CN111691864A - 一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法，发挥超声激励和水力压裂增透技术优势，在超声激励作用基础上实施水力压裂，利用超声激励装置产生的超声冲击波改变煤储层的孔裂隙结构，超前产生新的大量的均布裂隙，为水力压裂过程中高压水劈裂煤体延展压裂提供导向裂隙通道，辅助实现水力压裂的相对均匀压裂，提高了水力压裂有效影响范围的可控性，极大的增加了煤层的透气性及瓦斯抽采量。
Description
技术领域
本发明属于煤层综合卸压增透瓦斯高效抽采技术领域，具体涉及一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法。
背景技术
煤层瓦斯是制约高瓦斯、突出矿井安全高效生产的因素之一，钻孔预抽是解决矿井瓦斯灾害行之有效的主要手段，但我国多数高瓦斯、突出矿井煤层受制于煤层透气性较差因素的影响，钻孔抽采效果较差、抽采钻孔工程量大、预抽时间较长，致使矿井安全生产投入较大，生产接替紧张。有针对性的实施煤层卸压增透措施，改善煤层的透气性是提高钻孔瓦斯抽采效果的重要途径。目前研究并推广应用较广泛的煤层卸压增透技术主要包括水力压裂、高压水射流、声场干预、深孔CO2爆破预裂增透技术等，各项技术一定程度上均有效改善了煤层的透气性，但各单项技术均有其适用条件和困境。
水力压裂作为区域化卸压增透技术措施能够卸压驱离煤层瓦斯，实现煤层大范围的卸压增透，但高压水进入煤层后其延展劈裂煤体的方向不可控，高压水往往沿着煤体内某个弱面裂隙延展压裂煤体，煤体内其他区域并未产生卸压增透效果，存在压裂的盲区。
声场干预技术在振动效应、空化效应的作用下，改善煤体内原有裂隙通道，并致裂产生新的大量的均布裂隙，但声场干预作用范围较小，不能实现大范围的卸压增透煤体。
因此，如何引导水力压裂过程中高压水劈裂煤体延展压裂方向，实现煤层水力压裂的相对均匀压裂及有效影响范围的可控性是提高水力压裂卸压增透效果的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明解决了矿井因瓦斯治理工程造成的生产接替紧张问题，具有良好的经济与社会效益。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法，包括以下步骤：
步骤1)：向煤层施工水力压裂钻孔，钻孔间距50～70m，孔径95～110mm，成孔后将端头安装有超声激励装置的管件通过若干逐根相连的辅助管件送入距离钻孔孔底40～60m位置，通过孔口辅助管件上固定的胶囊封孔装置完成封孔；
步骤2)：将辅助管件自由端的注水管路连接至注浆泵的高压水管路，通过安装有超声激励装置的管件上的注水口向钻孔内注入高压水，直至孔内水压达到设定值时，启动超声激励装置，对煤层实施超声激励增透作业；
步骤3)：超声激励结束后，将安装有超声激励装置的管件及辅助管件向钻孔外退40～50m，通过胶囊封孔装置完成封孔；
步骤4)：重复步骤2)和3)，直至完成整个钻孔的超声激励增透作业；
步骤5)：超声激励结束后取出超声激励装置、辅助管件和胶囊封孔装置，将带有堵头、筛孔的压裂管逐根连接送入孔底，用水泥砂浆封孔后对煤层实施循环式水力压裂，水力压裂结束后将钻孔接入抽采系统实施瓦斯抽采；
步骤6)：重复步骤1)、2)、3)、4)、5)直至完成所有钻孔的增透作业。
进一步地，步骤1)中钻孔终孔位置距离工作面巷道煤壁不小于50m。
进一步地，孔口辅助管件上设置有三通阀门，三通阀门上连接有用于检测孔内水压的压力表，步骤2)中当孔内水压达到2MPa时，关闭三通阀门，启动超声激励装置，对煤层实施超声激励增透作业。
进一步地，步骤2)中启动超声激励装置，将超声激励装置输出功率调至为9Kw，对煤层实施超声激励增透作业。
进一步地，步骤2)中对煤层实施连续7～10次的超声激励增透作业。
