CN110145233A - 一种冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法 - Google Patents

Abstract

一种冲击地压煤层“钻‑割‑压‑抽‑注”多灾害协同防治方法，在煤巷中依次施工若干个顺煤层钻孔，当顺层钻孔施工到设计位置后在退钻过程中利用高压水射流切施工若干个水力导向槽，然后对顺层钻孔进行封孔，向顺层钻孔注入高压水进行定向水力压裂；水力压裂结束后，按照常规方法接入抽采***进行瓦斯抽采；顺层钻孔距离工作面回采一定距离时，撤掉抽采管路接入煤层注水管进行煤层注水，注入的水中加入一定浓度的煤矿防火用阻化剂。本发明方法克服了现有冲击地压煤层多种灾害防治措施中的时间、空间的重复性和施工部门的不一致性，实现了冲击地压煤层的冲击地压、瓦斯、煤尘和煤层自燃的协同一体化防治。

Description

一种冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法

技术领域

本发明涉及一种冲击地压煤层灾害防治方法，尤其涉及一种冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法。

背景技术

冲击地压矿井数量显著增多，目前至少有140余个冲击地压矿井分布在全国近20个主要采煤省份。随着矿井开采深度的增加，冲击地压的频度和强度都在增加。煤矿冲击地压不仅危害程度大，影响面广，还是诱发瓦斯异常涌出、煤尘***、自然发火等灾害，形成耦合灾害。

为此，国内外专家学者为保障冲击地压矿井的安全生产，展开了大量的研究工作。煤层注水作为临时解危措施改变煤体结构，显著降低煤层的冲击倾向性；水力化技术是增加煤体渗透率的有效途径，从改变低透煤层的应力入手，使之产生不均匀的变形与破坏，张开原生裂隙、产生新裂隙，并使它们在煤层内形成相互贯通的裂缝网络，增加流体介质的流动通道，从而提高储层渗透性；减尘是粉尘防治最根本的方法，而煤层注水是通过润湿煤体的原生煤尘、有效包裹煤体、改变煤体的物理力学性质三者共同作用达到减尘的目的，但是我国煤层多为低渗透煤层或高硬度难注水煤层，限制了煤层注水技术的防尘效果；阻化液分子和煤体及其他活性物质分子之间将相互吸引，破坏了表面自由力场，促使氧原子恢复到分子状态，使氧化反应速度放慢或受到抑制，起到负催化作用，同时阻化液具有很好的包裹、充填作用，减少了煤层以及采空区浮煤之间的空隙，降低了浮煤与氧气的接触几率，从而降低了煤表面的吸氧能力和表面氧化速度，起到了一定的物理阻化作用，达到防止氧化的目的和起到防火的作用。矿井冲击地压防治、提高煤层透气性（以增加瓦斯抽采率）、煤层自燃防治和煤尘防治措施中都涉及煤层注水、水力压裂、水力割缝等水力化措施，采取措施的地点、时段也大致相同，但现有技术多为单项防治技术，且技术负责和施工单位一般为煤矿的抽采队、通风队、防冲队、防火区等不同部门，不能将防治手段有效的协同，实现多重手段的一体化协同防治。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足之处，提供一种能够实现局部高应力的有效释放、煤岩力学性质的改变、煤层透气性的大幅度提高、煤体注水湿润半径的增大和煤体含水率的增加并降低煤炭自燃的危险性，从而实现多种灾害协同防治，破解各种措施的重复性，保障冲击地压煤层的安全生产的冲击地压煤层多灾害协同防治方法。

通过在本煤层内施工顺层长钻孔，依次实施钻孔钻进、水力割缝、水力压裂、瓦斯抽采、煤层注水、压注阻化剂等技术措施，增加煤体裂隙，增加煤层透气性，降低煤层地应力，增加煤体含水率，降低自然发火危险，从而达到冲击地压煤层的瓦斯强化抽采，冲击地压、煤尘和煤层自燃的协同一体化防治。

