CN105649625A - 一种高低压分区致裂增渗式煤层注水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其包括在采煤工作面动压区钻孔、封孔与注水步骤；在采煤工作面静压区钻孔、封孔与注水步骤；采煤工作面动压区为距离工作面煤壁70-150米之内的煤层区域，采煤工作面静压区为距离工作面煤壁150米之外的煤层区域。采用分区式煤层钻孔注水的方式，在采煤工作面动压区采用的钻杆选用麻花钻杆，利于“排渣”，并且采用水力膨胀式封孔器和高分子材料封堵结构联合封孔后进行低压注水；而在采煤工作面静压区采用分段式钻孔实施方法进行多次打孔，同时钻杆选用三棱钻杆，减小钻杆与孔壁的接触面积，防止出现“卡钻”现象，并实施高压注水增加煤层的渗透率，以使煤层注水效果达到最佳，提高了打孔与注水效率。

Description

一种高低压分区致裂增渗式煤层注水方法

技术领域

本发明涉及矿井的注水方法，尤其涉及一种高低压分区致裂增渗式煤层注水方法。

背景技术

近年来，随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开采阶段。深部开采时“三高一扰”问题突出，导致深部开采中以冲击地压、矿压显现剧烈、高粉尘浓度等一系列工程灾害与浅部工程灾害相比较，程度上加剧，频度上提高，灾害机理更为复杂。与此同时，地温、煤炭自燃、煤与瓦斯突出等灾害危害程度也不断升级，灾害事故越来越严重。

实践证明，煤层注水是解决煤矿开采过程中冲击地压、高浓度煤尘、煤与瓦斯突出等自然灾害的有效方法之一，同时对矿井降温、抑制煤层自然发火也具有积极意义。然而，目前煤层注水技术并不成熟，主要体现在以下几个方面：打孔过程主要存在“卡钻”、“吸钻”和“排渣不畅”两个问题，导致煤层注水打孔困难；由于水泥砂浆封孔时易干裂，会出现从煤帮漏水的现象；传统注水主要存在注水压力较低，无法将煤体充分润湿。另外，由于目前煤层注水技术主要采用“先打孔，后注水”的方法，因此，注水过程中存在先前打好的注水孔由于受采动或其他因素影响出现“塌孔”现象，导致注水效果不佳。因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，避免打孔过程出现卡钻、吸钻和排渣不畅的情况出现，提高打孔与注水效率。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其包括以下步骤：

A、在采煤工作面动压区钻孔、封孔与注水的步骤；

B、在采煤工作面静压区钻孔、封孔与注水的步骤；

采煤工作面动压区为距离工作面煤壁70-150米之内的煤层区域，采煤工作面静压区为距离工作面煤壁150米之外的煤层区域。

所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其中，上述步骤A具体的包括：

A1、采用麻花钻杆在采煤工作面动压区均匀布置多个静压钻孔，静压钻孔长度为采煤工作面长度的二分之一至三分之二；

A2、每个静压钻孔配置有一个第一注水管，在每个第一注水管的前部设置有静压水力膨胀式封孔器，静压水力膨胀式封孔器与第一注水管相连通，第一注水管的前端露出静压水力膨胀式封孔器，在每个静压钻孔之孔口与静压水力膨胀式封孔器之间的第一注水管上均匀布置多个高分子材料封堵结构；

A3、将步骤A2中的第一注水管导入对应静压钻孔内，高分子材料封堵结构膨胀堵塞对应静压钻孔，通过静压注水系统向所有第一注水管进行静压注水，静压水力膨胀式封孔器随第一注水管进行静压注水快速膨胀，静压水力膨胀式封孔器与静压钻孔的孔壁紧密结合完成封孔，直至相邻静压钻孔之间的煤体被充分湿润，则停止静压注水；静压注水的水压为2MPa-4MPa。

所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其中，上述高分子材料封堵结构包括铝箔纸袋，铝箔纸袋中部设置有能拆卸的卡扣，将铝箔纸袋间隔为基料袋与催化剂袋，在将第一注水管导入对应静压钻孔内时，拆卸掉卡扣使基料袋的基料与催化剂袋内的催化剂充分混合，高分子材料封堵结构膨胀堵塞对应静压钻孔。

所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其中，上述步骤B具体的包括：

B1、采用中空的三棱钻杆在采煤工作面静压区均匀布置多个动压钻孔组，每个动压钻孔组由六个动压钻孔形成，动压钻孔长度为采煤工作面长度的二分之一至三分之二；

B2、上述中空的三棱钻杆之中部设置有奇数个透水孔形成透水区域，透水孔与三棱钻杆的中空部相连通，透水区域两侧的三棱钻杆上均设置有动压水力膨胀式封孔器，动压水力膨胀式封孔器均与奇数个透水孔的中间孔相连通；

