CN111520184A - 一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统及方法，首先根据煤层开采工作面的顶板岩性及来压特征，确定水平井分段压裂的目标岩层；根据目标岩层及煤层工作面特征，确定水平井的布井方式，并钻施水平井；在水平井中，对目标岩层及煤层进行压裂，通过压裂使目标岩层及煤层形成相互贯通的网状裂隙；建立地面抽排系统，对煤层中的有害气体进行抽排；本发明通过在目标岩层中设置水平井，在水平井中对目标岩层及煤层进行压裂，在目标岩层和煤层中形成贯通的网状裂隙，实现了对目标岩层的压裂卸压，改变了煤层顶板的应力状态，避免了冲击地压事件的发生，同时实现了煤层中有害气体的释放抽排。

Description

一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统及方法

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，特别涉及一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统及方法。

背景技术

冲击地压作为深部矿井煤炭开采面临的主要动力灾害之一，已成为采矿界与岩石力学界亟待解决的世界性难题。目前，采用的冲击地压防治技术主要有：煤柱大直径钻孔、深孔爆破、煤层注水及顶板预裂等，上述防治技术均属于局部防冲技术，具有工程量大、施工难度大、卸压效果不确定等问题。目前，由于尚无针对采掘前区域的防冲技术，导致采掘过程冲击地压事故的不断发生；现有的区域防冲主要是开采解放层，在没有解放层和开采解放层有困难的矿区，目前尚无有效的区域防冲手段。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统及方法，以解决现有技术中尚无针对采掘前区域的防冲技术，易导致采掘过程冲击地压事故不断发生的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治方法，包括以下步骤：

根据煤层开采工作面的顶板岩性及来压特征，确定水平井分段压裂的目标岩层；

根据目标岩层及煤层开采工作面特征，确定水平井的布井方式，并钻施水平井；

在水平井中，对目标岩层及煤层进行压裂，通过压裂使目标岩层及煤层形成相互贯通的网状裂隙；

建立地面抽排系统，对煤层中的有害气体进行抽排。

进一步的，基于矿井水文、地质构造及岩层力学性质，通过对煤层及其顶底板应力分析和能量传递形式分析，确定水平井分段压裂的目标岩层。

进一步的，根据目标岩层的深度及煤层开采工作面长度，确定水平井的布井方式，具体的：

水平井包括直井段、造斜段及水平段，直井段的井口位于地面上；水平段设置在目标岩层中，水平段沿煤层开采工作面走向平行对称布置，分别位于回风巷道或运输巷道内侧40-60m处；水平井着陆点的垂直投影距煤层工作面切眼或停采线0-5m；造斜段设置在直井段与水平段之间，造斜段的一端与直井段连接，另一端与水平段连接。

进一步的，水平段的长度与煤层开采工作面长度相匹配，水平段的最大长度不超过直井段长度的2.5倍。

进一步的，水平井采用二开井身结构，其中，一开井身由地面钻至稳定基岩不小于20m处；二开井身由一开井身的末端钻至设计深度；在一开井身中下入表层套管，并进行固封处理；二开井身中下入生产套管，并进行固封处理。

进一步的，对目标岩层及煤层进行压裂时，采用在水平段上射孔后，进行后退式分段高压水力压裂。

进一步的，后退式分段高压水力压裂时，每个分段压裂的长度为80-120m，注入压力为40-60Mpa。

进一步的，建立抽排系统时，将抽排系统设置在水平井的直井段；抽排系统包括气锚、螺杆泵、抽油杆、油管及地面驱动机构，气锚、螺杆泵从上到下依次设置在油管的下部，抽油杆穿设在油管中，油管的上端与地面驱动机构连接。

本发明还提供了一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统，包括水平井及抽排系统；水平井包括直井段、造斜段及水平段；直井段的井口位于地面上，竖向向下延伸；水平段设置在目标岩层中，水平段沿煤层开采工作面走向平行对称布置，分别位于回风巷道或运输巷道内侧40-60m处；水平井着陆点的垂直投影距煤层工作面切眼或停采线0-5m；造斜段设置在直井段与水平段之间，造斜段的一端与直井段连接，另一端与水平段连接；

水平井的水平段上布置若干射孔段，通过射孔段对目标岩层及煤层压裂后，能够在目标岩层及煤层形成相互贯通的网状裂隙；抽排系统设置在水平井的直井段，用于对网状裂隙中逸散的有害气体进行抽排。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治方法，通过在目标岩层中设置水平井，在水平井中对目标岩层及煤层进行压裂，在目标岩层中形成贯通的网状裂隙，实现了对目标岩层的压裂卸压，改变了煤层顶板的应力状态，避免了冲击地压的发生；通过对煤层的压裂，在煤层中形成贯通的网状裂隙，实现了对煤层的卸压，并实现了煤层中有害气体的释放，进而利用抽排系统实现对煤层中有害气体的抽排；本发明中的水平井设置在目标岩层中，水平井施工不受井下采掘影响，满足在没有解放层及开采解放层困难的矿区进行区域防冲，防冲效果较好；施工难度小，卸压效果较好，同时能够实现对煤层中有害气体的抽排。

