CN114135287A - 一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法。主要解决现有水力压裂技术存在的难以控制水力压裂裂缝扩展和卸压效果较差的技术问题。本发明的技术方案是：根据坚硬岩层厚度与岩性条件，在进风巷或回风巷靠近综采工作面侧、采空区靠近垮落带侧施工若干垂直或斜向上的水力压裂钻孔组；施工完成后，推进钻孔定向加热设备于水力压裂钻孔轴向运动，然后对岩石钻孔孔口段进行封孔处理，按照预设的定向加热方案，分段加热整个水力压裂钻孔，岩石钻孔在预定方向受热发生热破裂形成预制弱化带。本发明可以有效控制裂缝的起裂位置和水力裂缝扩展方向，并减小钻孔费用和劳动强度。

Description

一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法
技术领域
本发明属于采场和巷道围岩控制技术领域，具体涉及一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法。
背景技术
我国煤层赋存条件复杂，属于坚硬难垮顶板的煤层约占1/3，且分布在50％以上的矿区，有超过40％的综采工作面顶板属于来压强烈的坚硬难垮顶板。在煤炭开采过程中，随着工作面向前推进，顶板大面积悬露，如果煤层在一定高度内的上覆岩层存在坚硬难以垮落时，极易产生重大生产安全隐患，如冲击矿压、巷道变形剧烈等。因此，需要人为弱化坚硬顶板，使坚硬顶板随采随冒，进而消除冲击动力现象，减小采场、巷道、煤柱等受到的支承压力。
目前处理难垮坚硬顶板多使用定向水力压裂和定向爆破技术，这两种技术中裂纹定向是关键。目前定向水力压裂技术主要通过机械刀盘或高压水射流沿钻孔环向切槽，以达到水力压裂裂缝定向起裂与扩展的目的。定向爆破受火工品管理限制以及爆破后造成井下空气污染等问题而受到使用限制。环向切槽后，水力压裂裂缝仅沿环向扩展，即平行岩层层理方向扩展。目前，受机械切槽设备限制，无法实现沿钻孔轴向机械切槽。虽然高压水射流可以实现沿钻孔轴向切槽，但设备庞大，对坚硬岩层切槽较浅，有时需加入磨料，致使系统较为复杂，尚未应用。而水力压裂裂缝起裂和扩展受制于地应力，在垂直层理方向上未定向切槽将难以控制水力压裂裂缝扩展，卸压效果较差。
发明内容
本发明的目的是解决现有水力压裂技术存在的难以控制水力压裂裂缝扩展和卸压效果较差的技术问题，提供一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法，其包括以下步骤：
步骤1、根据矿井坚硬顶板地质条件，制定水力压裂钻孔组(14)排布方案，确定水力压裂钻孔组(14)的组内水力压裂钻孔(3)个数、组内水力压裂钻孔(3)间距和水力压裂钻孔组(14)组间间距。
步骤2、根据矿井坚硬岩层(7)的厚度与岩性条件，于进风巷(1)或回风巷(2)靠近综采工作面(10)侧或采空区(12)靠近垮落带(13)侧按步骤1中制定的排布方案施工若干垂直或倾斜的水力压裂钻孔组(14)，水力压裂钻孔(3)贯穿直接顶(6)与坚硬岩层(7)至上覆岩层(8)为止，水力压裂钻孔(3)的钻孔直径Φ为70～120mm，钻孔轴向方向与直接顶(6)垂线夹角θ为0～90°。
步骤3、所述水力压裂钻孔组(14)施工完成后，根据矿井坚硬顶板地质条件，依据水力压裂钻孔(3)的参数，制定轴向定向预裂加热方案，将钻孔轴向定向加热装置(9)推入水力压裂钻孔(3)内，并将惰性气体通过通气孔(18)注入封孔隔热装置(15)，封孔隔热装置(15)体积迅速膨胀，与钻孔内壁和钻孔轴向定向加热装置(9)的支撑杆(16)紧密贴合，完成水力压裂钻孔(3)孔段封孔。
