CN110306967A - 一种煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤层增透技术领域，具体涉及一种煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法及装置，本发明首先在煤孔内通入高压致裂水进行一次致裂，使煤层产生较宽较深裂隙，然后采用爆破装置进行二次致裂，采用多段爆破区间分段微差爆破，实现对煤层的多次扰动，多次弱化煤层完整程度，使煤层裂隙更加细密均匀，增加煤层的松散程度。最后采用高压致裂水进行三次致裂，使爆破产生的细密裂隙进一步变宽变深，采用水压爆破耦合作用，使煤层裂纹密度大、深度深、裂纹宽度大，大大增强了煤层增透效果，增强了煤层内瓦斯等气体的排放效率。本发明避免了现有技术中化学药剂作用的较长时间周期，极大地提高了煤层开采的效率。
Description
技术领域
本发明属于煤层增透技术领域，具体涉及一种煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法及装置。
背景技术
在煤炭开采的过程中，煤层渗透性差，并且含有瓦斯，所以必须进行瓦斯抽采后才能进行煤层开采，常用瓦斯抽采方法有钻孔、水力压裂、爆破增透、二氧化碳相变致裂、水力割缝等方法来增加煤层的透气性，进而便于抽采瓦斯，从而提高煤层开采的安全性。
现有技术中一般采用水压致裂的方法进行煤层致裂增透，具体做法是在待开采的煤层钻设煤孔，封堵煤孔口并向煤孔内通入高压水，在高压水的作用下，煤层内产生裂隙，从而实现煤层增透的目的，然而在持续的高压水作用下，煤层产生的裂隙一般较少，而且分布不均匀，不利于瓦斯的抽采，为了提高瓦斯抽采效率，经常需要不断加密煤孔的分布，这种方式不仅增加工作量，而且致裂效果不好，且严重影响瓦斯抽采效果，进而影响煤层开采的安全性。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法及装置以至少解决目前高压水致裂裂隙少且分布不均匀、煤孔分布密、工作量大，影响煤层开采安全等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法，所述增透方法包括如下步骤：
步骤S1，钻孔，在待致裂煤层处沿煤层开采方向钻设煤孔；
步骤S2，在钻设好的煤孔中放入爆破装置，并封堵煤孔；
步骤S3，向封堵后的煤孔中通入高压致裂水，直至煤层产生明显裂纹；
步骤S4，引爆煤孔中的爆破装置，实现对煤层的二次致裂；
步骤S5，向二次致裂的煤孔中再次通入高压致裂水，实现对煤层的三次致裂；
步骤S6，进行瓦斯抽采并检查瓦斯含量，若瓦斯含量满足开采条件，则进行煤层开采；若瓦斯含量不满足开采条件，则重复步骤S1至步骤S5，直至煤层满足开采条件。
在如上所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法中，进一步地，所述步骤S2具体操作方法为：首先，在煤孔中放入爆破装置；然后，用封孔装置封堵煤孔口，使煤孔内部成为密闭腔体，利用电雷管脚线将爆破装置与煤孔外的起爆装置连接；最后，使用高压导流管将煤孔内的密闭腔体与煤孔外的高压水泵站连通，用于向煤孔内通入高压致裂水。
在如上所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法中，进一步地，所述步骤S2中，同一煤孔中设置多个封孔装置，多个所述封孔装置沿所述煤孔的深度方向间隔设置，将所述煤孔分为多段密闭的爆破区间，每个爆破区间内均设置爆破装置，多个爆破装置分别通过电雷管脚线与起爆装置连接；高压水泵站通过高压导流管分别与多个爆破区间连通。
