基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺及应用

1.本发明属于煤矿瓦斯治理技术领域，尤其涉及一种基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺及应用，尤其适用于高瓦斯、高地应力、低透气性松软煤层在掘进过程中的瓦斯治理。

背景技术：

2.随着开采深度的增加，地应力、瓦斯压力等因素的影响加剧，致使松软煤层的渗透率降低，高地应力及复杂瓦斯赋存条件下所引发的煤岩瓦斯动力灾害给煤矿安全带来了严重威胁。释放围岩应力、改善煤层透气性、提升瓦斯抽采效率是瓦斯治理的关键所在。

技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺及应用。
4.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺，其特征在于，包括以下步骤：s1.确定关键层：通过理论计算结合相似模拟试验，判定覆岩主、亚关键层层位；s2.确定关键层起裂压力和压裂范围：基于理论计算以及实验分析得出关键层起裂压力，通过现场测试确定水力压裂破坏关键层影响范围；s3.设计分段水力压裂钻孔布置：依据压裂范围，在巷道两侧与巷道顶部分别布置一组高、低位压裂钻孔，高位钻孔超前工作面55 m，穿透主、亚关键层，低位钻孔超前工作面55 m，只穿透亚关键层，在主关键层与亚关键层中每隔2 m布置1个压裂点；s4.确定抽采半径并下封孔器注水压裂：将组装好的封孔器连接钻杆送入预先布置的压裂点后开始注水，现场手动操作注水过程实时监测注水压力和压裂时间信息；s5.水力造穴钻孔的布置：通过实验室试验以及数值模拟结合掘进工作面的实际尺寸，在满足抽采要求的基础上，确定水力造穴钻孔的数量及造穴间距，在掘进工作面迎头及巷帮两侧施工煤层顺层水力造穴钻孔，采用水力造穴一体化成套设备先在掘进工作面迎头进行后退式造穴，利用高压水射流每隔一段距离进行一次水力造穴，最后施工巷帮两侧的水力造穴钻孔，施工完成后，通过大流量的静压水将造穴时残存的煤屑冲出，采用压风冲出该部分积水，并在煤层水力造穴钻孔中下入筛管进行并网预抽。
5.进一步的，所述分段水力压裂钻孔为：巷道两侧的高位钻孔控制巷道两侧30 m，顶板往上30 m位置；低位孔控制巷道两侧30 m，顶板往上12 m位置；巷道顶部高位孔终孔距离煤层上方30m；低位孔终孔距离煤层上方11 m。
6.进一步的，所述后退式造穴是指在施工过程中首先完成顺层钻孔的施工，然后在退钻过程中进行水力造穴，每次造穴过程中，将水压提高至18 mpa保持钻杆高速旋转，并在1 m长的造穴孔段内来回移动钻杆以完成造穴，当出煤停止，钻孔的出水变清时，停止造穴，
然后，将钻杆退至下一个造穴位置完成其他造穴。
7.进一步的，所述水力造穴钻孔，钻孔使用“两堵一注”的方式进行封孔，封孔长度12 m，封孔压力为1.5 mpa。
8.一种基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺用于高地应力、高瓦斯压力松软煤层煤巷掘进施工过程中。
9.本发明具有的优点是：本发明通过利用关键层分段水力压裂技术压裂关键层，切断煤层上覆岩层的应力传递路径，改变煤层上覆岩层的应力使煤体卸压，并在煤层中施工水力造穴钻孔，通过钻孔对钻孔周围的煤体进行分段冲孔、破碎煤体、扩大孔径，从而释放煤层周围应力及瓦斯压力，提高煤层透气性、提升瓦斯抽采效率；与现有的单一化治理煤层瓦斯技术相比，本发明可有效的解决松软煤层掘进过程中喷孔、响煤炮、瓦斯抽采效率低下的问题，提高了工作面的安全性，保障巷道安全、快速掘进。
附图说明
