CN111980706B - 地面水平井分段复合掏煤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种掏煤方法，属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种地面水平井分段复合掏煤方法。本发明通过地面部署L型水平井进行掏煤卸压消突，解决煤矿巷道开拓过程中时间、空间上的掘‑抽矛盾；本发明利用分段水/空气动力复合掏煤方法能提高低透气性煤层水平井的掏煤量，增加水平井的卸压空间、缩短消突达标时间，达到区域条带化超前卸压消突目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种掏煤方法，属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种地面水平井分段复合掏煤方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是影响煤矿安全生产的主要灾害之一，在碎软强突煤层巷道开拓之前，首先需要解决巷道掘进内煤与瓦斯突出问题，目前惯用的做法是先开拓一条底抽巷，然后采用穿层孔进行掏煤卸压消突(掏煤总量以影响区域内的3‰为衡量指标)。这种方法目前已形成了成熟的配套工艺技术，在全国煤矿区得到广泛应用。但是在实践应用中存在如下局限性：(1)井下空间有限，岩巷掘进施工条件差、施工难度大、施工时间长，造成综合施工成本较高；(2)井下穿层孔施工工艺受到限制，施工孔径小、影响范围小，需要布置大量的穿层掏煤孔才能达到巷道条带化卸压消突效果；(3)对于低透气性煤层，井下掏煤需要提前很长时间进行规划部署和施工，倔-抽矛盾十分突出，严重影响矿井巷道的安全高效掘进。
综上所述，目前底抽巷穿层掏煤孔抽采存在施工工作量大、难度大、成本高、抽采效率低、抽放时间长、时间和空间上倔-抽矛盾突出等问题，难以实现快速、大范围条带化卸压消突目标，严重影响煤矿巷道的安全高效掘进。为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种地面水平井分段水/空气动力复合掏煤条带化卸压消突方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于解决目前底抽巷穿层掏煤孔抽采存在难以实现快速、大范围条带化卸压消突目标，严重影响煤矿巷道的安全高效掘进的技术问题，提供了一种地面水平井分段复合掏煤方法。该方法能够降低施工难度和施工工作量、缩短施工时间、降低综合治理成本、增加泄压范围，达到快速、大范围条带化卸压消突目标。
为解决上述问题，本发明的方案是：
一种地面水平井分段复合掏煤方法，包括：
水平段施工步骤，在煤层底部部署水平井的水平段，在所述水平段中下入至少一段玻璃钢套管；
掏穴扩孔步骤，以所述玻璃钢套管为掏穴点，在所述掏穴点进行水力喷射扩孔并切割掏穴煤层；
气体激励步骤，向所述水平段注入高压气体并在憋压到预定压力后放喷所述高压气体，反复进行该高压气体的注入和放喷施工至预设条件后，冲孔排除垮落煤层。
优选的，所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，在所述水平段中下入至少两段玻璃钢套管，待第一个玻璃钢套管处施工完成后，在两段玻璃钢套管之间的钢套管位置注入液体胶塞进行封隔，然后在第二个玻璃钢套管处进行施工，实现分段掏煤。
优选的，所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，所述水平井为沿煤层巷道下倾方向部署的地面L型水平井，所述L型水平井的水平段位于底板岩层以上0-1米范围内的煤层底部。
优选的，所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，水平段施工步骤，在水平段内交替下入玻璃钢套管和钢套管。