在如上所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法中，进一步地，所述步骤S3具体操作方法为：沿煤孔钻设方向，依次向同一煤孔内各个爆破区间内通入高压致裂水，实现对煤层的分段致裂。
在如上所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法中，进一步地，所述步骤S3具体操作方法为：向同一煤孔内各个爆破区间内同时通入高压致裂水，实现对煤层的一次致裂。
在如上所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法中，进一步地，所述步骤S4具体操作方法为：沿煤孔钻设方向，依次引爆各个爆破区间内的爆破装置，爆破方式为分段微差爆破，从而实现对煤层的多次扰动。
本发明还提供一种煤层水力压裂与水压爆破耦合增透装置，所述增透装置包括水致裂设备和爆破设备。
所述水致裂设备包括封孔装置、高压导流管和高压水泵站，所述封孔装置设置在煤孔内，封孔装置将煤孔内部封闭为密闭腔体，所述高压导流管的一端与所述密闭腔体连通，另一端与所述高压水泵站连接，高压水泵站用于向所述密闭腔体内通入高压致裂水。
所述爆破设备包括爆破装置和起爆装置，所述爆破装置设置在煤孔内，爆破装置通过电雷管脚线与所述起爆装置连接；所述爆破装置包括承压爆破管、炸药和电雷管，所述承压爆破管为密闭腔体，所述承压爆破管可承受的外界压强大于高压致裂水的压强，炸药和电雷管密闭填装在所述承压爆破管内。
在如上所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透装置中，进一步地，所述封孔装置设置有多个，多个所述封孔装置沿所述煤孔的长度方向间隔设置，多个封孔装置将所述煤孔分为多段密闭的爆破区间，多个爆破区间分别与高压水泵站连通；多个爆破区间内分别设置有爆破装置，爆破装置分别与起爆装置连接。
在如上所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透装置中，进一步地，所述承压爆破管为金属管，所述承压爆破管的外径小于煤孔的内径。
在如上所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透装置中，进一步地，所述承压爆破管外部设置有支撑剂仓，所述支撑剂仓内设置有固体支撑剂，爆破装置爆破后，所述支撑剂仓内的固体支撑剂散落在高压致裂水中；优选地，所述固体支撑剂为钢珠、陶粒或者石英砂。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明提供的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法及增透装置，采用封孔装置在煤孔内制造封闭内腔，在封闭的煤孔内进行高压水致裂，使煤层内产生较大较深的裂隙，然后采用爆破装置在高压致裂水环境中，以高压致裂水为传递介质对煤孔进行二次致裂，使煤层裂隙细密均匀，采用多段爆破区间分段微差爆破，实现对煤层的多次扰动，以多次弱化煤层完整程度，使煤层裂隙更加细密均匀，不断的增加煤层的松散程度。炸药爆破通过致裂水的不可压缩性传递爆破能量，能量利用率高，作用力均匀，不会对煤孔周围煤体产生过度粉碎而堵塞煤孔裂隙，同时水具有消焰作用，使得爆破火花不直接作用于煤层和瓦斯，提高了安全性。最后采用高压致裂水对爆破产生的细密裂隙进行进一步致裂，使其变宽变深。传统爆破会在煤孔多个方向上形成裂隙，但容易引起煤孔周围的过度粉碎，采用水压爆破耦合作用，避免了煤孔周围的过渡粉碎，使煤层裂纹密度大、深度深、裂纹宽度大，大大增强了煤层增透效果，在承压爆破管外设置支撑剂仓，爆破后固体支撑剂支撑在裂隙内、避免裂隙闭合，大大增强了煤层内瓦斯等气体的排放效率。避免了现有技术中化学药剂作用的时间周期，极大地提高了煤岩开采的效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