步骤4、所述支撑杆(16)推动钻孔轴向定向加热装置(9)到达水力压裂钻孔(3)最上端的预定加热位置，开启钻孔轴向定向加热装置(9)，按照预定轴向定向预裂加热方案，对钻孔内壁进行轴向定向加热，且水力压裂钻孔(3)内的气体受热膨胀，通过排气孔(17)排出水力压裂钻孔(3)；加热完成后，关闭钻孔轴向定向加热装置(9)，同时支撑杆(16)回退，将钻孔轴向定向加热装置(9)回退到第二个预定加热位置，然后再次开启钻孔轴向定向加热装置(9)；重复上述操作，将水力压裂钻孔(3)内所有预设加热段依次加热，完成水力压裂钻孔(3)轴向定向加热处理，然后移除封孔隔热装置(15)与钻孔轴向定向加热装置(9)。
步骤5、根据矿井坚硬顶板地质条件，依据钻孔参数制定环向定向预裂加热方案；将钻孔环向定向加热装置(19)推入水力压裂钻孔(3)内，并将惰性气体通过通气孔(18)注入封孔隔热装置(15)，封孔隔热装置(15)体积迅速膨胀，与钻孔内壁和钻孔环向定向加热装置(19)的支撑杆(16)紧密贴合，完成水力压裂钻孔(3)孔段封孔。
步骤6、所述支撑杆(16)推动钻孔环向定向加热装置(19)到达水力压裂钻孔(3)最上端的预定加热位置，开启钻孔环向定向加热装置(19)，按照预定环向定向预裂加热方案，对水力压裂钻孔(3)内壁进行环向定向加热，且水力压裂钻孔(3)内的气体受热膨胀，通过排气孔(17)排出水力压裂钻孔(3)；加热完成后，关闭钻孔环向定向加热装置(19)，同时支撑杆(16)回退，将钻孔环向定向加热装置(19)回退到第二个预定加热位置，然后再次开启钻孔环向定向加热装置(19)；重复上述操作，将水力压裂钻孔(3)内所有预设加热段依次加热，完成水力压裂钻孔(3)环向定向加热处理，然后移除封孔隔热装置(15)与钻孔环向定向加热装置(19)。
进一步地，所述水力压裂钻孔组(14)排布方案为采用分组钻孔形式，组内钻孔对岩石钻孔热破裂裂纹进行导向，不同水力压裂钻孔组(14)产生的裂纹相互搭接，从而实现定向破断。
进一步地，所述组内水力压裂钻孔(3)个数不少于2个、组内水力压裂钻孔(3)间距不大于3m、水力压裂钻孔组(14)组间间距为3～20m。
进一步地，所述水力压裂钻孔(3)的参数为钻孔角度、钻孔深度和钻孔直径等。
进一步地，所述轴向定向预裂加热方案是指确定钻孔的轴向预裂方向、加热温度、加热速率和加热时长等。
进一步地，所述环向定向预裂加热方案是指确定钻孔的环向加热温度、加热速率和加热时长等。
进一步地，所述封孔隔热装置(15)由耐热橡胶制成，隔绝孔内高温与井下作业空间，实现安全使用。
进一步地，所述轴向定向加热和环向定向加热步骤顺序既能任意组合，也能单独使用。
本发明的有益效果是：
本发明使用高温岩石热破裂的原理对顶板岩石物理性质进行定向弱化，可以根据坚硬顶板厚度及岩性，自由调节定向预裂加热方案，以保障顶板定向切顶效果，且与机械切槽和水力切槽定向预裂相比，本发明操作更加灵活、设备简单、更便于煤矿井下使用。
本发明通过根据矿井坚硬顶板地质条件，制定水力压裂钻孔组排布方案，增加了裂缝扩展长度，限制了裂缝在扩展过程的偏转现象，使多个水力压裂钻孔组同时压裂产生的压裂裂缝相互连通，实现顶板岩层的定向切顶。
本发明封孔隔热装置由耐热橡胶制成，通过注入惰性气体封孔隔热装置体积膨胀与钻孔内壁紧密贴合，实现对钻孔的隔热密封，隔绝孔内高温与井下作业空间，实现安全使用，加热过程稳定可控，可以实现恒温长时间的稳定加热。
