CN112593999A - 松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，属于瓦斯治理的技术领域，方法为采用钻孔及水力化增透一体化方法进行水力卸压钻孔施工，选用扭矩在20000N·m以上的千米定向钻机，千米定向钻机的前端从孔口向孔底依次连接孔口防喷装置、耐高压三棱螺旋密封空心钻杆、高低压转换装置、高低流量转换装置、上无磁钻杆、测量探管、下无磁钻杆、螺杆马达和钻头，千米定向钻机的后端连接水尾，水尾分别连接无极调速泵组和控制电脑，孔口防喷装置连接抽放系统，孔口防喷装置和无极调速泵组均连接煤‑水分离及水处理装置，煤‑水分离及水处理装置连接煤沉淀池。本发明可提高松软煤层和/或软硬复合煤层的钻孔施工、煤层卸压、瓦斯抽采效率。
Description
技术领域
本发明属于瓦斯治理的技术领域，具体公开了一种松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法。
背景技术
随着煤炭开采规模持续扩大，开采深度逐渐增加，煤层赋存条件日趋复杂，煤层瓦斯治理形势依然严峻。针对松软煤层和/或软硬复合煤层的瓦斯治理，受煤层钻孔塌孔严重、施工长度短、瓦斯抽采难度大等因素制约，目前，主要通过施工底板岩巷，使用普通钻机施工普通钻孔并配套水力掏煤、水力压裂等技术进行瓦斯抽采，该技术工艺涉及的底抽巷施工、钻孔有效抽采长度短等问题，使得瓦斯治理工程量大，抽掘采衔接相对紧张，瓦斯治理成本大。随着瓦斯治理相关装备的升级换代，结合能源革命对煤炭行业高质量发展的要求，有必要继续深入开展和优化完善松软煤层和/或软硬复合煤层瓦斯治理新技术新工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，针对同一钻孔灵活采用不同水力化增透方法对松软煤层和/或软硬复合煤层进行精准卸压增透，从而提高煤层钻孔成孔和卸压增透效果，提高煤层瓦斯抽采效率，降低煤层突出危险性，避免瓦斯事故。
为实现上述目的，本发明提供一种松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，所述松软煤层是指煤层硬度系数f值在0.5以下的煤层；
所述软硬复合煤层是指煤层中混合赋存硬度系数f值在0.3~0.8之间的煤层、煤层硬度系数f值在0.8以上的中硬煤层中局部有软煤层或中硬煤层中有软分层的煤层；
所述长钻孔是指在松软煤层和/或软硬复合煤层中的主孔深度达到350米以上，抽采范围需覆盖所实施矿井的一个工作面及其两边巷道的钻孔；
方法为采用钻孔及水力化增透一体化方法进行水力卸压钻孔施工，包括下述步骤：
S1，选用扭矩在20000N ·m以上的千米定向钻机，千米定向钻机的前端从孔口向孔底依次连接孔口防喷装置、耐高压三棱螺旋密封空心钻杆、高低压转换装置、高低流量转换装置、上无磁钻杆、测量探管、下无磁钻杆、螺杆马达和钻头，千米定向钻机的后端连接水尾，水尾分别连接无极调速泵组和控制电脑，孔口防喷装置连接抽放系统，孔口防喷装置和无极调速泵组均连接煤-水分离及水处理装置，煤-水分离及水处理装置连接煤沉淀池；
S2，在孔口至保护距离的煤孔段只进行钻孔成孔施工，在未遇到压钻、塌孔严重时采用滑动定向钻进工艺，当压钻、塌孔严重时采用滑动定向和螺旋钻进相结合的复合钻进工艺；
S3，当钻孔长度达到保护距离后，每钻进预设距离，通过现场观测，判断预设距离对应孔段煤层硬度，根据煤层硬度，调节无极调速泵组，进而调节高低压转换装置和高低流量转换装置：当遇到松软煤层时，对煤层进行高流量冲孔卸压；当遇到软硬复合煤层时，对煤层进行高压割缝卸压；
S4，当前一阶钻孔施工及增透完成后，进入下一阶段的钻孔施工及增透直至达到目标深度。
进一步地，在钻孔及水力化增透一体化施工完成后，进行下筛管护孔，更换内径在50mm及以上的薄壁钻杆以及带有导向杆的钻头，沿着已经施工好的钻孔轨迹进入孔底，采用自动下筛管装置进行下管护孔。
进一步地，水力卸压钻孔的布孔方式包括顺层长钻孔、顶底板梳状钻孔及分支孔。
进一步地，相邻水力卸压钻孔的中心距为通过水力化增透后煤层测卸压半径的两倍。
具体地，当煤层中部施工钻孔深度可达到要求时，钻孔主孔布置在煤层中部；当煤层中部施工钻孔深度达不到要求时，在距煤层顶板预设距离的区域或者是硬度可满足施工钻孔深度的区域施工钻孔；当煤层中钻孔成孔难度大时，采用梳状钻孔施工工艺，将主孔布置在岩层中。