其中：
图1为本发明实施例的煤岩钻孔内部致裂装置布置图；
图2为本发明实施例的水压爆破耦合致裂装置结构示意图。
图中：1、封孔装置；2、高压导流管；3、高压水泵站；4、高压致裂水；5、起爆装置；6、电雷管脚线；7、爆破装置；8、煤层；9、岩层。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
根据本发明的具体实施例，本发明提供一种煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法，该增透方法包括如下步骤：
步骤S1，钻孔，在待致裂煤层8处沿煤层8开采方向钻设直径为Φ60的煤孔；
步骤S2，在钻设好的煤孔中放入爆破装置7，并封堵煤孔；该步骤具体操作方法为：首先，在煤孔中放入爆破装置7；然后，用封孔装置1封堵煤孔口，使煤孔内部成为密闭腔体，利用电雷管脚线6将爆破装置7与煤孔外的起爆装置5连接；最后，使用高压导流管2将煤孔内与煤孔外的高压水泵站3连通，用于向煤孔内通入高压致裂水4。
进一步地，在同一煤孔中设置多个封孔装置1，多个封孔装置1沿煤孔的深度方向间隔设置，并将煤孔分为多段密闭的爆破区间，每个爆破区间内均设置爆破装置7，多个爆破装置7分别通过电雷管脚线6与起爆装置5连接；高压水泵站3通过高压导流管2分别与多个爆破区间连通。
步骤S3，向封堵后的煤孔中通入高压致裂水4，直至煤层8产生明显裂纹，此处明显裂纹是指肉眼可见的裂纹；该步骤具体操作方法为：沿煤孔钻设方向，依次向同一煤孔内各个爆破区间内通入高压致裂水4，实现对煤层8的分段致裂。在本发明的其他实施例中，也可以向同一煤孔内各个爆破区间内同时通入高压致裂水4，实现对煤层8的一次致裂。高压致裂水4的压强为50～60MPa。
步骤S4，引爆煤孔中的爆破装置7，实现对煤层8的二次致裂；该步骤具体操作方法为：沿煤孔钻设方向，依次引爆各个爆破区间内的爆破装置7，爆破方式为分段微差爆破，实现对煤层8的多次扰动，以多次弱化煤层8的完整程度。微差爆破，又称毫秒爆破，是一种延期时间间隔为几毫秒到几十毫秒的延期爆破。由于前后相邻爆破区间内爆破时间间隔极短，致使各爆破区间爆破产生的能量场相互影响，既可以提高爆破效果，又可以减少爆破地震效应、冲击波和飞石危害。在爆破时，爆破产生冲击力，高压致裂水4作为传播介质压裂炮孔，利用水的不可压缩性传递压力，以及裂隙中的水也会继续作用煤体，形成大范围的裂隙，提高煤体渗透性。爆破产生的裂隙的范围广，而且各个方向都可以有，水压致裂一般是一条或几条大裂纹，而爆破可以形成四面八方的裂纹。通过采用水压爆破耦合作用，使煤层8经过多次爆破，既产生较大的、扩展深度深的裂隙，又在爆破作用下产生较小的、分布较密的纹路。
步骤S5，向二次致裂的煤孔中再次通入高压致裂水4，实现对煤层8的三次致裂；
步骤S6，进行瓦斯抽采并检查瓦斯含量，若瓦斯含量满足开采条件，则进行煤层8开采；若瓦斯含量不满足开采条件，则重复步骤S1至步骤S5，直至煤层8满足开采条件，此处开采条件指的是该煤层8中瓦斯含量达到安全工作值(瓦斯浓度低于1％)，即在煤层8开采过程中，不会发生瓦斯爆炸等事故。
如图1和图2所示，本发明还提供一种上述煤层8水力压裂与水压爆破耦合增透方法中使用的增透装置，如图1所示，图中煤层8的两边为岩层9，煤孔穿过岩层9到达煤层8中，在本申请中，煤层8和煤层8附近的岩层9称为煤岩。该增透装置包括水致裂设备和爆破设备。
