一种定向水力裂切煤层卸压增透装置及卸压增透方法

摘要

本发明公开了一种定向水力裂切煤层卸压增透装置及卸压增透方法，主要由胀裂器、推进杆、高压软管、高压蝶阀、高压水泵、水箱等组成，该装置将水箱中的水通过高压水泵形成高压流体，通过杆体带有刻度标尺的推进杆将胀裂器输送至预制的煤层裂隙位置处；高压流体通过推进杆使位于煤层定向裂隙处的胀裂器膨胀，从而对煤壁产生巨大径向应力，使煤层中预制的定向裂隙尖端产生应力集中并发生张拉破坏，裂隙不断扩展，在钻孔间形成连续贯通的裂隙网络，在停止对胀裂器注水时，关闭推进杆尾端的高压蝶阀，由于其密封作用，胀裂器依旧能维持较高压力，避免煤层中新生成的裂隙网络闭合，达到对煤层实时动态裂切效果，实现煤层增透、强化瓦斯抽采目的。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿井下可开采煤层增透卸压及瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种定向水力裂切煤层卸压增透装置及卸压增透方法。

背景技术

随着我国现代化进程的不断加速，电力行业对煤炭的需求与日俱增，煤炭的开采量不断增大。在此过程中煤炭开采深度不断增加，开采难度不断增大。其中煤炭开采时面临的最严重的动力灾害是煤与瓦斯突出，开采深度的增大使瓦斯以高瓦斯含量、高瓦斯压力、高应力、低渗透率的特征赋存于待开采煤层中，其导致的安全隐患严重影响着煤炭开采工作的正常进行。故需要强化原有的煤层卸压增透及瓦斯抽采技术。

目前煤矿井下采用的煤层增透卸压方法主要有水力化措施、深孔爆破、气体压裂增透，近年来又有学者提出采用高压磨料气体射流卸压增透的新方法。其中水力化措施主要通过水力冲孔、水力压裂、高压水射流割缝、扩孔、造穴，使煤层原生裂隙扩展、贯通、不断生成新裂隙、释放煤层应力、提高煤层渗透性来强化瓦斯抽采效果。但是在松软煤层中实施水力化措施，不仅易造成钻孔塌孔、堵孔现象，而且水锁效应还会对煤层中的瓦斯运移产生负面影响。深孔爆破技术主要利用炸药爆炸过程中爆生气体产生的应力波作用改善煤层的孔裂隙结构，进而改善煤层的透气性达到强化瓦斯抽采的目的，但是采用深孔爆破进行增透过程中，炸药的储存、运输、使用过程中有极大的危险性，且其操作过程繁琐复杂；此外在深部煤层的开采中，采用该项技术还易诱发冲击地压等其他动力灾害。气体压裂增透技术主要是通过将氮气、二氧化碳等气体增压形成高能气体，其在煤层中卸压形成物理爆炸，在该过程中由于爆炸应力波及热应力对煤层孔裂隙结构的改善使煤层透气性增大、渗透率提高，从而达到提升瓦斯抽采效果的目的；但是根据近年来的相关研究发现，在使用二氧化碳爆破驱替过程中，由于其独特的吸附特性更易造成二氧化碳突出等动力灾害，形成新的安全隐患。目前刘勇等学者提出的高压磨料气体射流卸压增透技术，通过采用空压机产生高能压缩空气，通过前混合或后混合方式将磨料粒子与高能空气充分混合加速后经优化的拉法尔喷嘴射出，对煤层进行割缝、扩孔，进而达到强化瓦斯抽采的目的。但由于松软煤层的煤质原因，采用目前现有的水力化措施、深孔爆破、气体压裂等增透措施，煤层裂隙虽然能够有所发展并形成一定的裂隙网络，达到强化瓦斯抽采的相关效果；但一段时间后，卸压增透措施形成的裂隙逐渐闭合，煤层透气性及渗透率逐渐降低，导致瓦斯抽采效果不佳，安全隐患极大。

