CN115163023B - 一种近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法，属于煤矿煤与瓦斯突出防治领域。该方法包括：S1：计算水力压裂煤岩层厚度，并确定水力压裂煤层层数；S2：计算定向长钻孔及梳状分支孔施工参数；S3：施工定向长钻孔及梳状分支孔；S4：分段水力压裂近距离煤层群；S5：接入抽采管路进行瓦斯抽采。本发明利用开拓巷道提前从源头上降低瓦斯危害，实现同时联合高效抽采多个近距离煤层瓦斯，对近距离煤层群防止误揭煤层和瓦斯超限事故、降低抽采工程量和成本、高效抽采及高效防突均具有重要意义。

Description

一种近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法

技术领域

本发明属于煤矿煤与瓦斯突出防治领域，涉及一种近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法。

背景技术

煤与瓦斯突出(简称“突出”)矿井分布广泛，突出灾害严重影响了煤矿的安全生产。部分煤矿区为煤层群开采，煤层群中煤层均为突出煤层且相距较近(彼此之间层间距小于20m，较近者仅有3～5m)，因此被称为近距离煤层群。有些近距离煤层群突出防治可采用保护层开采进行突出防治，防突效果也较为显著；但由于煤层之间相距较近，在上下煤层掘进煤巷过程中容易出现误揭煤层引发突出事故，煤层开采后会出现上下邻近层的瓦斯大量涌入开采层，造成瓦斯超限等事故。为此，在开采层和邻近层布置了多条煤巷和岩巷(如淮南矿区一个工作面布置了6条巷道)，并施工了大量顺层钻孔和穿层钻孔进行瓦斯抽采，这些方法虽然起到了一定作用，但存在抽采工程量大成本高、抽采难度大效率低(钻孔易变形垮塌)等问题，严重制约了煤矿的安全高效生产。

因此，亟需一种新的近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法来解决现有瓦斯抽采的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法，针对近距离煤层群容易引发事故、抽采工程量大成本高、抽采难度大效率低等问题，采用定向长钻孔结合梳状分支孔一次性水力压裂近距离煤层群的联合高效抽采瓦斯方法，即在煤层开采之前利用开拓巷道在近距离煤层合理层位施工定向长钻孔结合梳状分支孔分段水力压裂，同时抽采多个煤层瓦斯，从源头上降低瓦斯危害，对近距离煤层群防止误揭煤层和瓦斯超限事故，降低抽采工程量和成本，提高瓦斯抽采效率、高效抽采及高效防突均具有重要意义。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法，包括以下步骤：

S1：计算水力压裂煤岩层厚度，并确定水力压裂煤层层数；

S2：计算定向长钻孔及梳状分支孔施工参数；

S3：施工定向长钻孔及梳状分支孔；

S4：分段水力压裂近距离煤层群；

S5：接入抽采管路进行瓦斯抽采。

进一步，步骤S1中，所述水力压裂煤岩层厚度或梳状分支孔长度L_f的计算表达式为：

L_f＝hz+Hz＝(h₁+h₂+…+h_n)+(H₁+H₂+…+H_n+H_n+1)

其中，hz为煤层群的煤层总厚度，h_n为第n层煤层的厚度；Hz为梳状分支孔的岩层厚度，H_n+1为最深部煤层的定向长钻孔施工位置与最深部煤层底板下方的距离，H₁为最浅部煤层的定向长钻孔施工位置与最浅部煤层顶板上方的距离；H_n为第n-1层煤层与第n层煤层之间的层间距。

