CN115788558A

CN115788558A - 一种卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工方法

Info

Publication number: CN115788558A
Application number: CN202211593596.1A
Authority: CN
Inventors: 杨威; 刘统; 吴桂明; 罗黎明; 田威
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2022-12-13
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2023-03-14

Abstract

本发明公开了一种卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工方法，先对煤巷划分多个区域，在每个区域均施工控制孔群组和爆压孔，控制孔具有瓦斯抽采、水力压裂过程中排水、煤泥和瓦斯，及后期注水等功能，爆压孔具有松动爆破、水力压裂、注气驱替等功能；控制孔冲孔后形成卸压空洞为松动爆破提供卸压空间，实现卸压控制爆破；通过控制孔和爆压孔联动，显著提高煤层增透的效果和均匀性；在卸压控制爆破引导水力压裂实现强化瓦斯抽采的同时，还能实现深度均匀消突，在此基础上耦合注气驱替，可提高治理区段煤体瓦斯抽采率，实现瓦斯均匀高效抽采；另外在煤巷掘进过程中在前方进行煤层注水，可大幅提高煤层注水均匀性，最终实现煤层均匀消突。

Description

一种卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工方法

技术领域

本发明涉及一种卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工方法，尤其适用于突出煤层煤巷条带消突领域。

背景技术

煤与瓦斯突出是煤矿井下高瓦斯煤层采掘生产过程中发生的一种严重动力灾害，根据对发生突出的作业地点统计，突出多数发生在煤巷掘进工作面，占所有突出次数的66.2％。在煤巷掘进过程中，经常出现校检指标超限，严重影响煤巷掘进速度，如何保证煤巷的安全、快速掘进，实现采掘工作面的协调和正常接替，是生产现场亟需解决的问题。长期以来，底板密集穿层钻孔加水力冲孔的方法，被广泛应用于众多高瓦斯突出矿井煤巷条带突出危险性的消除，这种技术消除突出危险性的效果较好，但是其需要施工大量钻孔、导致人力物力难以为继，给瓦斯预抽留下的时间较少，严重制约了瓦斯灾害治理的效率，阻碍了采掘接替；此外，水力压裂技术应用后煤层裂缝扩展单一、致裂不均，且易发生煤泥堵塞裂缝，导致增透效果较差，难以被广泛推广；同时，其他单一增透技术均无法使瓦斯均匀高效抽采，且易形成空白带区域，给煤巷掘进留下隐患。此外，随着矿井开采深度加深，煤层高应力、高瓦斯、微孔隙、高吸附和低渗透等特性愈发显著，导致其突出危险性增强，且瓦斯愈发难以抽采，现有技术难以同时实现瓦斯高效抽采和煤层深度消突的作用，因此如何提供一种新的方法，通过多技术协同及优化耦合在煤体内部构建网络化裂隙通道、强化瓦斯抽采并实现深度均匀消突，以充分保障煤巷安全快速的掘进，是本行业的研究方向之一。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工方法，通过多技术协同及优化耦合在煤体内部构建形成裂隙网络，从而在实现强化瓦斯抽采的同时，还能实现深度均匀消突，以充分保障煤巷安全快速的掘进。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工方法，具体步骤为：

A、先沿煤巷长度方向将煤巷等长度划分成多个区域，选择一个区域，从低位巷向该区域四周依次间隔施工多个底板穿层控制孔，从而形成控制孔群组，接着在各个控制孔内进行水力冲孔作业，使每个控制孔处于煤巷内的部分均产生卸压空洞，促进卸压空洞周围卸压瓦斯解吸，冲孔完毕后对各个控制孔封孔，最后将每个控制孔内的橡胶管与瓦斯抽采管和压裂防喷装置连接，连接完毕后将各个瓦斯抽采管与瓦斯抽采系统连接，从而对各个控制孔进行瓦斯抽采；