B3、每个动压钻孔组内施工过程为：

B31、通过钻机将对应的三棱钻杆在采煤工作面静压区的煤层内打入十米形成第一个动压钻孔；

B32、然后将钻机取下使对应三棱钻杆预留在第一个动压钻孔内，将动压注水系统与三棱钻杆的中空部相连通，使对应的动压水力膨胀式封孔器快速膨胀与第一个动压钻孔的孔壁紧密结合完成封孔，三棱钻杆上其余的透水孔向动压水力膨胀式封孔器之间的第一个动压钻孔内高压注水，增大煤层的渗透率，完成第一个动压钻孔的动压注水；

B33、然后按照步骤B31与步骤B32的方式依次施工第二个动压钻孔、第三个动压钻孔、第四个动压钻孔、第五个动压钻孔与第六个动压钻孔；

B34、待第六个动压钻孔也完成动压注水时，将第一个动压钻孔内的三棱钻杆与动压注水系统分离，将钻机通过另一个三棱钻杆与第一个动压钻孔内的三棱钻杆相连接，将第一个动压钻孔继续打入十米，然后按照步骤B32的方式完成动压注水；

B35、然后按照步骤B34的方式依次完成第二个动压钻孔、第三个动压钻孔、第四个动压钻孔、第五个动压钻孔与第六个动压钻孔的动压注水；

重复步骤B34与步骤B35直至每个动压钻孔长度到达预定长度；

动压注水的水压为10MPa-25MPa。

所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其中，还包括：随采煤工作面的推进，当步骤B中的采煤工作面静压区转变为采煤工作面动压区时，则按照步骤A中的封孔与注水步骤进行操作。

所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其中，所述步骤A中的静压注水系统具体包括矿井水管，矿井水管通过连接管路与对应第一注水管相连通，连接管路上设置有静压注水压力流量多用表与静压注水截止阀。

所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其中，所述步骤B32中的动压注水系统具体包括与矿井水管相连通的储水箱，储水箱与一泵站相连通，泵站与一加压泵相连通，加压泵通过动压水总管分别与对应三棱钻杆的中空部相连通，动压水总管上设置有动压注水压力流量多用表与动压注水截止阀。

本发明提供的一种高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，采用分区式煤层钻孔、注水的方式，在采煤工作面动压区采用的钻杆选用麻花钻杆，利于“排渣”，并且采用水力膨胀式封孔器和高分子材料封堵结构联合封孔，而在采煤工作面静压区采用分段式钻孔实施方法进行多次打孔，同时钻杆选用三棱钻杆，减小钻杆与孔壁的接触面积，防止出现“卡钻”现象，采煤工作面静压区采用高压分段隔封器进行封孔，该过程伴随着钻孔施工、煤体致裂、注水渗流等过程一起进行，增加煤层的渗透率，以使煤层注水效果达到最佳，提高了打孔与注水效率。

附图说明

图1为本发明中采煤工作面动压区钻孔、封孔与注水的结构示意图；

图2为本发明中高分子材料封堵结构的结构示意图；

图3为本发明中在采煤工作面静压区钻孔、封孔与注水的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其包括以下步骤：

如图1所示的，A、在采煤工作面动压区钻孔、封孔与注水的步骤；

如图3所示的，B、在采煤工作面静压区钻孔、封孔与注水的步骤；

采煤工作面动压区为距离工作面煤壁70-150米之内的煤层区域，采煤工作面静压区为距离工作面煤壁150米之外的煤层区域。

更进一步的，如图1所示的，上述步骤A具体的包括：

由于在采煤工作面动压区受采动影响较大，煤体较破碎，排渣较困难，因而采用麻花钻杆实施钻孔，利于“排渣”。

A1、采用麻花钻杆在采煤工作面动压区均匀布置多个静压钻孔1，静压钻孔1长度为采煤工作面长度的二分之一至三分之二，静压钻孔1之间的间隔为10m～20m，孔径为50mm～80mm，角度与煤层倾角基本一致；

A2、每个静压钻孔1配置有一个第一注水管2，在每个第一注水管2的前部设置有静压水力膨胀式封孔器3，静压水力膨胀式封孔器3与第一注水管2相连通，第一注水管2的前端露出静压水力膨胀式封孔器3，从而可以使第一注水管2内的水流入对应静压钻孔1内，在每个静压钻孔1之孔口与静压水力膨胀式封孔器3之间的第一注水管上均匀布置多个高分子材料封堵结构4；

