CN109539920A

CN109539920A - 一种煤炭开采用的顶板致裂方法及装置

Info

Publication number: CN109539920A
Application number: CN201811615976.4A
Authority: CN
Inventors: 张国桉; 于斌; 姚志中; 牛福龙; 孙宪宏; 张艳群; 张宏喜
Original assignee: XI'AN TONGYUAN PETROTECH CO Ltd
Current assignee: XI'AN TONGYUAN PETROTECH CO Ltd
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2019-03-29
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN109539920B

Abstract

本发明涉及煤炭开采技术领域，具体涉及一种煤炭开采用的顶板致裂方法及装置；解决了现有煤炭开采中存在的由于老顶不能有序垮落而导致矿压高、开采过程存在安全隐患的技术问题。本发明的技术解决方案是：一种煤炭开采用的顶板致裂方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)选择水平井井口的位置；2)钻水平井；3)固井；4)耐压试验；5)泥浆堵漏；6)顶板分段致裂；7)裂缝压裂；8)用盲堵桥塞封井口。同时，本发明还提供了一种应用于该方法的煤炭开采用的顶板致裂装置。

Description

一种煤炭开采用的顶板致裂方法及装置

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，具体涉及一种煤炭开采用的顶板致裂方法及装置。

背景技术

煤炭顶板一般分为基本顶和老顶，老顶位于基本顶的上方。随着工作面不断向前推进，采空区遗留的顶板就失去了支撑，受矿压的影响顶板内的应力裂纹逐步扩张，会产生大面积的冒落，冒落所产生的强冲击力极易造成井下人员的伤亡和设备损坏，同时也极有可能摧毁近区采煤工作面而影响生产。为了保证生产安全，一般都是采用从井下向基本顶工作面上钻多组孔的深孔***办法使基本顶致裂并有序垮塌，从而减小基本顶的矿压，以降低事故隐患。但该方法存在以下缺点：

1)井下钻孔***施工量大，作业强度高；

2)工作面矿压的不确定性以及井下重复实施***始终威胁着施工人员的人身安全；

3)现有的顶板致裂方法只能使基本顶垮落，但是在工作面上方约60m-150m的粉砂岩及细粒砂岩构成的远场老顶围岩也同样存在裂纹缺陷，受顶层矿压的作用，垮落过程中来压表现强烈，安全风险并未完全解除，因此只有将老顶跨落，才能有效降低顶板冒落的安全隐患。

综上所述，为了有效降低矿压，保证煤矿生产安全，采用新的顶板致裂方法十分必要。

发明内容

为了解决现有煤炭开采中存在的由于老顶不能有序垮落而导致矿压高、开采过程存在安全隐患的技术问题，本发明提供了一种煤炭开采用的顶板致裂方法及装置。

本发明的技术解决方案是：

一种煤炭开采用的顶板致裂方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)选择水平井井口的位置：

根据工作面横向位置及工作面延伸方向，通过井下和地面位置对比图确定井口的位置；

2)钻水平井：

2.1从地面向工作面钻水平井的直井段至工作面上方的老顶中部；

2.2沿工作面推进方向钻水平井的水平段；水平井水平段的长度是直井段长度的2至15倍；

3)固井；

4)耐压试验：

4.1表层套管耐压试验；

4.2生产套管耐压试验；

5)泥浆堵漏；

6)顶板分段致裂：

6.1)将水平井分为多个施工段，其中水平井水平段的底部为首段，每段50m-150m，每段均采用桥塞坐封；

6.2)用连续油管或钻杆将顶板致裂装置输送到首段；

所述顶板致裂装置包括致裂枪身、分别连接在致裂枪身两端的接头和炮尾、设置在接头和炮尾之间且位于枪身内的弹架组件、一端固定在炮尾内部另一端依次穿过弹架组件和接头后转动连接传爆管的导爆索、设置在弹架组件内且分别与导爆索相连的多个***单元；所述***单元的数量与施工段的数量一致；每个***单元包括多个沿装置轴向依次安装的***弹；同一***单元所有***弹在套管外岩体上形成的孔眼位于同一横截面上；所述弹架组件的侧壁上设置有与***弹数量一致的弹孔；所述致裂枪身的外壁上设置与弹孔的设置位置相对应的盲孔，所述致裂枪身的内壁上设置限位槽；所述致裂枪身与接头、炮尾均密封连接；所述弹架组件和致裂枪身之间设置限位机构；

