煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層的水力致裂方法
2023-05-19 07:26:51 2
專利名稱：煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層的水力致裂方法
技術領域：
本發明涉及一種礦井下煤層頂板堅硬巖層的破裂方法，具體是一種煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層的水力致裂方法。
背景技術：
在我國煤礦開採中誘發的煤巖動力災害問題一直十分突出。其中衝擊礦壓是最棘手的一種煤巖動力災害。研究表明衝擊礦壓多發生在具有堅硬頂板的煤層中，尤其是在具有厚度大、強度高、結構緻密的堅硬厚層砂巖頂板中。而對綜採工作面煤層頂板中堅硬中砂巖層定向處理弱化是防止衝擊礦壓的有效途徑。採用普通鑽孔炸藥爆破方法會形成較強烈的衝擊波，對煤巖體造成較大的應力擾動，存在誘導動力災害的隱患，對局部圍巖的破壞較大，不易實現定向處理。水力致裂技術最早應用在石油工程來提高貧油井的產量，目前被廣泛應用於現代煤炭開採等領域，顯示出廣泛的工業應用價值。但是，在現有的一些常規煤層水力致裂的過程中，裂縫的擴展都表現出了時間和空間的不均勻性，因此，藉助於水力致裂的基本概念，研究開發一種針對2-3米厚堅硬中砂巖層且參數更為合理、致裂效果更好的水力致裂方法作為解決煤礦開採中誘發的煤巖動力災害問題的關鍵技術之一，就顯得尤為重要了。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述現有技術中存在的問題，而提供一種參數更為合理、致裂效果更好的水力致裂方法，具體是一種煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層的水力致裂方法。本發明是通過以下技術方案實現的
一種煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層的水力致裂方法，包括如下步驟
1)分別在機巷和風巷超前工作面靠兩巷外幫側的巷道頂板上距離巷幫O.5-1. 5m的位置沿巷道軸線方向施工一排觀測鑽孔，觀測鑽孔垂直頂板向上開設，每排觀測鑽孔包括若干組觀測孔，每組觀測鑽孔包括兩個觀測鑽孔第一觀測鑽孔和第二觀測鑽孔，每排的所有觀測鑽孔間距都為8m ;通過巖層鑽孔探測儀對觀測鑽孔進行探測，確定煤層頂板上方中
2-3米厚堅硬中砂巖層的分布情況；
2)在巷道頂板上每排觀測鑽孔的連線上採用直徑42mm鑽頭施工組數和該排觀測鑽孔組數相同的致裂鑽孔，每組致裂鑽孔包括兩個致裂鑽孔第一致裂鑽孔和第二致裂鑽孔，每組致裂鑽孔的第一致裂鑽孔位於相對應觀測鑽孔組的第一觀測鑽孔的左側且二者間距為3m，每組致裂鑽孔的第二致裂鑽孔位於相對應觀測鑽孔組的第二觀測鑽孔的左側且二者間距為3m ;每組致裂鑽孔的第一致裂鑽孔和第二致裂鑽孔都是與巷幫面平行並且向採空區方向傾斜的傾斜鑽孔，第一致裂鑽孔與巷道頂板的夾角為25° -35°，第二致裂鑽孔與巷道頂板的夾角為40° -50°，第一、二致裂鑽孔的深度延伸至中厚且堅硬巖層的中間位置；通過開槽鑽頭在第一致裂鑽孔內開設一個楔形環槽，該楔形環槽位於第一致裂鑽孔孔底同時也是2-3米厚堅硬中砂巖層的中間位置；通過開槽鑽頭在第二致裂鑽孔內開設兩個楔形環槽，其中兩個楔形環槽相距Im且位於第二致裂鑽孔孔底同時也是2-3米厚堅硬中砂巖層的中間位置(致裂鑽孔內開楔形環槽時，先更換孔底開楔形環槽鑽頭，再送入鑽孔，開動鑽機，鑽機向前鑽動，鑽頭兩側的刀片張開，刀片張開的同時鑽頭轉動，在鑽孔孔底形成楔形環槽。開槽後，鑽杆停止向前鑽動，改為向後鑽動，刀片收縮進入開槽鑽頭內；退出鑽杆及鑽頭，即完成開槽鑽孔的施工。其中，所述的楔形環槽鑽頭為現有公知產品，其結構和使用時本領域技術人員熟知的);
