一种基于水热耦合压裂煤体石门揭煤方法

摘要

本发明公开的基于水热耦合压裂煤体石门揭煤方法，首先在岩层巷道断面上依次施工主压裂孔、分支压裂孔和引导孔，主压裂孔布置在一个等边三角形中心位置处，分支压裂孔的开孔位置分别布置在该等边三角形的三个顶点处，其终孔位置在该等边三角形中心线处相聚，引导孔处在以主压裂孔为圆心，半径为5～15m的圆上；压裂设备包括由智能水箱、压裂泵构成的注水设备和注粉器组成。通过井下风压将注粉器中的生石灰粉注入主压裂孔和分支压裂孔中；通过注水设备对主压裂孔进行水力压裂，生石灰粉在高压水的携带下进入裂缝，同时生石灰粉和水分发生热反应生成大量的热，实现水热耦合压裂煤体石门揭煤。通过基于水热耦合压裂煤体石门揭煤方法，降低了预揭煤煤层的地应力和瓦斯压力，安全性效果显著，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于水热耦合压裂煤体石门揭煤方法，属于煤矿井下石门揭煤技术领域， 尤其适用于在深部高瓦斯突出煤层中高危险性石门揭煤作业。

背景技术

我国煤矿地质条件复杂，高瓦斯煤层占50％-70％，而高瓦斯低透气性煤层又占其中的70％ 左右。我国高瓦斯低透气性煤层赋存特征是微孔隙性、低渗透率和高吸附性，导致在首次石 门揭煤过程中往往伴随着大量瓦斯涌出，特别是随着煤炭生产的高效集约化和开采深度的增 加，瓦斯涌出量和煤层地应力越来越大，导致石门揭煤时煤与瓦斯突出的威胁越来越严重。 因此，煤矿在煤层石门揭煤之前常需要进行区域瓦斯治理作业，将预揭煤层瓦斯压力和地应 力充分卸压增透。

多年来，我国煤矿一直在研究如何防止石门揭煤时煤与瓦斯的突出，力图消除石门揭煤 的突出危险，虽然采取了钢骨架、注浆加固、预抽煤层瓦斯、水力压裂、水力冲孔甚至煤揭 岩等一系列措施，但石门揭煤突出现象仍时有发生，甚至出现延期时间不等的突出，造成了 煤矿企业财产的严重损失。主要是因为传统的石门揭煤技术前煤层裂隙扩展不充分，没有实 现区域的裂隙网络化。而且，传统水力压裂石门揭煤技术实施后水分的存在封堵了瓦斯流动 的通道，产生抑制瓦斯解吸、扩散和渗透的作用，导致在石门揭煤前的煤层没有充分卸压增 透，地应力和瓦斯压力高、瓦斯含量大、危险性高。因此，为了解决现有石门揭煤技术缺陷， 急需一种新型的石门揭煤技术方法，以满足煤矿现场石门揭煤工作的需要。

结合并吸取现有水力压裂的优势，借鉴升温促进瓦斯解吸的思路，增加压裂后预揭煤层 中瓦斯解吸量、减少压裂后水分的封堵作用，利用合理的钻孔布置使预揭煤层产生区域裂隙 网络，降低煤层揭煤前的地应力、瓦斯压力和瓦斯含量，形成基于水热耦合压裂煤体石门揭 煤方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对高瓦斯低透气性煤层石门揭煤的不足之处，提供一种压 裂影响区域大，瓦斯解吸量大，瓦斯抽采效果明显、成功率高、成本低、安全性高的基于水 热耦合压裂煤体石门揭煤方法。

技术方案：

本发明基于水热耦合压裂煤体石门揭煤方法，其特征在于包括以下步骤：

a.在岩层巷道断面依次施工主压裂孔和三个分支压裂孔，主压裂孔布置在一个等边三角 形中心位置处，三个分支压裂孔的开孔位置分别布置在该等边三角形的三个顶点处，三个分 支压裂孔的终孔位置在该等边三角形中心线处相聚，形成以等边三角形为底，以分支压裂孔 为棱边的正三棱锥形，使主压裂孔、三个分支压裂孔在煤层内贯通，主压裂孔与分支压裂孔 的开孔间距为2～3m。

b.在距离主压裂孔5～15m位置处施工四个引导孔，使四个引导孔处在以主压裂孔为圆 心，半径为5～15m的圆上；

c.在主压裂孔孔口连接压裂设备，所述压裂设备包括由智能水箱、压裂泵构成的注水设 备和注粉器组成。注水设备的出水管和注粉器的出粉管通过三通连接在一起，三通的出口经 高压胶管与压裂管相连接，注水设备的出水管、注粉器的出粉管上分别设有单向阀；

