CN105422164A - 水压致裂增透辅助煤层高效注水方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种水压致裂增透辅助煤层高效注水方法及设备，在煤层静压注水前，通过高压管路将乳化液泵产生的高压水接入到钻好的静压注水钻孔中，利用高压水对钻孔周围煤层产生的水楔切割及劈裂作用，注入煤体裂缝内的高压水克服最小主应力和煤体的抗裂压力，使得裂隙扩宽伸展并沟通，在致裂过程中向高压水中加入石英砂，石英砂随高压水进入裂隙中，起到支撑剂的作用，水压致裂结束后，将注水钻孔连接到静压管路上，对煤层进行静压注水。本发明在静压注水前先增大预注水煤层的透气性，以加快煤层注水速度，提高注水效率及效果。该方法不需要专门的乳化液泵，且乳化液泵运行时间较短，总体上能够减少钻孔施工的工程量，提高注水工作效率。

Description

水压致裂增透辅助煤层高效注水方法及设备

技术领域

本发明属于矿井灾害防治领域，具体涉及一种水压致裂增透辅助煤层高效注水方法及设备。

背景技术

随着我国煤矿开采深度的增加及机械化开采程度的提高，煤尘、冲击地压和地温等自然灾害的危害程度不断升级，灾害事故频繁发生，严重威胁着我国煤矿的安全高效开采及井下工人的身心健康。煤层注水是防治矿井多种灾害的重要技术手段。它是降低采煤工作面粉尘产生的最根本、最有效的措施，改革开放以来，我国绝大多数煤矿都采用过煤层注水进行防尘。通过煤层注水一般降尘率可达60%～80%，煤层注水实施较好的采煤工作面，可以将总粉尘浓度减少75%～85%，呼吸性粉尘浓度减少65%以上。大量现场试验表明：煤层含水量达到4%时，煤尘的生成量在原有的基础上将减少80%以上。通过煤层注水还可有效地防止冲击矿压、煤与瓦斯突出灾害的发生，并通过增大煤体的导热系数，降低煤体温度，预防煤层自然发火。另外，煤层注水可以软化坚硬煤体，使回采速度加快，提高产煤量和效率。

煤体注水是一个复杂的流体动力学过程，其效果好坏取决于多方面的因素，最基本的内因是煤层裂隙发育程度及其连通性。影响煤层注水效果的因素有很多，主要有地应力、煤体孔隙率、坚固性系数、瓦斯压力以及煤体湿润性能等。目前煤层注水系统主要采用静压注水、动压注水及脉动注水三种，静压注水是最简便的方法，对于透气性较好的煤层效果良好，但静压水的压力有限，不适用于透气性较差的煤层，由于其压力一般较小，即使对于渗透性较好的煤层，注水效率也往往较低；动压注水及脉动注水拓宽了常压注水的适用范围，但需要专门的高压水泵及脉动式水泵提高注水压力，而且水泵提供的压力也是有限的，对于透气性很差的煤层，也难以达到理想的效果，而且注水过程中要保持水泵连续不间断工作，同时注水泵的压力越高，设备的运行、维护和管理要求也越高。

我国较多矿区的煤层为低孔隙率低渗透率煤层，煤体节理裂隙不发育且较为坚硬，煤层注水困难，而现有的注水工艺又存在较多的不足和局限性，致使工作面的注水量有限，不能达到预期的灾害防治效果。为此，需要研究一种针对低孔隙率低渗透率煤层的辅助煤层注水的新工艺或新方法，以提高煤层注水效率及注水量，提高注水效果，以有效缓解煤层开采过程中煤尘、冲击地压和高温等灾害的防治难题。