进一步，步骤S2中，定向长钻孔倾向施工排距和梳状分支孔相同。

进一步，步骤S2中，梳状分支孔施工参数包括煤层群梳状分支孔走向施工间距X_n和倾向施工排距Y_n，其计算表达式为：

X_n＝Y_n＝X₁÷K_n1 ^1/2×K_y×N

其中，X₁、Y₁分别为单一煤层走向、倾向压裂范围；K_n1为n个煤层水力压裂范围间排距的煤层厚度影响系数；K_y为岩体能量消耗系数；N为水力压裂流量增加倍数。

进一步，步骤S2中，水力压裂范围间排距的煤层厚度影响系数的计算公式为：

K_n1＝hz/hz₁＝(X₁*Y₁)/(X_n*Y_n)＝(X₁/X_n)²

其中，hz₁为单一层煤层煤层厚度，hz为煤层群的煤层总厚度。

进一步，步骤S3中，同一组上下两个定向长钻孔的4个封隔器均位于定向长钻孔中，且距离梳状分支孔孔口1m处。

进一步，步骤S4中，连接同一组上下2个定向长钻孔压裂泵组的水压的计算关系式为：

P₁＝P₂+π*r²*L_f ²*ρ*g

其中，P₁、P₂分别为水力压裂泵组Ⅰ和水力压裂泵组Ⅱ的水力压裂压力，所述水力压裂泵组Ⅰ与施工在煤层群最深部煤层底板岩层下方的定向长钻孔Ⅰ连接，所述水力压裂泵组Ⅱ与施工在煤层群最浅部煤层顶板岩层上方的定向长钻孔Ⅱ连接。使用两个水力压裂泵组同时对梳状分支孔进行水力压裂，使水力压裂流量增加了1倍。r为梳状分支孔的半径；L_f为水力压裂煤岩层厚度；ρ为水的密度。

本发明的有益效果在于：本发明利用开拓巷道提前从源头上降低瓦斯危害，实现同时高效抽采多个近距离煤层瓦斯，对近距离煤层群防止误揭煤层和瓦斯超限事故、降低抽采工程量和成本、提高瓦斯抽采效率、高效抽采及高效防突均具有重要意义。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法流程图；

图2为水力压裂煤层层数计算示意图；

图3为定向长钻孔及梳状分支孔施工参数计算平面示意图；

图4为定向长钻孔及梳状分支孔施工参数计算剖面示意图；

图5为梳状分支孔水力压裂工艺示意图；

图6为梳状分支孔水力压裂效果示意图。

附图标记：1为定向长钻孔Ⅰ(施工在最深部煤层底板岩层下方)，2为定向长钻孔Ⅱ(施工在最浅部煤层顶板岩层上方)，3为梳状分支孔，4为煤层，5为开拓上下山巷道，6为前端封隔器Ⅰ，7为后端封隔器Ⅰ，8为前端封隔器Ⅱ，9为后端封隔器Ⅱ，10为水力压裂泵组Ⅰ，11为水力压裂泵组Ⅱ。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，本发明提供一种近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法，具体包括以下步骤：

步骤1：确定水力压裂煤层层数。

(1)计算水力压裂煤岩层厚度

请参阅图2，水力压裂煤岩层厚度为煤层群各煤层厚度和煤层之间的岩层厚度之和，计算过程详述如下：

1)煤层厚度

假设近距煤层群有n层，第1层煤层的厚度记为h₁、第n层煤层的厚度记为h_n，则煤层群的煤层总厚度记为hz，其计算公式如下：

hz＝h₁+h₂+…+h_n (1)

2)岩层厚度

假设在最深部煤层底板下方H_n+1、最浅部煤层顶板上方H₁处施工的定向长钻孔，第1层煤层与第2层煤层之间的层间距记为H₂，以此类推，第n-1层煤层与第n层煤层之间的层间距记为H_n，那么梳状分支孔的岩层厚度Hz为：

Hz＝H₁+H₂+…+H_n+H_n+1 (2)

3)水力压裂煤岩层厚度

显而易见，水力压裂煤岩层厚度和梳状分支孔长度基本相同，此处将梳状分支孔长度记为L_f，水力压裂煤岩层厚度或梳状分支孔长度L_f计算公式如下：

L_f＝hz+Hz＝(h₁+h₂+…+h_n)+(H₁+H₂+…+H_n+H_n+1) (3)

(2)水力压裂煤层层数

水力压裂煤层层数取决于煤层赋存和压裂泵组能力，据现有水力压裂泵组能力，就单一煤层来讲，分段水力压裂间距一般30～100m不等，此数据可作为煤层群水力压裂煤层层数的参考。近距离煤层群层间距一般小于20m(较近者仅有3～5m)，故水力压裂煤层层数可为1～6层，一般为2～4层较为适宜。

步骤2：计算定向长钻孔及梳状分支孔施工参数。

(1)确定定向长钻孔施工层位。

搜集矿井综合柱状图、矿井地勘钻孔和已施工钻孔，分析近距离煤层群最深部煤层底板岩层和最浅部煤层顶板岩层的岩性、力学参数，结合定向钻机钻具性能，沿煤层走向铅直方向确定最深部煤层底板和最浅部煤层顶板定向长钻孔的合理施工层位。