6.3)校深后，引爆顶板致裂装置中相应***单元的多个***弹进行***作业，使得首段所在地层中形成沿水平井周向布置的多个定向孔；

6.4)用电缆泵送装置将顶板致裂装置输送到相邻的施工段；

6.5)校深后，引爆顶板致裂装置中相应***单元的多个***弹进行***作业，使得该施工段所在地层中形成沿水平井周向布置的多个定向孔；

6.6)重复步骤6.4-6.5，直至所有施工段***作业完成，水平井与煤层之间形成沟通通道；使由水平井水平段的底部向口部依次形成沿水平井周向布置的定向孔；

7)裂缝压裂；

7.1压裂

7.2检测压裂效果

8)用盲堵桥塞封井口。

进一步地，在每个***单元所对应的弹孔中，其中两个弹孔的中心线垂直于弹架组件的轴线，其余弹孔的中心线与弹架组件的轴线形成15°～35°夹角。

进一步地，所述***弹包括药型罩、主***、壳体、起爆药。

进一步地，上述煤炭开采用的顶板致裂方法还包括步骤9)检测矿压变化值。

进一步地，所述水平井为“L”型井。

进一步地，所述水平井为多层异型井。

进一步地，所述步骤7)中的裂缝压裂为水力压裂。

同时，本发明还提供了一种应用在上述顶板致裂方法中的顶板致裂装置，其特殊之处在于：包括致裂枪身、分别连接在致裂枪身两端的接头和炮尾、设置在接头和炮尾之间且位于枪身内的弹架组件、一端固定在炮尾内部另一端依次穿过弹架组件和接头后转动连接传爆管的导爆索、设置在弹架组件内且分别与导爆索相连的多个***单元；所述***单元的数量与施工段的数量一致。

每个***单元包括多个沿装置轴向依次安装的***弹；同一***单元所有***弹在套管外岩体上形成的孔眼位于同一横截面上。

所述弹架组件的侧壁上设置有与***弹数量一致的弹孔。所述致裂枪身的外壁上设置与弹孔的设置位置相对应的盲孔，所述致裂枪身的内壁上设置限位槽。

所述致裂枪身与接头、炮尾均密封连接。

所述弹架组件和致裂枪身之间设置限位机构。

进一步地，所述***弹包括药型罩、主***、壳体、起爆药。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、本发明从地表面向矿井工作面的上方顶板中部钻水平井，并在水平井的水平段采用定向***技术对工作面的老顶实施定向***，并进行裂缝压裂，由于水平井水平段的长度是直井段长度的2至15倍，所以可形成老顶上下左右的大范围裂缝网络，使对矿压影响较大的老顶能够可靠有序垮落，有效降低了顶板矿压，消除了矿井安全隐患，采用本发明的致裂方法后，矿压下降明显，与单体支相比，初撑力由25920KN提高至51600KN；工作阻力由27200KN提高至64800KN；支护强度由0.11MPa提高至0.31MPa，支护强度提高近3倍。

2、本发明的一个工作面只需钻一口水平井就可完成该工作面顶板的全部致裂，只需一次性投入，经济性明显。

3、本发明在套管上产生的孔眼不在同一截面，套管损伤小；但在套管外岩体上产生的所有外岩体孔眼的中心线在同一个平面内，为直径范围350mm-550mm的圆，且所有外岩体孔眼均布；干扰裂缝走向效果更强，能够有效控制裂缝走向，降低地层破裂压力，压裂时的裂缝走向沿井筒径向扩展，避免了段与段之间压裂裂缝的交叉串通，提高缝网***的完善程度，提高了产能。

4、本发明中的裂缝网络复杂，裂缝长且范围广，一次作业可获得较大范围有效致裂。

5、本发明采用定向***和压裂技术，可使裂缝走向和波及面受到控制。

6、本发明中的裂缝监测技术可以准确判断有效裂缝的波及范围和走向。

7、本发明与普通的井下钻孔***致裂方法不同，本发明的全部施工均在地表面进行，机械化程度高，作业强度小，施工安全。

8、本发明使用盲堵桥塞封井口，使整个井筒贯通，可在高压情况下对套管外岩体进行软化，也可成为煤层气抽采的通道。

9、本发明降低了采动超前压力对临空尾巷的破坏。

10、本发明减少了操作人员数量，提高了工作效率。

11、本发明减小了来压步距，压裂前来压步距为30～50m，压裂后来压步距为20～525m，解决了瓦斯不均衡涌出的问题。

12、本发明中的顶板致裂装置可适用于不同种类的***弹，适用范围宽。

13、本发明中的顶板致裂装置使用范围广，即可用于直井也可用于水平井水力压裂前的预处理。

附图说明

图1是本发明顶板致裂方法的流程图；

图2是本发明顶板致裂装置实施例的结构示意图；

图3是该实施例中***弹的结构示意图；

图4是该实施例的效果图；

附图标记

1-传爆管，2-扶正套，3-接头，4-致裂枪身，401-限位槽，402-盲孔，5-弹架组件，501-第一端盖，5011-第一过孔，502-弹架，503-第二端盖，5031-第二过孔，504-弹孔，6-***弹，601-药型罩，602-主***，603-壳体，604-起爆药，7-导爆索，8-炮尾，9-限位机构，10-套管，11-套管外岩体，12-外岩体孔眼。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