然而，在现有技术中，CN101539028A公开了一种脉动注水方法及装备，使用通过专用脉冲设备使注水压力产生脉动冲击煤层，但其注水压力变化较快，不利于水浸润煤层，且其装备结构复杂，因而故障率较高，同时也无法用于静压注水；CN101161992A公开了一种煤层注水方法，其主要采用的是静压注水，没有动压注水的冲击功能，且其并没有公开具体的注水装置和注水工艺步骤；CN102322285A公开了一种高地压低孔隙率低渗透率煤层注水装置及其使用工艺，同时考虑了静压注水和动压注水且要进行静、动压转化，工艺较为复杂，且动压注水泵提供的水压往往有限，对于透气性很差的煤层，也难以达到理想的效果，而且注水过程中要保持水泵连续不间断工作，同时注水泵的压力越高，设备的运行、维护和管理要求也越高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足而提供一种水压致裂增透辅助煤层高效注水方法及设备，该方法工艺简单，装置易于操作，注水效率高，可有效解决低渗煤层，尤其是渗透性很差煤层的难于注水问题。

技术方案：一种水压致裂增透辅助煤层高效注水方法，在煤层静压注水前，通过高压管路将乳化液泵产生的高压水接入到钻好的静压注水钻孔中，利用高压水对钻孔周围煤层产生的水楔切割及劈裂作用，注入煤体裂缝内的高压水克服最小主应力和煤体的抗裂压力，使得裂隙扩宽伸展并沟通，在致裂过程中向高压水中加入石英砂，石英砂随高压水进入裂隙中，起到支撑剂的作用，水压致裂结束后，将注水钻孔连接到静压管路上，对煤层进行静压注水。

一种水压致裂增透辅助煤层高效注水方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，压裂泵安设：压裂泵采用煤矿用乳化液泵，乳化液泵安装在工作面设备列车的前部；

步骤二：安装乳化液泵供水管路：在水箱上连接进水管路，并在进水管路上安装流量表，以测量进水量，水箱出水端与乳化液泵连接；

步骤三：钻孔施工：首先，选择压裂钻孔开孔位置，压裂钻孔沿着穿透煤层层理的方向钻进，钻孔角度a根据工作面长度、煤层厚度及煤层赋存条件确定；

步骤四：封孔：采用高压封孔器，所述高压封孔器工作压力不低于25MPa，爆破压力为35～45MPa；同时配有安全装置，安全装置包括安全阀、压力表、截止阀及防护板；

步骤五：高压管路铺设：铺设高压软管一、高压软管二，即：乳化液泵出水口连接高压软管一，高压软管一另一端连接安全装置，在安全装置与高压封孔器之间连接高压软管二；

步骤六：水压致裂实施：调试乳化液泵确认系统正常后，启动乳化液泵开始注水，开始阶段压力缓慢上升，一段时间后压力上升速度加快，然后迅速上升并保持相对稳定，此时压力较高，稳定一段时间后，压力会迅速下降，持续开机，泵注压力无明显上升，说明已产生大范围裂缝，此时，继续开机注水扩大裂缝范围，当乳化液泵压降降为峰值压力的28～35%或者流量降至40L/min以下时，停泵，关闭管道截止阀，打开泵体卸压阀，压裂程序结束，在注水过程中，向乳化液泵自带水箱内逐渐加入石英砂；

步骤七：静压注水：致裂完成后，及时关闭输水管阀门及乳化液泵开关，切断泵组电源，待钻孔中水压降到静水压力时，将高压封孔器及高压水管路从注水钻孔取出，将静压输水管道与钻孔相连，开始静压注水。

基于上述技术方案，步骤4中钻孔角度a为2.8°～3.5°。

一种水压致裂增透辅助煤层高效注水设备，包括静压管路及高压管路、安装在钻孔中的注水管及高压封孔器，所述高压管路上安装有乳化液泵、水箱及安全装置，所述水箱进水口连接进水管路，进水管路上安装流量计，水箱出水口经乳化液泵连接高压软管一，高压软管一另一端通过接头一连接安全装置，所述安全装置输出端通过接头二连接高压软管二，所述高压软管二另一端通过接头三连接高压封孔器。