3)首先將注水封孔器連接高壓管路，高壓管路另一端連接致裂泵，然後將注水封孔器置於每組致裂鑽孔的第一、二致裂鑽孔孔底，最後開啟致裂泵通過注水封孔器對第一、二致裂鑽孔進行注水致裂，封孔段長度為2 m ;第一致裂鑽孔的注水致裂分四個階段，每個階段的致裂時間分別為230-235s、100-105s、35-40s、45-50s，每個階段的水壓力峰值分別為50-51MPa、43-44MPa、40-41MPa、38-39MPa ;第二致裂鑽孔的注水致裂分兩個階段，每個階段的致裂時間分別為25-30s、55-60s，每個階段的水壓力峰值分別為37_38MPa、31_32MPa ；在水力致裂過程中通過煤礦井下水力致裂監測儀進行實時監測。本發明中的各參數是針對煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層通過大量的理論分析計算和數值模擬計算而優選出的。進一步地，所述的致裂泵採用南京六合煤礦機械有限公司生產的BZW200/56型注水泵，公稱流量200L/min，公稱壓力56Mpa。該泵能實現較遠距離的電控操作，為操作人員的安全提供了保障。封孔器具有使用方便、操作簡單、可以重複使用等優點，且壓裂水壓力較大，所以採用高壓膨脹膠管封孔器封孔。工作時，打開水路安全閥，當注水封孔器封孔水壓達到IMpa以上時，靠靜壓水或高壓水壓力將封器的膠管膨脹後封孔，而後注水，注水完畢後，打開控制水閥，可將管內水放出，當封孔水壓下降到0.5Mpa以下時，封孔器即可恢復原狀，然後將封孔器抽出，完成注水工作。鑽孔封孔段質量要求較高，孔徑要圓，孔壁要平，彎度要小，孔壁直徑比封孔器膠筒直徑大5 IOmm為宜。封孔器封孔法操作方便，簡化了封孔工藝，且封孔器可以重複利用，材料消耗少，封孔成本較低。本發明中封孔器採用中國礦業大學設計的FKSS增強型注水封孔器。封孔段長度2 m，封孔器全長2 . lm。水力致裂過程中的水壓力採用中國礦業大學研製的煤礦井下水力致裂監測儀(具有隔爆功能)來實時監測、曲線顯示和數據存儲。本發明的有益效果是針對煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層通過上述方案進行水力致裂，首先，考慮水壓裂縫的擴展方向主要受區域地應力場的影響，因此本發明在致裂鑽孔孔底開設有楔形環槽，楔形環槽的目的是對水壓裂縫的產生起導向作用，楔形環槽能使水力的能量更加集中，水力能量優先從楔形環槽的楔角方向產生裂縫，有效控制裂縫方向，防止其他方向裂縫的形成和延伸，使裂縫擴展在時間和空間上更加均勻，並且楔形環槽開設在2-3米厚堅硬中砂巖層的中間位置，進一步優化了裂縫擴展在時間和空間上的均勻性。其次，在水力致裂過程中，對每個致裂鑽孔採用分階段致裂的方式，使裂縫進一步擴展形成完整的破裂面，可有效控制水力致裂過程中裂縫的擴展方向，使巖層的致裂更加充分。本發明方法施工工藝簡單，避免了炸藥爆破帶來的潛在威脅，更加安全可靠，致裂效果好，使裂縫的擴展在時間和空間上更具均勻性和充分性，具有廣泛的實用性。
圖1為本發明中觀測鑽孔和致裂鑽孔的分布平面示意圖。圖2為本發明中觀測鑽孔和致裂鑽孔的分布切面示意圖。圖中K-觀測鑽孔、S-致裂鑽孔、Kl-第一觀測鑽孔、Κ2-第二觀測鑽孔、S1-第一致裂鑽孔、S2-第二致裂鑽孔、L-2-3米厚堅硬中砂巖層、P-楔形環槽、1-機巷、2-風巷、
3-工作面。
具體實施例方式實施例1
一種煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層的水力致裂方法，包括如下步驟