具体地，保护距离为20m，每次钻进的预设距离为10-20m。
具体地，高流量冲孔卸压时，水流压力为10 -20MPa，水流量大于400L/min；高压割缝卸压时，水流压力为30MPa以上，水流量200-400L/min。
具体地，当煤层中部施工钻孔深度达不到要求时，距煤层顶板的预设距离为0.5-1m。
本发明具有以下优点：
本发明通过水流参数的实时调整，实现煤层的一次性钻-冲-割水力化卸压增透，提高松软煤层和/或软硬复合煤层的钻孔施工、煤层卸压、瓦斯抽采效率，节约瓦斯治理成本，增加瓦斯抽采量。
附图说明
图1为千米定向钻机及配套设备的连接示意图；
图2为松软煤层定向长钻孔施工水力掏煤示意图；
图3为软硬复合煤层定向长钻孔施工水力割缝示意图；
图4为松软煤层和软硬复合煤层定向长钻孔施工水力卸压示意图；
图5为工作面长钻孔水力卸压钻孔及抽采钻孔布置示意图。
图中：1-千米定向钻机；2-孔口防喷装置；3-耐高压三棱螺旋密封空心钻杆；4-高低压转换装置；5-高低流量转换装置；6-上无磁钻杆；7-测量探管；8-下无磁钻杆；9-螺杆马达；10-钻头；11-水尾；12-无极调速泵组；13-控制电脑；14-抽放系统；15-煤-水分离及水处理装置；16-煤沉淀池；100-水力卸压钻孔；200-抽采钻孔；300-巷道；401-松软煤层；402-软硬复合煤层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，所述松软煤层是指煤层硬度系数f值在0.5以下的煤层；所述软硬复合煤层是指煤层中混合赋存硬度系数f值在0.3~0.8之间的煤层、煤层硬度系数f值在0.8以上的中硬煤层中局部有软煤层或中硬煤层中有软分层的煤层，煤层埋深较大，距离地表400米以上，煤层瓦斯含量较高，一般都在15m3/t左右；所述长钻孔是指在松软煤层和/或软硬复合煤层中的主孔深度达到350米以上，抽采范围需覆盖所实施矿井的一个工作面及其两边巷道的钻孔。
方法包括下述步骤：
1、钻孔布置方式的确定
水力卸压钻孔100的布孔方式包括顺层长钻孔、顶底板梳状钻孔及分支孔。相邻水力卸压钻孔100的中心距为通过水力化增透后煤层测卸压半径R的两倍。具体地，当煤层中部施工钻孔深度可达到要求时，钻孔主孔布置在煤层中部；当煤层中部施工钻孔深度达不到要求时，在距煤层顶板预设距离的区域或者是硬度可满足施工钻孔深度的区域施工钻孔；当煤层中钻孔成孔难度大时，采用梳状钻孔施工工艺，将主孔布置在岩层中。
2、采用钻孔及水力化增透一体化方法进行水力卸压钻孔施工
S1，选用扭矩在20000N ·m以上、起拔力达到50t的千米定向钻机1，为防止压钻提供充足动力；千米定向钻机1的前端从孔口向孔底依次连接孔口防喷装置2、耐高压三棱螺旋密封空心钻杆3、高低压转换装置4、高低流量转换装置5、上无磁钻杆6、测量探管7、下无磁钻杆8、螺杆马达9和钻头10，千米定向钻机1的后端连接水尾11，水尾11分别连接无极调速泵组12和控制电脑13，孔口防喷装置2连接抽放系统14，孔口防喷装置2和无极调速泵组12均连接煤-水分离及水处理装置15，煤-水分离及水处理装置15连接煤沉淀池16；无极调速泵组12同时满足钻进和水力增透所需水力参数，泵组提供的压力最高可达80MPa，能够有效切割煤岩体，流量可达400L/min以上，确保有效掏出软煤；选配的钻具之间的连接需满足高流量高压力条件下的作业条件，外表面铣螺旋，提高排渣效率；钻进效率需达到100m/d左右，为高效抽采瓦斯提供充足抽采时间，整套系统的抗压强度在30-100MPa；
S2，在孔口至保护距离的煤孔段只进行钻孔成孔施工，在未遇到压钻、塌孔严重时采用滑动定向钻进工艺，当压钻、塌孔严重时采用滑动定向和螺旋钻进相结合的复合钻进工艺；
S3，当钻孔长度达到保护距离后，每钻进预设距离，通过孔口返渣等现场观测，判断预设距离对应孔段煤层硬度，根据煤层硬度，调节无极调速泵组，进而调节高低压转换装置4和高低流量转换装置5：当遇到松软煤层时，对煤层进行高流量冲孔卸压；当遇到软硬复合煤层时，对煤层进行高压割缝卸压；
S4，当前一阶钻孔施工及增透完成后，进入下一阶段的钻孔施工及增透直至达到目标深度。
3、在钻孔及水力化增透一体化施工完成后，为防止堵孔等，确保后续抽采持续和高效性，进行下筛管护孔，更换内径在50mm及以上的薄壁钻杆以及带有导向杆的钻头，沿着已经施工好的钻孔轨迹进入孔底，采用自动下筛管装置进行下管护孔。
具体地，保护距离为20m，每次钻进的预设距离为10-20m。