进一步地，步骤5)中进行循环式水力压裂时，压裂过程中水压为25～45MPa，控制单次压裂注水量为15～30m3，单次压裂结束保压5～8h，进行再次压裂，直至单孔注水量为60～80m3，结束单孔压裂。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明发挥超声激励和水力压裂增透技术优势，在超声激励作用基础上实施水力压裂，利用超声激励装置产生的超声冲击波改变煤储层的孔裂隙结构，超前产生新的大量的均布裂隙，为水力压裂过程中高压水劈裂煤体延展压裂提供导向裂隙通道，辅助实现水力压裂的相对均匀压裂，提高了水力压裂有效影响范围的可控性，极大的增加了煤层的透气性及瓦斯抽采量。
本发明具有较强的适用性，便于实际操作，工艺安全可靠，成本较低，在超声激励作用基础上实施水力压裂，实现单孔压裂影响区域煤层大范围的卸压增透，极大的增加了煤层的透气性及瓦斯抽采量，相对节省20％～30％预抽钻孔工程量，解决了矿井因瓦斯治理工程造成的生产接替紧张问题，具有良好的经济与社会效益。
进一步地，钻孔终孔位置距离工作面巷道煤壁不小于50m，排除了水力压裂过程中对巷道造成破坏的隐患，同时考虑了超声激励辅助水力压裂增透效果。
进一步地，通过分段后退式方法进行超声激励作业，减少了因垮孔而损失超声激励装置的隐患，同时增加了在钻孔内进行超声激励作业的深度。
附图说明
图1为本发明所述超声激励卸压增透方法示意图。
图2为本发明所述超声激励后，辅助水力压裂卸压增透方法示意图。
其中：1煤层、2钻孔、3超声激励装置、4辅助管件、5胶囊封孔装置、6注水管路、7注浆泵、8堵头、9筛孔、10压裂管、11水泥砂浆、12三通阀门、13压力表、14水力压裂泵组、15注水口、16耐高压胶管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施过程作进一步描述：
如图1、图2所示，本发明的一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法，包括如下步骤：
步骤1)：向煤层1施工水力压裂钻孔2，钻孔间距50～70m，孔径95～110mm，钻孔终孔位置距离工作面巷道煤壁不小于50m，成孔后将端头安装有超声激励装置3的管件通过辅助管件4逐根连接送入距离钻孔孔底40～60m位置，通过孔口辅助管件上固定的胶囊封孔装置5完成封孔；
步骤2)：将超声激励装置的注水管路6和注浆泵7的高压水管路连接，通过注水口15向钻孔内注入高压水，直至孔口三通阀门12上压力表13显示水压达到2MPa时关闭三通阀门12，启动超声激励装置3，将超声激励装置3输出功率调至为9Kw，对煤层进行连续7～10次的超声激励增透作业；
步骤3)：超声激励结束后，将安装有超声激励装置3的管件及辅助管件4向钻孔外退40～50m，通过胶囊封孔装置5完成封孔；
步骤4)：重复步骤2)和3)，直至完成整个钻孔的超声激励增透作业；
步骤5)：超声激励结束后取出超声激励装置3、辅助管件4和胶囊封孔装置5，将带有堵头8、筛孔9的压裂管10逐根连接送入孔底，用水泥砂浆11封孔后对煤层实施循环式水力压裂，压裂过程中水压为25～45MPa，压裂结束保压5～8h，进行再次压裂，单孔累计注水量为60～80m3时停止压裂，水力压裂结束后将钻孔2接入抽采系统实施瓦斯抽采；
步骤6)：重复步骤1)、2)、3)、4)、5)直至完成所有钻孔的增透作业。
实施例
某突出矿井222工作面为单一二1煤层开采，工作面煤层赋存稳定，无断层、溶洞、陷落柱、褶曲等地质构造；工作面走向长度1400m，倾斜长度220m，煤层平均厚度4.5m，煤层倾角8°；工作面煤层瓦斯含量6.5～10.7m3/t，瓦斯压力0.5～1.2MPa，煤层透气性系数0.022～0.053m2/(MPa2·d)，属于较难抽采煤层；工作面采用顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯区域防突措施，布孔间距4m。
如图1、图2所示，本发明的一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法，包括如下步骤：
步骤1)：在222工作面两巷向222工作面回采区域施工沿倾向的水力压裂钻孔，钻孔间距60m，孔径96mm，钻孔长度120m，成孔后将端头安装有超声激励装置的管件通过辅助管件逐根连接送入距离钻孔孔底40m位置，通过孔口辅助管件上固定的胶囊封孔装置完成封孔；