1)分別在機巷I和風巷2超前工作面靠兩巷外幫側的巷道頂板上距離巷幫1.Om的位置沿巷道軸線方向施工一排觀測鑽孔K，觀測鑽孔K垂直頂板向上開設，每排觀測鑽孔K包括若干組觀測孔K，每組觀測鑽孔K包括兩個觀測鑽孔K :第一觀測鑽孔Kl和第二觀測鑽孔Κ2，每排的所有觀測鑽孔K間距都為Sm ;通過巖層鑽孔探測儀對觀測鑽孔K進行探測，確定煤層頂板上方2-3米厚堅硬中砂巖層L的分布情況，探測得到2-3米厚堅硬中砂巖層L的厚度為3m ；
2)在巷道頂板上每排觀測鑽孔K的連線上採用直徑42mm鑽頭施工組數和該排觀測鑽孔K組數相同的致裂鑽孔S，每組致裂鑽孔S包括兩個致裂鑽孔S :第一致裂鑽孔SI和第二致裂鑽孔S2，每組致裂鑽孔S的第一致裂鑽孔SI位於相對應觀測鑽孔K組的第一觀測鑽孔Kl的左側且二者間距為3m，每組致裂鑽孔S的第二致裂鑽孔S2位於相對應觀測鑽孔K組的第二觀測鑽孔K2的左側且二者間距為3m ;每組致裂鑽孔S的第一致裂鑽孔SI和第二致裂鑽孔S2都是與巷幫面平行並且向採空區方向傾斜的傾斜鑽孔，第一致裂鑽孔SI與巷道頂板的夾角為33°，第二致裂鑽孔S2與巷道頂板的夾角為40°，第一、二致裂鑽孔S1、S2的深度延伸至2-3米厚堅硬中砂巖層L的中間位置；通過開槽鑽頭在第一致裂鑽孔SI內開設一個楔形環槽P，該楔形環槽P位於第一致裂鑽孔SI孔底同時也是2-3米厚堅硬中砂巖層L的中間位置；通過開槽鑽頭在第二致裂鑽孔S2內開設兩個楔形環槽P，其中兩個楔形環槽P相距Im且位於第二致裂鑽孔S2孔底同時也是2-3米厚堅硬中砂巖層L的中間位置；；
3)首先將注水封孔器連接高壓管路，高壓管路另一端連接致裂泵，然後將注水封孔器置於每組致裂鑽孔S的第一、二致裂鑽孔S1、S2孔底，最後開啟致裂泵通過注水封孔器對第一、二致裂鑽孔S1、S2進行注水致裂，封孔段長度為2 m ;第一致裂鑽孔SI的注水致裂分四個階段，每個階段的致裂時間分別為233S、100S、40S、45S，每個階段的水壓力峰值分別為51MPa、43. 5MPa、40MPa、38MPa ;第二致裂鑽孔S2的注水致裂分兩個階段，每個階段的致裂時間分別為27s、58s，每個階段的水壓力峰值分別為37. 5MPa、32MPa ;在水力致裂過程中通過煤礦井下水力致裂監測儀進行實時監測。實施例2
一種煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層的水力致裂方法，包括如下步驟
I)分別在機巷I和風巷2超前工作面靠兩巷外幫側的巷道頂板上距離巷幫1. 5m的位置沿巷道軸線方向施工一排觀測鑽孔K，觀測鑽孔K垂直頂板向上開設，每排觀測鑽孔K包括若干組觀測孔K，每組觀測鑽孔K包括兩個觀測鑽孔K :第一觀測鑽孔Kl和第二觀測鑽孔K2，每排的所有觀測鑽孔K間距都為Sm ;通過巖層鑽孔探測儀對觀測鑽孔K進行探測，確定煤層頂板上方2-3米厚堅硬中砂巖層L的分布情況，探測得到2-3米厚堅硬中砂巖層L的厚度為2m ；
2)在巷道頂板上每排觀測鑽孔K的連線上採用直徑42mm鑽頭施工組數和該排觀測鑽孔K組數相同的致裂鑽孔S，每組致裂鑽孔S包括兩個致裂鑽孔S :第一致裂鑽孔SI和第二致裂鑽孔S2，每組致裂鑽孔S的第一致裂鑽孔SI位於相對應觀測鑽孔K組的第一觀測鑽孔Kl的左側且二者間距為3m，每組致裂鑽孔S的第二致裂鑽孔S2位於相對應觀測鑽孔K組的第二觀測鑽孔K2的左側且二者間距為3m ;每組致裂鑽孔S的第一致裂鑽孔SI和第二致裂鑽孔S2都是與巷幫面平行並且向採空區方向傾斜的傾斜鑽孔，第一致裂鑽孔SI與巷道頂板的夾角為30°，第二致裂鑽孔S2與巷道頂板的夾角為45°，第一、二致裂鑽孔S1、S2的深度延伸至2-3米厚堅硬中砂巖層L的中間位置；通過開槽鑽頭在第一致裂鑽孔SI內開設一個楔形環槽P，該楔形環槽P位於第一致裂鑽孔SI孔底同時也是2-3米厚堅硬中砂巖層L的中間位置；通過開槽鑽頭在第二致裂鑽孔S2內開設兩個楔形環槽P，其中兩個楔形環槽P相距Im且位於第二致裂鑽孔S2孔底同時也是2-3米厚堅硬中砂巖層L的中間位置；
