一種防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法及裝置製造方法

2023-06-08 04:20:16 1

一種防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法及裝置，首先選擇煤層節理較發育的位置為鑽孔位置，根據原始地最大主應力的方向選擇鑽孔以及噴嘴的角度，使得水力割縫方向與原始地最大主應力的方向呈30-60°，隨後進行開鑽以及固孔，在以上基礎上成孔，成孔後進行水力割縫，隨後進行封孔，封孔後對鑽孔進行水力壓裂，本發明實施效果好，將水力割縫以及水力壓裂有效地結合起來，通過對鑽孔位置、角度以及噴嘴角度進行選擇，減少了鑽孔的塌孔率，通過控制水力割縫方向有效地減少了厚煤層中的空白帶出現的機率，增加了煤層的滲透率和透氣性，從而提高了瓦斯抽採能力和效果，進而減少厚煤層瓦斯湧出量，實現防治厚煤層開採瓦斯超限的目的。
【專利說明】-種防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法及裝置

【技術領域】
[0001] 本發明屬於煤層開採過程中瓦斯安全防治【技術領域】，具體涉及一種防治厚煤層開 採過程中瓦斯超限的方法及裝置。

【背景技術】
[0002] 通常情況下，厚度在3. 5-7m間的煤層為厚煤層，我國厚煤層資源豐富，其儲量佔 總儲量的34%，通過厚煤層開採出來的煤炭產量也佔據著很高的份額。
[0003] 但是煤層開採過程中，隨著開採深度的增加，瓦斯超限的問題也越來越嚴重，尤其 是厚煤層，因其具有煤層厚，瓦斯湧出量大，造成了抽採困難，目前瓦斯超限已成為煤礦安 全生產的瓶頸問題。
[0004] 針對瓦斯超限該一問題，國內外學者研究通過提高瓦斯抽採率來防治採掘過程的 瓦斯超限，其中常用的方法為交叉鑽孔、密集鑽孔、大直徑鑽孔、深孔鬆動爆破、水力衝孔、 常規水力割縫、水力壓裂、加砂致裂預抽等，該些技術在特定的環境下都取得的了顯著效 果。但由於厚煤層開採過程中的特殊性，W及該些技術本身的條件限制，使得其無法應用於 厚煤層開採中。
[0005] 水力壓裂技術在石油工業中有著較為成熟的應用，煤礦企業也相繼引進了該一技 術，實驗表明水力壓裂能有效的提高瓦斯抽採量，解決瓦斯超限的問題，但同時直接將常規 的水力壓裂技術應用於厚煤層瓦斯超限防治上，也有著諸多問題。
[0006] 目前在在厚煤層瓦斯超限解決方法中採用水力壓裂遇到的問題；1、高壓水使鑽孔 壁產生位移變形，一方面造成大面積卸壓，另一方面在厚煤層當中形成了不確定位置的高 壓異常帶，從而給採掘生產留下了安全隱患；2、由於起裂位置都在應力弱面處，受煤層地應 力分布影響較大，通過鑽孔實施壓裂時裂縫的起裂位置及延伸方向不明確，由於地層中的 煤層較為複雜，其中的裂縫會出現轉向或向頂底板延伸的現象，造成裂隙無序擴展，不能對 厚煤層進行均勻的增效，形成的裂縫單一、數量較少、存在大面積空白帶；3、即使裂隙形成， 由於沒有考慮到最大主應力的作用，裂縫會在較短時間再次閉合，從而影響了整體的瓦斯 抽放效果，使得瓦斯抽採量迅速減小，一般在抽採較短時間內恢復到原始水平。