A3、将步骤A2中的第一注水管2导入对应静压钻孔1内，高分子材料封堵结构4膨胀堵塞对应静压钻孔1，通过静压注水系统向所有第一注水管2进行静压注水，静压水力膨胀式封孔器3随第一注水管2进行静压注水快速膨胀，静压水力膨胀式封孔器3与静压钻孔1的孔壁紧密结合完成封孔，直至相邻静压钻孔1之间的煤体被充分湿润，出现渗水、煤壁出汗等情况时可停止注水，采煤工作面动压区的静压注水时间不应少于3天；静压注水的水压为2MPa-4MPa。由于采煤工作面动压区受煤层采动影响较大，煤体较松动，而煤帮表面区域煤体破碎也较为严重，因此，此处封孔应选择在煤体破碎程度较小的位置，且封孔长度应大于煤帮塑性破碎区范围。并且采用水力膨胀式封孔器和高分子材料封堵结构联合封孔，防止了水流通过孔壁向外渗出，从而达到良好的封孔目的。

更进一步的，如图2所示的，上述高分子材料封堵结构4包括铝箔纸袋，铝箔纸袋中部设置有能拆卸的卡扣5，将铝箔纸袋间隔为基料袋6与催化剂袋7，在将第一注水管2导入对应静压钻孔1内时，拆卸掉卡扣6使基料袋的基料与催化剂袋7内的催化剂充分混合，高分子材料封堵结构膨胀堵塞对应静压钻孔1。

在本发明的另一较佳实施例中，如图3所示的，上述步骤B具体的包括：

B1、采用中空的三棱钻杆8在采煤工作面静压区均匀布置多个动压钻孔组，每个动压钻孔组由六个动压钻孔9形成，动压钻孔9长度为采煤工作面长度的二分之一至三分之二，动压钻孔9之间的间隔为10m～15m，孔径为50mm～80mm，角度与煤层倾角基本一致；

B2、上述中空的三棱钻杆8之中部设置有奇数个透水孔10形成透水区域，比如可以设置五个透水孔10，透水孔10与三棱钻杆8的中空部相连通，透水区域两侧的三棱钻杆8上均设置有动压水力膨胀式封孔器11，动压水力膨胀式封孔器11均与奇数个透水孔10的中间孔12相连通；

其更为具体的是：

B3、每个动压钻孔组内施工过程为：

B31、通过钻机将对应的三棱钻杆8在采煤工作面静压区的煤层内打入十米形成第一个动压钻孔9；

B32、然后将钻机取下使对应三棱钻杆8预留在第一个动压钻孔9内，将动压注水系统与三棱钻杆8的中空部相连通，使对应的动压水力膨胀式封孔器11快速膨胀与第一个动压钻孔9的孔壁紧密结合完成封孔，三棱钻杆8上其余的透水孔10向动压水力膨胀式封孔器11之间的第一个动压钻孔9内注水，完成第一个动压钻孔9的动压注水；对其进行高压致裂注水，在煤层内部形成“水击”现象，迫使煤层内部原有的封闭裂隙相互沟通并同时在煤层内形成新的裂隙网；

B33、然后按照步骤B31与步骤B32的方式依次施工第二个动压钻孔、第三个动压钻孔、第四个动压钻孔、第五个动压钻孔与第六个动压钻孔；

B34、待第六个动压钻孔也完成动压注水时，将第一个动压钻孔9内的三棱钻杆8与动压注水系统分离，将钻机通过另一个三棱钻杆与第一个动压钻孔9内的三棱钻杆8相连接，将第一个动压钻孔9继续打入十米，然后按照步骤B32的方式完成动压注水；

B35、然后按照步骤B34的方式依次完成第二个动压钻孔、第三个动压钻孔、第四个动压钻孔、第五个动压钻孔与第六个动压钻孔的动压注水；

重复步骤B34与步骤B35直至每个动压钻孔长度到达预定长度；

动压注水的水压为10MPa-25MPa。

而且随采煤工作面的推进，当步骤B中的采煤工作面静压区转变为采煤工作面动压区时，则按照步骤A中的封孔与注水步骤进行操作。也就是说，当采煤工作面静压区转变为采煤工作面动压区时，将每个动压钻孔9内的三棱钻杆8与动压注水系统分离，停止注水，然后再将三棱钻杆8从动压钻孔9内取出，然后将第一注水管2的结构形式导入对应动压钻孔9内，再重复步骤A2与步骤A3的操作方式。显然的，随着采煤工作面的推进，会在采煤工作面下一处形成另一个采煤工作面静压区，然后重复步骤B1、步骤B2与步骤B3。

为了更进一步的描述本专利，所述步骤A中的静压注水系统具体包括矿井水管13，矿井水管13通过连接管路14与对应第一注水管2相连通，连接管路14上设置有静压注水压力流量多用表15与静压注水截止阀16。

而且所述步骤B32中的动压注水系统具体包括与矿井水管相连通的储水箱17，储水箱17与一泵站18相连通，泵站18与一加压泵19相连通，加压泵19通过动压水总管20分别与对应三棱钻杆8的中空部相连通，动压水总管20上设置有动压注水压力流量多用表21与动压注水截止阀22。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (7)