3)首先將注水封孔器連接高壓管路，高壓管路另一端連接致裂泵，然後將注水封孔器置於每組致裂鑽孔S的第一、二致裂鑽孔S1、S2孔底，最後開啟致裂泵通過注水封孔器對第一、二致裂鑽孔S1、S2進行注水致裂，封孔段長度為2 m ;第一致裂鑽孔SI的注水致裂分四個階段，每個階段的致裂時間分別為230S、105S、32S、50S，每個階段的水壓力峰值分別為50. 5MPa、44MPa、40MPa、38. 5MPa ;第二致裂鑽孔S2的注水致裂分兩個階段，每個階段的致裂時間分別為25s、60s，每個階段的水壓力峰值分別為38MPa、31. 5MPa ;在水力致裂過程中通過煤礦井下水力致裂監測儀進行實時監測。實施例3
一種煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層的水力致裂方法，包括如下步驟
1)分別在機巷I和風巷2超前工作面靠兩巷外幫側的巷道頂板上距離巷幫O.5m的位置沿巷道軸線方向施工一排觀測鑽孔K，觀測鑽孔K垂直頂板向上開設，每排觀測鑽孔K包括若干組觀測孔K，每組觀測鑽孔K包括兩個觀測鑽孔K :第一觀測鑽孔Kl和第二觀測鑽孔K2，每排的所有觀測鑽孔K間距都為Sm ;通過巖層鑽孔探測儀對觀測鑽孔K進行探測，確定煤層頂板上方2-3米厚堅硬中砂巖層L的分布情況，探測得到2-3米厚堅硬中砂巖層L的厚度為2. 5m ；
2)在巷道頂板上每排觀測鑽孔K的連線上採用直徑42mm鑽頭施工組數和該排觀測鑽孔K組數相同的致裂鑽孔S，每組致裂鑽孔S包括兩個致裂鑽孔S :第一致裂鑽孔SI和第二致裂鑽孔S2，每組致裂鑽孔S的第一致裂鑽孔SI位於相對應觀測鑽孔K組的第一觀測鑽孔Kl的左側且二者間距為3m，每組致裂鑽孔S的第二致裂鑽孔S2位於相對應觀測鑽孔K組的第二觀測鑽孔K2的左側且二者間距為3m ;每組致裂鑽孔S的第一致裂鑽孔SI和第二致裂鑽孔S2都是與巷幫面平行並且向採空區方向傾斜的傾斜鑽孔，第一致裂鑽孔SI與巷道頂板的夾角為35°，第二致裂鑽孔S2與巷道頂板的夾角為42°，第一、二致裂鑽孔S1、S2的深度延伸至2-3米厚堅硬中砂巖層L的中間位置；通過開槽鑽頭在第一致裂鑽孔SI內開設一個楔形環槽P，該楔形環槽P位於第一致裂鑽孔SI孔底同時也是2-3米厚堅硬中砂巖層L的中間位置；通過開槽鑽頭在第二致裂鑽孔S2內開設兩個楔形環槽P，其中兩個楔形環槽P相距Im且位於第二致裂鑽孔S2孔底同時也是2-3米厚堅硬中砂巖層L的中間位置；
3)首先將注水封孔器連接高壓管路，高壓管路另一端連接致裂泵，然後將注水封孔器置於每組致裂鑽孔S的第一、二致裂鑽孔S1、S2孔底，最後開啟致裂泵通過注水封孔器對第一、二致裂鑽孔S1、S2進行注水致裂，封孔段長度為2 m ;第一致裂鑽孔SI的注水致裂分四個階段，每個階段的致裂時間分別為235S、104S、35S、43S，每個階段的水壓力峰值分別為50MPa、43MPa、40. 5MPa、39MPa ;第二致裂鑽孔S2的注水致裂分兩個階段，每個階段的致裂時間分別為30s、55s，每個階段的水壓力峰值分別為37MPa、31MPa ;在水力致裂過程中通過煤礦井下水力致裂監測儀進行實時監測。
權利要求
