CN110318674B - 一种巷道顶板致裂防突的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种巷道顶板致裂防突的方法,适用于深部高瓦斯、低渗透煤层巷道的防突。本发明通过在地面打水平井,并将井眼轨迹控制在距预留煤柱煤层顶界一定范围内的顶板中,其方向与巷道掘进方向一致,并与排采直井对接;采用射孔技术,在水平井水平段分段定点向下射孔,射孔不勾通预留煤柱煤层;然后以超临界CO2作为压裂液,以预留煤柱煤层顶板碎粒作为支撑剂,采用大排量对预留煤柱煤层进行跨界面分段压裂,并使裂缝在垂直水平井水平段方向左右两侧各扩展20~30m,在一次性实现待掘运输平巷和待掘回风平巷高效致裂防突的同时,还可大幅提高巷道掘进速度,避免传统水力压裂的缺陷,并促进煤层气的增产,一举多效。
Description
技术领域
本发明涉及一种巷道顶板致裂防突的方法,尤其适用于深部高瓦斯、低渗透煤层巷道的防突,属于煤矿安全和瓦斯抽采领域。
背景技术
目前关于煤层巷道的防突方法主要以打瓦斯抽放孔、布置瓦斯抽采巷、水力冲孔及水力割缝等为主,但这些方法通常存在巷道掘进速度慢、作业难度大、运行成本高等问题。
煤层气开采领域通过在地面布置直井,在开采煤层气的同时,能够对巷道和工作面进行卸压防突,但该方法存在所需井数多、单井产气量低、占用土地多等缺点,势必导致防突效果差。
在煤层中布置水平井开采煤层气要求煤质较硬,虽能一定程度上提高煤层气抽采效率,进而使得瓦斯含量降低,取得一定防突效果,但是因为水平井筒布置在煤层中,对后续巷道的掘进干扰较大,同时压裂规模普遍较小,而且压裂液选用活性水,存在返排难、污染地层和地下水、耗费水资源等问题。
中煤科工集团西安研究院的“一种煤层气分段压裂水平井强化抽采方法”(CN103967472 A)为解决构造软煤水平井布置易出现卡钻、塌孔等问题,提出将水平井布置在距煤层顶界0.5~1.5m之间的顶板中,射孔勾通煤层,这种方法为构造软煤煤层气抽采和巷道防突提供了指导,但因其射孔深至煤层,未能利用顶板脆性断裂释放的能量,造成额外的压裂液消耗,同时因为选用活性水作为压裂液,除了存在返排难、易污染地层和地下水等缺陷外,活性水与构造软煤作用可能导致煤体结构软化,加之作为支撑剂的石英砂强度远高于构造软煤,极易导致其在高地应力、高注水压力作用下嵌入煤体,从而导致压裂裂缝较窄,甚至堵塞,最终可能导致煤层气抽采和防突效果与预期有一定差距。
发明内容
本发明旨在提供一种巷道顶板致裂防突的方法,能够充分利用顶板脆性断裂释放能、环境污染小、可大幅提高待掘运输平巷和待掘回风平巷掘进速度。
本发明提供了一种巷道顶板致裂防突的方法,包括以下步骤:
a. 在预留煤柱正上方从地面打排采直井,并对其在水平井预设层位造穴;
b. 在预留煤柱正上方打地面水平井,保证其水平段井眼轨迹位于顶板中,且距离煤层顶界1.5~2.0m,并使水平井和排采直井在造穴处对接连通,然后在水平井水平段末端布置封隔桥塞;
c. 采用射孔技术,按照16孔/m、线形竖直向下对水平井水平段进行射孔,射孔深度位于煤层顶界之上,该孔即不勾通预留煤柱煤层;
d. 以超临界CO2为压裂介质,以顶板碎粒为支撑剂对水平段进行分段压裂;
e. 裂缝在垂直水平井水平段左右两侧各扩展20~30m后,停泵并关闭水平井,利用超临界CO2迅速气化形成的压降,将瓦斯经排采直井抽出,实现待掘运输平巷和待掘回风平巷的顶板致裂防突。