本发明有效的克服了传统水力压裂技术裂缝起裂与扩展受地应力影响的问题，水力压裂裂缝沿预制弱化带定向起裂与扩展，使水力压裂裂缝能够按照指定的位置和方向起裂与扩展，并且高温加热岩石预制岩石弱化带，弱化带岩石物性弱于周围非加热岩石物性更容易拉裂，相对于传统水力压裂的方法，能够增大水力压裂钻孔间距，在确保压裂切顶效果的前提下，节省钻孔费用。
附图说明
图1是本发明的工艺布置平面示意图；
图2是本发明轴向定向加热预裂工艺布置的A——A剖面图；
图3是本发明环向定向加热预裂工艺布置的剖面图；
图4是本发明本发明的环向定向加热预裂工艺布置水平剖面示意图；
图5是本发明轴向定向加热预裂工艺布置的B——B剖面图；
图6是本发明轴向定向加热预裂工艺布置的C——C剖面图；
图7是本发明水力压裂钻孔孔口段封孔示意图；
图中：1-进风巷、2-回风巷、3-水力压裂钻孔、4-预制弱化带、5-液压支架、6-直接顶、7-坚硬岩层、8-上覆岩层、9-钻孔轴向定向加热装置、10-综采工作面、11-煤层、12-采空区、13-垮落带、14-水力压裂钻孔组、15-封孔隔热装置、16-支撑杆、17-排气孔、18-通气孔、19-钻孔环向定向加热装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
如图1～7所示，本实施例中的一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法，其包括以下步骤：
步骤1、根据矿井坚硬顶板地质条件，制定水力压裂钻孔组14排布方案，确定水力压裂钻孔组14的组内水力压裂钻孔3个数、组内水力压裂钻3孔间距和水力压裂钻孔组14组间间距；所述水力压裂钻孔组14排布方案为采用分组钻孔形式，组内钻孔对岩石钻孔热破裂裂纹进行导向，不同水力压裂钻孔组14产生的裂纹相互搭接，从而实现定向破断。所述组内水力压裂钻孔3个数不少于2个、组内水力压裂钻孔3间距不大于3m、水力压裂钻孔组14组间间距为3～20m。
步骤2、根据矿井坚硬岩层7的厚度与岩性条件，于进风巷1或回风巷2靠近综采工作面10侧或采空区12靠近垮落带13侧按步骤1中制定的排布方案施工若干垂直或倾斜的水力压裂钻孔组14，水力压裂钻孔3贯穿直接顶6与坚硬岩层7至上覆岩层8为止，水力压裂钻孔3的钻孔直径Φ为70～120mm，钻孔轴向方向与直接顶6垂线夹角θ为0～90°。
步骤3、所述水力压裂钻孔14施工完成后，根据矿井坚硬顶板地质条件，依据水力压裂钻孔3的参数，制定轴向定向预裂加热方案，将钻孔轴向定向加热装置9推入水力压裂钻孔3内，并将惰性气体通过通气孔18注入封孔隔热装置15，封孔隔热装置15体积迅速膨胀，与钻孔内壁和钻孔轴向定向加热装置9的支撑杆16紧密贴合，完成水力压裂钻孔3孔段封孔；所述水力压裂钻孔3的参数为钻孔角度、钻孔深度和钻孔直径等；所述轴向定向预裂加热方案是指确定钻孔的轴向预裂方向、加热温度、加热速率和加热时长等。
步骤4、所述支撑杆16推动钻孔轴向定向加热装置9到达水力压裂钻孔3最上端的预定加热位置，开启钻孔轴向定向加热装置9，按照预定轴向定向预裂加热方案，对钻孔内壁进行轴向定向加热，且水力压裂钻孔3内的气体受热膨胀，通过排气孔17排出水力压裂钻孔3；加热完成后，关闭钻孔轴向定向加热装置9，同时支撑杆16回退，将钻孔轴向定向加热装置9回退到第二个预定加热位置，然后再次开启钻孔轴向定向加热装置9；重复上述操作，将水力压裂钻孔3内所有预设加热段依次加热，完成水力压裂钻孔3轴向定向加热处理，然后移除封孔隔热装置15与钻孔轴向定向加热装置9。
