CN111636872A - 一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法，属于涉及顶煤冒放性改变技术领域。本发明通过布置超前水力压裂钻孔的同时布置工作面支架间水力压裂钻孔，并根据煤层赋存情况设计出合适的压力和压入水量并进行水力压裂。该水力压裂方法中超前水力压裂覆盖范围大能使顶煤有足够时间浸润软化降低硬度，支架间水力压裂范围小，但能解决工作面两端头难冒落问题，两者互补实现整个顶煤全覆盖，从而使整个顶煤在回采期间更容易冒落且减少大块率，同时顶煤含水率的增加还对工作面回采期间起降尘作用。

Description

一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法

技术领域

本发明涉及顶煤冒放性领域，具体涉及一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法。

背景技术

我国厚煤层储量丰富，可采储量占生产矿井总储量的45％，厚煤层的产量一般为总产量的40～50％，放顶煤开采是针对厚及特厚煤层将原来需要多次分层开采的煤炭一次性开采出来，具有产量高、成本低、工程量小等特点。但煤层强度f值大于3和顶板强度f值大于10的两硬特厚煤层，在回采期间顶煤难以正常冒落回收，浪费了大量的煤炭资源。

水力压裂在煤体中增加裂隙的同时能提高煤体含水率，当含水率大于某一数值时，煤体强度得到一定程度的弱化，顶煤容易冒放，当含水率每提高1％，煤体强度降幅7％～10％左右，当含水率达到6％以上后，煤体强度降幅收窄。因此可通过水力压裂工艺降低顶煤的煤体强度，提高裂缝发育情况，继而实现提高顶煤放出率的目，亟需解决的技术问题是提供一种综放工作面顶煤水力压裂增加冒放性的方法，从而解决硬煤条件下顶煤冒放性差导致整个回采工作面顶煤回收率低的问题。从而减少煤炭资源损失。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法，解决硬煤条件下顶煤冒放性差导致整个回采工作面顶煤回收率低的问题，从而减少煤炭资源损失。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法，包含以下步骤：

步骤1，获取煤层厚度、煤层倾角、工作面长度、最大水平应力、最小水平应力、垂直应力、工作面端头支架阻力的参数；

步骤2，在回风顺槽垂直巷帮向预开采的煤层布置超前水力压裂钻孔；拟定3个超前水力压裂钻孔为1组，1组钻孔又分别包括上压裂钻孔H1、中间压裂钻孔H2，下压裂钻孔H3，组内钻孔间隔布置，组内钻孔间距为a，相邻钻孔组间距为b；

则，上压裂钻孔倾角

上压裂钻孔长度

中间压裂钻孔倾角

中间压裂钻孔长度

下压裂钻孔倾角

下压裂钻孔长度

组内钻孔间距

组间距b＝h；

上式中，L为采煤工作面长度，h为煤层厚度，α为煤层倾角；

步骤3，先施工上压裂钻孔H1并使用封孔器封孔，封孔长度为钻孔设计长度的1/2，封孔后实施水力压裂；再施工下压裂钻孔H3并使用封孔器封孔，封孔长度为中间压裂钻孔H2的设计长度，封孔后实施水力压裂；最后施工中间压裂钻孔H2并使用封孔器封孔，封孔长度为上压裂钻孔H1的设计长度，封孔后实施水力压裂；

超前水力压裂钻孔均按照设计压力P₁进行水力压裂，保持压力达到设计注水总量Q时停止水力压裂并退出封孔器，设计压力P₁和设计注水总量Q按下式计算，

P₁＝2σ_min-σ_max+σ_t；

其中，σ_min为最小水平应力，σ_max为最大水平应力，σ_t为垂直应力，h为煤层厚度，

为孔隙率；

本组钻孔施工并压裂完成后，在间隔下压裂钻孔H3距离b处进行下一组水力压裂钻孔的施工和水力压裂流程，以此重复直至工作面停采线；

步骤4，回采过程中，当工作面推进至液压支架处于两组超前水力压裂钻孔中间位置时，铅垂向上施工2个支架间水力压裂钻孔，分别为上端头支架间水力压裂钻孔J1和下端头支架间水力压裂钻孔J2，开孔位置分别与上下端头支架的距离为煤层厚度h；