B、从低位巷向步骤A中选择的区域中心施工爆压孔，完成后在爆压孔的煤层段开展松动爆破作业，利用该区域四周控制孔群组冲孔卸压形成的自由面诱导爆破裂纹扩展，增大爆破能量传播范围和效果，在爆压孔周围产生复杂裂隙网络；

C、爆破完毕后继续在爆压孔进行高压水力压裂作业，高压水将沿着爆压孔周围的复杂裂隙网络流动运移，同时进一步驱动裂隙网络的扩展，直至与四周控制孔群组中的一个控制孔连通；

D、步骤C中的控制孔被压透与爆压孔连通后，部分瓦斯、水和煤泥会经卸压空洞涌入孔内，该控制孔相连的压裂防喷装置被迅速打开，防止喷孔发生，并暂停爆压孔的压裂作业，完成防喷工作后卸除压裂防喷装置，采用爆压封孔器对该控制孔进行耐压封孔；

E、被压透的控制孔封孔完毕后，继续在爆压孔进行水力压裂作业，当控制孔群组其他任意一个控制孔被压透后，对当前控制孔重复步骤D的过程，如此持续直至所有控制孔均被压透连通，停止压裂作业；

F、先打开其中一个控制孔的爆压封孔器排水阀门进行孔内压力卸除，再将爆压封孔器移出当前控制孔，将该控制孔内的橡胶管与抽采及注水一体化装置连接；

G、对控制孔群组内其余各个控制孔均重复步骤F的过程，最后将抽采及注水一体化装置与瓦斯抽采系统连接，对各个控制孔进行同步瓦斯抽采，并在瓦斯抽采过程中，向爆压孔内实施多次注气驱替整个区域内残余的煤层瓦斯，强化控制孔群组瓦斯抽采效果，进一步降低当前区域内的残余瓦斯含量，从而实现当前区域的卸压消突及瓦斯抽采过程；

H、再选择一个区域，并重复步骤A至G，再完成一个区域的卸压消突及瓦斯抽采过程，如此持续直至完成整个煤巷的卸压消突及瓦斯抽采过程，最后进行区域防突效果检验达标后，则开始进行煤巷的掘进作业；

I、在煤巷掘进过程中，超前工作面50～100m，将某一区域的抽采及注水一体化装置与瓦斯抽采系统断开，并通过注水管与注水泵连接，利用注水泵对该区域的各个控制孔实时超前多钻孔同步均匀注水，通过这种方式能提高煤层的含水率，软化煤体、降低工作面前方煤体弹性潜能的同时抑制瓦斯放散，进一步消除煤层突出危险性，确保煤巷掘进安全。