1.一種煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層的水力致裂方法，其特徵在於，包括如下步驟 O分別在機巷(I)和風巷(2)超前工作面靠兩巷外幫側的巷道頂板上距離巷幫O.5-1. 5m的位置沿巷道軸線方向施工一排觀測鑽孔(K)，觀測鑽孔(K)垂直頂板向上開設，每排觀測鑽孔(K)包括若干組觀測鑽孔(K)，每組觀測鑽孔(K)包括兩個觀測鑽孔(K):第一觀測鑽孔(Kl)和第二觀測鑽孔(K2)，每排的所有觀測鑽孔(K)間距都為Sm ;通過巖層鑽孔探測儀對觀測鑽孔(K)進行探測，確定煤層頂板上方2-3米厚堅硬中砂巖層(L)的分布情況； 2)在巷道頂板上每排觀測鑽孔(K)的連線上採用直徑42mm鑽頭施工組數和該排觀測鑽孔(K)組數相同的致裂鑽孔(S)，每組致裂鑽孔(S)包括兩個致裂鑽孔(S):第一致裂鑽孔(SI)和第二致裂鑽孔(S2)，每組致裂鑽孔(S)的第一致裂鑽孔(SI)位於相對應觀測鑽孔(K)組的第一觀測鑽孔(Kl)的左側且二者間距為3m，每組致裂鑽孔(S)的第二致裂鑽孔(S2)位於相對應觀測鑽孔(K)組的第二觀測鑽孔(K2)的左側且二者間距為3m ;每組致裂鑽孔(S)的第一致裂鑽孔(SI)和第二致裂鑽孔(S2)都是與巷幫面平行並且向採空區方向傾斜的傾斜鑽孔，第一致裂鑽孔(SI)與巷道頂板的夾角為30° -35°，第二致裂鑽孔(S2)與巷道頂板的夾角為40° -45°，第一、二致裂鑽孔(S1、S2)的深度延伸至2-3米厚堅硬中砂巖層(L)的中間位置；通過開槽鑽頭在第一致裂鑽孔(SI)內開設一個楔形環槽，該楔形環槽位於第一致裂鑽孔(SI)孔底同時也是2-3米厚堅硬中砂巖層(L)的中間位置；通過開槽鑽頭在第二致裂鑽孔(S2)內開設兩個楔形環槽(P)，其中兩個楔形環槽(P)相距Im且位於第二致裂鑽孔(S2)孔底同時也是2-3米厚堅硬中砂巖層(L)的中間位置； 3)首先將注水封孔器連接高壓管路，高壓管路另一端連接致裂泵，然後將注水封孔器置於每組致裂鑽孔(S)的第一、二致裂鑽孔(S1、S2)孔底，最後開啟致裂泵通過注水封孔器對第一、二致裂鑽孔(S1、S2)進行注水致裂，封孔段長度為2 m ;第一致裂鑽孔(SI)的注水致裂分四個階段，每個階段的致裂時間分別為230-235s、100-105s、35-40s、45-50s，每個階段的水壓力峰值分別為50-51MPa、43-44MPa、40-41MPa、38-39MPa ;第二致裂鑽孔(S2)的注水致裂分兩個階段，每個階段的致裂時間分別為25-30s、55-60s，每個階段的水壓力峰值分別為37-38MPa、31-32MPa ;在水力致裂過程中通過煤礦井下水力致裂監測儀進行實時監測。
2.根據權利要求1所述的煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層的水力致裂方法，其特徵在於所述的致裂泵採用南京六合煤礦機械有限公司生產的BZW200/56型注水泵；所述的注水封孔器採用中國礦業大學設計的FKSS增強型注水封孔器。
全文摘要
本發明為一種煤層頂板中2-3米厚堅硬中砂巖層的水力致裂方法，避免了常規的炸藥爆破帶來的潛在威脅，同時也解決了現有的水力致裂的過程中，裂縫的擴展表現出時間和空間的不均勻性。該方法是在機巷和風巷超前工作面的頂板上先開設觀測鑽孔，確定頂板上堅硬中砂巖層的分布情況，然後再開設傾斜的致裂鑽孔，致裂鑽孔的孔底延伸至堅硬中砂巖層的中間位置，致裂鑽孔孔底開設有楔形環槽，最後通過注水封孔器對致裂鑽孔進行注水致裂，致裂過程分若干階段進行，每個階段的致裂時間和壓力都不相同。該方法施工工藝簡單，避免了炸藥爆破帶來的潛在威脅，更加安全可靠，致裂效果好，使裂縫的擴展在時間和空間上更具均勻性和充分性，具有廣泛的實用性。
文檔編號E21B43/26GK103061732SQ201210556699
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者于斌, 劉錦榮, 李興, 王愛國, 李釗, 張良, 牛福龍, 徐喜明, 孟祥斌, 馮傑, 張曉榮, 孟琦, 張敏敏 申請人:大同煤礦集團有限責任公司