CN104790951A - 弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板的方法及装置 - Google Patents

弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及煤矿高位顶板致裂弱化方法,具体为弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板的方法及装置,解决缺乏压裂弱化距煤层100~350m范围的高位坚硬顶板岩层的方法及装置问题,方案为:a、煤层上覆低位顶板断裂处的正上方钻水力压裂孔,距水力压裂孔的40m范围内钻导向压裂孔;b、将高压水射孔与压裂装置伸入压裂孔,注入压裂液,逐层射孔割缝;c、继续注入压裂液,保持坐封,同时注入支撑剂;d、在水力压裂孔内射孔割缝;e、注入清洗剂,反循环清洗。高压水射孔与压裂装置,包括套管、套管内设有压裂管柱,压裂管柱由引导器、花管、逆止阀、水力锚、液压封隔器、扶正器、射孔枪、接头依次贯通连接构成。

Description

弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板的方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及煤矿高位坚硬顶板致裂弱化方法,具体为弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板的方法及装置。
背景技术
[0002] 我国很多矿区煤层之上赋存有强度高、厚度大、整体特别完整的坚硬顶板。开采具有坚硬顶板的煤层时,会形成异乎寻常的剧烈来压。近年来,随着特厚煤层大采高综放开采先进采煤技术在我国部分矿区的成功应用,从而使得长壁工作面开采强度、采场空间以及推进速度急速提高。这种条件下,剧烈矿压的显现已经远远超出了坚硬基本顶的作用引起的矿压显现范围。高位坚硬顶板岩层的破断失稳引发的采场应力场、覆岩空间结构演化更加复杂,大规模高强度的开采扰动不仅导致垮落带范围覆岩剧烈运动,而且会使上覆采空区空间平衡结构进一步失稳,从而形成采空区顶板岩层大面积异常矿压剧烈显现,甚至诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害。因此,在煤矿长壁工作面开采中必须对高位坚硬顶板进行控制。
[0003]目前,关于坚硬顶板的控制方法主要集中在距离煤层50m范围以内的中低位坚硬顶板岩层的控制方法,主要有超前工作面煤壁深孔爆破预裂顶板、超前工作面煤壁高压水致裂、顶板注水弱化、深浅孔联合爆破等,这在以往中低位坚硬顶板控制上取得了很大的成效,但这些方法主要基于在井下施工,钻孔施工长度有限,故控制范围有限,很难实现对距开采煤层100~350m的高位坚硬顶板岩层的控制。因此,随着大采高综放高强度开采先进采煤技术的普遍应用,煤层上覆高位岩性完整、强度高、厚度大的坚硬顶板由于受到开采动影响,岩梁发生破断造成矿压显现异常剧烈,从地面施工垂直孔进行多目的层以及某一目的层的分层水力压裂弱化高位坚硬顶板控制就显得尤为重要。
发明内容
[0004] 本发明为了解决目前缺乏压裂弱化距煤层100~350m范围的高位坚硬顶板岩层的方法及装置,提供一种弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板的方法及装置。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的:弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板的方法,包括以下步骤:
a、在综放特厚煤层上覆低位坚硬顶板最靠近工作面断裂处的正上方地面垂直向下钻一水力压裂孔,水力压裂孔末端钻至距第一高位坚硬顶板底部1m处;在距水力压裂孔的40m范围内钻至少两个与水力压裂孔平行且深度一样的导向压裂孔;
b、将高压水射孔与压裂装置伸入导向压裂孔中,通过高压水射孔与压裂装置向导向压裂孔中注入压裂液,压裂液通过高压水射孔与压裂装置,在导向压裂孔内对第一高位坚硬顶板至少喷射切割出三层射孔割缝,对第二高位坚硬顶板至少喷射切割出两层射孔割缝,所述每层射孔割缝间距至多1m ;
C、对坚硬顶板进行喷射切割后,继续通过高压水射孔与压裂装置注入压裂液,使高压水射孔与压裂装置保持坐封,同时向高压水射孔与压裂装置内注入支撑剂;
d、按照同样方法,再将高压水射孔与压裂装置伸入水力压裂孔,对水力压裂孔内各层坚硬顶板进行逐层喷射切割、注入支撑剂;
e、在水力压裂孔10各层坚硬顶板喷射切割、注入支撑剂压裂施工结束后,向高压水射孔与压裂装置中注入清洗剂,对高压水射孔与压裂装置进行反循环清洗,压裂弱化坚硬顶板施工完成。
[0006] 本发明施工过程先进行导向压裂孔的射孔割缝施工,再进行水力压裂孔的射孔割缝与水力压裂。在水力压裂孔四周布置导向压裂孔,经高压水射孔与压裂装置注入压裂液与支撑剂,形成射孔割缝,射孔割缝尖端出现剪切破坏区并在周边区域形成塑性区,再对水力压裂孔进行压裂时,裂缝会按照裂缝扩展最大主应力准则进行扩展,形成导向压裂裂缝,从而实现了导向水力压裂高位坚硬顶板的控制。从地面施工垂直孔进行分层压裂弱化高位坚硬顶板,不仅能够对煤层上覆高位坚硬顶板进行有效控制,而且能够对多目的层(高位坚硬顶板关键层)进行分层水力压裂弱化控制,同时,也能实现对某一目的层(高位坚硬顶板关键层)进行分层水力压裂弱化控制。