优选的，所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，所述掏穴扩孔步骤中，通过压力变化进行切换，当压力小于阈值时，在低压模式下进行机械扩孔锻洗玻璃钢套管；当压力大于阈值时，在高压模式下进行水力喷射掏穴。
优选的，所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，所述掏穴扩孔步骤中，采用半圆形向上和水平方向进行定向喷射切割煤层。
优选的，所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，所述气体激励步骤中，在水平段中憋起6MPa的压力，然后打开水平井的井口进行高速放喷、形成快速泄压过程，反复进行0-6MPa-0的脉动循环升降压过程，使煤层产生大范围垮塌。
一种地面水平井分段复合掏煤方法，包括：
步骤1：沿煤层巷道下倾方向部署地面L型水平井，水平段位于煤层底部；
步骤2：在煤层底部进行水平井精确定向钻进，水平段交替下入玻璃钢套管和钢套管，进行固井完井；
步骤3：利用水力喷射施工对玻璃钢套管进行扩孔、对煤层进行切割掏穴和冲孔排煤粉；
步骤4：提出扩孔掏穴工具，进行反复注入-放喷空气动力激励作业，进行空气动力掏煤；
步骤5：对垮落的煤层进行大排量冲孔排煤粉。
优选的，所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，还包括：
步骤6：上提水力冲孔工具至后面的钢套管位置，在第1段掏穴点和第2段掏穴点之间注入液体胶塞对已掏穴段进行封隔；
步骤7：采用后撤式的方法，重复步骤3、步骤4、步骤5、步骤6的程序逐段完成全井段的掏穴工作；
步骤8：掏穴完毕后，注入可溶解溶液分解胶塞，形成卸压消突空间。
通过上述结构可知，本发明的地面水平井分段水/空气动力复合掏煤条带化卸压消突方法具有如下效果：
1、本发明能克服目前井下底抽巷穿层孔掏煤施工难度大、工作量大和抽采成本高的问题；
2、通过地面部署L型水平井能实现超前预抽消突功能，解决煤矿巷道开拓过程中时间、空间上的掘-抽矛盾；
3、利用分段水/空气动力复合掏煤方法能提高低透气性煤层水平井的掏煤量，增加水平井的泄压空间、缩短消突达标时间，达到区域条带化超前卸压消突目的。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的地面水平井水力扩孔切割掏煤示意图。
图2显示了本发明的水力掏煤定向喷射方法示意图。
图3显示了本发明的反复注入-放喷空气动力掏煤煤层垮塌示意图。
图4显示了本发明的水平井液体胶塞分段示意图。
图5显示了本发明的分段水/空气动力复合掏煤空间结构示意图。
图6显示了本发明的水/空气动力复合掏煤最终卸压空间示意图。
附图标记：
1水平井井口；2水平井眼；3玻璃钢套管；4钢套管；5油管管柱；6定向掏穴工具；7洞穴；8煤层；9底板岩层；10垮落煤层；11液体胶塞；12水力定向方位
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
参见图1-图6，显示了本发明的一种地面水平井分段水/空气动力复合掏煤条带化卸压消突方法，用于在碎软强突煤层进行条带化卸压消突。
所述的一种地面水平井分段水/空气动力复合掏煤条带化卸压消突方法包括如下步骤：
步骤1：沿煤层8巷道下倾方向部署地面L型水平井2，水平段位于煤层8底部(参见图1)；
所述的L型水平井2具体依据煤层8巷道的布置方向，沿煤层8巷道下倾方向布置，水平段位于底板岩层9以上1.0范围内的煤层8底部。
步骤2：在煤层8底部进行水平井2精确定向钻进，水平段交替下入玻璃钢套管3和钢套管4进行固井完井(参见图1)；
所述的L型水平井2采用地质雷达边界探测技术、并结合随钻测井和岩屑录井技术确保水平井2水平段在沿底板岩层9以上1.0范围内的煤层8底部精确钻进。地质雷达边界探测技术能探测煤层8与底板岩层9的界面位置，实时监测水平井2井眼轨迹与煤层8界面的距离，有助于及时调整钻进方向，最大程度控制水平段井眼轨迹与底板岩层9的距离，解决在沿底板岩层9以上1.0范围内的煤层8底部精确钻进的难题；同时采用随钻测井获得的煤层8、底板岩层9的电阻率和自然伽马等参数，根据煤层8与其底板岩石9电阻率和自然伽马差异明显的特点，结合岩屑录井能够确保井眼轨迹在煤层8底部钻进。
