一种煤层高压水力割缝压裂的钻孔布置结构及增透方法

摘要

本发明提供了一种煤层高压水力割缝压裂的钻孔布置结构，在底抽巷内沿其长度方向向煤层方向开设有三排钻孔，每排钻孔均包括多个割缝钻孔和多个压裂钻孔，其中一排钻孔的开孔点位于巷道顶板；另外两排钻孔的开孔点均位于巷帮；每排钻孔的相邻两个所述压裂钻孔之间等间隔设有两个所述割缝钻孔。本发明所述的钻孔布置结构，过合理设计割缝钻孔和压裂钻孔的布置方式和数量，在提高抽采效率的同时，减少了压裂钻孔的数量，降低了成本。本发明还提供了一种煤层高压水力割缝压裂的增透方法。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，尤其是涉及一种煤层高压水力割缝压裂的钻孔布置结构及增透方法。

背景技术

我国煤矿多为高瓦斯低透气性矿井，瓦斯事故占矿井各类重、特大事故的比重最大，对矿井造成的损失最严重。随着社会对煤炭需求量的日益增加，开采能力的不断提高，开采深度增加的趋势日趋明显。随着煤层开采深度增加，煤层瓦斯压力增加，瓦斯含量增大，煤层渗透率降低，突出煤层的数量也呈增加趋势，煤与瓦斯突出矿井也随之增多。因此，有必要对低透煤层瓦斯强化抽采和石门揭煤措施进行进一步研究。

水力割缝增透技术是利用高压射流割缝工艺在钻孔内割缝并排出部分煤体，消除应力集中，破解钻孔周围产生的瓶颈效应，形成钻孔内较大范围的卸压增透区域，实现了水力压裂过程中裂隙扩展方向的可控性，同时因为导向槽附近煤体抗拉强度降低，从而降低了压开压力，扩大了压裂半径，增大了卸压范围；但水力割缝存在有效影响范围小的缺点。水力压裂技术是通过向煤体内注入高压水，使煤体内原生裂隙张开，同时形成新的裂隙，提高了煤体的透气性，其优点是影响范围比较大，但是，水力压裂存在着压裂方向不易控制，且容易形成局部应力集中的问题井，不利于瓦斯的抽采。现有技术中，公开号为CN 104389631A的专利公开了一种低透气性煤层割缝与压裂协同网络化增透方法，通过将割缝钻孔与压裂钻孔交叉协同布置，并对压裂钻孔进行分段压裂，扩大了单个钻孔有效影响范围，实现了瓦斯高效抽采，但该技术存在以下缺点：该工艺复杂，实际井下施工，不易操作。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种煤层高压水力割缝压裂的钻孔布置结构，以解决割缝钻孔影响范围小、压裂裂缝扩展方向不易控制的问题，实现瓦斯高效抽采，同时，减少压裂钻孔的数量，从而降低成本，本发明还提供 了一种煤层高压水力割缝压裂的增透方法。

本发明采用的技术方案是：

一种煤层高压水力割缝压裂的钻孔布置结构，在底抽巷内沿其长度方向向煤层方向开设有三排钻孔，每排钻孔均包括多个割缝钻孔和多个压裂钻孔，其中一排钻孔的开孔点位于巷道顶板；另外两排钻孔的开孔点均位于巷帮；每排钻孔的相邻两个所述压裂钻孔之间等间隔设有两个所述割缝钻孔。

本发明所述的煤层高压水力割缝压裂的钻孔布置结构，其中，相邻两个所述割缝钻孔或相邻所述割缝钻孔和所述压裂钻孔之间等间隔设置。

本发明所述的煤层高压水力割缝压裂的钻孔布置结构，其中，相邻钻孔之间的距离为10-12m。

本发明还提供了一种煤层高压水力割缝压裂增透方法，包括以下步骤：

(a)按上述钻孔布置结构，逐一施工各所述割缝钻孔并采用高压水射流对各割缝钻孔进行高压水力割缝，采用封孔材料对各所述割缝钻孔进行常规封孔作业后，连入瓦斯抽采管路进行瓦斯抽采；

(b)按上述钻孔布置结构，逐一施工各所述压裂钻孔并采用封孔材料对所述压裂钻孔进行封孔；

(c)对各所述压裂钻孔进行高压水力压裂。

本发明所述的煤层高压水力割缝压裂增透方法，其中，步骤(a)中所述高压水力割缝的过程为：将高压水泵的高压排出端依次通过高压胶管和旋转接头与水射流钻杆的一端连接，装有喷嘴的水射流喷头固定设置在所述水射流钻杆的另一端；用钻机带动所述水射流钻杆将所述水射流喷头送至所述割缝钻孔底，然后开启所述钻机，使所述水射流钻杆以最低转速旋转；通过调节截止阀，控制射流系统压力，打开所述喷嘴，对所述割缝钻孔的孔壁的煤体进行旋转切割，同时所述水射流钻杆在所述割缝钻孔内缓慢往复运动，通过改变所述割缝钻孔内所述水射流钻杆的长度来控制所述割缝钻孔割缝段的范围，形成扩孔钻孔，直到完成割缝作业。

本发明所述的煤层高压水力割缝压裂增透方法，其中，步骤(c)中所述高压水力压裂的过程为：将高压水泵的高压排出端通过高压胶管与所述水射流钻杆的一端连接，将所述水射流钻杆的另一端送至所述压裂钻孔底，开启所述高压水 泵，开始进行水力压裂，将泵压缓慢上调直至所述压裂钻孔有水流出。