(2)确定梳状分支孔施工参数。

根据已有研究，水力压裂参数主要和煤层厚度、煤层间岩层情况有关。因此，分析单一煤层和多个煤层的煤层厚度和之间岩层情况，即可确定多个煤层水力压裂施工参数。

请参阅图3、图4，本发明利用定向钻孔梳状分支孔对近距离煤层群整体压裂，假设已知任一单一煤层分段水力压裂在煤层走向方向上的施工排距为X₁、倾向方向上的施工间距Y₁，通过研究单一煤层和近距离煤层群煤岩层赋存的差异性，结合水力压裂泵组的压裂性能，即可确定近距离煤层群梳状分支孔分段水力压裂在煤层走向方向上的施工排距X_n、倾向方向上的施工间距Y_n，其计算方法详述如下：

1)煤层厚度影响系数分析

假设单一层煤层煤层厚度为hz₁，走向、倾向压裂范围考察结果分别为X₁、Y₁，则该水力压裂泵组压裂煤体体积为：

V₁＝X₁*Y₁*hz₁ (4)

根据能量守恒定律可知，同一水力压裂泵组压裂煤体的体积应该相等，即同一水力压裂泵站压裂单一煤层煤体体积V₁和压裂煤层群的煤体体积V应该相等，计算公式为：

V＝V₁＝X₁*Y₁*hz₁＝X_n*Y_n*hz (5)

其中，X₁、Y₁分别为单一煤层走向、倾向压裂范围，m；X_n、Y_n分别为煤层群走向、倾向压裂范围，m；hz₁、hz分别为单一煤层、煤层群的煤层厚度，m。

此处将煤层简化为各向同性均质物质，那么单一煤层走向、倾向压裂范围X₁、Y₁大小相等，煤层群走向、倾向压裂范围X_n、Y_n也相等，煤层群整体压裂仅仅相当于单一煤层增加了煤层的厚度，此处定义煤层群和单一煤层的煤层厚度的比值为水力压裂范围间排距的厚度影响系数，其计算公式如下：

K_n1＝hz/hz₁＝(X₁*Y₁)/(X_n*Y_n)＝(X₁/X_n)² (6)

2)岩体能量消耗系数分析

由于岩层硬度远远大于煤层，故水力压裂能量主要作用于软弱的煤体、少部分能量由于摩擦作用消耗在岩体上，此处定义岩体消耗的能量与压裂能量之比为岩体能量消耗系数K_y，该系数可通过现场考察得出，经验值一般为0.1～0.3。

3)水力压裂泵组的性能分析

由于在定向长钻孔1和定向长钻孔2分别开启一组水力压裂泵组，即2个水力压裂泵组同时对梳状分支孔进行压裂，水力压裂流量增加了1倍，相当于压裂能量增加了1倍。

4)施工参数确定

由公式(6)推导可得煤层群梳状分支孔走向施工间距X_n、倾向施工排距Y_n为：

X_n＝Y_n＝X₁÷K_n1 ^1/2×K_y×N (7)

其中，N为水力压裂流量增加倍数。

(3)确定定向长钻孔施工参数

显而易见，定向长钻孔倾向施工排距和梳状分支孔相同。

步骤3：施工定向长钻孔及梳状分支孔。

按照定向长钻孔倾向施工排距参数，依次在煤层群最深部煤层底板岩层和最浅部煤层顶板岩层施工定向长钻孔Ⅰ1、定向长钻孔Ⅱ2；当定向长钻孔Ⅱ2达到预定孔深后，根据梳状分支孔走向施工间距、倾向施工排距施工梳状分支孔，直至每个梳状分支孔均与定向长钻孔Ⅰ1贯通，至此完成了一组水力压裂钻孔。其他组水力压裂钻孔采用同样方法进行施工。

步骤4：对煤层群进行分段水力压裂。

请参阅图5，一组水力压裂钻孔施工完毕后，即可对梳状分支孔进行水力压裂。以第一组为例，首先在定向长钻孔1最远端梳状分支孔前后约1m处分别安装好前端封隔器Ⅰ6、后端封隔器Ⅰ7，然后在定向长钻孔2最远端梳状分支孔前后约1m处分别安装好前端封隔器Ⅱ8、后端封隔器Ⅱ9，最后自孔底向孔口对梳状分支孔进行水力压裂，直至所有梳状分支孔完成水力压裂。其他组水力压裂钻孔采用同样方法进行水力压裂，直至完成整个预定抽采区域。

