CN113090264B - 坚硬煤层、坚硬岩层水平深钻孔co2致裂安全控顶方法 - Google Patents

坚硬煤层、坚硬岩层水平深钻孔co2致裂安全控顶方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了坚硬煤层、坚硬岩层水平深钻孔CO2致裂安全控顶方法,属于放顶煤采煤和控顶安全技术领域;在回采工作面布置平行于切眼的水平深钻孔,水平深钻孔内部放置串联式CO2致裂器,钻孔深度及串联式CO2致裂器串联后长度可覆盖整个工作面,长度可达50‑500m;串联式CO2致裂器产生的高压CO2气体对煤层及顶板进行作用,使煤层及顶板产生复杂裂缝网络系统,达到了高效采煤的目的;且致裂煤层可与回采作业同时进行,不影响采煤生产进度,提高了工作效率。

Description

坚硬煤层、坚硬岩层水平深钻孔CO2致裂安全控顶方法
技术领域
本发明涉及放顶煤采煤和控顶安全技术领域,具体为坚硬煤层、坚硬岩层水平深钻孔CO2致裂安全放顶方法。
背景技术
放顶煤不受煤层厚度变化的限制,在不增加支架高度的条件下可实现一次采全厚,大大提高了煤层开采强度。放顶煤也是一种低能耗的采煤方法,与分层开采相比,可以节省电力和增加煤炭块率。其巷道布置简单,掘进工程量与维护工程量小,可以节省大量掘进和运输工作,缓解采掘接替紧张的矛盾,减少工作面的搬家次数,提高了矿井全员效率。然而,目前常见的放顶煤工艺的回采率低,瓦斯涌出量大,工作面通风断面小,在煤矿回采工作面的放顶开采过程中,尤其是在初采阶段老顶初次垮落的安全管理是综采工作面实现安全、高效的关键环节。一旦遇到整体性好、不易冒落的坚硬顶板,容易造成采空区悬顶面积不断扩大,当较大面积的悬露顶板瞬间垮落时,极易引起瓦斯超限,采掘机械损害,人员伤亡,酿成重大顶板事故。往往需要同其他技术相结合的方式去共同完成放顶及控顶工作。
目前国内的放顶及安全控顶技术如炸药爆破放顶技术、超声波放顶技术、超声波与水力化措施联合放顶技术、CO2致裂破碎顶煤技术等均对放顶及安全控顶的技术方案提出了改进和创新。但我国煤储层的瓦斯含量高、地质条件复杂,在放顶过程中,禁止使用炸药,超声波及其他水力化措施在放顶过程中需要煤储层具有良好的密封效果,且开采前需要布置大量的瓦斯抽采孔,这些放顶及控顶技术工艺复杂,施工难度大。而CO2致裂器这种施工工艺全过程中不产生火花,不会引发瓦斯和煤尘事故,且操作简单、实用性强、安全性高的特点,在煤层预裂方面得到较好的应用。但目前放顶施工过程仍存在一些技术问题:
在进行放顶的致裂工作时仍局限于传统的人工方式,即在两液压支架之间手持钻机和气动锚杆钻机的人工钻孔方式。这种方式不仅效率低下,钻孔深度浅,操作难度大,操容间小,安全风险大且难以安放和固定串联式CO2致裂器;
在回采过程中,为了提高工作进度及工作效率,液压支架不间歇的向前推进,只能在检修时间进行施工,因施工时间短致使在回采过程中很难在采煤工作面处多次预裂,造成放顶不完全,大量煤炭资源丢失,资源回收率低的重大资源浪费。
而在巷道两侧斜向上对煤层顶板进行钻孔致裂的方式具有钻孔数量多,工作量大,效率低,易造成塌孔等缺点,且不能覆盖整个回采区。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中的不足,提供一种坚硬煤层、坚硬岩层水平深钻孔CO2致裂安全放顶方法,利用串联式CO2致裂器产生的高压射流对煤层及顶板进行作用,使煤层、岩层产生复杂裂缝网络系统,进而达到高效及安全放顶目的。
本发明是通过以下技术方案实现的,具体步骤为:
(1)在回采工作区巷道侧壁处,使用定向钻机在煤层与顶板界面下方 0~1m处或在顶板特定层位处布置钻孔,钻孔为水平钻孔,孔径为94~131mm,钻孔与切眼平行,深度为50~500m,水平深钻孔孔底预留长度大于25m安全距离,确保安全施工;
(2)将钻孔清理干净,退出钻杆,使用定向钻机将逐支连接的串联式 CO2致裂器推进预定深度;
(3)将检测合格的串联式CO2致裂器逐一连接放入钻孔,并确保每支串联式CO2致裂器串联之后的电路连接无误,合格后,再串联下一支串联式CO2致裂器;
(4)将高压注水封孔器与串联式CO2致裂器连接,并推进到距孔口 5~8m处,使用手压泵注水封孔,注浆压力8-10MPa;
(5)钻机钻杆与高压注水封孔器连接,使钻孔内部高压注水封孔器及串联式CO2致裂器固定,防止施工过程中高压注水封孔器及串联式CO2致裂器飞出钻孔,保证安全施工;