由于经济条件、技术因素的限制，目前在井下应用最成熟的增透卸压技术是水力化措施，其中效果最明显的是水力压裂技术。进一步研究发现，水力压裂的增透效果受煤层天然裂隙及最大主应力的影响，煤层起裂压力及裂纹转向距离在最大主应力作用下发生变化，影响煤层的增透卸压效果。为了使煤层破裂压力降低，压裂裂缝偏转角度减小，尽可能的提高钻孔及能源利用效率，相关学者提出了定向水力压裂技术。通过在煤层中预制定向裂缝，导向控制水力压裂裂纹扩展方向，减小煤层破裂压力及裂缝偏转角度，从而提高钻孔利用率及瓦斯抽采效果。但是对于松软煤层，水力压裂技术依旧面临着水锁效应影响煤层瓦斯解吸、压裂裂隙快速闭合的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种定向水力裂切煤层卸压增透装置及卸压增透方法，本发明首先采用后混式高压磨料气体射流煤层割缝装置对卸压煤层进行定向割缝，预制煤层定向裂隙。切缝完成后，在不需要注浆封孔的前提下，在钻孔内采用以高压水为动力源的胀裂器对预制裂缝处的煤层进行动态定向压裂，控制裂隙动态发展，形成致密裂隙网络，防止压裂裂隙重新闭合，从而达到煤层增透卸压，强化瓦斯抽采的目的。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种定向水力裂切煤层卸压增透装置，包括水箱，与水箱出口相连的高压水泵，与高压水泵出口相连的软管，与软管出口相连的推进杆，以及位于推进杆端部的胀裂器，所述胀裂器位于煤层钻孔中预制定向裂缝处，所述推进杆穿过煤层底部的底板延伸至煤层内，这样设置的目的是为了保证在煤层中实现定向裂切的效果，采用定向裂切的方法能优化煤层裂纹扩展路径，避免裂切过程中形成无序裂纹。

进一步的，所述胀裂器包括裂切软体，所述裂切软体充满液体时呈纺锤体状，且纺锤体的直径大于钻孔的直径，裂切软体顶部设有上部壳体，裂切软体底部设有下部壳体，裂切软体中心贯穿有注液管，注液管顶部与上部壳体固定连接，注液管上位于裂切软体内的部分圆周上设有筛孔，具体的为注液管中部管体上设有筛孔，具体使用时，高压水泵加压形成的高压水经过推进杆被输送至注液管内，裂切软体中部的注液管表面布置有筛孔，高压水经筛孔进入裂切软体内，裂切软体逐渐膨胀产生径向压力，胀裂器产生的径向压力对预制定向裂隙尖端产生张拉破坏使煤层裂隙进一步扩展，当关闭外部高压水泵供水后，立即关闭管路上的高压蝶阀，此时裂切软体依旧能保存大量高压水，在煤层中形成一个密闭高压流体单元，并能持续保持较高压力进而对煤层进行实时动态裂切，使煤层中生成的裂隙不再重新闭合，进而达到煤层增透、强化瓦斯抽采的目的，裂切软体采用高强度弹性材料制成。

进一步的，所述上部壳体、下部壳体、注液管均由硬质合金制作，不仅便于胀裂器在钻孔中的推进、减小裂切软体在钻孔内的磨损，还能限制裂切软体注水过程中的轴向膨胀，进而增大胀裂器的径向膨胀及其对煤壁的径向压力进而提高装置裂切效果。

进一步的，所述推进杆由多段杆体首尾相接组成，每段杆体上均设有刻度，该刻度用以计算推进距离，确保胀裂器能准确输送至煤层预制定向裂缝处，每个杆体一端设有母接头，另一端设有公接头，公接头端部呈锥状且公接头上车有两个环形凹槽，环形凹槽内设有O型密封圈，相邻杆体的公接头和母接头相互连接具有拆装方便的特点，槽内设置O型密封圈确保推进杆间连接的气密性。

进一步的，位于推进杆末端的杆体一端设有公接头，另一端外表面车有锥形螺纹，该杆体通过其端部的锥形螺纹与注液管固定连接，最后一端杆体的锥形螺纹是为了适应注液管内的螺纹。

进一步的，所述软管为高压软管，高压软管与推进杆之间还设有一个高压蝶阀。

一种定向水力裂切煤层卸压增透装置的卸压增透方法，包括以下步骤：

（1）使用钻机钻孔至设计孔深处停钻，采用高压磨料气体射流煤层割缝装置对卸压煤层进行定向割缝，预制煤层定向裂隙，之后采用高压空气洗孔，一方面方便胀裂器推进，另一方面防止杂物对胀裂器造成损伤；

（2）根据钻孔施工参数记录表将胀裂器推送至煤层预制的定向裂缝处；

（3）将胀裂器推送杆按图1方式连接至整个系统中，检查无误后，打开高压蝶阀，开启高压水泵，向胀裂器内注入高压水，观察高压水泵压力表示数，达到设定裂切压力后先关闭水泵，然后关闭高压蝶阀；