[0007] 实现弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板方法的高压水射孔与压裂装置,包括一端封闭的圆柱形套管,所述套管内设有可伸入套管底部的压裂管柱,所述压裂管柱由引导器、花管、逆止阀、水力锚、液压封隔器、扶正器、射孔枪、接头依次贯通连接构成;所述逆止阀保证液体由套管向压裂管柱内流动时打开,压裂管柱向套管内流动时关闭;所述液压封隔器与套管内壁贴合;所述套管口部设有密封塞;所述压裂管柱穿过密封塞与套管口部连接;所述密封塞上、套管口与压裂管柱之间还穿有注支撑剂管。
[0008] 本发明所述的弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板的方法及装置,其有益效果为:通过在地面向高位坚硬顶板岩层中施工垂直水力压裂孔与导向压裂孔,实施分层射孔割缝、压裂,导向压裂裂缝有序扩展,分层多段压裂,从而达到高位坚硬顶板控制,有效降低了工作面异常矿压显现的现象,实现了特厚煤层高强度综放开采矿压的控制,确保了工作面安全高效生产。
附图说明
[0009] 图1为本发明所述水力压裂孔与导向压裂孔分布结构示意图;
图2为本发明所述水力压裂孔与导向压裂孔射孔割缝、压裂坚硬顶板纹路结构示意图;
图3为本发明所述高压水射孔与压裂装置结构示意图。
[0010] 图中1-套管,2-引导器,3-花管,4-逆止阀,5-水力销,6-液压封隔器,7-扶正器,8-射孔枪,9-接头,10-水力压裂孔,11-综放特厚煤层,12-上覆低位坚硬顶板,13-第一高位坚硬顶板,14-第二高位坚硬顶板,15-地面,16-导向压裂孔,17-射孔割缝,18-导向压裂裂缝,19-密封塞,20-注支撑剂管,21-环空。
具体实施方式
[0011] 弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板的方法,包括以下步骤:
a、在综放特厚煤层11上覆低位坚硬顶板12最靠近工作面断裂处的正上方地面15垂直向下钻一水力压裂孔10,水力压裂孔10末端钻至距第一高位坚硬顶板13底部1m处;在距水力压裂孔10的40m范围内钻至少两个与水力压裂孔10平行且深度一样的导向压裂孔16 ;
b、将高压水射孔与压裂装置伸入导向压裂孔中,通过高压水射孔与压裂装置向导向压裂孔16中注入压裂液,压裂液通过高压水射孔与压裂装置,在导向压裂孔16内对第一高位坚硬顶板13至少喷射切割出三层射孔割缝17,对第二高位坚硬顶板14至少喷射切割出两层射孔割缝17,所述每层射孔割缝间距至多1m ;
C、对坚硬顶板进行喷射切割后,继续通过高压水射孔与压裂装置注入压裂液,使高压水射孔与压裂装置保持坐封,同时向高压水射孔与压裂装置内注入支撑剂;
d、按照同样方法,再将高压水射孔与压裂装置伸入水力压裂孔10,对水力压裂孔10内各层坚硬顶板进行逐层喷射切割、注入支撑剂;
e、在水力压裂孔10各层坚硬顶板喷射切割、注入支撑剂压裂施工结束后,向高压水射孔与压裂装置中注入清洗剂,对高压水射孔与压裂装置进行反循环清洗,压裂弱化坚硬顶板施工完成。
[0012] 实现弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板方法的高压水射孔与压裂装置,包括一端封闭的圆柱形套管1,所述套管I内设有可伸入套管I底部的压裂管柱,所述压裂管柱由引导器2、花管3、逆止阀4、水力锚5、液压封隔器6、扶正器7、射孔枪8、接头9依次贯通连接构成;所述逆止阀4保证液体由套管I向压裂管柱内流动时打开,压裂管柱向套管I内流动时关闭;所述液压封隔器6与套管I内壁贴合;所述套管I 口部设有密封塞19 ;所述压裂管柱穿过密封塞19与套管I 口部连接;所述密封塞19上、套管I 口与压裂管柱之间还穿有注支撑剂管20。
[0013] 使用时,将套管I深入水力压裂孔10或导向压裂孔16,然后将压裂管柱和注支撑剂管20伸入套管I内,引导器2引导压裂管柱伸入到目的射孔割缝层,扶正器7保证压裂管柱在套管I内不发生偏磨,盖上密封塞19,将压裂管柱的接头9 口部以及注支撑剂管20的口部分别与加压注入系统连接。(加压注入系统由高压泵、截止阀、压力表、流量计组成的系统,分别通过压裂管柱的接头注入压裂液,通过注支撑剂管20注入支撑剂或清洗剂。)当压裂液通过接头9注入压裂管柱后,逆止阀4关闭,水力锚5在压力作用下锚固套管I内壁,压裂管柱无法在套管I内窜动,液压封隔器6在射孔枪8节流差的作用下形成坐封。持续压入压裂液,压裂液通过射孔枪8喷射出,穿透套管1,对目的层坚硬顶板进行射孔割缝。目的层坚硬顶板射孔割缝完成后,降低压裂管柱内压裂液的注入量,但必须持续注入,以保证液压封隔器6持续坐封。然后通过注支撑剂管20向套管I的环空21注入支撑剂,直至该目的层环空21加支撑剂压裂结束。再通过注支撑剂管20注入清洗剂,清洗剂通过套管1,经花管3进入压裂管柱内,逆止阀4开启,清洗剂从压裂管柱中返出,实现反循环清洗压裂管柱,避免支撑剂堵塞压裂管柱各部件孔洞。(仅水力压裂孔射孔割缝和压裂结束后才进行反循环清洗,导向压裂孔内无需反循环清洗)待各个目的层坚硬顶板均射孔割缝、压裂施工结束后,关闭加压注入系统,将压裂管柱从套管I内提出压裂孔口,水力压裂弱化高位坚硬顶板控制施工完成。