需要说明的是，水力压裂时，首先开启定向长钻孔Ⅰ的水力压裂泵组Ⅰ10，待梳状分支孔内部充满水时再开启定向长钻孔Ⅱ的水力压裂泵组Ⅱ11。由于水力压裂泵组(10、11)的流量相同，但水力压裂泵组Ⅰ10的水压应考虑梳状分支孔内水的重力作用，即水力压裂泵组Ⅰ10的水压应为水力压裂泵组Ⅱ11的水压和梳状分支孔内水的重力之和。

假设水力压裂泵组Ⅱ11的水压为P₂，那么水力压裂泵组Ⅰ10的水压P₁的计算公式为：

P₁＝P₂+π*r²*L_f ²*ρ*g (8)

其中，P₁、P₂分别为水力压裂泵组10、11的水力压裂压力，MPa；r为梳状分支孔的半径，m；L_f为水力压裂煤岩层厚度，m；ρ为水的密度，kg/m³。

请参阅图6，展示了采用梳状分支孔分段水力压裂近距离煤层群2个煤层或3个煤层过程中的压裂效果。

步骤5：接入抽采管路进行瓦斯抽采。

将煤层倾向上每一组水力压裂钻孔连接抽采管路进行瓦斯抽采，并单独安装抽采计量装置进行瓦斯抽采量计量，以此实现近距离煤层群瓦斯联合高效抽采。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：计算水力压裂煤岩层厚度，并确定水力压裂煤层层数；

S2：计算定向长钻孔及梳状分支孔施工参数；

梳状分支孔施工参数包括煤层群梳状分支孔走向施工间距X_n和倾向施工排距Y_n，其计算表达式为：

X_n＝Y_n＝X₁÷K_n1 ^1/2×K_y×N

其中，X₁、Y₁分别为单一煤层走向、倾向压裂范围；K_n1为n个煤层水力压裂范围间排距的煤层厚度影响系数；K_y为岩体能量消耗系数；N为水力压裂流量增加倍数；

水力压裂范围间排距的煤层厚度影响系数的计算公式为：

K _n1＝hz/hz₁＝(X₁*Y₁)/(X_n*Y_n)＝(X₁/X_n)²

其中，hz₁为单一层煤层煤层厚度，hz为煤层群的煤层总厚度；

S3：施工定向长钻孔及梳状分支孔；

按照定向长钻孔倾向施工排距参数，依次在煤层群最深部煤层底板岩层和最浅部煤层顶板岩层施工定向长钻孔Ⅰ和定向长钻孔Ⅱ；当定向长钻孔Ⅱ达到预定孔深后，根据梳状分支孔走向施工间距和倾向施工排距施工梳状分支孔，直至每个梳状分支孔均与定向长钻孔Ⅰ贯通，至此完成了一组水力压裂钻孔；其他组水力压裂钻孔采用同样方法进行施工；

同一组上下两个定向长钻孔的4个封隔器均位于定向长钻孔中，且距离梳状分支孔孔口1m处；

S4：分段水力压裂近距离煤层群；

连接同一组上下两个定向长钻孔压裂泵组的水压的计算关系式为：

P₁＝P₂+π*r²*L_f ²*ρ*g

其中，P₁、P₂分别为水力压裂泵组Ⅰ和水力压裂泵组Ⅱ的水力压裂压力，所述水力压裂泵组Ⅰ与施工在煤层群最深部煤层底板岩层下方的定向长钻孔Ⅰ连接，所述水力压裂泵组Ⅱ与施工在煤层群最浅部煤层顶板岩层上方的定向长钻孔Ⅱ连接；r为梳状分支孔的半径；L_f为水力压裂煤岩层厚度；ρ为水的密度；

S5：接入抽采管路进行瓦斯抽采。

2.根据权利要求1所述的近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法，其特征在于，步骤S1中，所述水力压裂煤岩层厚度或梳状分支孔长度L_f的计算表达式为：

L_f＝hz+Hz＝(h₁+h₂+…+h_n)+(H₁+H₂+…+H_n+H_n+1)

其中，hz为煤层群的煤层总厚度，h_n为第n层煤层的厚度；Hz为梳状分支孔的岩层厚度，H_n+1为最深部煤层的定向长钻孔施工位置与最深部煤层底板下方的距离，H₁为最浅部煤层的定向长钻孔施工位置与最浅部煤层顶板上方的距离；H_n为第n-1层煤层与第n层煤层之间的层间距。

3.根据权利要求1所述的近距离煤层群瓦斯联合高效抽采方法，其特征在于，步骤S2中，定向长钻孔倾向施工排距和梳状分支孔相同。