步骤5、根据矿井坚硬顶板地质条件，依据钻孔参数制定环向定向预裂加热方案；将钻孔环向定向加热装置19推入水力压裂钻孔3内，并将惰性气体通过通气孔18注入封孔隔热装置15，封孔隔热装置15体积迅速膨胀，与钻孔内壁和钻孔环向定向加热装置19的支撑杆16紧密贴合，完成水力压裂钻孔3孔段封孔；所述环向定向预裂加热方案是指确定钻孔的环向加热温度、加热速率和加热时长等。
步骤6、所述支撑杆16推动钻孔环向定向加热装置19到达水力压裂钻孔3最上端的预定加热位置，开启钻孔环向定向加热装置19，按照预定环向定向预裂加热方案，对水力压裂钻孔3内壁进行环向定向加热，且水力压裂钻孔3内的气体受热膨胀，通过排气孔17排出水力压裂钻孔3；加热完成后，关闭钻孔环向定向加热装置19，同时支撑杆16回退，将钻孔环向定向加热装置19回退到第二个预定加热位置，然后再次开启钻孔环向定向加热装置19；重复上述操作，将水力压裂钻孔3内所有预设加热段依次加热，完成水力压裂钻孔3环向定向加热处理，然后移除封孔隔热装置15与钻孔环向定向加热装置19。
通过以上步骤，可实现进风巷1或回风巷2或采空区12上覆坚硬顶板岩层三维定向预裂。
上述实施例中的所述封孔隔热装置15由耐热橡胶制成，隔绝孔内高温与井下作业空间，实现安全使用。
上述实施例中的所述轴向定向加热和环向定向加热步骤顺序既能任意组合，也能单独使用。

Claims (8)

1.一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据矿井坚硬顶板地质条件，制定水力压裂钻孔组(14)排布方案，确定水力压裂钻孔组(14)的组内水力压裂钻孔(3)个数、组内水力压裂钻孔(3)间距和水力压裂钻孔组(14)组间间距；
步骤2、根据矿井坚硬岩层(7)的厚度与岩性条件，于进风巷(1)或回风巷(2)靠近综采工作面(10)侧或采空区(12)靠近垮落带(13)侧按步骤1中制定的排布方案施工若干垂直或倾斜的水力压裂钻孔组(14)，水力压裂钻孔(3)贯穿直接顶(6)与坚硬岩层(7)至上覆岩层(8)为止，水力压裂钻孔(3)的钻孔直径Φ为70～120mm，钻孔轴向方向与直接顶(6)垂线夹角θ为0～90°；
步骤3、所述水力压裂钻孔组(14)施工完成后，根据矿井坚硬顶板地质条件，依据水力压裂钻孔(3)的参数，制定轴向定向预裂加热方案，将钻孔轴向定向加热装置(9)推入水力压裂钻孔(3)内，并将惰性气体通过通气孔(18)注入封孔隔热装置(15)，封孔隔热装置(15)体积迅速膨胀，与钻孔内壁和钻孔轴向定向加热装置(9)的支撑杆(16)紧密贴合，完成水力压裂钻孔(3)孔段封孔；
步骤4、所述支撑杆(16)推动钻孔轴向定向加热装置(9)到达水力压裂钻孔(3)最上端的预定加热位置，开启钻孔轴向定向加热装置(9)，按照预定轴向定向预裂加热方案，对钻孔内壁进行轴向定向加热，且水力压裂钻孔(3)内的气体受热膨胀，通过排气孔(17)排出水力压裂钻孔(3)；加热完成后，关闭钻孔轴向定向加热装置(9)，同时支撑杆(16)回退，将钻孔轴向定向加热装置(9)回退到第二个预定加热位置，然后再次开启钻孔轴向定向加热装置(9)；重复上述操作，将水力压裂钻孔(3)内所有预设加热段依次加热，完成水力压裂钻孔(3)轴向定向加热处理，然后移除封孔隔热装置(15)与钻孔轴向定向加热装置(9)；