所述的排采直井深至预留煤柱煤层下方50~60m。
所述的水平井布置方向与巷道掘进方向一致,水平井水平段长度为600~1000m,其井眼轨迹位于距预留煤柱煤层顶界正上方1.5~2m的顶板中。
采用射孔枪定点向下射孔时,射孔深度位于预留煤柱煤层顶界上方1.2~1.5m,即射孔射穿套管和水泥环,不勾通预留煤柱煤层,具体射孔深度结合顶板岩性,根据压裂裂缝能量释放率恰好等于其在煤层中的扩展阻力这一原则,按照公式π(H-h)(p-σ h )2/E=(K IC )2/2E'确定,式中,H为水平井水平段距预留煤柱煤层顶界距离,h为射孔深度,p为注水压力,σ h 为最小水平地应力,K IC 为煤体断裂韧度,E为水平井布置层位顶板弹性模量,E'为煤体弹性模量。
所述的超临界CO2通过布置在地面和水平井井筒内的加热棒对液态CO2持续加热并保持在31.4℃获得。
所述的支撑剂通过在待掘巷道所处矿区对煤层顶板取样,并利用破碎机将其破碎成颗粒获得,其粒径范围为40~80目。
本发明的有益效果:
与现有技术相比,本发明压裂可以在巷道掘进之前实施,可以大幅提高巷道掘进和采煤效率;因为水平井水平段和射孔均位于预留煤柱煤层顶界正上方,可以充分利用顶板脆性断裂释放能强化煤层的压裂效果,同时通过使裂缝沿垂直水平井水平段方向左右两侧各扩展20~30m,达到一次性对待掘运输平巷和待掘回风平巷致裂防突的目的;以超临界CO2为压裂介质,能够充分利用其扩散性好、高密度等优势,并能够避免水力压裂煤层带来的 “水锁效应”、水资源的浪费以及对地层和地下水的污染,同时,CO2与瓦斯主要成分CH4在煤层中竞争吸附,对其进行驱替置换,而且停泵关井后,超临界CO2因压力降低迅速气化,从排采直井排出,迅速形成压降,促使瓦斯大量排出,从而一次性实现待掘运输平巷和待掘回风平巷的安全、高效防突。
附图说明
图1是巷道顶板致裂防突的结构示意图;
图2是井下巷道位置关系图(图1中左视)。
图中:1—水平井,2—排采直井,3—预留煤柱,4—封隔桥塞,5—射孔,6—井内加热棒,7—支撑剂储罐,8—液态CO2储罐,9—混砂车,10—地面加热棒,11—泵车,12—待掘运输平巷,13—待掘回风平巷。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明,但不局限于以下实施例。
实施例1:
图1是巷道顶板致裂防突的结构示意图,对图1的结构说明如下:
从地面在预留煤柱3正上方沿巷道掘进方向打水平井1,从地面在预留煤柱3正上方打排采直井2,在水平井1预设层位对排采直井2造穴,以利于后续与水平井1对接连通;在水平井的井筒和套管之间布置井内加热棒6,在水平井内分段设有封隔桥塞4;在水平井水平段均匀向下有射孔5(射孔与煤柱不连通);地面设有超临界CO2注入装置:液态储罐8中的CO2与支撑剂储罐7中的板碎粒经与混砂车9连接,混砂车9另一端连接地面加热棒10,超临界CO2经泵车11以不低于15m3/min的排量注入水平井1,泵车位于水平井的入口处。
如图1、2所示,本发明提供的一种巷道顶板致裂防突的方法,包括如下步骤:
a. 从地面在预留煤柱3正上方打排采直井2,其深度至预留煤柱煤层下方50~60m,在水平井1预设层位对排采直井2造穴,造穴半径为0.5m左右,以利于后续与水平井1对接连通;