【發明內容】

[0007] 本發明旨在解決的技術問題為：提供一種能夠提高瓦斯抽採量，從而防治厚煤層 開採過程中瓦斯超限的方法及裝置。
[0008] 為解決上述技術問題，本發明的技術方案為；一種用於防治厚煤層開採過程中瓦 斯超限的方法，該方法包括W下步驟： 1) 鑽孔位置的選擇，根據煤層節理髮育情況，選擇節理較發育的位置為鑽孔位置； 2) 鑽孔W及水力割縫角度的選擇，根據原始地最大主應力的方向，選擇鑽孔角度W及 水力割縫的角度，使得水力割縫方向與原始地最大主應力的方向呈30-60° ; 3) 開鑽及固孔，利用鑽機鑽至壓實帶W內3-5m深後進行固孔； 4) 成孔，更換鑽機的鑽頭，選擇直接小於步驟3)中所用的鑽頭，鑽至壓實帶內3-5m停 鑽，移走鑽機； 5) 設備準備，將限壓閥、噴嘴與連續油管連接； 6) 水力割縫，通過轉動連續油管調節水力割縫方位角至步驟2)中的設計角度，調節水 力壓裂粟，使其出水壓力小於限壓閥的闊值，進行連續的水力割縫； 7) 雙向膨脹器封孔，將水力壓裂粟與注液管連接，通過注液管向雙向膨脹器內注入高 壓水對鑽孔進行臨時封孔； 8) 水力壓裂，調節水力壓裂粟，使其出水壓力大於限壓閥的闊值，進行水力壓裂； 9) 解封，抽出雙向膨脹器中的高壓水，實現對鑽孔的解封； 10) 清除鑽孔內的積水，將連續油管連接壓風管，實現對鑽孔內的積水的清除； 11) 瓦斯抽採，在壓裂場施工抽採鑽孔，抽採鑽孔與步驟8)形成的壓裂孔封孔後接入抽 採管路，進行聯抽； 12) 效果檢驗，監測日抽採量、純量、抽採濃度，並對水力壓裂的裂縫延伸方向及大小進 行測試。
[0009] 步驟11)中抽採鑽孔W及步驟8)形成的壓裂孔聯抽的方式為通過高負壓抽採。
[0010] 步驟2)所述根據原始地最大主應力的方向選擇鑽孔的角度W及水力割縫的角度 的方法為；根據原始地最大主應力的方向分為H種情況：第一種情況，當原始地最大主應 力的方向與巷道的夾角小於30°時，鑽孔與巷道的角度為3(T60°，噴嘴為90°噴嘴；第二 種情況，當原始地最大主應力的方向與巷道的夾角為3(T60°時，鑽孔方向與巷道的角度為 3(T60°，噴嘴方向平行於巷道；第H種情況，當原始地最大主應力的方向與巷道的夾角為 60、0°時，鑽孔與巷道的角度為60、0°，噴嘴選用9(T120。之間的噴嘴。
[0011] 步驟3)所述的開鑽及固孔的方法為，將封孔套管放入鑽孔內，通過封孔套管向鑽 孔內注入漿液，當漿液從套管內返出時停止注漿，靜待漿液凝固。
[0012] 在進行水力割縫過程中，控制連續油管回撤，回撤的距離小於水力割縫形成的壓 實帶的寬度的2倍。
[0013] 在進行步驟4)之前，採用高壓風將鑽孔中的煤粉吹出鑽孔。
[0014] 所述的步驟9)中雙向膨脹器內的高壓水抽出的方式為利用抽採負壓抽出雙向膨 脹器內的高壓水。
[0015] 本發明還公開了一種用於上述防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法的裝置，包 括連續油管，創新之處在於，所述連續油管上設有指示線，連續油管一端上轉動設有角度 盤，另一端上通過螺紋固定設有噴嘴，連續油管的出液口上通過螺紋固定設置有限壓閥，所 述連續油管的外部套設有彈性材質的雙向膨脹器，雙向膨脹器上設有帶有閥口的注液管。
[0016] 所述角度盤下部連接有配重器。
[0017] 所述雙向膨脹器的材質為橡膠，長度為5^1〇m。
[0018] 通過W上技術方案，本發明的有益效果為： 本發明在充分考慮了厚煤層原始地應力和節理髮育情況的基礎上，選擇鑽孔位置、鑽 孔角度W及水力割縫的角度，有效地減少了鑽孔的塌孔率，並通過控制水力割縫方向，控制 水力壓裂起裂點和裂縫延伸方向，有效地減少了厚煤層中的空白帶出現的機率，增加了煤 層的滲透率和透氣性，從而提高了瓦斯抽採能力和抽採效果，進而減少厚煤層瓦斯湧出量， 最終實現防治厚煤層開採瓦斯超限的目的； 本發明所述的裝置，將噴嘴W及連續油管通過螺紋連接，便於根據不同情況選擇噴嘴 角度，同時根據原始地應力的方向，形成不同的水力割縫角度；雙向膨脹器簡化了封孔過 程，降低了工藝難度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明所述方法流程圖； 圖2為根據原始地主應力方向劃分H種情況餅形圖； 圖3為本發明第一種情況施工示意圖； 圖4為本發明所述裝置結構示意圖； 圖5為圖4的A-A剖面圖。

【具體實施方式】
[0020] 實施例1，如圖1、圖2及圖3所示的防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法， 該方法包括： 1) 鑽孔位置的選擇：進入煤層14巷道，觀察煤層14節理髮育情況，選擇煤層節理較發 育的煤層，因為煤層節理髮育狀況比較好時，鑽孔的聯通性好，會造成封孔困難，通過選擇 煤層節理較發育的位置，可降低後續步驟中封孔的難度，從而提高效率，節理的發育分為H 種情況，此處較發育是指煤層14中的節理有發育，但是密度不大； 2) 鑽孔角度的選擇；測試煤層原始地最大主應力的方向，通過測試出的原始地最大主 應力的角度，選擇鑽孔的角度，W及噴嘴的角度，原始地最大主應力的角度與鑽孔W及噴嘴 的角度之間的關係如表1所示： 表1 :