d.采用常规的封孔方法依次对主压裂孔、分支压裂孔和引导孔进行钻孔密封；

e.向注粉器中加入一定量的生石灰粉，通过井下风压将注粉器中的生石灰粉注入主压裂 孔中，待所有分支压裂孔全部出粉时，停止注粉；

f.打开压裂泵，通过注水设备对主压裂孔进行水力压裂，在主压裂孔和分支压裂孔周围 产生裂缝，生石灰粉在高压水的携带下进入裂缝，同时生石灰粉和水分发生热反应生成大量 的热，实现水热耦合压裂煤体；

g.重复步骤e、f，当四个引导孔全部出现水流出时，停止水热耦合压裂，拆除压裂设备， 将主压裂孔、分支压裂孔和引导孔联入瓦斯抽采管网，进行瓦斯抽采；

h.当煤层瓦斯含量小于8m³/t时，停止瓦斯抽采，按照常规揭煤方法揭开煤层。

有益效果：由于采用了上述技术方案，解决了现有石门揭煤技术缺陷，实现了煤层水热 耦合压裂煤体安全揭煤，通过水热耦合压裂促进了预揭煤层的裂隙发育、扩展和贯通，压裂 影响区域增加；温度升高促进了预揭煤层内高吸附性的瓦斯解吸、增加压裂后瓦斯解吸量； 水分与生石灰粉反应，水分含量降低，减少压裂后水分的封堵作用；降低了预揭煤层的地应 力、瓦斯压力和瓦斯含量，通过实施水热耦合压裂煤体石门揭煤方法，成本低，安全性效果 显著，满足了煤矿现场深部煤体石门揭煤等工作的需要。

附图说明

图1是本发明的一种基于水热耦合压裂煤体石门揭煤方法钻孔布置图。

图2是本发明的一种基于水热耦合压裂煤体石门揭煤方法实施例示意图。

图中：1—巷道断面，2—主压裂孔，3—分支压裂孔，4—引导孔，5—智能水箱，6—压 裂泵，7—高压胶管，8-1—单向阀，8-2—单向阀，9—阀门，10—三通，11—压裂管，12—注 粉器，13—生石灰粉，14—岩层，15—煤层。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步的描述：

图1和图2所示，一种基于水热耦合压裂煤体石门揭煤方法：首先，在岩层14巷道断面 1依次施工主压裂孔2和三个分支压裂孔3，主压裂孔2布置在一个等边三角形中心位置处， 三个分支压裂孔3的开孔位置分别布置在该等边三角形的三个顶点处，三个分支压裂孔3的 终孔位置在该等边三角形中心线处相聚，形成以等边三角形为底，以分支压裂孔3为棱边的 正三棱锥形，使主压裂孔2、三个分支压裂孔3在煤层15内贯通，主压裂孔2与分支压裂孔 3的开孔间距为2～3m；在距离主压裂孔2的5～15m位置处施工四个引导孔4，使四个引导孔 4处在以主压裂孔2为圆心，半径为5～15m的圆上；在主压裂孔2孔口连接压裂设备，所述 压裂设备包括由智能水箱5、压裂泵6构成的注水设备和注粉器12组成。注水设备的出水管 和注粉器的出粉管通过三通10连接在一起，三通10的出口经高压胶管7与压裂管11相连接， 注水设备的出水管、注粉器12的出粉管上分别设有单向阀8-1和单向阀8-2；采用常规的封 孔方法依次对主压裂孔2、分支压裂孔3和引导孔4进行钻孔密封；向注粉器12中加入一定 量的生石灰粉13，通过井下风压将注粉器12中的生石灰粉13注入主压裂孔2中，待所有分 支压裂孔3全部出粉时，停止注粉；打开压裂泵6，通过注水设备对主压裂孔2进行水力压 裂，在主压裂孔2和分支压裂孔3周围产生裂缝，生石灰粉13在高压水的携带下进入裂缝， 同时生石灰粉13和水分发生热反应生成大量的热，实现水热耦合压裂煤体；当四个引导孔4 全部出现水流出时，停止水热耦合压裂，拆除压裂设备，将主压裂孔2、分支压裂孔3和引 导孔4联入瓦斯抽采管网，进行瓦斯抽采；当煤层15瓦斯含量小于8m³/t时，停止瓦斯抽采， 按照常规揭煤方法揭开煤层15。通过水热耦合压裂促进了预揭煤层的裂隙发育、扩展和贯通， 压裂影响区域增加；温度升高促进了预揭煤层内高吸附性的瓦斯解吸、增加压裂后瓦斯解吸 量；水分与生石灰粉反应，水分含量降低，减少压裂后水分的封堵作用；降低了预揭煤层的 地应力、瓦斯压力和瓦斯含量，通过实施水热耦合压裂煤体石门揭煤方法，成本低，安全性 效果显著，满足了煤矿现场深部煤体石门揭煤等工作的需要。