一种基于梳状底板穿层钻孔压裂增透的模块化抽采方法

摘要

本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种基于梳状底板穿层钻孔压裂增透的模块化抽采方法，在底板巷向对应的煤巷中间进行压裂钻孔，钻孔后压裂分支孔不需要穿透煤层，底板巷中压裂主孔长度为400～500m，将压裂主孔与压裂分支孔进行定向钻孔封孔并实施水力压裂，完成水力压裂后掘进头开始向前方掘进，掘进面的后方实施预先设计好参数的穿层预抽钻孔进行穿层条带预抽，同时向回采工作面煤体底板中实施梳状底板穿层钻孔覆盖两个回采工作面或一个回采工作面进行压裂，压裂结束后接管预抽，本发明可以大幅度的减少底板巷掘进，效果相同前提下岩巷的投资为原方法岩巷投资的四分之一，缓解了矿井“抽、掘、采”衔接紧张情况，安全高效的提高矿井生产效率。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿安全技术领域，涉及一种基于梳状底板穿层钻孔压裂增透的模块化抽采方法。

背景技术

《煤矿安全规程》第二百一十条规定，有下列条件之一的突出煤层，不得将在本巷道施工顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施：

一、新建矿井的突出煤层。

二、历史上发生过突出强度大于500t/次的。

三、开采范围内煤层坚固性系数小于0.3的；或者煤层坚固性系数为0.3～0.5，且埋深大于500m的；或者煤层坚固性系数为0.5～0.8，且埋深大于600m的；或者煤层埋深大于700m的；或者煤巷条带位于开采应力集中区的。

因此研究如何减少底板巷掘进量的预抽方法尤其重要，现有的区域防突措施方法有两类：开采保护层和预抽煤层瓦斯。本发明属于预抽煤层瓦斯技术。预抽煤层瓦斯技术有顺层钻孔预抽煤层瓦斯和穿层钻孔预抽煤层瓦斯两种方法：

顺层钻孔预抽煤层瓦斯是从已有的煤层巷道向突出煤层施工顺煤层的钻孔，采前抽采煤体瓦斯，区域性消除煤体的突出危险性，变高瓦斯突出危险煤层为低瓦斯无突出危险煤层。穿层钻孔预抽煤层瓦斯是从突出煤层工作面底(顶)部的岩石(或煤层)巷道向突出煤层施工穿透煤层的钻孔，采前抽采煤体瓦斯，区域性消除煤体的突出危险性，变高瓦斯突出危险煤层为低瓦斯无突出危险煤层。满足上述《煤矿安全规程》第二百一十条中三个条件的突出矿井，每个回采工作面必须采用至少两条底板岩巷进行穿层钻孔区域性消突，而且穿层钻孔中很大部分位于岩石段，煤层段的钻孔短，所以穿层钻孔的利用率极低，效果相同的前提下穿层钻孔的投资是顺层钻孔的四倍多。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有的顺层钻孔技术存在施工困难、进度缓慢，对于严重突出煤矿中的区域性消突方面存在技术经济投入大的问题，提供一种基于梳状底板穿层钻孔压裂增透的模块化抽采方法，本发明可以大幅度的减少底板岩巷的掘进，效果相同前提下岩巷的投资为原方法岩巷投资的四分之一，其中包含的水力化措施和定向长钻孔技术可以有效的解决区域性消突问题，这种大面积增透强化抽采工艺技术，缓解矿井“抽、掘、采”衔接紧张的情况，安全高效的提高矿井生产效率。

为达到上述目的，本发明提供一种基于梳状底板穿层钻孔压裂增透的模块化抽采方法，一条底板巷能够覆盖1～4个回采工作面，以一条底板巷单翼覆盖两个回采工作面为例，煤层瓦斯的抽采方法包括以下步骤：

A、将定向钻机放置在设计的底板巷掘进头，掘进头距离停采线约30m位置停止掘进；

B、通过定向钻机在底板巷向对应的煤巷中间进行压裂钻孔，钻孔后压裂分支孔的直径为95mm，钻孔后两个压裂分支孔的孔间距为40～60m，压裂分支孔不需要穿透煤层，减少高压水沿煤层顶板交界面流动的可能性，底板巷中压裂主孔长度根据定向钻机施钻的经济性确定一般为400～500m，压裂主孔与压裂分支孔形成底板梳状穿层压裂孔；