所述水平井2采用三开井身结构，三开水平段下入
的复合套管，采用固井完井提高水平井筒的强度；直井段和造斜段下入钢套管，水平段交替下入玻璃钢套管3和钢套管4，玻璃钢套管3便于水动力掏煤，钢套管4位置有利于形成支护煤柱，保障掏煤工具安全；也能便于掏煤工具固定和掏煤分段坐封。每段玻璃钢套管3长度为3m，每段钢套管4长度为12m，达到每15m进行一段掏煤目的。
步骤3：下入可切换式的机械扩孔-水力喷射定向掏穴一体化工具6，对玻璃钢套管3进行扩孔、对煤层8进行切割掏穴和冲孔排煤粉(参见图1和图2)；
所述的水力喷射定向掏穴方法，采用半圆形向上和水平方向进行定向喷射，喷射孔眼直径在4-5mm之间，相位角为45°，喷射工具布置两排10孔，采用后撤式方法对水平井2两侧和上部煤层进行切割掏穴，形成半径为1m的半圆形截面。
所述的可切换式的机械扩孔-水力喷射定向掏穴一体化工具6，通过压力变化进行切换，当压力小于6MPa时，在低压模式下进行机械扩孔锻洗玻璃钢套管；当压力大于10MPa时，在高压模式下进行水力喷射掏穴。通过提高排量进行水力喷射定向掏穴，采用高流速、大排量水力喷射掏穴工艺，采用高流速提高射流深度，增加掏穴直径，喷射流速大于250m/s；采用大排量喷射提高煤粉携带返出效果，喷射排量大于3.0m3/min。
步骤4：提出掏穴工具，进行反复注入-放喷空气动力激励作业，进行空气动力掏煤(参见图3)；
所述的反复注入-放喷空气动力激励作业方法，依据不同的煤层8特征和洞穴7间距，建立水平井洞穴7间干扰的井壁垮塌空气动力掏穴参数优化方法，确定空气动力掏穴工艺参数。包括以下步骤：步骤(1)煤层8岩石力学特征评价；步骤(2)井周应力场及坍塌压力评价；步骤(3)确定注入-放喷空气动力激励次数与注入压力参数。
其中，煤层岩石力学特征评价，利用岩石力学测试结果，并结合测井解释，建立煤层的岩石力学解释模型，掌握煤层坚固性系数、岩石抗压强度、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比等岩石力学参数的分布规律。
其中，所述的井周应力场及坍塌压力评价，基于煤层岩石力学评价结果，利用煤层地应力测试和测井解释，建立煤层应力剖面解释模型，掌握煤层地应力大小及方位，分析井周应力分布规律，结合储层压力和液体密度计算煤层的坍塌压力大小。
其中，确定注入-放喷空气动力激励次数与注入压力参数依据煤层的岩石力学、应力分布特征和洞穴间距，利用室内实验、数值模拟、测井资料分析与理论研究等综合研究手段，以形成煤层整体坍塌的应力干扰为目标，建立水平井洞穴间应力干扰的优化计算模型，结合计算得到的煤层坍塌压力，确定注入-放喷空气动力激励次数与注入压力参数。
所述的反复注入-放喷空气动力激励作业方法，依据优化确定的空气动力掏穴参数，通过空气压缩机向水平井大排量注入空气，在水平井洞穴中憋起6MPa的压力，然后打开井口进行高速放喷、形成快速泄压过程，重复该过程，反复向地层进行注入和放喷施工，造成近井带脉动升压和泄压，产生等效于煤层坍塌压力的激励作用，使洞穴上部及两侧的煤层整体垮塌，造成煤层大范围松动泄压，从而增加卸压空间、提高消突效果。重复的次数可以预先设定。
步骤5：下入可切换式的水力冲孔一体化旋喷钻头，对垮落的煤层10进行大排量冲孔排煤粉；
所述的水力冲孔排煤粉，下入可切换式的水力冲孔一体化旋喷钻头至水平井的洞穴位置，采用高流速、大排量水力喷射方法对上部垮落煤层10进行切割和冲刷，喷射流速大于250m/s；喷射排量大于3.0m3/min。同时利用大排量液量携带煤粉，提高煤粉的返出效果。拖动工具连续进行切割和冲刷，完成垮落煤层10的水力冲孔掏煤。
步骤6：再次上提掏穴工具至后面的钢套管4位置，在第1段掏穴点和第2段掏穴点之间注入液体胶塞11对已掏穴段进行封隔(参见图4)；
所述的液体胶塞11通过连接油管柱5进行注入，对已掏穴段进行封隔；胶塞11可以通过注入可溶解溶液分解。