基于上述技术方案，所述乳化液泵为BRW400/31.5型煤矿用乳化液泵，额定压力31.5MPa，额定流量为400L/min。

本发明的有益效果：由煤层注水原理可知，注入煤层的水主要是通过煤体中的裂隙和孔隙进入煤体的，煤层的裂隙、孔隙的发育程度及其连通性是影响煤层注水难易的首要因素，裂隙发育、孔隙率高的煤层透水性强，水易于注入，而裂隙不发育或发育程度较低的煤层，透气性往往较差，水在煤体中的渗透性也较差，煤层注水难度较大。实践证明，裂隙发育而质地疏松的煤层多数采用低压注水就能取得良好的湿润效果。本发明以增加煤层裂隙密度及连通性，提高煤层透气性为切入点，提出了水压致裂增透辅助煤层注水防尘技术，该技术具备以下技术优势：1）利用水压致裂可以增强煤层裂隙发育及其连通性的特点，在煤层静压注水前，通过静压注水钻孔先对预注水煤层进行水压致裂，然后再采用静压注水方式对煤层进行注水，该方法在静压注水前先增大预注水煤层的透气性，以加快煤层注水速度，提高注水效率及效果。

2）该方法可以有效改善静压注水流量偏低，效率及效果较差的现状，相对于动压注水，该方法不需要专门的乳化液泵，且乳化液泵运行时间较短，单孔一般需0.5h~2h，由于单孔影响范围较大，总体上能够减少钻孔施工的工程量，提高注水工作效率。该方法可以在检修班进行，不影响井下的正常运输及生产。

3）采用可重复利用耐高压煤层注水封孔器，节约成本。

说明书附图

图1是本发明工艺结构示意图；

图2是本发明水压致裂设备布置结构示意图；

图3是本发明钻孔布置角度结构示意图。

图中标号，1-煤层，2-采空区，3-正巷，4-水箱，5-乳化液泵；6-高压管路，7-静压管路，8-副巷，9-封孔器，10-钻孔；11-三通阀，12-工作面进水管，13-进水管，14-流量计，15-高压软管一；16-高压软管二,17-安全装置，18-接头一,19-接头二,20-接头三。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明，以便更好的理解本发明技术方案。

实施例1：一种水压致裂增透辅助煤层高效注水方法，本实施例总体设计构思为：如图1所示，在进行煤层静压注水前，通过高压管路将乳化液泵产生的高压水接入到钻好的静压注水钻孔中，利用高压水对钻孔周围煤层产生的水楔切割及劈裂作用，注入煤体裂缝内（原有裂隙和压裂后出现的裂隙）的高压水克服最小主应力和煤体的抗裂压力，使得裂隙扩宽伸展并沟通，增加煤层相互贯通裂隙的数量和增大单一裂隙面的张开程度，进而在煤体中产生更多的人造裂缝与裂隙。同时在致裂过程中向高压水中加入石英砂，石英砂随高压水进入裂隙中，起到支撑剂的作用，使得裂隙保持较长时间不闭合，保证煤层在较长时间内具有较好的透气性。水压致裂结束后，将注水钻孔连接到静压管路上，对煤层进行静压注水。由于经过水压致裂后的煤层裂隙扩展贯通，其透气性大大提高，能够加快煤层注水速度，提高注水效率及效果，进而增加煤体的含水量及湿润程度，降低煤层回采期间的产尘量。

本实施例注水设备具体结构为：参见图1及图2，包括静压管路7及高压管路6、安装在钻孔中高压封孔器9，所述高压管路6上安装有水箱4、乳化液泵5及安全装置17，水箱4采用乳化液泵自带水箱。所述水箱4进水口连接两路进水管路，每路进水管路上分别安装流量计13，水箱4出水口经乳化液泵5连接高压软管一15，高压软管一15另一端通过接头一18连接安全装置17，所述安全装置17输出端通过接头二19连接高压软管二16，所述高压软管二16另一端通过接头三20连接高压封孔器9。

结合上述设计构思及注水设备，本实施例总体工艺流程为：选定压裂地点→确定乳化液泵安设地点→安装乳化液泵→铺设供水管路（流量计及截止阀）→铺设高压管路1→连接安全装置→铺设高压管路2→确定钻孔位置及角度→打钻成孔→安设高压封孔器→连接高压管路2与封孔器→安设护板→开泵打压试验→检查确认无误→开泵压裂→压力逐渐升高→压力稳定→压力迅速下降→继续压裂20min～30min→压裂结束→压力降低到3MPa后连接水管静压注水→记录压裂过程流量及静压注水流量变化。