步骤2)：将超声激励装置的注水管路和注浆泵的高压水管路连接，通过注水口向钻孔内注入高压水，直至孔口三通阀门上压力表显示水压达到2MPa时关闭三通阀门，启动超声激励装置，将超声激励装置输出功率调至为9Kw，对煤层进行连续10次超声激励增透作业；
步骤3)：超声激励结束后，将安装有超声激励装置的管件及辅助管件向钻孔外退40m，通过胶囊封孔装置完成封孔；
步骤4)：重复步骤2)，完成整个钻孔的超声激励增透作业；
步骤5)：超声激励结束后取出超声激励装置、辅助管件和胶囊封孔装置，将带有堵头、筛孔的压裂管逐根连接送入孔底，用水泥砂浆封孔后对煤层实施循环式水力压裂，压裂过程中水压为30MPa；首次压裂注水量为20m3，首次压裂后保压8h，进行第二次压裂；二次压裂注水量为35m3，压裂后保压6h，进行第三次压裂；三次压裂注水量为23m3时，停止压裂，保压8h；水力压裂结束后将钻孔接入抽采系统实施瓦斯抽采。
通过步骤5)之后，在抽采前，对增透效果进行了考察，煤层透气性系数增加至0.119m2/(MPa2·d)，相比增透前增加了约3倍，相同抽采周期下，钻孔有效抽采半径达3.5m。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：向煤层(1)施工水力压裂钻孔(2)，钻孔(2)间距50～70m，孔径95～110mm，成孔后将端头安装有超声激励装置(3)的管件通过若干逐根相连的辅助管件(4)送入距离钻孔孔底40～60m位置，通过孔口辅助管件(4)上固定的胶囊封孔装置(5)完成封孔；
步骤2)：将辅助管件(4)自由端的注水管路(6)连接至注浆泵(7)的高压水管路，通过安装有超声激励装置(3)的管件上的注水口(15)向钻孔(2)内注入高压水，直至孔内水压达到设定值时，启动超声激励装置(3)，对煤层实施超声激励增透作业；
步骤3)：超声激励结束后，将安装有超声激励装置(3)的管件及辅助管件(4)向钻孔外退40～50m，通过胶囊封孔装置(5)完成封孔；
步骤4)：重复步骤2)和3)，直至完成整个钻孔的超声激励增透作业；
步骤5)：超声激励结束后取出超声激励装置(3)、辅助管件(4)和胶囊封孔装置(5)，将带有堵头(8)、筛孔(9)的压裂管(10)逐根连接送入孔底，用水泥砂浆(11)封孔后对煤层实施循环式水力压裂，水力压裂结束后将钻孔(2)接入抽采系统实施瓦斯抽采；
步骤6)：重复步骤1)、2)、3)、4)、5)直至完成所有钻孔的增透作业。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法，其特征在于，步骤1)中钻孔终孔位置距离工作面巷道煤壁不小于50m。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法，其特征在于，孔口辅助管件(4)上设置有三通阀门(12)，三通阀门(12)上连接有用于检测孔内水压的压力表(13)，步骤2)中当孔内水压达到2MPa时，关闭三通阀门(12)，启动超声激励装置(3)，对煤层实施超声激励增透作业。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法，其特征在于，步骤2)中启动超声激励装置(3)，将超声激励装置(3)输出功率调至为9Kw，对煤层实施超声激励增透作业。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法，其特征在于，步骤2)中对煤层实施连续7～10次的超声激励增透作业。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下超声激励辅助水力压裂卸压增透方法，其特征在于，步骤5)中进行循环式水力压裂时，压裂过程中水压为25～45MPa，控制单次压裂注水量为15～30m3，单次压裂结束保压5～8h，进行再次压裂，直至单孔注水量为60～80m3，结束单孔压裂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200922 |