步骤7：采用后撤式的方法，重复步骤3、步骤4、步骤5、步骤6的程序逐段完成全井段的掏穴工作(参加见图5)；
步骤8：掏穴完毕后，注入可溶解溶液分解胶塞11，形成卸压消突空间(参见图6)。
通过上述发明实施的一种地面水平井分段水/空气动力复合掏煤条带化卸压消突方法，具有如下优势：
1、本发明具有掏煤施工难度小、工作量少、掏煤效果好、综合施工成本低的特点；
2、通过地面部署L型水平井能实现超前卸压消突功能，解决煤矿巷道开拓过程中时间、空间上的掘-抽矛盾；
3、利用分段水/空气动力复合掏煤方法能提高低透气性煤层水平井的掏煤量，增加水平井的泄压空间、缩短消突达标时间，达到区域条带化超前卸压消突目的。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (9)
1.一种地面水平井分段复合掏煤方法，其特征在于，包括：
水平段施工步骤，在煤层底部部署水平井的水平段，在所述水平段中下入至少一段玻璃钢套管；
掏穴扩孔步骤，以所述玻璃钢套管为掏穴点，在所述掏穴点进行水力喷射扩孔并切割掏穴煤层；
气体激励步骤，向所述水平段注入高压气体并在憋压到预定压力后放喷所述高压气体，反复进行该高压气体的注入和放喷施工至预设条件后，冲孔排除垮落煤层。
2.根据权利要求1所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，其特征在于，在所述水平段中下入至少两段玻璃钢套管，待第一个玻璃钢套管处施工完成后，在两段玻璃钢套管之间的钢套管位置注入液体胶塞进行封隔，然后在第二个玻璃钢套管处进行施工，实现分段掏煤。
3.根据权利要求1所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，其特征在于，所述水平井为沿煤层巷道下倾方向部署的地面L型水平井，所述L型水平井的水平段位于底板岩层以上0-1米范围内的煤层底部。
4.根据权利要求1所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，其特征在于，水平段施工步骤，在水平段内交替下入玻璃钢套管和钢套管。
5.根据权利要求1所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，其特征在于，所述掏穴扩孔步骤中，通过压力变化进行切换，当压力小于阈值时，在低压模式下进行机械扩孔锻洗玻璃钢套管；当压力大于阈值时，在高压模式下进行水力喷射掏穴。
6.根据权利要求1所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，其特征在于，所述掏穴扩孔步骤中，采用半圆形向上和水平方向进行定向喷射。
7.根据权利要求1所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，其特征在于，所述气体激励步骤中，在水平段中憋起6MPa的压力，然后打开水平井的井口进行高速放喷、形成快速泄压过程，使煤层产生垮塌。
8.一种地面水平井分段复合掏煤方法，其特征在于，包括：
步骤1：沿煤层巷道下倾方向部署地面L型水平井，水平段位于煤层底部；
步骤2：在煤层底部进行水平井精确定向钻进，水平段交替下入玻璃钢套管和钢套管，进行固井完井；
步骤3：利用水力喷射施工对玻璃钢套管进行扩孔、对煤层进行切割掏穴和冲孔排煤粉；
步骤4：提出扩孔掏穴工具，进行反复注入-放喷空气动力激励作业，进行空气动力掏煤；
步骤5：对垮落的煤层进行大排量冲孔排煤粉。
9.根据权利要求8所述的一种地面水平井分段复合掏煤方法，其特征在于，还包括：
步骤6：上提水力冲孔工具至后面的钢套管位置，在第1段掏穴点和第2段掏穴点之间注入液体胶塞对已掏穴段进行封隔；
步骤7：采用后撤式的方法，重复步骤3、步骤4、步骤5、步骤6的程序逐段完成全井段的掏穴工作；
步骤8：掏穴完毕后，注入可溶解溶液分解胶塞，形成卸压消突空间。
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