具体地，高流量冲孔卸压时，水流压力为10 -20MPa，水流量大于400L/min；高压割缝卸压时，水流压力为30MPa以上，水流量200-400L/min。
具体地，当煤层中部施工钻孔深度达不到要求时，距煤层顶板的预设距离为0.5-1m。
在水力卸压钻孔100施工完成后，进行抽采钻孔200施工，抽采钻孔200施工包括钻进和护孔，相邻抽采钻孔200的中心距为2r，r为复杂煤层的钻孔在有效抽采时间内的抽采半径。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，其特征在于，所述松软煤层是指煤层硬度系数f值在0.5以下的煤层；
所述软硬复合煤层是指煤层中混合赋存硬度系数f值在0.3~0.8之间的煤层、煤层硬度系数f值在0.8以上的中硬煤层中局部有软煤层或中硬煤层中有软分层的煤层；
所述长钻孔是指在松软煤层和/或软硬复合煤层中的主孔深度达到350米以上，抽采范围需覆盖所实施矿井的一个工作面及其两边巷道的钻孔；
方法为采用钻孔及水力化增透一体化方法进行水力卸压钻孔施工，包括下述步骤：
S1，选用扭矩在20000N ·m以上的千米定向钻机，千米定向钻机的前端从孔口向孔底依次连接孔口防喷装置、耐高压三棱螺旋密封空心钻杆、高低压转换装置、高低流量转换装置、上无磁钻杆、测量探管、下无磁钻杆、螺杆马达和钻头，千米定向钻机的后端连接水尾，水尾分别连接无极调速泵组和控制电脑，孔口防喷装置连接抽放系统，孔口防喷装置和无极调速泵组均连接煤-水分离及水处理装置，煤-水分离及水处理装置连接煤沉淀池；
S2，在孔口至保护距离的煤孔段只进行钻孔成孔施工，在未遇到压钻、塌孔严重时采用滑动定向钻进工艺，当压钻、塌孔严重时采用滑动定向和螺旋钻进相结合的复合钻进工艺；
S3，当钻孔长度达到保护距离后，每钻进预设距离，通过现场观测，判断预设距离对应孔段煤层硬度，根据煤层硬度，调节无极调速泵组工作参数，进而调节高低压转换装置和高低流量转换装置：当遇到松软煤层时，对煤层进行高流量冲孔卸压；当遇到软硬复合煤层时，对煤层进行高压割缝卸压；
S4，当前一阶钻孔施工及增透完成后，进入下一阶段的钻孔施工及增透直至达到目标深度。
2.根据权利要求1所述的松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，其特征在于，在钻孔及水力化增透一体化施工完成后，进行下筛管护孔，更换内径在50mm及以上的薄壁钻杆以及带有导向杆的钻头，沿着已经施工好的钻孔轨迹进入孔底，采用自动下筛管装置进行下管护孔。
3.根据权利要求2所述的松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，其特征在于，水力卸压钻孔的布孔方式包括顺层长钻孔、顶底板梳状钻孔及分支孔。
4.根据权利要求3所述的松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，其特征在于，相邻水力卸压钻孔的中心距为通过水力化增透后煤层测卸压半径的两倍。
5.根据权利要求4所述的松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，其特征在于，当煤层中部施工钻孔深度可达到要求时，钻孔主孔布置在煤层中部；
当煤层中部施工钻孔深度达不到要求时，在距煤层顶板预设距离的区域或者是硬度可满足施工钻孔深度的区域施工钻孔；
当煤层中钻孔成孔难度大时，采用梳状钻孔施工工艺，将主孔布置在岩层中。
6.根据权利要求1所述的松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，其特征在于，保护距离为20m，每次钻进的预设距离为10-20m。
7.根据权利要求1所述的松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，其特征在于，高流量冲孔卸压时，水流压力为10 -20MPa，水流量大于400L/min；
高压割缝卸压时，水流压力为30MPa以上，水流量200-400L/min。
8.根据权利要求4所述的松软煤层和/或软硬复合煤层定向长钻孔水力化增透方法，其特征在于，当煤层中部施工钻孔深度达不到要求时，距煤层顶板的预设距离为0.5-1m。
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