具体操作步骤如下：参见图2及图3所示。

第一步：压裂泵安设：压裂泵采用BRW400/31.5型煤矿用乳化液泵，额定压力31.5MPa，额定流量400L/min。乳化液泵安装在工作面设备列车的前部；

第二步：乳化液泵供水管路：自副巷道水管上引出两路进水管路13，接入到水箱4上，两路进水管路上要分别安装流量表14，以测量进水量。水箱4采用乳化液泵自带水箱，保证供水水源；

第三步：钻孔施工：钻机采用现用的ZQJ-300/6气动架柱式钻机，钻头直径与封孔器直径要匹配，本实施例采用Φ76mm钻头，钻杆Φ56mm，；严格控制钻孔施工质量，钻孔质量直接关系到封孔质量，封孔质量不高，则必然导致致裂效果不好甚至失败。在施工钻孔过程中，首先确保稳好钻机，之后保证钻进高速慢进，使孔口以里30m保持笔直，以便保证封孔质量。

如图1所示，压裂钻孔开孔位置及钻孔角度：要求压裂钻孔两侧各35～45m范围内无较大的地质构造，图1中所示距离d为钻孔间距，根据钻孔压裂影响范围确定，一般为25～35m。如图3所示，该图为计算钻孔角度a值的示意图，压裂钻孔要沿着穿透煤层层理的方向钻进，不要顺着煤层钻进，使其穿透整个煤层。钻孔开孔距地面一般为1m，根据工作面长度确定出钻孔长度，结合煤层厚度计算得出钻孔角度a值，钻孔角度a一般控制在2.8～3.5°。例如：本实施例中：如图3所示，根据地质图可知，副巷（标高872）比正巷（标高882）低10m左右，按照开孔距地面1m、钻孔长100m计算，得出钻孔角度a值为2.9°

第四步：封孔：采用高压封孔器，可采用多根串联的方式，封孔长度=单根长度×根数，一般不低于8m，封孔深度不少于13m，具体根据地应力及煤层赋存条件确定，工作压力不低于25MPa，爆破压力控制在35～45MPa。同时配有安全装置，包括安全阀、压力表、截止阀及防护板。

第五步：高压管路铺设：经过乳化液泵加压的高压水通过高压软管一15流出，到达安全装置17，安全装置17通过连接高压软管二16至高压封孔器9。高压软管一和高压软管二均采用与乳化液泵配套型号的软管。高压软管一的长度为乳化液泵至压裂钻孔的距离，其与乳化液泵的连接根据矿上目前使用的方式进行连接，高压软管一另一端（出水端）制作成可以与通径k25的快速连接母头相插接的公头，即图2中接头18。高压软管二的两端均制作成可以与通径k25的快速连接母头相插接的公头，即图2中接头二19与接头三20；

第六步：水压致裂实施：水压致裂实验的现场实施过程为：事先做好撤人，布点监控等措施；调试乳化液泵确认系统正常后，启动乳化液泵开始注水，起始注水压力一般10MPa左右，并逐步加压，最大水压根据实际地应力及煤层赋存确定，一般不超过25MPa。开始阶段压力缓慢上升，一段时间后压力上升速度加快，然后迅速上升并保持相对稳定，此时压力较高，稳定一段时间后，压力会迅速下降，持续开机泵注压力无明显上升，说明已产生大范围裂缝，此时需要继续开机注水扩大裂缝范围，20min～30min后停泵，此时，乳化液泵泵压降为峰值压力的30%左右，关闭管道截止阀，打开泵体卸压阀，压裂程序结束。压裂半径预计为15～25m。需要指出的是：压裂时间与注水压力、注水量等参数密切相关，致裂时间可根据致裂过程中流量和泵注压力的变化来确定，一般当乳化液泵泵压降为峰值压力28～35%流量降至40L/min以下，可以作为注水结束标志，即：致裂结束的依据，致裂时间一般为1h～3h。