步骤5，按照上端头支架间水力压裂钻孔J1、下端头支架间水力压裂钻孔J2的先后顺序施工，使用封孔器封孔，封孔长度均为h/2；

步骤6，按照设计压力P₂进行水力压裂，直至支架间渗水范围和渗水量均稳定不变时停止水力压裂并退出封孔器，设计压力P₂按下式计算，

P₂＝2σ_min-σ_max+σ_z；

其中，σ_min为最小水平应力，σ_max为最大水平应力，σ_z为支架阻力。

可选的，首组超前水力压裂钻孔与工作面煤壁距离大于30米。

可选的，每一个水力压裂钻孔施工完毕后，完成该钻孔的封孔和水力压裂流程后，再按顺序进行下一钻孔的施工和水力压裂工作。

可选的，在超前水力压裂实施下压裂钻孔H3的水力压裂过程中，如果上压裂钻孔H1出水，则取消本组中间压裂钻孔H2的施工和水力压裂。

本发明的有益效果在于：本发明方法在布置超前水力压裂钻孔的同时布置工作面支架间水力压裂钻孔，并根据煤层赋存情况设计出合适的压力和注水量并进行水力压裂。该水力压裂方法中超前水力压裂覆盖范围大能使顶煤有足够时间浸润软化降低硬度，支架间水力压裂范围小，但能解决工作面两端头难冒落问题，两者互补实现整个顶煤全覆盖，从而使整个顶煤在回采期间更容易冒落同时减少大块率，同时顶煤含水率的增加还对工作面回采期间起降尘作用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的顶煤水力压裂流程示意图；

图2为本发明的水力压裂钻孔布置平面示意图；

图3为本发明的水力压裂钻孔布置剖面示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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。

请参阅图1～图3，为一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法，在本实施例中，包含以下步骤：

步骤1，在某煤矿井下实测得以下参数结果：煤层厚度h为10m，工作面长度L为180m，煤层倾角α为∠8°，煤层孔隙率

为16％，最大水平应力σ_max为18MPa，最小水平应力σ_min为12MPa，垂直应力σ_z为14MPa，上端头支架阻力23MPa，下端头支架阻力21MPa。

则通过以下公式计算超前水力压裂钻孔的施工参数：

上压裂钻孔倾角

上压裂钻孔长度

中间压裂钻孔倾角

中间压裂钻孔长度

下压裂钻孔倾角

下压裂钻孔长度

组内钻孔间距

组间距b＝h；

上式中，L为采煤工作面长度，h为煤层厚度，α为煤层倾角，计算结果保留小数点后1位。

通过计算得出上压裂钻孔倾角θ_H1＝∠2.8°钻孔长度l_H1＝53m；中间压裂钻孔倾角θ_H2＝∠－1°，l_H2＝82.1m；下压裂钻孔倾角θ_H3＝∠－4.8°，钻孔长度l_H3＝179m；组内钻孔间距a＝5m，组间距b＝10m。

步骤2，利用钻机在回风顺槽距离工作面煤壁前方30m处垂直巷帮开孔，按照∠2.8°施工超前水力压裂钻孔H1，施工至钻孔设计长度53m时退出钻杆。

3、利用封孔器封孔，封孔长度为上压裂钻孔H1设计长度的二分之一即26.5m，通过以下公式计算设计压力P₁和注水总量Q。

P₁＝2σ_min-σ_max+σ_t；

上式中，σ_min为最小水平应力，σ_max为最大水平应力，σ_t为垂直应力，h为煤层厚度，

为孔隙率，计算结果取整数。

通过计算可得，设计压力P₁＝20MPa和注水总量Q＝100m³。

步骤4，按照20MPa压力进行水力压裂，直到注水总量达到100m³时结束上压裂钻孔H1的水力压裂。

步骤5，工作面推进方向距上压裂钻孔H110m处垂直巷帮开孔，按照∠－4.8°施工超前水力压裂钻孔H3，施工至钻孔设计长度179m时退出钻杆，利用封孔器封孔，封孔长度为中间压裂钻孔H2设计长度82.1m，按照20MPa压力进行水力压裂，直到注水总量达到100m³时结束下压裂钻孔H3的水力压裂。

步骤6，在上压裂钻孔H1与下压裂钻孔H3正中间垂直巷帮开孔，按照∠－1°施工中间压裂钻孔H2，施工至钻孔设计长度82.1m时退出钻杆，利用封孔器封孔，封孔长度为上压裂钻孔H1设计长度53m，按照20MPa压力进行水力压裂直到注水总量达到100m³时结束下压裂钻孔H3的压裂。

在本实施例中，当下压裂钻孔H3进行水力压裂时，如果上压裂钻孔H1出水，则忽略上述中间压裂钻孔H2的钻孔施工与水力压裂流程，直接进入下一组水力压裂钻孔的施工与水力压裂流程。