C、将压裂主孔与压裂分支孔进行定向钻孔封孔并实施水力压裂，其中压裂钻孔封孔工艺采用多次注浆封孔工艺进行封孔，煤层起裂压力为25～30MPa，高压泵注水压力为35～40MPa，压裂时压裂分支孔单孔注水量约为120m³，后续压裂分支孔注水量根据此压裂孔压裂效果进行调整，直至达到需要的压裂压力和压裂时间后停止压裂；

D、完成水力压裂后掘进头开始向前方掘进，掘进面的后方实施预先设计好参数的穿层预抽钻孔进行穿层条带预抽；

E、当掘进头掘到定向钻孔主孔孔底深度时停止，重复B～D步骤直至底板巷和所有穿层条带预抽钻孔施工完毕接抽，至区域防突措施效果检验和区域验证合格后方可掘进煤层巷道；

F、底板巷掘进的同时，定向钻机与普通钻机错开一定空间位置施工跨越两个回采工作面的底板梳状穿层压裂孔，并实施压裂及全部接抽；

G、随着底板巷穿层预抽条带预抽达标，煤巷也开始掘进并根据穿层压裂预抽钻孔的区域预测效果实施回采工作面煤体的顺层预抽钻孔，同时下一个回采工作面的顺槽由于前期已经采取区域措施，故可直接根据区域措施效果检验进行直接掘进或者二次区域措施并检验达标后掘进，省去了一条底板巷，节约了大量的成本。

进一步，步骤C中多次注浆封孔工艺为，在压裂孔施工完成后，首先下放压裂封孔管，到位后下放4分返浆管，然后下放注浆管，下放到位后孔口使用聚氨酯进行封堵，待聚氨酯凝固后，通过注浆管注入水灰比为0.8～0.9的水泥，水泥浆凝固1天后，通过注浆管向压裂分支孔内注浆，待返浆管返浓浆后，关闭注浆管孔口阀门，然后通过注浆管向压裂分支孔内注入清水，冲洗注浆管和压裂铁管，冲洗完成后保持返浆管孔口阀门呈打开状态，水泥浆凝固1天后通过返浆管再次向压裂分支孔内进行注浆，待压裂铁管返浆后，关闭返浆管孔口阀门，完成注浆，水泥浆凝固48小时后，即可进行水力压裂。

进一步，步骤C中压裂主孔与压裂分支孔的孔口处安装压力传感器监测孔口压力变化，在回风侧安设瓦斯浓度传感器，监测压裂主孔与压裂分支孔周边的瓦斯浓度变化情况，在压裂主孔与压裂分支孔孔口安装摄像头，实时观察孔口情况，压裂主孔与压裂分支孔孔口安装压力传感器，实现孔内压力变化的远距离精确监测，高压泵注系统管路中安装流量计，实现时时监控流量及累计注水量。

进一步，步骤C底板巷的巷口位置和压裂泵前后50m位置处设置警戒线。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所公开的基于梳状底板穿层钻孔压裂增透的模块化抽采方法，当一条底板巷施工完毕后，本条底板巷所覆盖的上方预抽条带穿层压裂钻孔也施工完毕并压裂成功，条带穿层预抽钻孔施工完毕并全部接抽，包括两个回采工作面及巷道条带煤体的模块压裂完毕并接抽。待底板巷上方穿层预抽条带的区域防突措施效果检验和区域验证合格后即可掘进上方煤巷，其他两个条带也可视检验结果实施二次区域措施或掘进。煤层巷道开始掘进后马上实施回采工作面顺层钻孔进行区域预抽，以上所有的煤巷掘进工作面顺层预抽钻孔、回采工作面顺层预抽钻孔、底板巷穿层预抽钻孔都是在经过水力压裂增透措施后的煤体中实施。整个模块化抽采方法改善了现有技术施工困难、工艺复杂、对矿方造成很大的经济负担、周期长等缺点，本发明模块化抽采方法施工容易，工艺简单、可以达到预期效果、可节省50％的成本并能达到消突目的。