进一步的，将水平井着陆点设置在距煤层工作面的切眼或停采线0-5m处，避免了在冲击地压防治及有害气体抽排过程产生灾害治理盲区；同时避免了无效水平段，实现了对煤层开采工作面区域的全覆盖，冲击地压防治及有害气体抽排效果较好，降低了工程成本。

进一步的，通过将水平井的水平段长度与采煤开采工作面的长度相匹配设置，实现了对整个煤层开采工作面的压裂，进而实现对整个煤层开采工作面冲击地压的卸压及有害气体的抽排，实现了针对煤层工作面的区域防冲及有害气体抽排，提高了采掘过程的安全性；将水平段的最大长度不超过直井段长度的2.5倍，提高了煤层中有害气体的释放及抽排率且降低了水平段的钻进难度。

进一步的，水平井采用二开井身结构，能够有效封固上部松散层和含水层，利于成井和后期压裂。

进一步的，抽排系统采用油气行业常用的地面抽采系统，设备结构简单，利于煤层中瓦斯及H₂S等有毒有害气体的抽排，提高了煤炭采掘的安全性。

本发明还提供了一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统，通过在目标岩层中设置水平井，并在水平井的水平段布置若干射孔段，通过射孔段对目标岩层及煤层进行压裂，在目标岩层及煤层形成相互贯通的网状裂隙，实现了对目标岩层的卸压，避免了冲击地压的事故发生；同时，煤层中的网状裂隙实现对煤层中有害气体的释放，提高了煤层开采的安全性，对煤矿安全生产具有重大意义。

附图说明

图1本发明所述的冲击地压和有害气体综合防治系统中的水平井纵向剖视图；

图2为本发明所述的冲击地压和有害气体综合防治系统中的水平压裂目标层位示意图；

图3为本发明所述的冲击地压和有害气体综合防治系统中的网状裂隙展布示意图；

图4为本发明所述的冲击地压和有害气体综合防治系统中的抽排系统结构示意图；

图5为本发明所述的冲击地压和有害气体综合防治系统中的地面驱动机构示意图；

图6为实施例中水平井平面布置示意图。

其中，1水平井，2表层套管，3生产套管，4压裂管柱，5网状裂隙；101直井段，102造斜段，103水平段；6气锚，7螺杆泵，8电子压力计，9抽油杆，10油管，11地面驱动机构。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。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。

如附图1-5所示，本发明提供了一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统，包括多个水平井1及抽排系统，多个水平井1布设在目标岩层中；每个水平井1包括直井段101、造斜段102及水平段103，直井段101的井口位于地面上，且竖向向下延伸；水平段103位于目标岩层中，水平段沿煤层开采工作面走向平行对称布置，分别位于回风巷道或运输巷道内侧40-60m处，能够形成对回风巷道或运输巷道的有效保护；水平井着陆点的垂直投影距煤层工作面切眼或停采线0-5m；造斜段102设置在直井段101与水平段103之间，造斜段102的一端与直井段101的下端连接，另一端与水平段103连接。

水平井1的水平段布置若干射孔段，通过射孔段对目标岩层及煤层进行压裂，能够在目标岩层及煤层中形成相互贯通的网状裂隙5；其中，目标岩层为煤层顶板上部产生冲击地压的地层，一般为煤层顶板的砂岩或含砾砂岩层。

抽排系统设置在水平井1的直井段101，抽排系统采用油气行业常用的地面抽采系统；抽排系统包括气锚6、螺杆泵7、电子压力计8、抽油杆9、油管10及地面驱动机构11，气锚6、螺杆泵7、电子压力计8从上到下依次设置在油管10上，抽油杆9穿设在油管10中，油管10的上端与地面驱动机构11连接；电子压力计8通过压力计托筒固定在油管10上，油管10的外侧均匀设置有油管扶正器，通过油管扶正器将油管10与直井段101固定。

本发明还提供了一种冲击地压及有害气体抽排方法，包括以下步骤：

根据煤层开采工作面的顶板岩层及来压特征，基于矿井水文、地质构造及岩层力学性质，通过对煤层及其顶底板应力分析和能量传递形式分析，确定水平井分段压裂的目标岩层；

根据目标岩层的深度及煤层开采工作面的长度，确定水平井的布井方式，并钻施水平井1；其中，水平井1包括直井段101、造斜段102及水平段103；直井段101的井口位于地面上，且竖向向下延伸；水平段103设置在目标岩层中，水平段103沿煤层开采工作面走向平行对称布置，分别位于回风巷道或运输巷道内侧40-60m处；水平井着陆点的垂直投影距煤层工作面切眼或停采线0-5m；造斜段102设置在直井段101与水平段103之间，造斜段102的一端与直井段101连接，另一端与水平段103连接。