步骤7，当工作面推进至液压支架处于两组超前水力压裂钻孔中间位置时，分别在上下端头铅垂向上施工支架间水力压裂钻孔，分别为上端头支架间水力压裂钻孔J1和下端头支架间水力压裂钻孔J2，开孔位置分别与上下端头的距离为煤层厚度h＝10m。

步骤8，利用封孔器封孔，J1孔和J2孔封孔距离为1/2煤层厚度即5m，通过以下公式计算设计压力P₂：

P₂＝2σ_min-σ_max+σ_z；

上式中，σ_min为最小水平应力，σ_max为最大水平应力，σ_z为支架阻力，计算结果取整数。

通过计算，J1孔设计压力为29MPa，J2孔设计压力为27MPa。

步骤9，按照设计压力先后进行J1孔和J2孔水力压裂，支架间渗水范围稳定不变且渗水量稳定不变时作为停止水力压裂判断依据。

本发明一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法，超前水力压裂覆盖范围大能使顶煤有足够时间浸润软化降低硬度，支架间水力压裂范围小，但能解决工作面两端头难冒落问题，两者互补实现整个顶煤全覆盖，从而使整个顶煤在回采期间更容易冒落同时减少大块率，同时顶煤含水率的增加还对工作面回采期间起降尘作用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，获取煤层厚度、煤层倾角、工作面长度、最大水平应力、最小水平应力、垂直应力、工作面端头支架阻力的参数；

步骤2，在回风顺槽垂直巷帮向预开采的煤层布置超前水力压裂钻孔；拟定3个超前水力压裂钻孔为1组，1组钻孔又分别包括上压裂钻孔H1、中间压裂钻孔H2，下压裂钻孔H3，组内钻孔间隔布置，组内钻孔间距为a，相邻钻孔组间距为b；

则，上压裂钻孔倾角

上压裂钻孔长度

中间压裂钻孔倾角

中间压裂钻孔长度

下压裂钻孔倾角

下压裂钻孔长度

组内钻孔间距

组间距b＝h；

上式中，L为采煤工作面长度，h为煤层厚度，α为煤层倾角；

步骤3，先施工上压裂钻孔H1并使用封孔器封孔，封孔长度为钻孔设计长度的1/2，封孔后实施水力压裂；再施工下压裂钻孔H3并使用封孔器封孔，封孔长度为中间压裂钻孔H2的设计长度，封孔后实施水力压裂；最后施工中间压裂钻孔H2并使用封孔器封孔，封孔长度为上压裂钻孔H1的设计长度，封孔后实施水力压裂；

超前水力压裂钻孔均按照设计压力P₁进行水力压裂，保持压力达到设计注水总量Q时停止水力压裂并退出封孔器，设计压力P₁和设计注水总量Q按下式计算，

P₁＝2σ_min-σ_max+σ_t；

其中，σ_min为最小水平主应力，σ_max为最大水平主应力，σ_t为垂直应力，h为煤层厚度，

为孔隙率；

本组钻孔施工并压裂完成后，在间隔下压裂钻孔H3距离b处进行下一组水力压裂钻孔的施工和水力压裂流程，以此重复直至工作面停采线；

步骤4，回采过程中，当工作面推进至液压支架处于两组超前水力压裂钻孔中间位置时，铅垂向上施工2个支架间水力压裂钻孔，分别为上端头支架间水力压裂钻孔J1和下端头支架间水力压裂钻孔J2，开孔位置分别与上下端头支架的距离为煤层厚度h；

步骤5，按照上端头支架间水力压裂钻孔J1、下端头支架间水力压裂钻孔J2的先后顺序施工，使用封孔器封孔，封孔长度均为h/2；

步骤6，按照设计压力P₂进行水力压裂，直至支架间渗水范围和渗水量均稳定不变时停止水力压裂并退出封孔器，设计压力P₂按下式计算，

P₂＝2σ_min-σ_max+σ_z；

其中，σ_min为最小水平应力，σ_max为最大水平应力，σ_z为支架阻力。

2.根据权利要求1所述的一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法，其特征在于：首组超前水力压裂钻孔与工作面煤壁距离大于30米。

3.根据权利要求1所述的一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法，其特征在于：每一个水力压裂钻孔施工完毕后，完成该钻孔的封孔和水力压裂流程后，再按顺序进行下一钻孔的施工和水力压裂工作。

4.根据权利要求1所述的一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法，其特征在于：在超前水力压裂实施下压裂钻孔H3的水力压裂过程中，如果上压裂钻孔H1出水，则取消本组中间压裂钻孔H2的施工和水力压裂。

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