CN106761740B - 一种坚硬煤层顶板耦合致裂方法 - Google Patents
一种坚硬煤层顶板耦合致裂方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种坚硬煤层顶板耦合致裂方法，利用钻机向坚硬顶板内部施工致裂钻孔至设计位置，用于静态致裂的导向钻孔布置在两个脉动水力压裂钻孔之间，组成一个致裂体系。采用频率可调节的等量分流器将压裂钻孔连接至脉动注水泵，静态致裂孔则采用静态破碎剂浆液填充。在静态破碎剂浆液的膨胀力作用下，监测钻孔周围形成初始裂隙，释放出的热量不断向钻孔周围岩层辐射，产生一类似椭圆状的温度场，降低岩层弹性模量；在不同频率的水压力作用下，压裂钻孔周围岩层形成断裂带、疲劳带和原应力带三带，压力水沿着裂隙流动至受热传导作用的岩层时，水热效应弱化岩层强度，缩短了钻孔之间裂隙带的贯通时间。该方法能充分提高钻孔利用率，操作简单，施工安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及到一种顶板耦合致裂方法，尤其是一种适用于采空区顶板致裂卸压等工作中的坚硬煤层顶板耦合致裂方法。
背景技术
采空区顶板致裂并使其垮落是预防采空区瓦斯异常积聚、减少上覆岩层及远地岩层冲击矿压的有效方式。一般地，根据采空区顶板岩层性质选择不同的卸压放顶方式，若直接顶强度较低，则可以根据顶板初期来压步距确定垮落长度，依靠岩层自重自行下落并堆积起来，防止老顶继续向下沉降；若直接顶强度较高，依靠岩层自重很难沉降时，通常采用高压水力压裂或者深孔爆破进行强制放顶等方式，其中，高压水力压裂利用高压将水注入岩石内，通过岩石内部空隙、裂隙和层理，并将其扩大加宽，同时产生新的裂隙，进而破坏岩体整体性，降低岩石强度；深孔爆破进行强制放顶则是利用爆破方式人为地切断顶板，使顶板依次冒落，控制顶板冒落面积，减弱顶板冒落时产生的冲击波。然而，高压水力压裂致裂岩层需要大流量高压水，现有设备很难铺设开展工作，且密封性要求高；深孔爆破容易形成较强的冲击波，对周围岩层易产生应力扰动，存在诱发冲击地压的隐患。
另外，传统顶板致裂方式均通过钻取大量的钻孔，一部分作为致裂孔，钻孔内部通过不同介质一系列作用弱化顶板岩层强度；一部分则作为导向孔，为致裂孔形成的裂隙提供更多的自由面。然而在传统顶板致裂过程中，导向孔仅作为一个提供自由弱面的媒介单元，钻孔周围裂隙带较少，且容易闭合，断裂程度降低且可能会造成钻孔浪费。因此，为了解决以上问题，亟需开展新型顶板致裂技术，并增加导向孔的功能，在保证坚硬顶板大范围断裂的前提下，增加导向钻孔周围的裂隙带范围，达到真正意义上的复杂裂隙网络。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种方法简单、操作方便，施工安全可靠的坚硬煤层顶板耦合致裂方法。
技术方案：本发明的坚硬煤层顶板耦合致裂方法，包括如下步骤：
a.钻孔：利用钻机向坚硬顶板内施工多个钻孔至设计深度，多个钻孔包括静态致裂钻孔)和脉动水力压裂钻孔，静态致裂钻孔两侧的钻孔为脉动水力压裂钻孔，每两个脉动水力压裂钻孔和一个静态致裂钻孔组合成一个致裂体系；
b.封孔注浆：利用双孔封孔器对静态致裂钻孔进行封堵，将混合均匀的静态破碎剂浆液通过注浆管注入到静态致裂钻孔内部，持续注浆至回浆管出现浆液回流现象，关闭注浆管和回浆管所连接的截止阀；
c.注水管路连接：在脉动水力压裂钻孔内安装连通管，利用耐高压封孔器分别对一个静态致裂钻孔两侧的两个脉动水力压裂钻孔进行封孔，并在孔口连通管上安装单向截止阀和压力表，然后将连通管的外露端口与注水管路相连接，注水管路经频率可调节的等量分流器与脉动注水泵相连；
