前，在我国各大矿区单一低透气性煤层普遍存在，而单一低透气性煤层的瓦斯治理工作一直是困扰广大科技工作者的技术难题。尤其是近年来，随着经济的快速可持续发展，我国对煤炭产量的需求不断增加，导致煤矿每年以20～50m的速度向深部延伸，许多矿井已经进入深部开采。矿井深部由于地质条件极其复杂，尤其是单一低透气性的矿区，使得采前预抽效果较差，无法消除采掘工作面的突出危险性。因此，具有突出危险性的单一低透气性高瓦斯煤层数量逐渐达到35％～49％，导致全国各大矿区特别重大瓦斯事故不断频发。采用脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采技术能有效提高单一低透气性煤层卸压半径和透气性，极大增加本煤层瓦斯抽采量，降低瓦斯事故的发生频率。
现有技术中，煤矿井下的脉冲水力增透措施只是采用水力割缝或者水力压裂其中一种技术措施进行煤体卸压，以提升煤层透气性，提高瓦斯抽放率的目的，但在实践应用中无论是选用水力割缝技术还是水力压裂技术都存在明显的不足。单独使用水力割缝技术时，其增透的效果由于受到缝槽深度和间距的限制，往往导致抽放半径小，需要施工较多的抽放钻孔才能达到有效抽放瓦斯的目的，因此工程量较大，成本较高。而单独使用水力压裂技术时，煤体裂纹的起裂位置和扩展方向无法控制，不能对试验煤层实施有效压裂，也无法达到有效抽放瓦斯的目的，甚至在一些复杂煤层中还会引发顶、底板的次生灾害。
发明内容
本发明的目的是提供一种能有效致裂煤体，增加煤层透气性，有效抽采煤层瓦斯的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置，包括脉冲水压发生系统，所述脉冲水压发生系统通过水管与钻杆或注水管连接。
本发明的上述的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置实现瓦斯抽采的方法，包括步骤：
A、通过钻杆和多功能钻头在采掘工作面本煤层巷道中交替间隔布置脉冲水力割缝的压裂孔和控制孔，所述压裂孔与控制孔的间距d为9～11m；
B、将所述脉冲水压发生系统与所述钻杆连接，在所述压裂孔中进行非均匀的脉冲水力径向割缝，形成具有近似椭圆形状的径向导向缝槽，水平方向缝槽深度大于竖直方向缝槽深度；
C、撤掉所述钻杆和多功能钻头，将所述脉冲水压发生系统与所述注水管连接，将所述注水管伸入到所述压裂孔中，并将所述压裂孔和控制孔进行封孔，对已经完成脉冲水力径向割缝的压裂孔进行脉冲水力压裂；
D、完成脉冲水力压裂以后，撤出所述注水管，对所述压裂孔进行放水，然后将压裂孔和控制孔并入瓦斯抽放管网进行瓦斯抽放，并记录抽放数据。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置及方法，由于将脉冲水力割缝技术和脉冲水力压裂技术一体化，有效致裂煤体，增加煤层透气性，避免了采用单一的脉冲水力割缝技术或者脉冲水力压裂技术而造成的致裂半径小和裂缝无序扩展甚至引发顶、底板次生灾害的缺陷。同时能够充分致裂煤体，极大的增加煤层透气性，延缓瓦斯抽采衰减过快，最终达到有效抽采煤层瓦斯的目的。
附图说明
图1为本发明实施例中脉冲水力割缝-压裂孔与控制孔井下布置示意图；
图2为本发明实施例中脉冲水力割缝状态示意图；
图3为本发明实施例中脉冲水力割缝槽形状示意图；
图4为本发明实施例中脉冲水力压裂状态示意图。
图中：
1、控制孔，2、压裂孔，3、煤层顶板，4、煤层底板，5、控制台，6、水箱，7、水管，8、溢流阀，9、保压容器，10、电磁阀，11、煤壁，12、多功能钻头，13、钻机，14、钻杆，15、注水泵，16、数据线，17、注水管，18、封孔材料，19、缝槽形状。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置，其较佳的具体实施方式是：
包括脉冲水压发生系统，所述脉冲水压发生系统通过水管与钻杆或注水管连接。
所述脉冲水压发生系统包括水箱，所述水箱的出水口通过水管依次与注水泵、保压容器、电磁阀连接，所述电磁阀的出水口通过水管与所述钻杆或注水管连接，所述注水泵、保压容器、电磁阀分别通过数据线与控制台连接。