(6)封孔完毕后再次检查电路系统,电路系统无误后,将放炮线引置警戒线以外,人员撤离后,启动钻孔内的串联式CO2致裂器。
进一步的,所述串联式CO2致裂器的个数由采煤工作面的宽度计算得出
n=[(W-25)/l]
n为钻孔内CO2致裂器的个数;W为煤层采煤工作面宽度;l为致裂器的长度。
进一步的,所述钻孔间距能通过坚固性系数或煤层厚度计算得出,在进行施工过程中,从两种不同的孔间距计算结果选出间距最小值,使煤层致裂效果最好,
D1=α·f+23;D2=β·H+27
D1、D2均为为钻孔间距;α、β为孔间距控制参数,分别取值为-10、-1;f 为坚固性系数;H为煤层厚度。
进一步的,所述高压注水封孔器,注水前封孔器外径为钻孔孔径的 40%~50%,当注水压力达到8-10MPa时,封孔器膨胀,半径达到钻孔孔径,使钻孔内部达到密封效果。
进一步的,所述初次布置钻孔的位置应设在距离切眼5-10m处。
进一步的,所述置于不同水平深钻孔内部的串联式CO2致裂器能同时致裂,也能延时致裂。
本发明的有益效果在于:
(1)通过定向钻机在煤层与顶板界面实施水平深钻孔,方便在巷道施工,有效减少了钻孔数量、保证了钻孔成孔质量、提高了钻孔效率,且水平深钻孔能够覆盖整个煤层回采工作面长度。
(2)通过坚固性系数或煤层厚度所得到的钻孔间距可以达到的最优的致裂效果。
(3)同一回采工作面的多个钻孔进行CO2致裂时,能同时致裂,也能延时致裂。
(4)致裂过程中煤层、岩层内部孔裂充分沟通,在煤层、岩层内部形成了复杂的裂缝网络系统,从而提高了采煤率及煤炭回收率。
(5)回采过程中工作面难以持续放顶,放顶过程繁琐,难操作,顶板垮落不及时造成安全事故的技术问题;在具体实施过程中,CO2致裂煤层能与回采作业同时进行,不影响施工进度,再次提高了工作效率,从而达到了高效及安全放顶的目的。
附图说明
图1为实施例1的放顶煤预裂工艺正视图;
图2为实施例1的放顶煤预裂工艺俯视图;
图3为实施例2的放顶煤预裂工艺正视图;
图4为实施例2的放顶煤预裂工艺俯视图;
图5为实施例3的放顶煤预裂工艺正视图;
图6为实施例3的放顶煤预裂工艺俯视图;
具体实施方式
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合本发明实施例中的附图,对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,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。
实施例1
如图1,2所示,所实施煤层坚固性系数为0.3,煤层厚度为10m,选择在回采工作区巷道1的侧壁,利用定向钻机8在煤层3与顶板4的界面下方1m处实施一个孔径为94mm水平定向钻孔9。
初次布置钻孔的位置在距离切眼10m处。
钻孔过程使用定向钻机8斜向上倾斜30°的角度钻孔,钻至煤层与顶板界面下方1m处,定向钻机8调整钻机钻头,开始水平向右侧巷道2方向钻孔,且一直保持与切眼7平行。
通过钻机钻入的钻杆长度来控制钻入距离,离右侧巷道2有25m的距离停止钻进。
退出钻杆后,将检测合格的串联式CO2致裂器5逐一连接,并使用定向钻机8将串联式CO2致裂器5推入钻孔9内,确保每支串联式CO2致裂器串联之后的电路连接无误后,连接下一支串联式CO2致裂器5。
在距离孔口6m处,使用高压注水封孔器对钻孔9进行封孔,使用手压泵注水封孔,注浆压力10MPa时,封孔完成。将钻机钻杆与封孔器连接,使钻孔内部封孔器与串联式CO2致裂器固定。
通过煤层坚固性系数和煤层厚度,通过计算,在距离初次布置钻孔的17米处,再次钻孔,推入串联式CO2致裂器并封孔,依次再实施2次,将3个钻孔内的致裂器共同连接,同时启动钻孔内的串联式CO2致裂器。
实施完毕后,等待30分钟后,进入施工现场,将CO2致裂器撤出。
实施例2
如图3,4所示,所实施煤层坚固性系数为0.3,煤层厚度为15,选择在回采工作区巷道2的侧壁,利用定向钻机8在煤层3与顶板4的界面上方1.5m处实施孔径为131mm的水平定向钻孔9。
初次布置钻孔的位置距离切眼5m。
钻孔过程使用定向钻机8斜向上倾斜30°的角度钻孔,钻至煤层与顶板界面上方1.5m处,定向钻机8调整钻机钻头,开始水平向右侧巷道1方向钻孔,且一直保持与切眼7平行。