水平井1采用二开井身结构，其中，一开井身由地面钻至稳定基岩不小于20m处；二开井身由一开井身的末端钻至设计深度；在一开井身中下入表层套管2，并采用水泥浆进行固封返至地面；二开井身中下入生产套管3，并采用水泥浆进行固封返至地面。

在水平段103射孔后，形成若干射孔段，利用射孔段对煤层顶板及煤层进行压裂，使目标岩层及煤层形成相互贯通的网状裂隙5；利用射孔段对目标岩层及煤层进行压裂时，采用后退式分段高压水力压裂；退式分段高压水力压裂时，在水平段103中下入压裂管柱4，对压裂段的两端进行坐封，然后进行射孔压裂；每个压裂段的长度为80-120m，注入压力为40-60Mpa。

建立水平井地面抽排系统，对煤层中的有害气体进行抽排；具体的，将抽排系统设置在水平井1的直井段101，通过地面井口对煤层中逸散的有害气体进行抽排；其中抽排系统包括气锚6、螺杆泵7、电子压力计8、抽油杆9、油管10及地面驱动机构11，气锚6、螺杆泵7、电子压力计8从上到下依次设置在油管10的下部，抽油杆9穿设在油管10中，油管10的上端与地面驱动机构11连接；电子压力计8通过压力计托筒固定在油管10上，油管10的外侧均匀设置有油管扶正器，通过油管扶正器将油管10与直井段101固定。

本发明所述的一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统及方法，通过在目标岩层中设置水平井，在水平井中对目标岩层及煤层进行压裂，在目标岩层中形成贯通的网状裂隙，实现了对目标岩层的压裂卸压，改善了煤层顶板的应力环境，避免了冲击地压的发生；通过对煤层的压裂，在煤层中形成贯通的网状裂隙，实现了对煤层的卸压，并实现了煤层中有害气体的释放，进而利用抽排系统实现对煤层中有害气体的抽排；本发明中的水平井设置在目标岩层中，水平井施工不受井下采掘影响，满足在没有解放层及开采解放层困难的矿区进行区域防冲，防冲效果较好；施工难度小，卸压效果较好，同时能够实现对煤层中有害气体的抽排。

实施例

以某煤矿401103煤层开采工作面为例，该煤矿401103煤层开采工作面具有强冲击倾向性，其顶板具有弱冲击倾向性，底板无冲击倾向性，顶板为坚硬的含砾砂岩。

利用本发明所述的一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统及方法，对该煤矿401103煤层开采工作面的煤层及顶板进行冲击地压防治及有害气体抽排时，具体包括以下步骤：

综合401103煤层开采工作面的顶板岩性及来压特征，考虑防冲措施的可实施性，基于矿井水文、地质构造及岩层力学性质，通过对煤层及其顶底板应力分析和能量传递形式分析，确定水平井分段压裂的目标岩层；目标岩层为冲击地压来源的坚硬顶板，距401103煤层开采工作面的煤层顶板约50m；

根据目标岩层及煤层开采工作面特征，在401103煤层开采工作面的回风和运输巷道内侧分别向煤层开采工作面的顶板中布置两口L型水平井，四口L型水平井的直井段均位于地面上，且其中两个直井段设置在回风巷道的两端，另外两个直井段设置在运输巷道的两端；四口L型水平井的水平段沿煤层工作面走向对称平行布置，且分别位于回风巷道或运输巷道内侧40-60m处；每个水平段长度均为900m、井深1800m；完钻后下入钢级配套的套管，完成整个水平井钻井工程；L型水平井采用二开程序，一开井身孔径311.1mm，一开井深120-140m，二开井身孔径215.9mm，二开井深1800m。

根据煤矿地应力实测成果，该煤矿的地应力以水平应力为主，垂直主应力为最小主应力，最大水平主应力方位角集中在145°-171°之间，压裂后裂缝延伸方向近似水平，压裂影响范围的水平截面近椭圆形；将四口L型水平井的水平段分9段，每段100m，进行高压水力喷砂射孔后采取后退式压裂，注入压力40-60MPa，可实现煤层开采工作面压裂范围满覆盖，地面高压水力压裂过程中，调节井口注入压力和排量，确保压裂后裂缝长度控制在80-100m范围内。通过压裂可使煤层及其顶板应力得到释放，降低开采期间的冲击地压；压裂后裂缝向煤层中延伸效果较好，可实现地面瓦斯及硫化氢等有害气体的预抽，瓦斯等有害气体的抽采量及浓度可通过地面进行观测；建立水平井地面抽排系统，对煤层中的瓦斯及硫化氢等有害气体进行抽排。