（4）拆除高压软管，对软管管路进行排水卸压，搬运高压泵至下一个裂切钻孔，对下一个裂切钻孔重复1-3中的步骤；

（5）煤层卸压增透工作结束后，打开各个裂切钻孔尾端的高压蝶阀，对胀裂器进行排水卸压，拆除钻孔中的裂切装置，而后将裂切钻孔连接矿井瓦斯抽采系统进行抽采。

本发明具有的优点是：

1.本装置在采用高压磨料气体射流对煤层进行定向割缝，形成预制定向裂缝后，采用推进杆将胀裂器精确输送至预制定向裂缝处，而后采用高压水加压使胀裂器产生径向膨胀使煤壁预制定向裂缝不断扩展、延伸，形成贯通的裂隙网络，并能保证新形成的裂隙网络持续贯通，进而达到增透煤层、强化瓦斯抽采的目的；

2.在煤层裂切前，对煤层进行预制定向裂缝相较于不预制定向裂隙，可以减小裂切过程中煤层的起裂压力，最大程度的利用裂纹偏转角度，优化裂纹扩展路径，避免裂切过程中形成无序裂纹，使裂切孔煤层间形成有效连续贯通的裂隙网络，从而达到强化瓦斯抽采的效果；

3.本装置胀裂器中采用了硬质合金制作的上下壳体及注液管，较其他裂切装置，其可以在钻孔内长距离的输送，并对裂切软体起到一定保护作用，此外在裂切过程中，由于上下壳体对裂切软体轴向膨胀的限制，可以增强胀裂器对煤壁的径向压力，强化裂切效果；

4.本装置在裂切过程中由于高压水不直接和煤体产生接触，因而可以避免采取水力化措施产生的水锁效应对瓦斯解吸造成的不利影响，也可以避免压裂过程中使用支撑剂对储层的损害，此外还能避免采用深孔爆破、高能气体压裂等增透方法可能诱发的次生煤岩瓦斯动力灾害；

5.采用胀裂器对煤层进行压裂时，不需要对裂切钻孔进行注浆封孔，该法可以极大的节省施工时间，节省瓦斯治理成本，减轻企业经济压力；

6.在停止高压注水后，由于系统中高压蝶阀的封闭作用，胀裂器能在煤层中形成一个密闭高压单元，由于胀裂器对煤壁的持续径向压力使其对煤层起到实时动态裂切作用，防止新生成的裂隙闭合、确保裂切形成的裂隙网络持续贯通，从而达到煤层增透，强化瓦斯抽采的目的；

7.在本装置中采用高压蝶阀密封裂切软体，形成高压单元实时裂切煤层的思路能减少施工过程中的高压水泵的数量需求，减轻企业经济压力；在现场施工过程中方便现场人员的布置及操作，减轻作业强度。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明中胀裂器的剖面图。

图3为本发明中胀裂器推进杆的剖面图。

图4为本发明中钻孔尾部杆体的剖面图。

图5为本发明定向裂切具体实施方法的剖面图。

具体实施方式

如图所示，一种定向水力裂切煤层卸压增透装置，包括水箱8，与水箱8出口相连的高压水泵9，与高压水泵9出口相连的高压软管7，与高压软管7出口相连的推进杆5，高压软管7与推进杆5之间还设有一个高压蝶阀6，以及位于推进杆5端部的胀裂器2，所述胀裂器2位于煤层钻孔中预制定向裂缝处，所述推进杆穿过煤层底部的底板4延伸至煤层3内，这样设置的目的是为了保证定向裂切，采用定向裂切的方法能优化煤层裂纹扩展路径，避免裂切过程中形成无序裂纹。