第七步：静压注水：致裂完成后要及时关闭输水管阀门及乳化液泵开关，切断泵组电源。待钻孔中水压降到3MPa（静水压力）时，将静压输水管道与钻孔相连，开始静压注水。记录静压注水过程中注水流量的变化，第一天30min记录一次，第二天1h记录一次，以后每2h记录一次。分析注水流量的变化过程，并与常规的静压注水流量进行对比。

Claims (5)

1.一种水压致裂增透辅助煤层高效注水方法，其特征是：在煤层静压注水前，通过高压管路将乳化液泵产生的高压水接入到钻好的静压注水钻孔中，利用高压水对钻孔周围煤层产生的水楔切割及劈裂作用，注入煤体裂缝内的高压水克服最小主应力和煤体的抗裂压力，使得裂隙扩宽伸展并沟通，在致裂过程中向高压水中加入石英砂，石英砂随高压水进入裂隙中，起到支撑剂的作用，水压致裂结束后，将注水钻孔连接到静压管路上，对煤层进行静压注水。

2.一种水压致裂增透辅助煤层高效注水方法，其特征是：该方法包括以下步骤：

步骤一，压裂泵安设：压裂泵采用煤矿用乳化液泵，乳化液泵安装在工作面设备列车的前部；

步骤二：安装乳化液泵供水管路：在水箱上连接进水管路，并在进水管路上安装流量表，以测量进水量，水箱出水端与乳化液泵连接；

步骤三：钻孔施工：首先，选择压裂钻孔开孔位置，压裂钻孔沿着穿透煤层层理的方向钻进，钻孔角度a根据工作面长度、煤层厚度及煤层赋存条件确定；

步骤四：封孔：采用高压封孔器，所述高压封孔器工作压力不低于25MPa，爆破压力为35～45MPa；同时配有安全装置，安全装置包括安全阀、压力表、截止阀及防护板；

步骤五：高压管路铺设：铺设高压软管一、高压软管二，即：乳化液泵出水口连接高压软管一，高压软管一另一端连接安全装置，在安全装置与高压封孔器之间连接高压软管二；

步骤六：水压致裂实施：调试乳化液泵确认系统正常后，启动乳化液泵开始注水，开始阶段压力缓慢上升，一段时间后压力上升速度加快，然后迅速上升并保持相对稳定，此时压力较高，稳定一段时间后，压力会迅速下降，持续开机，泵注压力无明显上升，说明已产生大范围裂缝，此时，继续开机注水扩大裂缝范围，当乳化液泵压降降为峰值压力的28～35%或者流量降至40L/min以下时，停泵，关闭管道截止阀，打开泵体卸压阀，压裂程序结束，在注水过程中，向乳化液泵自带水箱内逐渐加入石英砂；

步骤七：静压注水：致裂完成后，及时关闭输水管阀门及乳化液泵开关，切断泵组电源，待钻孔中水压降到静水压力时，将高压封孔器及高压水管路从注水钻孔取出，将静压输水管道与钻孔相连，开始静压注水。

3.根据权利要求2所述的水压致裂增透辅助煤层高效注水方法，其特征是：步骤4中钻孔角度a为2.8°～3.5°。

4.一种用于如权利要求2所述注水方法的水压致裂增透辅助煤层高效注水设备，其特征是：包括静压管路及高压管路、安装在钻孔中的注水管及高压封孔器，所述高压管路上安装有乳化液泵、水箱及安全装置，所述水箱进水口连接进水管路，进水管路上安装流量计，水箱出水口经乳化液泵连接高压软管一，高压软管一另一端通过接头一连接安全装置，所述安全装置输出端通过接头二连接高压软管二，所述高压软管二另一端通过接头三连接高压封孔器。

5.根据权利要求4所述的水压致裂增透辅助煤层高效注水设备，其特征是：所述乳化液泵为BRW400/31.5型煤矿用乳化液泵，额定压力31.5MPa，额定流量为400L/min。