d.注水：当注入到静态致裂钻孔内部的静态破碎剂浆液反应超过2h后，启动脉动注水泵，打开分流器出口的截止阀向两个脉动水力压裂钻孔进行注水；
e.当压力表监测到的注水压力P<1–1.5MPa时，打开注浆管和回浆管所连接的截止阀，持续注水至注浆管与回浆管出现浑浊流体流出时，关闭截止阀，关闭脉动注水泵，停止注水。
所述的致裂体系内的钻孔间距为4.5–5m。
所述的压裂钻孔深度为10–13m，静态致裂钻孔深度为12–15m。
所述向两个脉动水力压裂钻孔内进行注水的频率，通过频率可调节的等量分流器进行改变，实现疲劳加载的非线性特性。
所述频率可调节的等量分流器为能够实现两管路同时进行不同的压裂方式的等量分流器，即其中一管路进行脉动压裂，而另一管路进行恒压压裂，两管路按照0.2-0.3h为一个调节周期的矩形周期进行调节。
所述的静态致裂钻孔方向为顶板法向方向，两个脉动水力压裂钻孔和静态致裂钻孔的夹角分别为5–10°和-5–-10°。
有益效果：本发明适用于采空区顶板致裂卸压等工作中，通过提高以往导向钻孔的利用效率，在导向钻孔中注入静态破碎剂浆液，与相邻脉动水力压裂钻孔组成三孔体系，依靠非线性动静交替耦合方式实现复杂致裂，增加顶板岩层裂隙数量，提高顶板破碎度。在工作面推进所形成的采空区向坚硬顶板内部施工致裂钻孔和用于静态致裂的导向钻孔至设计位置，并组成一个致裂体系。静态破碎剂反应放出的热量不断向钻孔周围岩石辐射，产生一类似椭圆状的温度场，降低岩石强度，同时钻孔在膨胀力作用下形成不同程度的断裂，增加断裂破碎度；脉动水力压裂钻孔内不同频率的水压力作用下，压力水随着裂隙的延伸充满裂隙内部，流动至受热传导作用的岩层时，在“水--热效应”的作用下，弱化岩层强度，促进复杂裂隙的形成。该方法不仅有利于实现裂隙的定向复杂性延伸，增加裂隙数量，提高破碎度，而且改变导向孔作用的单一性，充分增加钻孔利用率，发挥导向孔基于导向基础上的高效致裂效应。其方法简单，操作方便，施工安全可靠，效果较好，具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的实施例示意图；
图2是本发明的钻孔布置示意图。
图3是本发明的钻孔布置A-A截面示意图。
图4是本发明的钻孔布置B-B截面示意图。
图中：1—坚硬顶板；2—脉动水力压裂钻孔；3—静态致裂钻孔；4—耐高压封孔器；5—单向截止阀；6—压力表；7—截止阀；8—频率可调节的等量分流器；9—脉动注水泵；10—注水管路；11—双孔封孔器；12—回浆管；13—注浆管。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
本发明的坚硬煤层顶板耦合致裂方法，具体步骤如下：
a.钻孔：首先利用钻机向坚硬顶板1内施工多个钻孔至设计深度，多个钻孔包括静态致裂钻孔3和脉动水力压裂钻孔2，静态致裂钻孔3两侧的钻孔为脉动水力压裂钻孔2，每两个脉动水力压裂钻孔2和一个静态致裂钻孔3组合成一个致裂体系，致裂体系内的钻孔间距为4.5–5m。所述的压裂钻孔2深度为10–13m，静态致裂钻孔3深度为12–15m。所述的静态致裂钻孔3方向为顶板法向方向，两个脉动水力压裂钻孔2和静态致裂钻孔3的夹角分别为5–10°和-5–-10°。
b.封孔注浆：利用双孔封孔器11对静态致裂钻孔3进行封堵，将混合均匀的静态破碎剂浆液通过注浆管13注入到静态致裂钻孔3内部，持续注浆至回浆管12出现浆液回流现象，关闭注浆管13和回浆管12所连接的截止阀7；
c.注水管路连接：在脉动水力压裂钻孔2内安装连通管，利用耐高压封孔器4分别对静态致裂钻孔3两侧的两个脉动水力压裂钻孔2进行封孔，并在孔口连通管上安装单向截止阀5和压力表6，然后将连通管的外露端口与注水管路10相连接，注水管路10由频率可调节的等量分流器8贯通，并最终与脉动注水泵9相连。所述频率可调节的等量分流器8能够实现两管路同时进行不同的压裂方式，即其中一管路进行脉动压裂，而另一管路进行恒压压裂，两管路按照0.2-0.3h为一个调节周期的矩形周期进行调节。