所述保压容器的进水口水管上设有溢流阀，所述溢流阀的溢流口通过水管与所述水箱连接。
本发明的上述的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置实现瓦斯抽采的方法，其较佳的具体实施方式是：
包括步骤：
A、通过钻杆和多功能钻头在采掘工作面本煤层巷道中交替间隔布置脉冲水力割缝的压裂孔和控制孔，所述压裂孔与控制孔的间距d为9～11m；
B、将所述脉冲水压发生系统与所述钻杆连接，在所述压裂孔中进行非均匀的脉冲水力径向割缝，形成具有近似椭圆形状的径向导向缝槽，水平方向缝槽深度大于竖直方向缝槽深度；
C、撤掉所述钻杆和多功能钻头，将所述脉冲水压发生系统与所述注水管连接，将所述注水管伸入到所述压裂孔中，并将所述压裂孔和控制孔进行封孔，对已经完成脉冲水力径向割缝的压裂孔进行脉冲水力压裂；
D、完成脉冲水力压裂以后，撤出所述注水管，对所述压裂孔进行放水，然后将压裂孔和控制孔并入瓦斯抽放管网进行瓦斯抽放，并记录抽放数据。
所述步骤A中，首先以2d的间距在煤层顶、底板中间施工两个控制孔，然后在两个控制孔中间施工一个压裂孔。
所述步骤B和C中，脉冲水压的产生过程包括：
通过控制台发出指令，指令通过数据线启动注水泵，注水泵将水箱中的水转化成高压水，高压水经过溢流阀向保压容器中注水，通过控制台实时监测保压容器内的水压变化，当保压容器内水压达到要求的注水压力后，通过控制台按照设定频率启动电磁阀，从而实现脉冲水压的产生。
所述步骤B中，非均匀的脉冲水力径向割缝过程由压裂孔底部分段的逐渐向压裂孔外部进行，割缝过程无需进行封孔，分段距离为0.3～0.5m，割缝位置到达脉冲水力压裂封孔位置后停止，通过控制台关闭脉冲水压发生系统。
所述步骤C中，对压裂孔进行脉冲水力压裂过程中，当任一控制孔有水流出时，表明脉冲水力压裂过程完成，此时通过控制台关闭脉冲水压发生系统。
本发明的脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采技术，将脉冲水力割缝技术和脉冲水力压裂技术一体化，致使煤体有效卸压，提升煤层透气性，避免了采用单一水力割缝技术或者水力压裂技术而造成的致裂半径小和裂缝无序扩展甚至引发顶、底板次生灾害的缺陷。同时能够充分致裂煤体，极大的增加煤层透气性，延缓瓦斯抽采衰减过快，最终达到有效抽采煤层瓦斯的目的。
本发明所描述的脉冲水力割缝-压裂一体化技术，其有益效果为：
(1)在脉冲水力割缝的基础上进行脉冲水力压裂，使得致裂半径比采用单一的一种脉冲水力增透措施具有明显增加，可使压裂孔与控制孔间距由5-7m增加到10m左右，增大了抽放钻孔间距，减少了施工钻孔的工程量，降低了开采成本；(2)脉冲水力割缝-压裂一体化增透技术能够充分致裂煤体，致裂的煤体裂隙闭合幅度显著降低，增强了瓦斯导流能力，使得高浓度的瓦斯抽采量持续时间较长；(3)在一定程度上有效的防止了裂纹的无序扩展，预防了顶底板次生灾害事故的发生。
具体实施过程：
如图1、图2、图3和图4所示，包括步骤：
(1)确定钻孔施工方案：
在采掘工作面本煤层巷道煤壁上确定施工钻孔位置以及钻孔间距d(一般取值为10m左右)。首先以2d的间距施工2个控制孔1，然后在两个控制孔的中间以及煤层顶板3和煤层底板4的中间位置施工脉冲水力割缝-压裂孔2。
(2)对脉冲水力割缝-压裂孔2进行非均匀的脉冲水力径向割缝：
当施工完压裂孔2以后，将钻杆14的中心导水孔通过水管7与脉冲水压系统联接，然后启动脉冲水压系统。脉冲水压具体产生过程：通过控制台5发出指令，指令通过数据线16启动注水泵15，注水泵15将水箱6中的水转化成具有一定压力的高压水，高压水经过溢流阀8向保压容器9中注水，通过控制台5实时监测保压容器9内的水压变化，当保压容器9内水压达到要求的注水压力后，通过控制台5按照设定频率启动电磁阀10，从而实现脉冲水压的产生。脉冲水流通过钻杆14到达多功能钻头12，此时启动钻机13，使其缓慢旋转，由压裂孔底部分段的逐渐向压裂孔外部进行脉冲水力割缝，分段距离一般为0.3～0.5m，割缝位置到达脉冲水力压裂封孔位置即可停止。为了防止下一步的脉冲水力压裂时，裂隙扩展范围深入煤层顶、底板产生次生灾害，脉冲水力割缝要求在水平和竖直两个方向进行非均匀径向割缝，缝槽深度要求水平方向深度L2大于竖直方向深度L1，即割缝槽19形状近似为椭圆形，这样有利于脉冲水力压裂时，裂纹扩展范围沿水平方向扩展范围大于竖直方向，可防止顶、底板次生灾害的发生；