水致裂设备包括封孔装置1、高压导流管2和高压水泵站3，封孔装置1设置在煤孔内，将煤孔内部封闭为密闭腔体，高压导流管2的一端与密闭腔体连通，另一端与高压水泵站3连接，高压水泵站3用于向密闭腔体内通入高压致裂水4。在本发明的具体实施例中，高压导流管2上均设置有阀门(图未示)，需要向爆破区间内通入高压致裂水4时，打开相应的高压导流管2上的阀门，高压水泵站3向该爆破区间内通入高压致裂水4，当爆破区间需要进行二次致裂时，关闭相应高压导流管2上的阀门，避免在二次致裂爆破时爆破区间内的高压致裂水4压力过大沿高压导流管2反流至高压水泵站3，对高压水泵站3进行冲击而影响设备使用寿命。
爆破设备包括爆破装置7和起爆装置5，爆破装置7设置在煤孔内，通过电雷管脚线6与起爆装置5连接；爆破装置7包括承压爆破管、炸药和电雷管，承压爆破管为密闭腔体，承压爆破管可承受的外界压强大于高压致裂水4的压强，也即本发明的承压爆破管在高致裂水环境中不会因高压致裂水4的压力而发生变形。炸药和电雷管密闭填装在承压爆破管内。常规情况下，炸药受到水压后密度变大，会导致炸药失效而不能正常起爆，本发明设置承压爆破管，将炸药密闭封装在承压爆破管内，从而避免了炸药受压失效。
进一步地，封孔装置1设置有多个，多个封孔装置1沿煤孔的长度方向间隔设置，多个封孔装置1将煤孔分为多段密闭的爆破区间，多个爆破区间分别与高压水泵站3连通；多个爆破区间内分别设置有爆破装置7，爆破装置7分别与起爆装置5连接。
在本发明的实施例中，承压爆破管为金属管，承压爆破管的外径小于煤孔的内径。承压爆破管的直径为35mm，长度为30-50cm，每段爆破区间的长度为1-5m，例如3m。
进一步地，承压爆破管外部设置有支撑剂仓(图未示)，支撑剂仓内设置有固体支撑剂，爆破装置爆破后，支撑剂仓内的固体支撑剂散落在高压致裂水4中，随着爆破装置7的爆破，固体支撑剂随高压致裂水4进入煤层8裂缝中，支撑在煤层8的裂缝处，避免裂缝闭合，从而便于煤层8中瓦斯等气体的排出。优选地，固体支撑剂为钢珠、陶粒或者石英砂，当然，其他可以实现支撑的固体颗粒都是可以的，在本发明中不做限定。
综上所述，本发明提供的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法及装置，采用封孔装置在煤孔内制造封闭内腔，在封闭的煤孔内进行高压水致裂，使煤层内产生较大较深的裂隙，然后采用爆破装置在高压致裂水环境中，以高压致裂水为传递介质对煤孔进行二次致裂，使煤层裂隙细密均匀，采用多段爆破区间分段微差爆破，实现对煤层的多次扰动，以多次弱化煤层完整程度，使煤层裂隙更加细密均匀，不断的增加煤层的松散程度。炸药爆破通过致裂水的不可压缩性传递爆破能量，能量利用率高，作用力均匀，不会对煤孔周围煤体产生过度粉碎而堵塞煤孔裂隙，同时水具有消焰作用，使得爆破火花不直接作用于煤层和瓦斯，提高了安全性。最后采用高压致裂水对爆破产生的细密裂隙进行进一步致裂，使其变宽变深。传统爆破会在煤孔多个方向上形成裂隙，但容易引起煤孔周围的过度粉碎，采用水压爆破耦合作用，避免了煤孔周围的过渡粉碎，使煤层裂纹密度大、深度深、裂纹宽度大，大大增强了煤层增透效果，在承压爆破管外设置支撑剂仓，爆破后固体支撑剂支撑在裂隙内、避免裂隙闭合，大大增强了煤层内瓦斯等气体的排放效率。避免了现有技术中化学药剂作用的时间周期，极大的提高了煤层开采的效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法，其特征在于，所述增透方法包括如下步骤：
步骤S1，钻孔，在待致裂煤层处沿煤层开采方向钻设煤孔；
步骤S2，在钻设好的煤孔中放入爆破装置，并封堵煤孔；
步骤S3，向封堵后的煤孔中通入高压致裂水，直至煤层产生明显裂纹；
步骤S4，引爆煤孔中的爆破装置，实现对煤层的二次致裂；
步骤S5，向二次致裂的煤孔中再次通入高压致裂水，实现对煤层的三次致裂；
