CN114293989A - 一种近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法 - Google Patents

一种近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法，属于冲击地压灾害防治技术领域。该方法自开采水平延深主井至压裂水平，压裂水平设计深度距离开采水平垂距为100m；在压裂水平由煤层顶板岩层开掘石门进入开采煤层，沿煤层走向掘进巷道作为压裂钻孔施工空间；在压裂专用巷道沿煤层倾角向巷道上方煤层钻取水力压裂钻孔，钻孔长度以见采空区为准，钻孔走向间距及钻孔倾向分段间距根据压裂设备参数及压裂高度进行设计。本发明通过分段水力压裂开采水平工作面下部煤体，释放煤体积聚高弹性能，降低底煤应力集中程度，达到防治近直立煤层开采底煤冲击目的，保证近直立煤层安全高效开采。

Description

一种近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法
技术领域
本发明涉及冲击地压灾害防治技术领域，特别是指一种近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法。
背景技术
近直立煤层由于其煤岩层沉积结构和地质构造特殊，而且煤层厚度较大，使得煤体采掘过程中应力场和能量场演化复杂，极易诱发采掘工作面冲击地压。因此对于近直立煤层冲击地压的防治研究已成为煤矿安全生产亟待解决的工程问题。
目前，现有防治思路及技术方案主要针对煤层间岩柱和工作面回采煤体进行爆破卸压处理。现有技术中公开了在开采水平对回采阶段煤层进行注水软化和卸压爆破，对开采水平岩柱及煤层顶、底板岩层进行注水软化和卸压爆破，其特点在于针对开采水平煤岩体进行卸压防治。还有现有技术公开了交替布置多排深层爆破孔和浅层爆破孔对开采水平顶底板岩层进行卸压处理，其特点在于针对开采水平煤层坚硬顶底板进行耗能降冲。目前，近直立煤层开采冲击地压防治研究已取得了一定的成果，但防治方案主要为局部防冲技术措施，防冲重点针对开采阶段煤体及顶底板岩体进行处理，施工工程量大，且未能在根本上解决近直立煤层冲击。
本发明提供一种近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法，在工作面开采前对高应力煤体进行水力压裂预卸压，跨水平分段压裂多个未开采阶段煤体，提前释放煤体弹性能，从而达到区域防治冲击地压目的。
发明内容
本发明为解决近直立煤层爆破煤层间岩柱防治冲击地压效果不理想的问题，提供一种近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法。
该方法包括步骤如下：
S1：自开采水平延深主井至压裂水平；
S2：在压裂水平由煤层顶板岩层开掘石门进入开采煤层，在该水平沿煤层走向掘进巷道作为水力压裂施工专用巷，即压裂巷道；
S3：在压裂巷道向上方煤层施工倾斜压裂钻孔，钻孔终孔位置位于煤层厚度中心处，钻孔角度α及长度L由煤层厚度d和垂直距离差H得出，
Figure RE-GDA0003543278110000021
Figure RE-GDA0003543278110000022
式中：α为钻孔角度；H为煤层开采水平与上方采空区的垂直距离；d为煤层厚度。
钻孔分段高度l由压裂设备功率及钻孔长度L通过下式得出。
n＝L/R
l＝H/n
式中：l为钻孔分段高度；R为压裂设备单次最大压裂半径；n为压裂段数；L为钻孔长度；H为煤层开采水平与上方采空区的垂直距离。
S4：沿煤层走向自回采工作面切眼至停采线排距依次布置压裂钻孔，钻孔排距根据压裂设备参数进行设计；
S5：操作压裂设备在压裂钻孔对高弹性能煤体进行倾向分段水力压裂；
S6：完成第一压裂段压裂作业后，沿煤层走向移动压裂设备，按照设计钻孔排距进行下一阶段压裂作业，循环往复，完成开采工作面高弹性能煤体的压裂工作；
S7：压裂作业完成后，按照一巷多用原则，将压裂施工巷道留做该水平回采巷道。
其中，S1中延深主井至距离开采水平垂深100m水平，提前弱化整个水平高应力煤层。
S3中在现开采阶段工作面回采之前在压裂巷道施工钻孔进行水力压裂。
S3中受煤层间岩柱的压撬作用，回采工作面煤体应力集中程度较高，压裂主要对象为煤体，压裂钻孔长度以见采空区为准，压裂范围为整个煤层厚度，受到压裂设备限制，压裂钻孔分段高度为20m。