2、本发明所公开的基于梳状底板穿层钻孔压裂增透的模块化抽采方法，在底板巷向对应的煤巷中间进行压裂钻孔，钻孔后压裂分支孔不需要穿透煤层，减少高压水沿煤层顶板交界面流动的可能性。底板巷中压裂主孔长度为400～500m，将压裂主孔与压裂分支孔进行定向钻孔封孔并实施水力压裂，完成水力压裂后掘进头开始向前方掘进，掘进面的后方实施预先设计好参数的穿层预抽钻孔进行穿层条带预抽，同时向回采工作面煤体底板中实施梳状底板穿层钻孔覆盖两个回采工作面或一个回采工作面进行压裂，压裂结束后接管预抽；待底板巷和所有穿层条带预抽钻孔施工完毕接抽时，回采工作面底板中的梳状底板穿层钻孔也压裂完毕并全部接抽。经过一段时间预抽后，穿层条带预抽效果达标时，底板巷上方的回采工作面顺槽可以开始掘进，下一个回采工作面的顺槽也可以根据底板中的梳状底板穿层钻孔的预抽效果来决定其掘进还是补充区域措施达标后掘进。本发明可以大幅度减少底板巷的掘进，结合水力化措施技术和定向长钻孔技术，解决了严重突出煤矿中的区域性消突方面的技术经济问题。对于那些不得将在本巷道施工顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施的突出矿井的区域防突技术提供了一种全新的解决方法。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明模块化抽采梳状底板穿层压裂增透钻孔的平面示意图；

图2为本发明模块化抽采梳状底板穿层压裂增透钻孔的剖面示意图；

图3为本发明模块化抽采梳状底板穿层压裂增透钻孔中穿层条带的剖面示意图；

图4为本发明模块化抽采梳状底板穿层压裂增透钻孔中多次注浆封孔工艺剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

水力压裂是以水作为动力，使煤体裂隙畅通的一种措施。水力压裂增透技术就是通过钻孔向煤层压入高压水，当水压入的速度远超过煤层的自然吸水能力时，由于流动阻力增加，进入煤层的液体压力逐渐上升，当超过煤层上方的岩压时，煤层内原来的闭合裂隙就会被压开形成新的流通网络，煤层渗透性就会增加。当压入的液体被排出时，压开的裂隙就为煤层瓦斯的流动创造了良好的条件。

水力压裂增透的同时，能够降低煤层的突出危险性：(1)对煤层的物理力学性质改变作用：具有压裂作用，通过水力压裂可以使裂隙不断贯通、扩大，扩大润湿半径，并产生“膨胀-收缩-膨胀”的反复作用，最大范围地改变煤层的物理力学性质；(2)对瓦斯的驱替作用：通过水力压裂最大限度的使水渗入到不同孔径的裂隙、孔隙中，最大限度地增加煤体的润湿性，会将不同孔内的瓦斯气体驱替出来；(3)改变地应力的分布规律：水力压裂可以使得工作面前方应力通过水压的传递作用变得更加均匀，从而降低由于应力不均匀分布造成的煤层突出的危险性。

含瓦斯煤体实施水力压裂后，抽采钻孔短时间内瓦斯浓度与抽采量均大幅增加，加快了抽采速度，降低了煤层瓦斯含量，是提高抽采效率的有效技术手段。

定向钻机由于其施工的技术特点：动力系统置于孔底，成本高；施工钻孔深度一般较深，经济深度大多为300～500m；钻机摆放位置相对固定，不易频繁移动。所以对施工介质的硬度系数f要求一般在1～7之间，太软的容易塌孔损失大，太硬的进尺困难；压裂半径一般在15～20m，可以保证定向钻机30～40m移动一次。

一种基于梳状底板穿层钻孔压裂增透的模块化抽采方法，如图1～2所示一条底板巷能够覆盖1～4个回采工作面，以一条底板巷单翼覆盖两个回采工作面为例，煤层瓦斯的抽采方法包括以下步骤：