分段压裂过程及压裂后对网状裂隙的造缝效果监测，具体的，通过在压裂过程中开展地面微地震实时监测，可获知裂缝延伸、展布特征；通过井下向L型水平井段施工垂向钻孔，根据岩心的完整程度和含砂情况判断压裂效果；井下采掘过程中，若煤层或顶板中有压裂砂出现，则可判断压裂效果较好。

本发明所述的一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统及方法，以消除煤层开采期间冲击地压灾害的威胁和降低煤层开采工作面瓦斯及硫化氢等有害气体浓度的问题；施工地面水平井不受井下采掘影响，在煤层开采工作面未形成时便可施工；水平井的水平段最大施工长度可达千余米，分段压裂技术的造裂能力更具优势，压裂后裂缝长度可达80-100m；同时压裂后加入支撑剂，可保证裂缝长期畅通，不仅可以解决煤层开采工作面冲击地压危害，还可以预抽瓦斯及硫化氢等有毒有害气体，对煤矿安全生产具有重大意义。

利用水平井在坚硬顶板关键层中实施压裂，形成裂缝网络，将完整的顶板岩体切割成有限块体，避免在工作面回采过程中形成可造成冲击危险的顶板悬臂梁结构，从而解决坚硬顶板大面积悬空问题；本发明中通过将水平井的水平段位于煤层坚硬顶板，完钻后采用分段压裂改造，水平井施工穿过煤层顶板高压区的过程中，应力得到释放；压裂裂缝产生的同时破坏了煤层及其顶板原有地应力状态，同时排出部分地层水，降低地层压力，有效预防工作面冲击地压事件的发生。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (9)

1.一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据煤层开采工作面的顶板岩性及来压特征，确定水平井分段压裂的目标岩层；

根据目标岩层及煤层开采工作面特征，确定水平井的布井方式，并钻施水平井；

在水平井中，对目标岩层及煤层进行压裂，通过压裂使目标岩层及煤层形成相互贯通的网状裂隙；

建立地面抽排系统，对煤层中的有害气体进行抽排。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治方法，其特征在于，基于矿井水文、地质构造及岩层力学性质，通过对煤层及其顶底板应力分析和能量传递形式分析，确定水平井分段压裂的目标岩层。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治方法，其特征在于，根据目标岩层的深度及煤层开采工作面长度，确定水平井的布井方式，具体的：

水平井包括直井段、造斜段及水平段，直井段的井口位于地面上；水平段设置在目标岩层中，水平段沿煤层开采工作面走向平行对称布置，分别位于回风巷道或运输巷道内侧40-60m处；水平井着陆点的垂直投影距煤层工作面切眼或停采线0-5m；造斜段设置在直井段与水平段之间，造斜段的一端与直井段连接，另一端与水平段连接。

4.根据权利要求3所述的一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治方法，其特征在于，水平段的长度与煤层开采工作面长度相匹配，水平段的最大长度不超过直井段长度的2.5倍。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治方法，其特征在于，水平井采用二开井身结构，其中，一开井身由地面钻至稳定基岩不小于20m处；二开井身由一开井身的末端钻至设计深度；在一开井身中下入表层套管，并进行固封处理；二开井身中下入生产套管，并进行固封处理。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治方法，其特征在于，对目标岩层及煤层进行压裂时，采用在水平段上射孔后，进行后退式分段高压水力压裂。

7.根据权利要求6所述的一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治方法，其特征在于，后退式分段高压水力压裂时，每个分段压裂的长度为80-120m，注入压力为40-60Mpa。

8.根据权利要求3所述的一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治方法，其特征在于，建立抽排系统时，将抽排系统设置在水平井的直井段；抽排系统包括气锚、螺杆泵、抽油杆、油管及地面驱动机构，气锚、螺杆泵从上到下依次设置在油管的下部，抽油杆穿设在油管中，油管的上端与地面驱动机构连接。

9.一种煤矿冲击地压和有害气体综合防治系统，其特征在于，包括水平井及抽排系统；水平井包括直井段、造斜段及水平段；直井段的井口位于地面上，竖向向下延伸；水平段设置在目标岩层中，水平段沿煤层开采工作面走向平行对称布置，分别位于回风巷道或运输巷道内侧40-60m处；水平井着陆点的垂直投影距煤层工作面切眼或停采线0-5m；造斜段设置在直井段与水平段之间，造斜段的一端与直井段连接，另一端与水平段连接；

水平井的水平段上布置若干射孔段，通过射孔段对目标岩层及煤层压裂后，能够在目标岩层及煤层形成相互贯通的网状裂隙；抽排系统设置在水平井的直井段，用于对网状裂隙中逸散的有害气体进行抽排。

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