b. 从地面在预留煤柱3正上方沿巷道掘进方向打水平井1,在井筒和套管之间布置井内加热棒6,水平井1水平段长度保持在600~1000m,采用方向伽马+电磁波视电阻率随钻测井精确控制技术,将其井眼轨迹控制在距预留煤柱煤层顶界正上方1.5~2m的顶板中,然后将水平井1与排采直井2在造穴处对接连通,并采用油管输送将封隔桥塞4送至水平井1水平段末端,加压坐封;
c. 采用射孔技术,按照16孔/m、线形竖直向下对水平井1水平段进行分段定点向下射孔,射孔5深度为1.2~1.5m,射穿套管和水泥环,但不勾通预留煤柱3煤层;
d. 将液态储罐8中的CO2与支撑剂储罐7中的40~80目顶板碎粒经混砂车9混合,经地面加热棒10将其加热至31.4℃,然后经泵车11注入水平井1,同时开启井内加热棒6对水平井1内的压裂液持续加热,使其温度不低于31.4℃,以保证CO2始终保持超临界态,压裂第一段,当裂缝沿垂直水平井1水平段方向左右两侧各扩展20~30m后,第一段压裂完毕,停泵,布置封隔桥塞4,封隔第一段,然后采用同样方式,依次压裂后续各段,直至整个水平段压裂完毕;
e. 压裂完毕后,关闭水平井1,同时打开所设桥塞4和排采直井2,利用超临界CO2迅速气化形成的压降对预留煤柱3、瓦斯进行负压抽采,一次性实现待掘运输平巷12和待掘回风平巷13的顶板致裂安全、高效防突。
Claims (5)
1.一种巷道顶板致裂防突的方法,其特征在于包括以下步骤:
a. 在预留煤柱正上方从地面打排采直井;
b. 在预留煤柱正上方打地面水平井,保证其水平段井眼轨迹位于顶板中,且距离煤层顶界1.5~2.0m;
c. 采用射孔技术,按照16孔/m、线形竖直向下对水平井水平段进行射孔,射孔深度位于煤层顶界之上,即不勾通预留煤柱煤层;
射孔技术为采用射孔枪定点向下射孔,射孔深度位于预留煤柱煤层顶界上方1.2~1.5m,即射孔射穿套管和水泥环,但不勾通预留煤柱煤层;
所述射孔深度结合顶板岩性,根据压裂裂缝能量释放率恰好等于其在煤层中的扩展阻力这一原则,按照公式π(H-h)(p-σ h )2/E=(K IC )2/2E' 确定,式中,H为水平井水平段距预留煤柱煤层顶界距离,h为射孔深度,p为注水压力,σ h 为最小水平地应力,K IC 为煤体断裂韧度,E为水平井布置层位顶板弹性模量,E'为煤体弹性模量;
d. 以超临界CO2为压裂介质,以顶板碎粒为支撑剂对水平段进行分段压裂;
e. 裂缝在垂直水平井水平段左右两侧各扩展20~30m后,停泵并关闭水平井,利用超临界CO2迅速气化形成的压降,将瓦斯经排采直井抽出,实现待掘运输平巷和待掘回风平巷的顶板致裂防突。
2.根据权利要求1所述的巷道顶板致裂防突的方法,其特征在于:所述的排采直井深至预留煤柱煤层下方50~60m。
3.根据权利要求1所述的巷道顶板致裂防突的方法,其特征在于:所述的水平井布置方向与巷道掘进方向一致,水平井水平段长度为600~1000m,其井眼轨迹位于距预留煤柱煤层顶界正上方1.5~2.0m的顶板中。
4.根据权利要求1所述的巷道顶板致裂防突的方法,其特征在于:所述的超临界CO2通过加热棒对液态CO2持续加热并保持31.4℃获得,压裂时其泵入量保持不低于15m3/min。
5.根据权利要求1所述的巷道顶板致裂防突的方法,其特征在于:所述的支撑剂通过在待掘巷道所处矿区对煤层顶板取样,并利用破碎机将其破碎成颗粒获得,其粒径范围为40~80目。
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