A、将定向钻机放置在设计的底板巷掘进头，掘进头距离停采线约30m位置停止掘进。

B、通过定向钻机在底板巷向对应的煤巷中间进行如图3所示的压裂钻孔，钻孔后压裂分支孔的直径为95mm，钻孔后两个压裂分支孔的孔间距为40～60m，压裂分支孔不需要穿透煤层，减少高压水沿煤层顶板交界面流动的可能性，底板巷中压裂主孔长度根据定向钻机施钻的经济性确定一般为400～500m，压裂主孔与压裂分支孔形成底板梳状穿层压裂孔。

C、将压裂主孔与压裂分支孔进行定向钻孔封孔并实施水力压裂，其中压裂钻孔封孔工艺采用如图4所示的多次注浆封孔工艺进行封孔，在压裂孔施工完成后，首先下放压裂封孔管，到位后下放4分返浆管，然后下放注浆管，下放到位后孔口使用聚氨酯进行封堵，待聚氨酯凝固后，通过注浆管注入水灰比为0.8～0.9的水泥，水泥浆凝固1天后，通过注浆管向压裂分支孔内注浆，待返浆管返浓浆后，关闭注浆管孔口阀门，然后通过注浆管向压裂分支孔内注入清水，冲洗注浆管和压裂铁管，冲洗完成后保持返浆管孔口阀门呈打开状态，水泥浆凝固1天后通过返浆管再次向压裂分支孔内进行注浆，待压裂铁管返浆后，关闭返浆管孔口阀门，完成注浆，水泥浆凝固48小时后，即可进行水力压裂。

煤层起裂压力为25～30MPa，高压泵注水压力为35～40MPa，压裂时压裂分支孔单孔注水量约为120m³，后续压裂分支孔注水量根据此压裂孔压裂效果进行调整，直至达到需要的压裂压力和压裂时间后停止压裂。

此外为了更好的取得压裂效果，压裂实施过程中，须时时监测注水压力与流量。由于试验中采用远距离操作，由于高程落差，管路摩阻等因素的存在，在压裂泵处监测到的压力仅为泵注压力，与压裂孔内的压力相差甚远，为精确计算并实施监测孔内压力变化，试验中设计在压裂孔孔口安装压力传感器，实现孔内压力变化的远距离精确监测。流量及累计注入量可在泵注系统管路中安装流量计，实现时时监控。

由于水力压裂过程中，泵组、高压胶管、压裂孔内均为高压水，为了保证安全，在槽巷口位置和压裂泵前后50m位置处设置警戒线，试验过程中，禁止无关人员进入试验区域。准备工作完成后开始进行水力压裂工作。水力压裂试验过程中，实时记录试验参数，观察试验现象。

准备工作完成后，设置好警戒线，开泵进行注水压裂。压裂过程中，通过摄像头观察压裂孔孔口情况，密切关注压力变化，当压力波动超过10MPa或者泵注压力持续40MPa以上时，停泵卸压进行检查，有其他异常时及时处理。压裂过程达到设计注水量时，停泵、关闭孔口高压阀门，卸压，检查设备及管路。关闭孔口阀门保压7天。

D、完成水力压裂后掘进头开始向前方掘进，掘进面的后方实施预先设计好参数的穿层预抽钻孔进行穿层条带预抽；

E、当掘进头掘到定向钻孔主孔孔底深度时停止，重复B～D步骤直至底板巷和所有穿层条带预抽钻孔施工完毕接抽，至区域防突措施效果检验和区域验证合格方可掘进煤层巷道；

F、底板巷掘进的同时，定向钻机与普通钻机错开一定空间位置施工跨越两个回采工作面的底板梳状穿层压裂孔，并实施压裂及接抽；

G、随着底板巷穿层预抽条带预抽达标，煤巷也开始掘进并根据穿层压裂预抽钻孔的区域预测效果实施回采工作面煤体的顺层预抽钻孔，同时下一个回采工作面的顺槽由于前期已经采取区域措施，故可直接根据区域措施效果检验进行直接掘进或者二次区域措施并检验达标后掘进，省去了一条底板巷，节约了大量的成本。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。