S4中钻孔排距沿走向布置，钻孔排距为两倍压裂半径。
S5中水力压裂时，当注水泵压力上升到达煤体破裂压力时，保持注水泵的排量压力以扩展裂缝，当注水泵的排量压力值从持续稳定到出现突然上升直至排量压力值无变化后，结束对第一压裂段的压裂作业。
S6中压裂作业时间提前于工作面回采作业时间，压裂施工超前回采工作面至少200m范围。
S7中压裂作业完成后，对压裂巷道加强支护后封闭，待该水平煤层阶段开采时作为回采巷道继续使用，节约施工成本。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过分段水力压裂开采水平工作面下部煤体，释放煤体积聚高弹性能，降低底煤应力集中程度，达到防治近直立煤层开采底煤冲击目的，保证近直立煤层安全高效开采。
附图说明
图1为本发明的近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法施工工艺图；
图2为本发明的近直立巨厚煤层分段水力压裂施工工艺剖面图；
图3为本发明的近直立巨厚煤层分段水力压裂施工工艺平面图；
图4为本发明的压裂工艺流程图。
其中：1—主井；2—压裂巷道连接石门；3—压裂巷道；4—压裂钻孔；5—回采巷道连接石门；6—开采煤层回采巷道；7—待采煤层回采巷道；8—开采煤层；9—待采煤层；10—开采煤层采空区；11—待采煤层采空区；12—顶板岩层；13—煤层间岩柱；14—底板岩层；15—封孔器；16—水箱；17—泵；18—截止阀；19—三通；20—压力表；21—压力传感器；22—变径接头；23—直通； 24—注水压裂管；25—封孔器打压管。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法。
该方法包括步骤如下：
S1：自开采水平延深主井至压裂水平；
S2：在压裂水平由煤层顶板岩层开掘石门进入开采煤层，在该水平沿煤层走向掘进巷道作为水力压裂施工专用巷，即压裂巷道；
S3：在压裂巷道向上方煤层施工倾斜压裂钻孔，钻孔终孔位置位于煤层厚度中心处，钻孔角度α及长度L由煤层厚度d和垂直距离H得出，
Figure RE-GDA0003543278110000041
Figure RE-GDA0003543278110000042
式中：α为钻孔角度；H为煤层开采水平与上方采空区的垂直距离；d为煤层厚度。
钻孔分段高度l由压裂设备功率及钻孔长度L通过下式得出。
n＝L/R
l＝H/n
式中：l为钻孔分段高度；R为压裂设备单次最大压裂半径；n为压裂段数；L为钻孔长度；H为煤层开采水平与上方采空区的垂直距离。
S4：沿煤层走向自回采工作面切眼至停采线排距依次布置压裂钻孔，钻孔排距根据压裂设备参数进行设计；
S5：操作压裂设备在压裂钻孔对高弹性能煤体进行倾向分段水力压裂；
S6：完成第一压裂段压裂作业后，沿煤层走向移动压裂设备，按照设计钻孔排距进行下一阶段压裂作业，循环往复，完成开采工作面高弹性能煤体的压裂工作；
S7：压裂作业完成后，按照一巷多用原则，将压裂施工巷道留做该水平回采巷道。
下面结合具体实施过程予以说明。
如图1、图2和图3所示，在具体实施过程中，按如下步骤：
S1：延深主井1至距离回采工作面垂深100m水平，自主井1在压裂水平由煤层顶板岩层12开掘压裂巷道连接石门2进入开采煤层，同时开掘回采巷道连接石门5至开采煤层回采巷道6。
S2：在压裂水平沿煤层走向掘进巷道作为水力压裂施工专用巷，即压裂巷道3。
S3：在压裂巷道顶板向开采水平上方施工倾斜压裂钻孔4，在压裂巷道向上方煤层沿垂直工作面走向施工斜向上压裂钻孔，压裂钻孔长度以见开采煤层采空区10为准，压裂范围为整个开采煤层8厚度。
S4：沿煤层走向在压裂巷道3自回采工作面切眼至停采线排距布置压裂钻孔4，压裂钻孔的排距为本次压裂半径的两倍。
S5：通过压裂钻孔4对开采煤层8进行分段水力压裂，打开泵17将水箱 16中的高压水通过封孔器打压管25注入封孔器内腔，待封孔器15膨胀且其内腔压力达到工作压力后，关闭封孔器打压管的截止阀18，完成封孔作业。(如图4，泵17后连接的截止阀18处设有三通19，一路通过直通23连接封孔器打压管25，另一路通过变径接头22连接注水压裂管24，两路管道上均设有压力表20，连接注水压裂管24的管路上还设有压力传感器22)。打开注水压裂管24的截止阀18将高压水注入煤体压裂段，按照设计压裂方案对煤层压裂，待煤层压裂后关闭变径接头，关闭泵17。开启封孔器打压管的截止阀，释放封孔器内强压力，恢复封孔器内腔压力。并将其移至涉及位置。每次压裂工艺施工时，当注水泵压力上升到达煤体破裂压力时，保持注水泵的排量压力以扩展裂缝，当注水泵的排量压力值从持续稳定到出现突然上升直至排量压力值无变化后，结束对第一压裂段的压裂作业。