通过钻机钻入的钻杆长度来控制钻入距离,离右侧巷道2有25m的距离停止钻进。退出钻杆后,将检测合格的串联式CO2致裂器5逐一连接,并使用定向钻机8将串联式CO2致裂器5推入钻孔9内,并确保每支串联式CO2致裂器串联之后的电路连接无误后连接下一支串联式CO2致裂器5。
在距离孔口7m处,使用高压注水封孔器对钻孔9进行封孔,使用手压泵注水封孔,注浆压力8MPa时,封孔完成。将钻机钻杆与封孔器连接,使钻孔内部封孔器及串联式CO2致裂器固定;
将放炮线引置警戒线以外,人员撤离后,启动钻孔内的串联式CO2致裂器。
实施完毕后,等待30分钟后,进入施工现场,将CO2管撤出。
通过煤层坚固性系数和煤层厚度,通过计算在距离初次布置钻孔的12米处,再次钻孔,推入串联式CO2致裂器与封孔器,并再次致裂。依次向开采方向进行。
实施例3
如图5,6所示,所实施煤层坚固性系数为0.3,煤层厚度为10m,选择在回采工作区切眼7的侧壁,利用定向钻机8在煤层3与顶板4的界面下方0.5m 处实施孔径为94mm水平定向钻孔9。
钻孔过程使用定向钻机8斜向上倾斜30°的角度钻孔,钻至煤层与顶板界面下方0.5m处,定向钻机8调整钻机钻头,开始平行于巷道2方向钻孔,且保持与切眼垂直。
通过钻机钻入的钻杆长度来控制钻入距离,钻进距切眼7有500m的距离停止钻进。
退出钻杆后,将检测合格的串联式CO2致裂器5逐一连接,并使用定向钻机8将串联式CO2致裂器5推入钻孔9内,确保每支串联式CO2致裂器串联之后的电路连接无误后,连接下一支串联式CO2致裂器5。
在距离孔口6m处,使用高压注水封孔器对钻孔9进行封孔,使用手压泵注水封孔,注浆压力10MPa时,封孔完成。将钻机钻杆与封孔器连接,使钻孔内部封孔器与串联式CO2致裂器固定。
通过煤层坚固性系数和煤层厚度,通过计算,在距离初次布置钻孔的17米处,再次平行于巷道钻孔,推入串联式CO2致裂器并封孔,依次再实施对多次,将多个钻孔内的致裂器共同连接,同时启动钻孔内的串联式CO2致裂器。
实施完毕后,等待30分钟后,进入施工现场,将CO2管撤出。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.坚硬煤层、坚硬岩层水平深钻孔CO2致裂安全控顶方法,其特征在于,具体步骤为:
(1)在回采工作区巷道侧壁处,使用定向钻机在煤层与顶板界面下方0~1m处或煤层上方坚硬顶板的某一层位处布置钻孔,钻孔为水平钻孔,孔径为94~131mm,钻孔与切眼平行,深度为50~500m,水平钻孔孔底预留长度大于25m的安全距离;
(2)将钻孔清理干净,退出钻杆,使用定向钻机将逐支连接的串联式CO2致裂器推进预定深度;
(3)将高压注水封孔器与串联式CO2致裂器连接,使用钻机将高压注水封孔器推送至距离孔口5~8m处,使用手压泵注水封孔,注水压力8-10MPa,并使用定向钻机固定钻孔内部封孔器及串联式CO2致裂器;
(4)检查电路系统,将放炮线引置警戒线以外,人员撤离后,启动钻孔内的串联式CO2致裂器;
(5)煤层、岩层致裂后等待30分钟进入现场,退出串联式CO2致裂器,完成煤层、岩层致裂放顶控顶施工;
(6)重复上述(1)-(5)步骤,对下一组煤层、岩层进行施工致裂,
所述串联式CO2致裂器的个数由采煤工作面的宽度计算得出n=[(W-25)/l],n为钻孔内CO2致裂器的个数;W为煤层采煤工作面宽度;l为致裂器的长度,
所述钻孔间距能凭坚固性系数或煤层厚度通过经验公式计算得出,在进行施工过程中,从两种不同的孔间距计算结果选出间距最小值:D1=α·f+23;D2=β·H+27,D1、D2均为钻孔间距;α、β为孔间距控制参数,分别取值为-10、-1;f为坚固性系数;H为煤层厚度。
2.根据权利要求1所述坚硬煤层、坚硬岩层水平深钻孔CO2致裂安全控顶方法,其特征在于:注水前高压注水封孔器外径为钻孔孔径的40%-50%。
3.根据权利要求1所述坚硬煤层、坚硬岩层水平深钻孔CO2致裂安全控顶方法,其特征在于:初次布置水平钻孔的位置应设在距离切眼5-10m处。
4.根据权利要求1所述坚硬煤层、坚硬岩层水平深钻孔CO2致裂安全控顶方法,其特征在于:置于不同水平深钻孔内部的串联式CO2致裂器同时致裂,或者延时致裂。
5.根据权利要求1所述坚硬煤层、坚硬岩层水平深钻孔CO2致裂安全控顶方法,其特征在于:水平钻孔为平行切眼方向钻进成孔,或者平行巷道方向实施钻孔,完成平行巷道切顶。
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