CN115559772A - 一种顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿开采技术领域。涉及一种顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法，沿煤层倾斜方向将煤层划分为若干个切槽区，相邻切槽区之间留间隔煤柱进行支撑；在每个切槽区中采用超高压双向对称水射流沿煤层倾斜方向，利用水射流定向切割若干个缝槽，相邻缝槽之间留有间隔煤柱进行支撑；所有缝槽形成若干个分层分布的卸压面；在上覆岩层作用下，间隔煤柱发生破坏，煤体沿泄压面整体渐进变形，实现应力转移，透气性增加。本发明利用超高压双向对称水射流顺煤层水平切割高4～6cm的分层，形成卸压缝槽，实现切槽区域煤层内部整体均匀卸压增透，提高钻孔瓦斯抽采效果，突破无保护层及首采突出煤层不能采用保护层卸压的局限，丰富煤矿瓦斯灾害治理手段。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，涉及一种顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法。
背景技术
随着煤矿开采深度逐渐增加，高瓦斯压力、高瓦斯含量、高地应力、低渗透性问题逐渐凸显。同时，煤岩体呈现出大变形、强流变、脆延转化的特点，其灾害也往往兼具突出和冲击地压特征，灾害发生突然、破坏影响范围广；部分深部突出矿井在预抽瓦斯“达标”后，仍发生地应力主导型突出。煤岩动力灾害防治难度急剧增大，严重制约着深部煤炭资源的安全高效开采。
瓦斯抽采是瓦斯治理的有效手段之一。我国瓦斯抽采最常用的方法是采用井下或地面钻孔对高瓦斯煤层提前预抽，但是，该类煤层大部分具有低渗透、微孔隙、高吸附等特性，严重影响瓦斯抽采效果，据统计，我国煤层渗透率平均1.27mD，约3/4的煤层渗透率小于1.0mD，而且随着开采深度逐渐增加，煤层渗透率进一步减小，瓦斯抽采更加困难。因此，保障低渗煤层瓦斯高效抽采的关键是采取合理的措施进行卸压增透。
目前，适合于煤矿井下应用的卸压增透措施主要有两类：一类是以保护层开采为主的层间卸压增透措施，其在改善煤层透气性、提高瓦斯抽采率方面即经济又高效，条件允许的情况下，该措施是区域性瓦斯灾害治理的最佳手段；另一类是以钻孔卸压为主的层内卸压增透措施，以大直径钻孔卸压、水力压裂、水力冲孔和水力割缝等措施为代表，通过钻孔对低渗透煤层内部空间结构进行改造，为瓦斯抽采创造条件，但不能满足层内整体区域连续均匀卸压及高效增渗要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于为满足现代化矿井快速卸压、高效增渗的瓦斯治理需求，提出一种顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法，兼备有保护层开采和常规层内卸压措施的优点，实现煤层内部整体均匀卸压，增加透气性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法，沿煤层倾斜方向将煤层划分为若干个切槽区，相邻切槽区之间留间隔煤柱进行支撑；在每个切槽区中采用超高压双向对称水射流沿煤层倾斜方向，利用水射流定向切割若干个缝槽，相邻缝槽之间留有间隔煤柱进行支撑；所有缝槽形成若干个分层分布的卸压面；在上覆岩层作用下，间隔煤柱发生破坏，煤体沿泄压面整体渐进变形，实现应力转移，透气性增加。
进一步，缝槽切割时，水射流方向与煤层倾斜角度一致。
进一步，缝槽施工时，采用顺次施工方式，即先切割完一个切槽区中所有的缝槽后，再进行相邻切槽区的缝槽的施工。
进一步，所述缝槽的高度为4～6cm。
进一步，切缝过程中通过计量单刀出煤量和单孔出煤量，反算切缝深度L：
式中：T-单刀出煤量；L-缝槽双边深度；d-缝槽长度；ρ-煤的密度。
进一步，缝槽尺寸根据缝槽极限破断强度和上方载荷计算，将缝槽上方煤体简化为简支梁：
式中：σmax-缝槽极限破断强度；N-缝槽上方煤体侧向受力；A-煤层横截面面积；L-缝槽双边深度；q-缝槽上方煤体受到的均布荷载；E-为弹性模量；h-煤层厚度。
进一步，缝槽切割时，水射流压力由50MPa分步增加至100MPa，同时旋转钻杆，将煤渣排出。
本发明的有益效果在于：
本发明利用超高压双向对称水射流顺煤层水平切割高4～6cm的分层，形成卸压缝槽，实现切槽区域煤层内部整体均匀卸压增透，提高钻孔瓦斯抽采效果，突破无保护层及首采突出煤层不能采用保护层卸压的局限，丰富煤矿瓦斯灾害治理手段。
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为本发明中顺层钻孔定向水力切缝卸压增透原理图；
图2为本发明中缝槽分布形态示意图；
图3为缝槽上方煤体简支梁模型。
附图标记：1-顶板；2-煤层；3-底板；4-切槽区；5-缝槽；6-钻孔。