(3)进行脉冲水力压裂；
脉冲水力割缝完成以后，撤掉钻机13，采用封孔材料18对压裂孔和控制孔进行封孔，封孔同时埋入注水管17，将注水管17与脉冲水压系统进行联接之后，即可进行脉冲水力压裂过程。脉冲水力压裂水压产生过程与步骤(2)中的脉冲水力割缝水压产生过程相同，在此不再叙述。脉冲水力压裂过程中，密切观测两个控制孔1，当控制孔出水时，表明压裂完成，即可停泵，并对压裂孔进行放水；
(4)完成脉冲水力割缝-压裂增透技术全部工艺以后，将压裂孔与两个控制孔并入瓦斯抽放管网进行瓦斯抽放效果考察，记录每天的瓦斯抽放数据，并进行分析。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置，其特征在于，包括脉冲水压发生系统，所述脉冲水压发生系统通过水管与钻杆或注水管连接。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置，其特征在于，所述脉冲水压发生系统包括水箱，所述水箱的出水口通过水管依次与注水泵、保压容器、电磁阀连接，所述电磁阀的出水口通过水管与所述钻杆或注水管连接，所述注水泵、保压容器、电磁阀分别通过数据线与控制台连接。
3.根据权利要求2所述的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置，其特征在于，所述保压容器的进水口水管上设有溢流阀，所述溢流阀的溢流口通过水管与所述水箱连接。
4.一种权利要求1、2或3所述的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采装置实现瓦斯抽采的方法，其特征在于，包括步骤：
A、通过钻杆和多功能钻头在采掘工作面本煤层巷道中交替间隔布置脉冲水力割缝的压裂孔和控制孔，所述压裂孔与控制孔的间距d为9～11m；
B、将所述脉冲水压发生系统与所述钻杆连接，在所述压裂孔中进行非均匀的脉冲水力径向割缝，形成具有近似椭圆形状的径向导向缝槽，水平方向缝槽深度大于竖直方向缝槽深度；
C、撤掉所述钻杆和多功能钻头，将所述脉冲水压发生系统与所述注水管连接，将所述注水管伸入到所述压裂孔中，并将所述压裂孔和控制孔进行封孔，对已经完成脉冲水力径向割缝的压裂孔进行脉冲水力压裂；
D、完成脉冲水力压裂以后，撤出所述注水管，对所述压裂孔进行放水，然后将压裂孔和控制孔并入瓦斯抽放管网进行瓦斯抽放，并记录抽放数据。
5.根据权利要求4所述的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采方法，其特征在于，所述步骤A中，首先以2d的间距在煤层顶、底板中间施工两个控制孔，然后在两个控制孔中间施工一个压裂孔。
6.根据权利5所要求的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采方法，其特征在于，所述步骤B和C中，脉冲水压的产生过程包括：
通过控制台发出指令，指令通过数据线启动注水泵，注水泵将水箱中的水转化成高压水，高压水经过溢流阀向保压容器中注水，通过控制台实时监测保压容器内的水压变化，当保压容器内水压达到要求的注水压力后，通过控制台按照设定频率启动电磁阀，从而实现脉冲水压的产生。
7.根据权利6所要求的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采方法，其特征在于，所述步骤B中，非均匀的脉冲水力径向割缝过程由压裂孔底部分段的逐渐向压裂孔外部进行，割缝过程无需进行封孔，分段距离为0.3～0.5m，割缝位置到达脉冲水力压裂封孔位置后停止，通过控制台关闭脉冲水压发生系统。
8.根据权利7所要求的煤矿井下脉冲水力割缝-压裂一体化增透抽采方法，其特征在于，所述步骤C中，对压裂孔进行脉冲水力压裂过程中，当控制孔有水流出时，表明脉冲水力压裂过程完成，此时通过控制台关闭脉冲水压发生系统。
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