【權利要求】
1. 一種用於防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法，其特徵在於：該方法包括以下步 驟： 1) 鑽孔位置的選擇，根據煤層節理髮育情況，選擇節理較發育的位置為鑽孔位置； 2) 鑽孔以及水力割縫角度的選擇，根據原始地最大主應力的方向，選擇鑽孔角度以及 水力割縫的角度，使得水力割縫方向與原始地最大主應力的方向呈30-60° ; 3) 開鑽及固孔，利用鑽機鑽至壓實帶以內3-5m深後進行固孔； 4) 成孔，更換鑽機的鑽頭，選擇直接小於步驟3)中所用的鑽頭，鑽至壓實帶內3-5m停 鑽，移走鑽機； 5) 設備準備，將限壓閥、噴嘴與連續油管連接； 6) 水力割縫，通過轉動連續油管調節水力割縫方位角至步驟2)中的設計角度，調節水 力壓裂泵，使其出水壓力小於限壓閥的閾值，進行連續的水力割縫； 7) 雙向膨脹器封孔，將水力壓裂泵與注液管連接，通過注液管向雙向膨脹器內注入高 壓水對鑽孔進行臨時封孔； 8) 水力壓裂，調節水力壓裂泵，使其出水壓力大於限壓閥的閾值，進行水力壓裂； 9) 解封，抽出雙向膨脹器中的高壓水，實現對鑽孔的解封； 10) 清除鑽孔內的積水，將連續油管連接壓風管，實現對鑽孔內的積水的清除； 11) 瓦斯抽採，在壓裂場施工抽採鑽孔，抽採鑽孔與步驟8)形成的壓裂孔封孔後接入抽 採管路，進行聯抽； 12) 效果檢驗，監測日抽採量、純量、抽採濃度，並對水力壓裂的裂縫延伸方向及大小進 行測試。
2. 如權利要求1所述的防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法，其特徵在於：步驟11) 中抽採鑽孔以及步驟8)形成的壓裂孔聯抽的方式為通過高負壓抽採。
3. 根據權利要求2所述的防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法，其特徵在於：步驟 2) 所述根據原始地最大主應力的方向選擇鑽孔的角度以及水力割縫的角度的方法為：根據 原始地最大主應力的方向分為三種情況：第一種情況，當原始地最大主應力的方向與巷道 的夾角小於30°時，鑽孔與巷道的角度為3(T60°，噴嘴為90°噴嘴；第二種情況，當原始 地最大主應力的方向與巷道的夾角為3(T60°時，鑽孔方向與巷道的角度為3(T60°，噴嘴 方向平行於巷道；第三種情況，當原始地最大主應力的方向與巷道的夾角為60~90°時，鑽 孔與巷道的角度為60~90°，噴嘴選用90~120°之間的噴嘴。
4. 根據權利要求3所述的防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法，其特徵在於：步驟 3) 所述的開鑽及固孔的方法為，將封孔套管放入鑽孔內，通過封孔套管向鑽孔內注入漿液， 當漿液從套管內返出時停止注漿，靜待漿液凝固。
5. 根據權利要求4所述的防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法，其特徵在於：在進 行水力割縫過程中，控制連續油管回撤，回撤的距離小於水力割縫形成的壓實帶的寬度的2 倍。
6. 根據權利要求5所述的防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法，其特徵在於：在進 行步驟4)之前，採用高壓風將鑽孔中的煤粉吹出鑽孔。
7. 根據權利要求6所述的防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法，其特徵在於：所述 的步驟9)中雙向膨脹器內的高壓水抽出的方式為利用抽採負壓抽出雙向膨脹器內的高壓 水。
8. -種用於權利要求1所述的防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法的裝置，包括連 續油管，其特徵在於：所述連續油管上設有指示線，連續油管一端上轉動設有角度盤，另一 端上通過螺紋固定設有噴嘴，連續油管的出液口上通過螺紋固定設置有限壓閥，所述連續 油管的外部套設有彈性材質的雙向膨脹器，雙向膨脹器上設有帶有閥門的注液管。
9. 如權利要求8所述的防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法的裝置，其特徵在於： 所述角度盤下部連接有配重器。
10. 如權利要求9所述的防治厚煤層開採過程中瓦斯超限的方法的裝置，其特徵在於： 所述雙向膨脹器的材質為橡膠，長度為5~10m。
【文檔編號】E21B43/26GK104389559SQ201410519303
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】劉曉, 李鋒, 馬耕, 李賢忠, 陶雲奇, 張帆, 馮雲飛 申請人:河南理工大學