步骤S6，进行瓦斯抽采并检查瓦斯含量，若瓦斯含量满足开采条件，则进行煤层开采；若瓦斯含量不满足开采条件，则重复步骤S1至步骤S5，直至煤层满足开采条件。
2.根据权利要求1所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法，其特征在于，所述步骤S2具体操作如下：
首先，在煤孔中放入爆破装置；
然后，用封孔装置封堵煤孔口，使煤孔内部成为密闭腔体，利用电雷管脚线将爆破装置与煤孔外的起爆装置连接；
最后，使用高压导流管将煤孔内的密闭腔体与煤孔外的高压水泵站连通，用于向煤孔内通入高压致裂水。
3.根据权利要求2所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法，其特征在于，所述步骤S2中，同一煤孔中设置多个封孔装置，多个所述封孔装置沿所述煤孔的深度方向间隔设置，将所述煤孔分为多段密闭的爆破区间，每个爆破区间内均设置爆破装置，多个爆破装置分别通过电雷管脚线与起爆装置连接；高压水泵站通过高压导流管分别与多个爆破区间连通。
4.根据权利要求3所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法，其特征在于，所述步骤S3具体操作如下：
沿煤孔钻设方向，依次向同一煤孔内各个爆破区间内通入高压致裂水，实现对煤层的分段致裂。
5.根据权利要求3所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法，其特征在于，所述步骤S3具体操作如下：
向同一煤孔内各个爆破区间内同时通入高压致裂水，实现对煤层的一次致裂。
6.根据权利要求3至5任一项所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透方法，其特征在于，所述步骤S4具体操作如下：
沿煤孔钻设方向，依次引爆各个爆破区间内的爆破装置，爆破方式为分段微差爆破，从而实现对煤层的多次扰动。
7.一种煤层水力压裂与水压爆破耦合增透装置，其特征在于，所述增透装置包括：
水致裂设备，所述水致裂设备包括封孔装置、高压导流管和高压水泵站，所述封孔装置设置在煤孔内，封孔装置将煤孔内部封闭为密闭腔体，所述高压导流管的一端与所述密闭腔体连通，另一端与所述高压水泵站连接，高压水泵站用于向所述密闭腔体内通入高压致裂水；
爆破设备，所述爆破设备包括爆破装置和起爆装置，所述爆破装置设置在煤孔内，爆破装置通过电雷管脚线与所述起爆装置连接；所述爆破装置包括承压爆破管、炸药和电雷管，所述承压爆破管为密闭腔体，所述承压爆破管可承受的外界压强大于高压致裂水的压强，炸药和电雷管密闭填装在所述承压爆破管内。
8.根据权利要求7所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透装置，其特征在于，所述封孔装置设置有多个，多个所述封孔装置沿所述煤孔的长度方向间隔设置，多个封孔装置将所述煤孔分为多段密闭的爆破区间，多个爆破区间分别与高压水泵站连通；多个爆破区间内分别设置有爆破装置，爆破装置分别与起爆装置连接。
9.根据权利要求7所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透装置，其特征在于，所述承压爆破管为金属管，所述承压爆破管的外径小于煤孔的内径。
10.根据权利要求7所述的煤层水力压裂与水压爆破耦合增透装置，其特征在于，所述承压爆破管外部设置有支撑剂仓，所述支撑剂仓内设置有固体支撑剂，爆破装置爆破后，所述支撑剂仓内的固体支撑剂散落在高压致裂水中；
优选地，所述固体支撑剂为钢珠、陶粒或者石英砂。
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