d.注水：当注入到静态致裂钻孔3内部的静态破碎剂浆液反应超过2h后，启动脉动注水泵9，打开截止阀7，通过分流器的出口向两个脉动水力压裂钻孔2进行注水；向两个脉动水力压裂钻孔2内进行注水的频率，通过频率可调节的等量分流器8进行改变，实现疲劳加载的非线性特性。
e.当压力表6监测到的注水压力P<1–1.5MPa时，打开注浆管13和回浆管12所连接的截止阀7，持续向注浆管13内注水，至直回浆管12出现浑浊流体流出时，关闭截止阀7，关闭脉动注水泵9，停止注水。
Claims (6)
1.一种坚硬煤层顶板耦合致裂方法，其特征在于包括如下步骤：
a. 钻孔：利用钻机向坚硬顶板（1）内施工多个钻孔至设计深度，多个钻孔包括静态致裂钻孔（3）和脉动水力压裂钻孔（2），静态致裂钻孔（3）两侧的钻孔为脉动水力压裂钻孔（2），每两个脉动水力压裂钻孔（2）和一个静态致裂钻孔（3）组合成一个致裂体系；
b.封孔注浆：利用双孔封孔器（11）对静态致裂钻孔（3）进行封堵，将混合均匀的静态破碎剂浆液通过注浆管（13）注入到静态致裂钻孔（3）内部，持续注浆至回浆管（12）出现浆液回流现象，分别关闭连接在注浆管（13）入口处和回浆管（12）出口处的截止阀（7）；
c.注水管路连接：在脉动水力压裂钻孔（2）内安装连通管，利用耐高压封孔器（4）分别对一个静态致裂钻孔（3）两侧的两个脉动水力压裂钻孔（2）进行封孔，并在孔口连通管上安装单向截止阀（5）和压力表（6），然后将连通管的外露端口与注水管路（10）相连接，注水管路（10）经频率可调节的等量分流器（8）与脉动注水泵（9）相连；
d.注水：当注入到静态致裂钻孔（3）内部的静态破碎剂浆液反应超过2h后，启动脉动注水泵（9），打开连接在分流器（8）两侧出口处的截止阀（7）向两个脉动水力压裂钻孔（2）进行注水；
e.当压力表（6）监测到的注水压力P<1–1.5MPa时，分别打开连接在注浆管（13）入口处和回浆管（12）出口处的截止阀（7），持续向注浆管（13）内注水，直至回浆管（12）出现浑浊流体流出时，关闭分流器、注浆管和回浆管的截止阀（7），关闭脉动注水泵（9），停止注水。
2.根据权利要求1所述的一种坚硬煤层顶板耦合致裂方法，其特征在于：所述的致裂体系内的钻孔间距为4.5–5m。
3.根据权利要求1所述的一种坚硬煤层顶板耦合致裂方法，其特征在于：所述的压裂钻孔（2）深度为10–13m，静态致裂钻孔（3）深度为12–15m。
4.根据权利要求1所述的一种坚硬煤层顶板耦合致裂方法，其特征在于：所述向两个脉动水力压裂钻孔（2）内进行注水的频率，通过频率可调节的等量分流器（8）进行改变，实现疲劳加载的非线性特性。
5.根据权利要求1或4所述的一种坚硬煤层顶板耦合致裂方法，其特征在于：所述频率可调节的等量分流器（8）为能够实现两管路同时进行不同的压裂方式的等量分流器，即其中一管路进行脉动压裂，而另一管路进行恒压压裂，两管路按照0.2-0.3h为一个调节周期的矩形周期进行调节。
6.根据权利要求1所述的一种坚硬煤层顶板耦合致裂方法，其特征在于：所述的静态致裂钻孔（3）方向为顶板法向方向，两个脉动水力压裂钻孔（2）和静态致裂钻孔（3）的夹角分别为5–10°和-5 – -10°。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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