进一步，所述实施多次注气驱替采用的气体是N₂和CO₂的其中之一或两种混合组成。采用这两种气体能实现对瓦斯的驱替，且注入的气体不会造成瓦斯发生爆燃。

进一步，所述实施多次注气驱替之后，在爆压孔与控制孔群组之间的部位施工多个卸压瓦斯抽采钻孔，强化对当前区域内煤体残余瓦斯的抽采，消除抽采盲区。

进一步，所述实施注气驱替的注气压力为1～20MPa，注气过程中若存在钻孔连通，可视情况降低注气压力，采用低压注气；同时当瓦斯抽采浓度下降至较低水平时可停止注气。

进一步，所述同步均匀注水的注水压力为1～20MPa；同时添加注水添加剂，进一步提高煤体润湿性，实现均匀深度注水。

与现有技术相比，本发明采用先对煤巷划分多个区域，在每个区域均施工控制孔群组和爆压孔，其中控制孔具有瓦斯抽采、水力压裂过程中排水、煤泥和瓦斯；并能实现防喷孔和后期注水等多种功能，爆压孔具有松动爆破、水力压裂、注气驱替等多种功能；控制孔冲孔后形成卸压空洞为松动爆破提供卸压空间，控制引导爆破产生的裂纹向卸压空洞拓展，并提高裂纹拓展效果，实现卸压控制爆破；另外，爆压孔内进行水力压裂前先爆破，能降低后续水力压裂的压力、提高水力压裂均匀性，通过各个控制孔可引导、监控水力压裂裂隙向卸压空洞扩展发育；通过控制孔和爆压孔联动，显著提高煤层增透的效果和均匀性；通过卸压控制爆破引导水力压裂的方式实现强化瓦斯抽采的同时，还能实现深度均匀消突，在此基础上耦合注气驱替，可进一步提高治理区段煤体瓦斯抽采率，实现瓦斯均匀高效抽采；另外在煤巷掘进过程中通过在前方进行煤层注水，可大幅提高煤层注水均匀性，进一步实现煤层均匀消突。本发明所述的水力冲孔、控制爆破、水力压裂、控制孔防喷、保压封孔、安全解封、同步抽采、注气驱替以及同步均匀注水等一体化施工方法，保障了卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工的安全性和有效性；同时可大大减少水力冲孔的钻孔数量，缩短瓦斯治理周期；还能突破水力冲孔和水力压裂在煤矿井下的应用局限，实现煤巷条带瓦斯高效抽采和均匀消突，保证煤巷安全快速掘进。

附图说明

图1是本发明的整个施工示意图；

图2是本发明中控制孔群组和爆压孔施工平面位置及分组施工示意图；

图3是本发明中控制孔冲孔及防喷方法的施工示意图；

图4是本发明中控制孔安全解封的布设示意图；

图5是本发明中控制孔群组进行瓦斯同步抽采的布设示意图；

图6是本发明中控制孔群组进行超前同步均匀注水的布设示意图。

图中：1-低位巷，2-煤巷，3-控制孔，4-控制孔群组，5-卸压空洞，6-橡胶管，7-瓦斯抽采管，8-压裂防喷装置，9-爆压孔，10-裂隙网络，11-爆压封孔器，12-排水阀门，13-抽采及注水一体化装置，14-瓦斯抽采系统，15-煤巷长度方向，16-注水管，17-注水泵，18-卸压瓦斯抽采钻孔。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明具体步骤为：

A、先沿煤巷长度方向15将煤巷2等长度划分成多个区域，选择一个区域，从低位巷1向该区域四周依次间隔施工多个底板穿层控制孔3，从而形成控制孔群组4，接着在各个控制孔3内进行水力冲孔作业，使每个控制孔3处于煤巷2内的部分均产生卸压空洞5，促进卸压空洞5周围卸压瓦斯解吸，冲孔完毕后对各个控制孔3封孔，如图3所示，最后将每个控制孔3内的橡胶管6与瓦斯抽采管7和压裂防喷装置8连接，连接完毕后将各个瓦斯抽采管7与瓦斯抽采系统14连接，从而对各个控制孔3进行瓦斯抽采；

B、从低位巷1向步骤A中选择的区域中心施工爆压孔9，完成后在爆压孔9的煤层段开展松动爆破作业，利用该区域四周控制孔群组4冲孔卸压形成的自由面诱导爆破裂纹扩展，增大爆破能量传播范围和效果，在爆压孔9周围产生复杂裂隙网络10；

C、爆破完毕后继续在爆压孔9进行高压水力压裂作业，高压水将沿着爆压孔9周围的复杂裂隙网络10流动运移，如图2所示，同时进一步驱动裂隙网络10的扩展，直至与四周控制孔群组4中的一个控制孔3连通；

D、步骤C中的控制孔3被压透与爆压孔9连通后，部分瓦斯、水和煤泥会经卸压空洞5涌入孔内，该控制孔3相连的压裂防喷装置8被迅速打开，防止喷孔发生，并暂停爆压孔的压裂作业，完成防喷工作后卸除压裂防喷装置8，采用爆压封孔器11对该控制孔3进行耐压封孔；

E、被压透的控制孔3封孔完毕后，继续在爆压孔9进行水力压裂作业，当控制孔群组4其他任意一个控制孔3被压透后，对当前控制孔3重复步骤D的过程，如此持续直至所有控制孔3均被压透连通，停止压裂作业；