参照图1：

一种煤炭开采用的顶板致裂方法，包括以下步骤：

1)选择水平井井口的位置：

在地面上根据工作面横向位置及工作面延伸方向，通过井下和地面位置对比图确定井口的位置，同时要考虑场地的布局，一般施工场地面积在2500m²～4000m²。待钻塔竖起后，再采用GPS测量***进行定测，钻井竣工前再进行一次复测。

2)钻水平井：

本实施例中的水平井为“L”型水平，其特点是直井段短、水平段长，一般水平段是直井段的2-15倍，因此首先选择正确的钻井机型号，在工作面上方100m-150m米的老顶(坚硬岩石)处，沿工作面推进方向钻一个“L”型水平井。钻井过程中，一开采用Φ444.5mm钻头钻至表层，然后下入Φ339.7×9.65mm表层套管；二开采用Φ311.5mm钻头，然后下入Φ244.5×8.94mm的技术套管；三开采用Φ216mm钻头钻至靶点完钻，然后下入Φ139.7×7.72mm的生产套管。

3)固井

对所下入的Φ139.7×7.72mm生产套管与孔壁环状空间注入油气井用水泥，该油气井用水泥为A级水泥。

4)耐压试验：

4.1表层套管耐压试验：

表层套管侯凝24h后试压，试压2MPa，30分钟降压为0.4Mpa，试压合格；

4.2生产套管耐压试验：

生产套管凝固60h，扫孔至原孔深后做耐压试验，孔口打压13MPa，30分钟降压不大于0.4MPa，试压合格。

5)泥浆堵漏：

煤矿顶板致裂钻井过程中若出现漏失问题严重，需采用泥浆堵漏，尽量保持井筒强度一致。

6)顶板分段致裂：

6.2)用连续油管或钻杆将顶板致裂装置输送到首段；该顶板致裂装置的具体结构见图2、图3；

6.4)用电缆泵送装置将顶板致裂装置输送到相邻的施工段；

7)裂缝压裂：

7.1采用水力压力对套管外岩体进行压裂，形成水平井与套管外岩体的裂缝贯通,为保证顶板致裂的压裂效果,压裂时排量为4m³/min～8m³/min,压裂液每层300m³～600m³，砂比6～10％，滑溜水粘度要求小于10mPa.s；基液粘度要求为25-40mPa.s。

7.2检测压裂效果

压裂过程采用微地震设施对压裂效果进行检测，观测裂缝的长度、宽度及走向。

8)盲堵桥塞封井口：

用专用工具将盲堵桥塞下至设定位置，盲堵桥塞坐封后，丢手起专用工具，使用盲堵桥塞封井口，使整个井筒贯通，可在高压情况下对套管外岩体进行软化，也可成为煤层气抽采的通道。

9)检测矿压变化值；

同时，本发明还提供了一种应用在上述顶板致裂方法中的顶板致裂装置。

参照图2、图3和图4，该顶板致裂装置包括传爆管1、扶正套2、接头3、致裂枪身4、弹架组件5、***弹6、导爆索7和炮尾8。

致裂枪身4的两端分别通过螺纹连接接头3和炮尾8，且连接处均通过“O”型圈密封。致裂枪身4内部同轴设置弹架组件5，弹架组件5一端顶在接头3的端面上，另一端顶在炮尾8的端面上。

弹架组件5包括弹架502和分别固定在弹架502两端的第一端盖501和第二端盖503。第一端盖501沿轴向设置第一过孔5011；第二端盖503沿轴向设置第二过孔5031。

导爆索7一端固定在炮尾8内部，另一端通过第二过孔5031进入弹架组件5内腔连接***弹6，然后通过第一过孔5011进入接头3内部与传爆管1连接，导爆索7可与传爆管1相对转动。传爆管1和接头3之间设置扶正套2，扶正套2位于接头3的端部。

弹架组件5内设置多个***单元，***单元的数量与施工段的数量一致。多个***单元分别与导爆索7相连。

本实施例中，每个***单元包括六个***弹6，***弹6包括药型罩601、主***602、壳体603、起爆药604。弹架组件5的侧壁上设置有与***弹6数量一致的弹孔504；在每个***单元所对应的弹孔504中，其中两个弹孔504的中心线垂直于弹架组件5的轴线，其余弹孔504的中心线与弹架组件5的轴线形成15°～35°夹角，每个***单元中相邻的***弹6之间右旋60°分布。该布弹方式使同一***单元中的六个***弹6在套管10上形成的孔眼不在同一横截面上，而在套管外岩体11上形成的六个外岩体孔眼12位于同一横截面上，六个外岩体孔眼12中心线的连线为圆形，且六个外岩体孔眼12在该圆形上均布；该圆的直径大小可以根据***弹6的穿深进行调整。