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，为本发明中一种顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法的原理示意，将顶板1 与底板3之间的煤层2沿煤层倾斜方向，将煤层3划分为若干个切槽区4，相邻切槽区4之间留间隔煤柱进行安全支撑；在每个切槽区4中采用超高压双向对称水射流沿煤层倾斜方向，利用水射流定向切割若干个缝槽5，相邻缝槽5之间留有间隔煤柱进行支撑；所有缝槽5形成若干个分层分布的卸压面；在上覆岩层作用下，缝槽5之间的间隔煤柱发生破坏，煤体沿卸压面整体渐进变形，实现应力转移，透气性增加。该方法施工过程包括以下步骤：
S1：收集需要增透工作面的地质资料，根据煤层倾角、厚度、坚固性系数设计定向缝槽形态参数，如图2所示；
S2：将缝槽上方煤体简化为简支梁，如图3所示，根据缝槽极限破断强度和上方载荷计算缝槽5尺寸；
式中：σmax-缝槽极限破断强度；N-缝槽上方煤体侧向受力；A-煤层横截面面积；L-缝槽双边深度；q-缝槽上方煤体受到的均布荷载；E-为弹性模量；h-煤层厚度。
S3：选用矿用钻机配合低压水顺煤层施工钻孔6，钻孔6直径113～150mm，钻进至设计钻孔深度；
S4：钻机停止钻进，钻杆不旋转，监测射流角度，通过钻机、钻杆微调射流角度，直至达到预定角度；
S5：保持射流角度不变，增加高压泵压力至50MPa，在射流处形成高压水射流，通过钻杆带动射流前后移动实现顺煤层定向切割，降低高压泵压力，使得钻杆前端出水，同时旋转钻杆，将煤渣排出；
S6：重复步骤S4～S5，其中，高压泵压力增加至70MPa进行切缝，然后旋转钻杆，将煤渣排出；
S7：重复步骤S4～S5，其中，高压泵压力增加至100MPa进行切缝，然后旋转钻杆，将煤渣排出；
S8：计量单刀出煤量和单孔出煤量，利用下式反算缝槽5的双边深度L；
式中：T-单刀出煤量；L-缝槽双边深度；d-缝槽长度；ρ-煤的密度。
S9：钻杆退出一定距离，留出一定宽度的间隔煤柱，用于支撑；
S10：重复步骤S3～S9，进行下一缝槽的切割，直至该钻孔中的所有缝槽切割完；
S11：移动钻机至下一个钻孔，重复步骤S1～10。
最终煤体内部会形成多个长d＝3～4m、高H＝4～6cm的矩形缝槽5，形成多个分层分布的卸压面，卸压面在上覆煤岩作用下，逐渐产生弯曲变形；导致该部分煤体应力小于原岩应力，原生裂隙发生扩展和贯通，透气性增加。间隔在集中应力作用下受到压剪破坏，逐渐发生变形、破裂，并伴随着应力-应变状态改变，弹性能释放，最终实现切槽区域整体均匀卸压。
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 (7)
1.一种顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法，其特征在于：沿煤层倾斜方向将煤层划分为若干个切槽区，相邻切槽区之间留间隔煤柱进行支撑；在每个切槽区中采用超高压双向对称水射流沿煤层倾斜方向，利用水射流定向切割若干个缝槽，相邻缝槽之间留有间隔煤柱进行支撑；所有缝槽形成若干个分层分布的卸压面；在上覆岩层作用下，间隔煤柱发生破坏，煤体沿泄压面整体渐进变形，实现应力转移，透气性增加。
2.根据权利要求1所述的顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法，其特征在于：缝槽切割时，水射流方向与煤层倾斜角度一致。
3.根据权利要求1所述的顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法，其特征在于：缝槽施工时，采用顺次施工方式，即先切割完一个切槽区中所有的缝槽后，再进行相邻切槽区的缝槽的施工。
4.根据权利要求1所述的顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法，其特征在于：所述缝槽的H高度为4～6cm。
5.根据权利要求1所述的顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法，其特征在于：切缝过程中通过计量单刀出煤量和单孔出煤量，反算切缝深度L：
式中：T-单刀出煤量；L-缝槽双边深度；d-缝槽长度；ρ-煤的密度。
6.根据权利要求1所述的顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法，其特征在于：缝槽尺寸根据缝槽极限破断强度和上方载荷计算，将缝槽上方煤体简化为简支梁：
式中：σmax-缝槽极限破断强度；N-缝槽上方煤体侧向受力；A-煤层横截面面积；L-缝槽双边深度；q-缝槽上方煤体受到的均布荷载；E-为弹性模量；h-煤层厚度。
7.根据权利要求1所述的顺层钻孔定向水力切缝卸压增透方法，其特征在于：缝槽切割时，水射流压力由50MPa分步增加至100MPa，同时旋转钻杆，将煤渣排出。
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| GR01 | Patent grant | ||
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