步骤5、根据矿井坚硬顶板地质条件，依据钻孔参数制定环向定向预裂加热方案；将钻孔环向定向加热装置(19)推入水力压裂钻孔(3)内，并将惰性气体通过通气孔(18)注入封孔隔热装置(15)，封孔隔热装置(15)体积迅速膨胀，与钻孔内壁和钻孔环向定向加热装置(19)的支撑杆(16)紧密贴合，完成水力压裂钻孔(3)孔段封孔；
步骤6、所述支撑杆(16)推动钻孔环向定向加热装置(19)到达水力压裂钻孔(3)最上端的预定加热位置，开启钻孔环向定向加热装置(19)，按照预定环向定向预裂加热方案，对水力压裂钻孔(3)内壁进行环向定向加热，且水力压裂钻孔(3)内的气体受热膨胀，通过排气孔(17)排出水力压裂钻孔(3)；加热完成后，关闭钻孔环向定向加热装置(19)，同时支撑杆(16)回退，将钻孔环向定向加热装置(19)回退到第二个预定加热位置，然后再次开启钻孔环向定向加热装置(19)；重复上述操作，将水力压裂钻孔(3)内所有预设加热段依次加热，完成水力压裂钻孔(3)环向定向加热处理，然后移除封孔隔热装置(15)与钻孔环向定向加热装置(19)。
2.如权利要求1所述的一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法，其特征在于：所述水力压裂钻孔组(14)排布方案为采用分组钻孔形式，组内钻孔对岩石钻孔热破裂裂纹进行导向，不同水力压裂钻孔组(14)产生的裂纹相互搭接，从而实现定向破断。
3.如权利要求1所述的一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法，其特征在于：所述组内水力压裂钻孔(3)个数不少于2个、组内水力压裂钻孔(3)间距不大于3m、水力压裂钻孔组(14)组间间距为3～20m。
4.如权利要求1所述的一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法，其特征在于：所述水力压裂钻孔(3)的参数为钻孔角度、钻孔深度和钻孔直径等。
5.如权利要求1所述的一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法，其特征在于：所述轴向定向预裂加热方案是指确定钻孔的轴向预裂方向、加热温度、加热速率和加热时长等。
6.如权利要求1所述的一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法，其特征在于：所述环向定向预裂加热方案是指确定钻孔的环向加热温度、加热速率和加热时长等。
7.如权利要求1所述的一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法，其特征在于：所述封孔隔热装置(15)由耐热橡胶制成，隔绝孔内高温与井下作业空间，实现安全使用。
8.如权利要求1～7任一项所述的一种岩石钻孔高温热破裂三维定向预裂方法，其特征在于：所述轴向定向加热和环向定向加热步骤顺序既能任意组合，也能单独使用。
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杨胜利;: "定向水力压裂弱化坚硬顶板技术应用研究", 山东煤炭科技, no. 04 *
郝宇军;: "岩石力学在水力压裂增产技术中的应用分析", 河南科技, no. 23 *

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