致裂枪身4的外壁上设置与弹孔501的设置位置相对应的盲孔402。

弹架组件5和致裂枪身4之间设置限位机构9，限位机构9为固定在第一端盖501上的限位板和设置在致裂枪身4侧壁的限位槽401。限位机构9用于控制弹架组件5和致裂枪身4的相对位置，保证弹孔501与盲孔402的位置相对应。

该装置的装配步骤如下：

1、将导爆索7与传爆管1、各***弹6连接；

2、将各***弹6装入弹架组件5内；

3、将已装好***弹6的弹架组件5装入致裂枪身4内，并保证限位板位于限位槽401内；

4、安装致裂枪身4两端的接头3和炮尾8，保证传爆管1和导爆索7处于预设安装位置。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种煤炭开采用的顶板致裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选择水平井井口的位置：

2)钻水平井：

3)固井；

4)耐压试验：

4.1表层套管耐压试验；

4.2生产套管耐压试验；

5)泥浆堵漏；

6)顶板分段致裂：

6.2)用连续油管或钻杆将顶板致裂装置输送到首段；

所述顶板致裂装置包括致裂枪身(4)、分别连接在致裂枪身(4)两端的接头(3)和炮尾(8)、设置在接头(3)和炮尾(8)之间且位于枪身内的弹架组件(5)、一端固定在炮尾(8)内部另一端依次穿过弹架组件(5)和接头(3)后转动连接传爆管(1)的导爆索(7)、设置在弹架组件(5)内且分别与导爆索(7)相连的多个***单元；所述***单元的数量与施工段的数量一致；

每个***单元包括多个沿装置轴向依次安装的***弹(6)；同一***单元所有***弹(6)在套管外岩体上形成的孔眼位于同一横截面上；

所述弹架组件(5)的侧壁上设置有与***弹(6)数量一致的弹孔(504)；所述致裂枪身(4)的外壁上设置与弹孔(501)的设置位置相对应的盲孔(402)，所述致裂枪身(4)的内壁上设置限位槽(401)；

所述致裂枪身(4)与接头(3)、炮尾(8)均密封连接；

所述弹架组件(5)和致裂枪身(4)之间设置限位机构(9)；

6.4)用电缆泵送装置将顶板致裂装置输送到相邻的施工段；

7)裂缝压裂；

7.1压裂

7.2检测压裂效果

8)用盲堵桥塞封井口。

2.根据权利要求1所述的一种煤炭开采用的顶板致裂方法，其特征在于：所述顶板致裂装置中，在每个***单元所对应的弹孔(504)中，其中两个弹孔(504)的中心线垂直于弹架组件(5)的轴线，其余弹孔(504)的中心线与弹架组件(5)的轴线形成15°～35°夹角。

3.根据权利要求2所述的一种煤炭开采用的顶板致裂方法，其特征在于：所述顶板致裂装置中，所述***弹(6)包括药型罩(601)、主***(602)、壳体(603)、起爆药(604)。

4.根据权利要求1至3任一所述的一种煤炭开采用的顶板致裂方法，其特征在于：还包括步骤9)检测矿压变化值。

5.根据权利要求4所述的一种煤炭开采用的顶板致裂方法，其特征在于：所述水平井为“L”型井。

6.根据权利要求4所述的一种煤炭开采用的顶板致裂方法，其特征在于：所述水平井为多层异型井。

7.根据权利要求5所述的一种煤炭开采用的顶板致裂方法，其特征在于：所述步骤7)中的裂缝压裂为水力压裂。

8.一种煤炭开采用的顶板致裂装置，其特征在于：包括致裂枪身(4)、分别连接在致裂枪身(4)两端的接头(3)和炮尾(8)、设置在接头(3)和炮尾(8)之间且位于枪身内的弹架组件(5)、一端固定在炮尾(8)内部另一端依次穿过弹架组件(5)和接头(3)后转动连接传爆管(1)的导爆索(7)、设置在弹架组件(5)内且分别与导爆索(7)相连的多个***单元；所述***单元的数量与施工段的数量一致；

所述致裂枪身(4)与接头(3)、炮尾(8)均密封连接；

所述弹架组件(5)和致裂枪身(4)之间设置限位机构(9)。

9.根据权利要求8所述的一种煤炭开采用的顶板致裂装置，其特征在于：在每个***单元所对应的弹孔(504)中，其中两个弹孔(504)的中心线垂直于弹架组件(5)的轴线，其余弹孔(504)的中心线与弹架组件(5)的轴线形成15°～35°夹角。

10.根据权利要求8或9所述的一种煤炭开采用的顶板致裂装置，其特征在于：所述***弹(6)包括药型罩(601)、主***(602)、壳体(603)、起爆药(604)。