所述胀裂器2包括裂切软体22，所述裂切软体22充满液体时呈纺锤体状，且纺锤体的宽度大于钻孔的直径，裂切软体22顶部设有上部壳体21，裂切软体底部设有下部壳体25，所述上部壳体21、下部壳体25、注液管24均由硬质合金制作，不仅便于胀裂器在钻孔中的推进、减小裂切软体在钻孔内的磨损，还能限制裂切软体注水过程中的轴向膨胀，进而增大胀裂器的径向膨胀及其对煤壁的径向压力进而提高装置裂切效果，裂切软体22中心贯穿有注液管24，注液管24顶部与上部壳体固定连接，注液管24上位于裂切软体内的部分圆周上设有筛孔23，具体的为注液管中部管体上设有筛孔23，具体使用时，高压水泵9加压形成的高压水经过推进杆5被输送至注液管24内，裂切软体中部的注液管表面布置有筛孔，高压水经筛孔进入裂切软体内，裂切软体逐渐膨胀产生径向压力，胀裂器产生的径向压力对预制定向裂隙尖端产生张拉破坏使煤层裂隙进一步扩展，当关闭外部高压水泵供水后，立即关闭管路上的高压蝶阀6，此时裂切软体依旧能保存大量高压水，在煤层中形成一个密闭高压流体单元，并能持续保持较高压力进而对煤层进行实时动态裂切，使煤层中生成的裂隙不再重新闭合，进而达到煤层增透、强化瓦斯抽采的目的，裂切软体采用高强度弹性材料制成，所述推进杆5由多段杆体52首尾相接组成，每段杆体52上均设有刻度，该刻度用以计算推进距离，确保胀裂器能准确输送至煤层预制定向裂缝处，每个杆体一端设有母接头51，另一端设有公接头54，公接头54端部呈锥状且公接头上车有两个环形凹槽53，环形凹槽53内设有O型密封圈，相邻杆体的公接头和母接头相互配合连接具有拆装方便的特点，槽内设置O型密封圈确保推进杆间连接的气密性，进一步的，位于推进杆5末端的杆体一端设有公接头，另一端外表面车有锥形螺纹55，该杆体通过其端部的锥形螺纹与注液管24固定连接，最后一段杆体的锥形螺纹是为了适应注液管内的螺纹连接形式。

利用该装置对煤层进行定向裂切包括以下步骤：

1.使用钻机钻孔，施工至设计孔深处停钻，采用高压磨料气体射流煤层割缝装置对卸压煤层进行定向割缝，预制煤层定向裂隙。而后采用高压空气洗孔，一方面方便胀裂器推进，另一方面防止杂物对胀裂器造成损伤；

2.根据钻孔施工参数记录表使用胀裂器推进杆，将胀裂器推送至煤层预制的定向裂缝处；

3.将胀裂器推送杆按图1方式连接至整个系统中，检查无误后，打开高压蝶阀，开启高压水泵，向胀裂器内注入高压水，观察高压水泵压力表示数，达到设定裂切压力后先关闭水泵，然后迅速关闭高压蝶阀；

4.拆除高压软管，对软管管路进行排水卸压，搬运高压泵至下一个裂切钻孔，对下一个裂切钻孔重复1-3中的步骤；

5.煤层卸压增透工作结束后，打开各个裂切钻孔尾端的高压蝶阀，对胀裂器进行排水卸压，拆除钻孔中的裂切装置，而后将裂切钻孔连接矿井瓦斯抽采系统进行抽采。

应用例

如图1至图5所示为一种定向水力裂切煤层卸压增透的装置及卸压增透方法在某一矿井某采面下方底抽巷中的实施案例。

在待开采煤层底抽巷中采用钻机穿越底板4对待开采煤层3施工瓦斯抽放钻孔，钻孔依据所采煤层的开采方式布置，形成图5所示钻孔群，钻孔间隔为8m，钻孔实施完成后，采用磨料气体射流对煤层进行定向割缝，在高压气路压力4MPa，磨料质量流量为200g/s时，割缝效果最好，割缝深度可达0.5m，在煤层钻孔两侧形成椭圆状定向裂隙10，煤层中预制定向裂隙形成后，采用高压气体洗孔，将钻孔中钻屑清除完毕后，利用快速接头连接的胀裂器推进杆5将胀裂器2送至煤层中预制定向裂隙处，而后按照图1所示连接整个裂切系统，检查各个部分、确认连接无误后，打开高压水泵9及高压蝶阀6对胀裂器进行注水加压，胀裂器产生强大径向应力使预制的煤层定向裂隙尖端产生应力集中，裂隙尖端发生张拉破坏，裂隙不断扩展，钻孔间的裂隙不断发育、贯通形成连续的裂隙网络。在关闭高压水泵停止注水后，迅速关闭高压蝶阀，由于高压蝶阀的封闭作用，依旧能维持胀裂器的径向膨胀，进而对煤层产生动态裂切作用，阻止裂隙闭合、维持煤层中形成的裂隙网络持续贯通。

在实施该案例的过程中，假设煤层3上部顶板1的埋深为150m，根据岩体的自重应力计算公式：，重度，埋深，可算得煤层受到的自重应力为4.5MPa，水平应力为自重应力的一半。根据岩层水力压裂起裂压力计算公式：，其中侧压系数，为钻孔半径，可算得煤层起裂压力约为6.75Mpa。故而可通过控制高压水泵调节胀裂器内部压力，配合预制定向裂隙达到裂切煤层，形成贯通裂隙网络，强化煤层瓦斯抽采的目的。