10.图1为一种基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺的整体步骤流程示意图；图2为卸压钻孔压裂段布置及水力造穴钻孔图；图3为水力造穴钻孔示意图；图4为巷道两侧压裂钻孔立体示意图；图5为造穴钻孔布置图。
具体实施方式
11.如图所示，本发明提供了一种基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺及应用，为使发明目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例仅用于解释发明，是本发明的一部分实例，并不限定于发明，具体实施方式如下：利用基础钻孔地质资料、测井资料等数据，研究地应力、瓦斯、地质等概况，确定煤层上覆岩层岩性组成及分布。基于材料力学悬臂梁理论，计算覆岩的破断距；基于岩石力学公式推导出破断角。综合上述结果和控制层高等参数，理论计算出“三带”高度，建立上覆岩层理论垮落模型。基于理论垮落模型，建立实验模型与物理模型，分析上覆岩层的垮落规律、破坏状态、裂隙发育、发展规律，确定主关键层3、亚关键层6层位。
12.通过现场采集岩样实验室测定岩石力学性质、估算关键层破裂压力，选择合理的岩层压裂方式。
13.根据现场试验分析得出上覆关键层水力压裂压力为15.3 mpa，持续泵注高压水15 min，水力压裂破坏关键层影响范围约为15 m。
14.在巷帮两侧水平距离12 m的主关键层3和与巷帮两侧水平距离8 m的亚关键层6以及巷道顶部主、亚关键层中采用高低位钻孔分别对主关键层3和亚关键层6进行分段压裂。在掘进巷帮两侧，高位钻孔1控制巷道两侧30 m，顶板7往上30 m位置，钻孔超前工作面55 m，开孔高度1.8 m，方位角
±
15
°
，倾角30
°
，钻孔长度65 m，穿透主关键层3和亚关键层6，低位孔4控制巷道两侧30 m，顶板7往上12 m位置，钻孔超前工作面 55 m，开孔高度1.5 m，方
位角
±
15
°
，倾角13
°
，钻孔长度59 m，只穿透亚关键层6；巷道顶部高位孔开孔高度1.8m，方位角0
°
，倾角30
°
，钻孔长度64m，穿透主关键层3和亚关键层6，终孔距离煤层上方30m；低位孔开孔高度1.5m，方位角0
°
，倾角13
°
，钻孔长度57m，只穿透亚关键层6，终孔距离煤层上方11m；在主关键层3与亚关键层中每隔2 m设置1个压裂点2；下封孔器注水压裂：将组装好的封孔器连接钻杆送入预先布置的压裂点2后开始注水，现场手动操作注水过程实时监测注水压力和压裂时间等信息，分为四个阶段。水压自然上升阶段，自然升压缓慢注水确保胶囊封孔器两端鼓起，有效的对钻孔进行封堵；手动升压阶段，封孔器实验有效封堵之后缓慢升高注水压力，待岩石出现破裂压力降低后保持破裂压力持续注水；压力保持阶段，保持高压注水动力30 min使得岩石充分的起裂、重复起裂；手动卸压阶段，手动卸压并关停注水设备，完成压裂。
15.顺序压裂：先压裂巷道两侧后压裂巷道顶部；先压裂上部主关键层3，其次压裂下部亚关键层6；先压裂钻孔内部后压裂外部，依次对卸压钻孔内布置的压裂点2进行注水压裂；钻孔内压裂点2完成后对胶囊封孔器充分排水降压后保证不被损坏后回撤至下一压裂点；根据掘进工作面8的实际尺寸，在满足《防治煤与瓦斯突出规定》对巷道控制范围的要求的基础上确定所要控制范围的边界。基于确定的控制范围边界，进一步考虑在满足所需控制区域的前提下，设计布置水力造穴钻孔。
16.通过理论计算以及数值模拟结合掘进工作面的实际尺寸，在满足抽采要求的基础上，确定水力造穴钻孔的数量及造穴间距。
17.在掘进工作面及巷帮两侧施工煤层10顺层水力造穴钻孔9，采用水力造穴一体化成套设备先在掘进工作面迎头施工顺层钻孔，在退钻的过程中，利用高压水射流每隔一段距离进行一次水力造穴，最后施工巷帮两侧的水力造穴钻孔。水力造穴钻孔长度70 m，造穴间距6 m，造穴出煤量1 m