Claims (2)

1.一种弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板的方法,其特征为包括以下步骤: a、在综放特厚煤层(11)上覆低位坚硬顶板(12)最靠近工作面断裂处的正上方地面(15)垂直向下钻一水力压裂孔(10),水力压裂孔(10)末端钻至距第一高位坚硬顶板(13)底部1m处;在距水力压裂孔(10)的40m范围内钻至少两个与水力压裂孔(10)平行且深度一样的导向压裂孔(16); b、将高压水射孔与压裂装置伸入导向压裂孔中,通过高压水射孔与压裂装置向导向压裂孔(16)中注入压裂液,压裂液通过高压水射孔与压裂装置,在导向压裂孔(16)内对第一高位坚硬顶板(13)至少喷射切割出三层射孔割缝(17),对第二高位坚硬顶板(14)至少喷射切割出两层射孔割缝(17),所述每层射孔割缝间距至多1m ; C、对坚硬顶板进行喷射切割后,继续通过高压水射孔与压裂装置注入压裂液,使高压水射孔与压裂装置保持坐封,同时向高压水射孔与压裂装置内注入支撑剂; d、按照同样方法,再将高压水射孔与压裂装置伸入水力压裂孔(10),对水力压裂孔(10)内各层坚硬顶板进行逐层喷射切割、注入支撑剂; e、在水力压裂孔(10)各层坚硬顶板喷射切割、注入支撑剂压裂施工结束后,向高压水射孔与压裂装置中注入清洗剂,对高压水射孔与压裂装置进行反循环清洗,压裂弱化坚硬顶板施工完成。
2.—种实现如权利要求1所述方法的高压水射孔与压裂装置,其特征为:包括一端封闭的圆柱形套管(1),所述套管(I)内设有可伸入套管(I)底部的压裂管柱,所述压裂管柱由引导器(2)、花管(3)、逆止阀(4)、水力锚(5)、液压封隔器(6)、扶正器(7)、射孔枪(8)、接头(9)依次贯通连接构成;所述逆止阀(4)保证液体由套管(I)向压裂管柱内流动时打开,压裂管柱向套管(I)内流动时关闭;所述液压封隔器(6)与套管(I)内壁贴合;所述套管(I) 口部设有密封塞(19);所述压裂管柱穿过密封塞(19)与套管(I) 口部连接;所述密封塞(19)上、套管(I) 口与压裂管柱之间还穿有注支撑剂管(20)。
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