1.一种高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其包括以下步骤：

A、在采煤工作面动压区钻孔、封孔与注水的步骤；

B、在采煤工作面静压区钻孔、封孔与注水的步骤；

采煤工作面动压区为距离工作面煤壁70-150米之内的煤层区域，采煤工作面静压区为距离工作面煤壁150米之外的煤层区域。

2.根据权利要求1所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其特征在于，上述步骤A具体的包括：

A1、采用麻花钻杆在采煤工作面动压区均匀布置多个静压钻孔，静压钻孔长度为采煤工作面长度的二分之一至三分之二；

A2、每个静压钻孔配置有一个第一注水管，在每个第一注水管的前部设置有静压水力膨胀式封孔器，静压水力膨胀式封孔器与第一注水管相连通，第一注水管的前端露出静压水力膨胀式封孔器，在每个静压钻孔之孔口与静压水力膨胀式封孔器之间的第一注水管上均匀布置多个高分子材料封堵结构；

A3、将步骤A2中的第一注水管导入对应静压钻孔内，高分子材料封堵结构膨胀堵塞对应静压钻孔，通过静压注水系统向所有第一注水管进行静压注水，静压水力膨胀式封孔器随第一注水管进行静压注水快速膨胀，静压水力膨胀式封孔器与静压钻孔的孔壁紧密结合完成封孔，直至相邻静压钻孔之间的煤体被充分湿润，则停止静压注水；静压注水的水压为2MPa-4MPa。

3.根据权利要求2所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其特征在于，上述高分子材料封堵结构包括铝箔纸袋，铝箔纸袋中部设置有能拆卸的卡扣，将铝箔纸袋间隔为基料袋与催化剂袋，在将第一注水管导入对应静压钻孔内时，拆卸掉卡扣使基料袋的基料与催化剂袋内的催化剂充分混合，高分子材料封堵结构膨胀堵塞对应静压钻孔。

4.根据权利要求1所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其特征在于，上述步骤B具体的包括：

B1、采用中空的三棱钻杆在采煤工作面静压区均匀布置多个动压钻孔组，每个动压钻孔组由六个动压钻孔形成，动压钻孔长度为采煤工作面长度的二分之一至三分之二；

B2、上述中空的三棱钻杆之中部设置有奇数个透水孔形成透水区域，透水孔与三棱钻杆的中空部相连通，透水区域两侧的三棱钻杆上均设置有动压水力膨胀式封孔器，动压水力膨胀式封孔器均与奇数个透水孔的中间孔相连通；

B3、每个动压钻孔组内施工过程为：

B31、通过钻机将对应的三棱钻杆在采煤工作面静压区的煤层内打入十米形成第一个动压钻孔；

B32、然后将钻机取下使对应三棱钻杆预留在第一个动压钻孔内，将动压注水系统与三棱钻杆的中空部相连通，使对应的动压水力膨胀式封孔器快速膨胀与第一个动压钻孔的孔壁紧密结合完成封孔，三棱钻杆上其余的透水孔向动压水力膨胀式封孔器之间的第一个动压钻孔内高压注水，增大煤层的渗透率，完成第一个动压钻孔的动压注水；

B33、然后按照步骤B31与步骤B32的方式依次施工第二个动压钻孔、第三个动压钻孔、第四个动压钻孔、第五个动压钻孔与第六个动压钻孔；

B34、待第六个动压钻孔也完成动压注水时，将第一个动压钻孔内的三棱钻杆与动压注水系统分离，将钻机通过另一个三棱钻杆与第一个动压钻孔内的三棱钻杆相连接，将第一个动压钻孔继续打入十米，然后按照步骤B32的方式完成动压注水；

B35、然后按照步骤B34的方式依次完成第二个动压钻孔、第三个动压钻孔、第四个动压钻孔、第五个动压钻孔与第六个动压钻孔的动压注水；

重复步骤B34与步骤B35直至每个动压钻孔长度到达预定长度；

动压注水的水压为10MPa-25MPa。

5.根据权利要求1所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，特征在于，其还包括：随采煤工作面的推进，当步骤B中的采煤工作面静压区转变为采煤工作面动压区时，则按照步骤A中的封孔与注水步骤进行操作。

6.根据权利要求2所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其特征在于，所述步骤A中的静压注水系统具体包括矿井水管，矿井水管通过连接管路与对应第一注水管相连通，连接管路上设置有静压注水压力流量多用表与静压注水截止阀。

7.根据权利要求4所述的高低压分区致裂增渗式煤层注水方法，其特征在于，所述步骤B32中的动压注水系统具体包括与矿井水管相连通的储水箱，储水箱与一泵站相连通，泵站与一加压泵相连通，加压泵通过动压水总管分别与对应三棱钻杆的中空部相连通，动压水总管上设置有动压注水压力流量多用表与动压注水截止阀。