本发明所述的煤层高压水力割缝压裂增透方法，其中，步骤(a)中所述扩孔钻孔的直径为300-500mm。

本发明所述的煤层高压水力割缝压裂增透方法，其中，步骤(a)中所述封孔材料为水泥砂浆，封孔后所述水泥砂浆需凝固72h以上。

本发明有益效果：

本发明所述的高压水力割缝压裂的钻孔布置结构，通过合理设计割缝钻孔和压裂钻孔的布置方式和数量，在提高抽采效率的同时，减少了压裂钻孔的数量，降低了生产成本。

本发明所述的高压水力割缝压裂煤层增透方法，能显著提高钻孔的瓦斯抽采量，另外在经济、时间等方面都具有很大的优越性。为揭煤及煤层增透提供指导，为瓦斯冶理提供了技术保障。对于无保护层开采条件的突出煤层，以高压水力割缝实现煤体局部卸压为基础，再通过定向高压水力压裂扩大卸压范围的水力割缝压裂综合增透技术，可以实现穿层钻孔强化抽采瓦斯和安全高效揭穿煤层。采用该方法后，煤层透气性明显增加，又使煤体的塑性提高和湿度增加，从而降低了煤层的突出危险性，并降低了煤尘。此外，还大幅度减少了抽采钻孔工程量，有效缩短了抽采达标时间，还能减少封孔材料、抽采管路等抽放附属设施的费用，降低测气员的工作量，从而也降低了预抽成本。

附图说明

图1为本发明所述高压水力割缝压裂煤层增透方法的钻孔平面布置示意图；

图2为本发明所述高压水力割缝压裂煤层增透方法的钻孔立面布置示意图；

图3为本发明所述高压水力割缝压裂煤层增透方法的高压水力割缝工艺系统的结构示意图；

图4为本发明的高压水力割缝压裂煤层增透方法的高压水力割缝压裂工艺系统的结构示意图。

下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例一种用于煤层高压水力割缝压裂的钻孔布置结构，施工地点选取某煤矿12408工作面低位瓦斯抽采巷道，在底抽巷3内沿其长度方向向煤层4方向开设有三排钻孔，每排钻孔均包括多个割缝钻孔1和多个压裂钻孔2，其中一排钻孔的开孔点位于巷道顶板，距离巷帮1m；另外两排钻孔的开孔点均位于巷帮，距巷道底板5的距离为2m；每排钻孔的相邻两个压裂钻孔2之间等间隔设有两个割缝钻孔1，相邻两个割缝钻孔1或相邻割缝钻孔1和压裂钻孔2之间等间隔设置，三排钻孔中相邻两排钻孔的压裂钻孔2不相邻，以使多个压裂钻孔2分散布置，相邻钻孔之间的距离为10-12m。

本实施例一种煤层高压水力割缝压裂增透方法，包括以下步骤：

(a)按上述钻孔布置结构，逐一施工各割缝钻孔1并采用高压水射流对各割缝钻孔1进行高压水力割缝，将高压水泵6的高压排出端依次通过高压胶管8和旋转接头14与水射流钻杆10的一端连接，装有喷嘴12的水射流喷头11固定设置在水射流钻杆10的另一端；用钻机15带动水射流钻杆10将水射流喷头11送至割缝钻孔1底，然后开启钻机15，使水射流钻杆10以最低转速旋转；通过调节截止阀7，控制射流系统压力，压力为25MPa，打开喷嘴12，对割缝钻孔1的孔壁的煤体进行旋转切割，同时水射流钻杆10在割缝钻孔1内缓慢往复运动，通过改变割缝钻孔1内水射流钻杆10的长度来控制割缝钻孔1割缝段的范围，形成扩孔钻孔13，扩孔钻孔13的直径为500mm，直到完成割缝作业，采用封孔材料9对各割缝钻孔1进行常规封孔作业后，连入瓦斯抽采管路进行瓦斯抽采；

(b)按上述钻孔布置结构，逐一施工各压裂钻孔2并采用封孔材料9对压裂钻孔2进行封孔，封孔材料9为水泥砂浆，封孔后所述水泥砂浆需凝固72h以上；

(c)对各压裂钻孔2进行高压水力压裂，将高压水泵6的高压排出端通过高压胶管8与水射流钻杆10的一端连接，将水射流钻杆10的另一端送至压裂钻孔1底，开启高压水泵6，开始进行水力压裂，将泵压缓慢上调直至压裂钻孔2有水流出，使压裂钻孔2与周围邻近钻孔之间煤体被压开形成贯穿裂隙通道，并通过高压水携带出煤屑，达到增加煤层透气性的目的。

本实施例中，选取不同钻孔对12408底抽巷水力压裂瓦斯监测：采取割缝压裂作业后，126～137#钻孔的平均瓦斯抽采浓度介于15％～92％之间，平均瓦斯抽 采浓度为48.04％；158～163#钻孔的平均瓦斯抽采浓度介于12％～61％之间，平均瓦斯抽采浓度为32.52％；181～186#钻孔的平均瓦斯抽采浓度介于11％～69％之间，平均瓦斯抽采浓度为45.81％；198～203#钻孔的平均瓦斯抽采浓度介于10％～61％之间，平均瓦斯抽采浓度为36.15％；227～232#钻孔的平均瓦斯抽采浓度介于10％～75％之间，平均瓦斯抽采浓度为40.35％；而对比常规116#～125#钻孔的平均瓦斯抽采浓度介于5％～35％之间，平均瓦斯抽采浓度为13.18％，如表1所示。

对比结果可以看出，采取本实施例割缝压裂增透作业后，其瓦斯抽采的平均浓度是常规钻孔的3.08倍；显然，采取割缝压裂综合增透作业取得了明显的增透效果。

表1采取割缝压裂综合增透的钻孔和常规钻孔的瓦斯浓度的对比

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。