F、如图4所示，先打开其中一个控制孔3的爆压封孔器11排水阀门12进行孔内压力卸除，再将爆压封孔器11移出当前控制孔3，将该控制孔3内的橡胶管6与抽采及注水一体化装置14连接；

G、对控制孔群组4内其余各个控制孔3均重复步骤F的过程，如图5所示，最后将抽采及注水一体化装置13与瓦斯抽采系统14连接，对各个控制孔3进行同步瓦斯抽采，在瓦斯抽采过程中，向爆压孔9内实施多次注气驱替整个区域内残余的煤层瓦斯，强化控制孔群组4瓦斯抽采效果，进一步降低当前区域内的残余瓦斯含量。所采用的气体是N₂和CO₂的其中之一或两种混合组成；采用这两种气体能实现对瓦斯的驱替，且注入的气体不会造成瓦斯发生爆燃。注气压力为1～20MPa，注气过程中若存在钻孔连通，可视情况降低注气压力，采用低压注气；同时当瓦斯抽采浓度下降至较低水平时可停止注气，从而实现当前区域的卸压消突及瓦斯抽采过程；

H、再选择一个区域，并重复步骤A至G，再完成一个区域的卸压消突及瓦斯抽采过程，如此持续直至完成整个煤巷2的卸压消突及瓦斯抽采过程，最后进行区域防突效果检验达标后，则开始进行煤巷2的掘进作业；

I、在煤巷2掘进过程中，超前工作面50～100m，将某一区域的抽采及注水一体化装置13与瓦斯抽采系统14断开，如图6所示，并通过注水管16与注水泵17连接，利用注水泵17对该区域的各个控制孔3实时超前多钻孔同步均匀注水，注水压力为1～20MPa；同时添加注水添加剂，进一步提高煤体润湿性，实现均匀深度注水；从而能提高煤层的含水率，软化煤体、降低工作面前方煤体弹性潜能的同时抑制瓦斯放散，进一步消除煤层突出危险性，确保煤巷2掘进安全。

上述压裂防喷装置8、爆压封孔器11和抽采及注水一体化装置13均为现有装置，能通过市场购买获得。

作为本发明的一种改进，如图2所示，所述实施多次注气驱替之后，在爆压孔9与控制孔群组4之间的部位施工多个卸压瓦斯抽采钻孔18，强化对当前区域内煤体残余瓦斯的抽采，消除抽采盲区。

以上所述仅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

1.一种卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工方法，其特征在于，具体步骤为：

G、对控制孔群组内其余各个控制孔均重复步骤F的过程，最后将抽采及注水一体化装置与瓦斯抽采系统连接，对各个控制孔进行同步瓦斯抽采，并在瓦斯抽采过程中，向爆压孔内实施多次注气驱替整个区域内残余的煤层瓦斯，强化控制孔群组瓦斯抽采效果，从而实现当前区域的卸压消突及瓦斯抽采过程；

I、在煤巷掘进过程中，超前工作面50～100m，将某一区域的抽采及注水一体化装置与瓦斯抽采系统断开，并通过注水管与注水泵连接，利用注水泵对该区域的各个控制孔实时超前多钻孔同步均匀注水，进一步消除煤层突出危险性，确保煤巷掘进安全。

2.根据权利要求1所述卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工方法，其特征在于，所述实施多次注气驱替采用的气体是N₂和CO₂的其中之一或两种混合组成。

3.根据权利要求1所述卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工方法，其特征在于，所述实施多次注气驱替之后，在爆压孔与控制孔群组之间的部位施工多个卸压瓦斯抽采钻孔，强化对当前区域内煤体残余瓦斯的抽采，消除抽采盲区。

4.根据权利要求1所述卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工方法，其特征在于，所述实施注气驱替的注气压力为1～20MPa。

5.根据权利要求1所述卸压控制爆破引导水力压裂一体化消突施工方法，其特征在于，所述同步均匀注水的注水压力为1～20MPa。