S6：完成第一压裂段压裂作业完成后，沿煤层走向移动压裂设备，按照设计钻孔排距进行下一阶段压裂作业，循环往复，完成开采工作面高弹性能煤体的压裂工作。
S7：压裂施工巷道3留做该水平回采巷道。
如图1所示，在待采煤层9中，规划待采煤层回采巷道7，开采煤层和待采煤层上部分别为开采煤层采空区10和待采煤层采空区11，开采煤层和待采煤层之间为煤层间岩柱13，待采煤层另一侧为底板煤层14。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1：自开采水平延深主井至压裂水平；
S2：在压裂水平由煤层顶板岩层开掘石门进入开采煤层，在该水平沿煤层走向掘进巷道作为水力压裂施工专用巷，即压裂巷道；
S3：在压裂巷道向上方煤层施工倾斜压裂钻孔，钻孔终孔位置位于煤层厚度中心处，钻孔角度α及长度L由煤层厚度d和垂直距离H得出，
Figure FDA0003370686500000011
Figure FDA0003370686500000012
式中：α为钻孔角度；H为煤层开采水平与上方采空区的垂直距离；d为煤层厚度；
钻孔分段高度l由压裂设备功率及钻孔长度L通过下式得出：
n＝L/R
l＝H/n
式中：l为钻孔分段高度；R为压裂设备单次最大压裂半径；n为压裂段数；L为钻孔长度；H为煤层开采水平与上方采空区的垂直距离；
S4：沿煤层走向自回采工作面切眼至停采线排距依次布置压裂钻孔，钻孔排距根据压裂设备参数进行设计；
S5：操作压裂设备在压裂钻孔对高弹性能煤体进行倾向分段水力压裂；
S6：完成第一压裂段压裂作业后，沿煤层走向移动压裂设备，按照设计钻孔排距进行下一阶段压裂作业，循环往复，完成开采工作面高弹性能煤体的压裂工作；
S7：压裂作业完成后，按照一巷多用原则，将压裂施工巷道留做该水平回采巷道。
2.根据权利要求1所述的近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法，其特征在于，所述S1中延深主井至距离开采水平垂深100m水平，提前弱化整个水平高应力煤层。
3.根据权利要求1所述的近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法，其特征在于，所述S3中在现开采阶段工作面回采之前在压裂巷道施工钻孔进行水力压裂。
4.根据权利要求1所述的近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法，其特征在于，所述S3中压裂钻孔长度以见采空区为准，压裂范围为整个煤层厚度，受到压裂设备限制，压裂钻孔分段高度为20m。
5.根据权利要求1所述的近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法，其特征在于，所述S4中钻孔排距沿走向布置，钻孔排距为两倍压裂半径。
6.根据权利要求1所述的近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法，其特征在于，所述S5中水力压裂时，当注水泵压力上升到达煤体破裂压力时，保持注水泵的排量压力以扩展裂缝，当注水泵的排量压力值从持续稳定到出现突然上升直至排量压力值无变化后，结束对第一压裂段的压裂作业。
7.根据权利要求1所述的近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法，其特征在于，所述S6中压裂作业时间提前于工作面回采作业时间，压裂施工超前回采工作面至少200m范围。
8.根据权利要求1所述的近直立巨厚煤层分段水力压裂区域防冲方法，其特征在于，所述S7中压裂作业完成后，对压裂巷道加强支护后封闭，待该水平煤层阶段开采时作为回采巷道继续使用，节约施工成本。
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