为实现上述目的，本发明的冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法，根据顺层钻孔治理多种灾害的不同时间段采取不同水力措施，其基本程序是：钻进时，控制水射流分别进行常压水流钻进；退钻时，进行高压水射流割缝；然后对顺层钻孔封孔后，利用水力导向槽进行定向水力压裂；压裂结束后，接入抽采***进行瓦斯抽采；顺层钻孔距离工作面回采一定距离时，撤掉抽采管路接入煤层注水管，注入一定浓度的煤层阻化剂，从而实现冲击地压煤层顺层钻孔的“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治作业。其具体步骤如下：

a)在煤巷中沿工作面方向使用钻割一体化装备在施工区域依次施工顺煤层钻孔；

b)在顺层钻孔施工到位前采用压风、低压水或静压水辅助钻进排渣；

c)当顺层钻孔施工到设计位置后，钻机保持旋转状态，启动高压水力泵站调节高压水压力至20MPa以上，利用高压水射流切割孔壁煤体，在煤层退钻过程中，施工若干个水力导向槽，从而实现煤体均匀卸压；

d)当完成顺层钻孔水力割缝后，对顺层钻孔进行封孔，封孔长度大于煤层钻孔的原始应力区深度；

e)顺层钻孔封孔后，向顺层钻孔注入高压水，进行定向水力压裂；

f)水力压裂结束后，按照常规方法接入抽采***进行瓦斯抽采；

g)顺层钻孔距离工作面回采一定距离时，撤掉抽采管路接入煤层注水管进行煤层注水，注入的水中加入一定浓度的煤矿防火用阻化剂。安装水表测试并记录向注水孔内注入的水量、水压和对应的时间，当无法继续向注水孔内注水或注水孔周围岩体渗水时，停止继续注水。

进一步的，所述的钻割一体化装备由高压水力泵站、高压水汇、高压旋转接头、高压密封钻杆、钻割一体化钻头组成，能够实现低压钻进和高压水力割缝；

进一步的，所述水力导向槽的间距根据煤层地质条件进行调整；

进一步的，所述的顺层钻孔封孔可以采用封孔胶囊、封隔器进行机械封孔，也可以采用封孔材料进行封孔；

进一步的，所述的定向水力压裂是对一个钻孔进行压裂，也可以是对多个钻孔进行同时定向水力压裂；

进一步的，所述的煤矿防火用阻化剂能够溶解于水，且对煤质无不利影响或影响较小；

进一步的，所述的煤矿防火用阻化剂浓度为3%~20%之间。

本发明的有益效果是：本发明有效的克服了现有冲击地压煤层多种灾害防治措施中的时间、空间的重复性和施工部门的不一致性，通过在本煤层内施工顺层长钻孔依次实施钻孔钻进、水力割缝、水力压裂、瓦斯抽采、煤层注水、压注阻化剂等技术措施，从而实现冲击地压煤层的瓦斯强化抽采，冲击地压、煤尘和煤层自燃的协同防治。第一步，通过实施钻孔钻进施工为多灾害协同防治提供作业条件；第二步，退钻时利用高压水射流施工若干个水力导向槽，增加煤体暴露面积，增多煤体中的裂隙，使缝槽周围煤体充分卸压，为定向水力压裂提供定向条件；第三步，钻孔封孔后连接高压水力泵站，开展定向水力压裂，煤体裂隙沿导向槽方向起裂与延伸，在钻孔周围形成相互连通的裂隙网，大大改善了瓦斯流动状态，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，为瓦斯的高效抽采和提高煤层注水效果奠定基础；第四步，定向水力压裂结束后，钻孔接入瓦斯抽采***进行抽采，通过瓦斯抽采降低煤层残存瓦斯含量，减少瓦斯涌出量，同时伴随着煤层瓦斯的解吸，煤基质发生收缩造成裂隙宽度增加，煤体的渗透率增大，降低煤层注水的难度；第五步，停止抽采后，向钻孔内注入一定浓度的煤矿防火用阻化剂溶液，能够阻止煤炭自燃，并能够降低水溶液的表面张力和提高对煤炭的湿润性能，降低煤尘的产生量。通过冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法的应用，能够实现局部高应力的有效释放、煤岩力学性质的改变，煤层透气性的大幅度提高，煤体注水湿润半径的增大和煤体含水率的增加，降低煤炭自燃的危险性，实现多种灾害协同防治，达到“一孔多用”的效果，破解各种措施的重复性，治理措施涵盖工作面形成至工作面回采结束的全时间段，从而达到冲击地压煤层的瓦斯强化抽采，冲击地压、煤尘和煤层自燃的协同一体化防治。