³
，钻孔使用“两堵一注”的方式进行封孔，封孔长度12 m，封孔压力为1.5 mpa。施工完成后，通过大流量的静压水冲出造穴时残存的煤屑，采用压风尽可能的排除钻孔中的积水，并在水力造穴钻孔中布置筛管，立即进行并网预抽。
18.高地应力、高瓦斯应力松软煤层掘进过程中常出现响煤炮、瓦斯异常涌出等现象，运用关键层分段水力压裂使煤体卸压结合煤层水力造穴提高煤层渗透率，提高瓦斯抽采效率。提升了工作面的安全性，保障巷道安全、快速掘进。
19.以上所述，仅为较佳的具体实施方式。本发明的保护范围不局限与此，任何收悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺，其特征在于，包括以下步骤：s1.确定关键层：通过理论计算结合相似模拟试验，判定覆岩主、亚关键层层位；s2.确定关键层起裂压力和压裂范围：基于理论计算以及实验分析得出关键层起裂压力，通过现场测试确定水力压裂破坏关键层影响范围；s3.设计分段水力压裂钻孔布置：依据压裂范围，在巷道两侧与巷道顶部分别布置一组高、低位压裂钻孔，高位钻孔超前工作面55 m，穿透主、亚关键层，低位钻孔超前工作面55 m，只穿透亚关键层，在主关键层与亚关键层中每隔2 m布置1个压裂点；s4.确定抽采半径并下封孔器注水压裂：将组装好的封孔器连接钻杆送入预先布置的压裂点后开始注水，现场手动操作注水过程实时监测注水压力和压裂时间信息；s5.水力造穴钻孔的布置：通过实验室试验以及数值模拟结合掘进工作面的实际尺寸，在满足抽采要求的基础上，确定水力造穴钻孔的数量及造穴间距，在掘进工作面迎头及巷帮两侧施工煤层顺层水力造穴钻孔，采用水力造穴一体化成套设备先在掘进工作面迎头进行后退式造穴，利用高压水射流每隔一段距离进行一次水力造穴，最后施工巷帮两侧的水力造穴钻孔，施工完成后，通过大流量的静压水将造穴时残存的煤屑冲出，采用压风冲出该部分积水，并在煤层水力造穴钻孔中下入筛管进行并网预抽。2.如权利要求1所述的基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺，其特征在于：所述分段水力压裂钻孔为：巷道两侧的高位钻孔控制巷道两侧30 m，顶板往上30 m位置；低位孔控制巷道两侧30 m，顶板往上12 m位置；巷道顶部高位孔终孔距离煤层上方30m；低位孔终孔距离煤层上方11 m。3.如权利要求2所述的基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺，其特征在于：所述后退式造穴是指在施工过程中首先完成顺层钻孔的施工，然后在退钻过程中进行水力造穴，每次造穴过程中，将水压提高至18 mpa保持钻杆高速旋转，并在1 m长的造穴孔段内来回移动钻杆以完成造穴，当出煤停止，钻孔的出水变清时，停止造穴，然后，将钻杆退至下一个造穴位置完成其他造穴。4.如权利要求3所述的基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺，其特征在于：所述水力造穴钻孔，钻孔使用“两堵一注”的方式进行封孔，封孔长度12 m，封孔压力为1.5 mpa。5.如权利要求1-4任一所述的基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺用于高地应力、高瓦斯压力松软煤层煤巷掘进施工过程中。

技术总结

本发明属于煤矿瓦斯治理领域，涉及一种基于关键层分段水力压裂与煤层水力造穴的松软煤层瓦斯治理工艺及应用，包括

技术研发人员：

李峰 相广友 王琛琛 刘汉武 唐佳 孙润川 陈创

受保护的技术使用者：

中国矿业大学（北京）

技术研发日：

2022.08.08

技术公布日：

2022/11/3