附图说明：

图1为本发明中顺层钻孔预制水力导向槽的施工原理图；

图2为本发明中第一实例的施工原理图；

图3为本发明中第二实例的施工原理图；

附图标记：

1-高压水力泵站 2-截止阀 3-高压水 4-分流阀 5-封孔材料 6封孔管 7-导向槽 8-水力压裂裂隙 9-煤层 10-顺层钻孔

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

实施例1：

参见图1和图2，在煤巷中沿工作面方向使用钻割一体化装备在施工区域依次施工顺煤层钻孔10，在顺层钻孔施工到位前采用压风、低压水或静压水辅助钻进排渣，当顺层钻孔施工到设计位置后，钻机保持旋转状态，启动高压水力泵1站调节高压水压力至20MPa以上，利用高压水射流切割孔壁煤体，在煤层退钻过程中，施工若干个水力导向槽7，从而实现煤体均匀卸压；完成顺层钻孔水力割缝后对顺层钻孔10利用封孔管6和封孔材料5进行封孔，封孔长度大于煤层钻孔的原始应力区深度；顺层钻孔10封孔后，启动高压水泵1向顺层钻孔10注入高压水3定向水力压裂煤层9产生网状的水力压裂裂隙8；定向水力压裂结束后，按照常规方法接入抽采***进行瓦斯抽采；顺层钻孔10距离工作面回采一定距离时，撤掉抽采管路接入煤层注水管进行煤层注水，注入的水中加入浓度为3%的煤矿防火用阻化剂。安装水表测试并记录向注水孔内注入的水量、水压力和对应的时间，当无法继续向注水孔内注水或注水孔周围岩体渗水时，停止继续注水。

所述的钻割一体化装备由高压水力泵站、高压水汇、高压旋转接头、高压密封钻杆、钻割一体化钻头组成，能够实现低压钻进和高压水力割缝；

所述水力导向槽7的间距不是固定的，根据煤层地质条件进行调整；

所述的顺层钻孔封孔可以采用封孔胶囊、封隔器进行机械封孔，也可以采用封孔材料进行封孔；

所述的煤矿防火用阻化剂能够溶解于水，且对煤质无不利影响或影响较小。

实施例2：

参见图1和图3，在煤巷中沿工作面方向使用钻割一体化装备在施工区域依次施工顺煤层钻孔10，在顺层钻孔施工到位前采用压风、低压水或静压水辅助钻进排渣，当顺层钻孔施工到设计位置后，钻机保持旋转状态，启动高压水力泵1站调节高压水压力至20MPa以上，利用高压水射流切割孔壁煤体，在煤层退钻过程中，施工若干个水力导向槽7，从而实现煤体均匀卸压；完成顺层钻孔水力割缝后对顺层钻孔10利用封孔管6和封孔材料5进行封孔，封孔长度大于煤层钻孔的原始应力区深度；依次完成若干个顺层钻孔10的水力割缝和封孔后，通过分流阀4连接顺层钻孔10和高压水泵1，启动高压水泵1向顺层钻孔10注入高压水3定向水力压裂煤层9产生网状的水力压裂裂隙8；定向水力压裂结束后，按照常规方法接入抽采***进行瓦斯抽采；顺层钻孔10距离工作面回采一定距离时，撤掉抽采管路接入煤层注水管进行煤层注水，注入的水中加入浓度为20%的煤矿防火用阻化剂。安装水表测试并记录向注水孔内注入的水量、水压力和对应的时间，当无法继续向注水孔内注水或注水孔周围岩体渗水时，停止继续注水。

所述的钻割一体化装备由高压水力泵站、高压水汇、高压旋转接头、高压密封钻杆、钻割一体化钻头组成，能够实现低压钻进和高压水力割缝；

所述水力导向槽7的间距不是固定的，根据煤层地质条件进行调整；

所述的顺层钻孔封孔可以采用封孔胶囊、封隔器进行机械封孔，也可以采用封孔材料进行封孔；

所述的煤矿防火用阻化剂能够溶解于水，且对煤质无不利影响或影响较小。

实施例3：

参见图1和图3，结合山东唐口煤业有限公司6304工作面的煤层赋存条件及存在潜在灾害，在6304胶带运输巷中沿工作面方向使用由BZW200/45型高压水力泵站、高压水汇、SY9200型高压旋转接头、螺旋辅助排渣高压钻杆和钻割一体化钻头组成的钻割一体化装备在距离切眼200m处向外按照12m间距依次施工顺煤层钻孔10，在顺层钻孔施工到位前采用静压水辅助钻进排渣，当顺层钻孔施工到120m后，钻机保持旋转状态，启动高压水力泵1站调节高压水压力至20MPa以上，钻割一体化钻头前端封闭，两侧形成高压水射流切割孔壁煤体，在退钻过程中按照5~10m间距依次施工15个深度大于300mm的水力导向槽7，使缝槽周围煤体充分卸压，为定向水力压裂提供定向条件；退钻至孔口35m处停止水力割缝，利用封孔钢管6和膨胀水泥5进行封孔，封孔长度大于30m；考虑到高压水力泵站的额定压力和流量，依次完成4个顺层钻孔10的水力割缝和封孔后，通过分流阀4同时连接3个顺层钻孔10，启动高压水泵1向顺层钻孔10注入高压水3定向水力压裂煤层9产生网状的水力压裂裂隙8，煤体裂隙沿水力导向槽7方向起裂与延伸，在钻孔周围形成相互连通的裂隙网，大大改善了瓦斯流动状态，改变了煤体的原始应力和裂隙状况，为瓦斯的高效抽采和提高煤层注水效果奠定基础；定向水力压裂结束后，将封孔钢管接入抽采***抽采顺层钻孔的瓦斯，伴随着瓦斯抽采降低煤层残存瓦斯含量，煤基质发生收缩造成裂隙宽度增加，减少瓦斯涌出量，煤体的渗透率增大，降低煤层注水的难度；顺层钻孔10距离工作面回采50m时，撤掉抽采管路接入煤层注水管进行煤层注水，注入含有5%浓度的氯化镁水溶液，注水压力在5~10MPa之间，氯化镁水溶液能够阻止煤炭自燃，并能够降低水溶液的表面张力和提高对煤炭的湿润性能，降低煤尘的产生量。安装水表测试并记录向注水孔内注入的水量、水压力和对应的时间，当无法继续向注水孔内注水或注水孔周围岩体渗水时，停止继续注水。

所述的钻割一体化装备由高压水力泵站、高压水汇、高压旋转接头、高压密封钻杆、钻割一体化钻头组成，能够实现低压钻进和高压水力割缝；

所述水力导向槽7的间距5~10m，水力导向槽深度大于300mm；

所述的顺层钻孔封孔可以采用封孔钢管和膨胀水泥进行封孔；

所述的煤矿防火用阻化剂为氯化镁，浓度为5%。

Claims (7)

1.一种冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法，其特征在于包括以下步骤：

a.在煤巷中沿工作面方向使用钻割一体化装备在施工区域依次施工顺煤层钻孔；

b.在顺层钻孔施工到位前采用压风、低压水或静压水辅助钻进排渣；

c.当顺层钻孔施工到设计位置后，钻机保持旋转状态，启动高压水力泵站调节高压水压力至20MPa以上，利用高压水射流切割孔壁煤体，在煤层退钻过程中，施工若干个水力导向槽，从而实现煤体均匀卸压；

d.当完成顺层钻孔水力割缝后，对顺层钻孔进行封孔，封孔长度大于煤层钻孔的原始应力区深度；

e.顺层钻孔封孔后，向顺层钻孔注入高压水，进行定向水力压裂；

f.水力压裂结束后，按照常规方法接入抽采***进行瓦斯抽采；

g.顺层钻孔距离工作面回采一定距离时，撤掉抽采管路接入煤层注水管进行煤层注水，注入的水中加入一定浓度的煤矿防火用阻化剂；安装水表测试并记录向注水孔内注入的水量、水压力和对应的时间，当无法继续向注水孔内注水或注水孔周围岩体渗水时，停止继续注水。

2.根据权利要求1所述的一种冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法，所述钻割一体化装备由高压水力泵站、高压水汇、高压旋转接头、高压密封钻杆、钻割一体化钻头组成，能够实现低压钻进和高压水力割缝。

3.根据权利要求1所述的一种冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法，所述水力导向槽的间距根据煤层地质条件进行调整。

4.根据权利要求1所述的一种冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法，所述的顺层钻孔封孔可以采用封孔胶囊、封隔器进行机械封孔，也可以采用封孔材料进行封孔。

5.根据权利要求1所述的一种冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法，所述的定向水力压裂是对一个钻孔进行压裂，也可以是对多个钻孔同时进行定向水力压裂。

6.根据权利要求1所述的一种冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法，所述的煤矿防火用阻化剂能够溶解于水，且对煤质无不利影响或影响较小。

7.根据权利要求1所述的一种冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法，所述的煤矿防火用阻化剂浓度为3%~20%之间。