CN116480347A - 煤矿顶板水力压裂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及煤矿技术领域,具体而言,涉及一种煤矿顶板水力压裂方法。煤矿顶板水力压裂方法包括:切缝:沿巷道走向对顶板定向切缝,形成缝隙;钻孔:对顶板定向打孔,形成长钻孔;压裂:在长钻孔内进行水力压裂。本发明提供的煤矿顶板水力压裂方法,缝隙的存在可圈定水力压裂的横向边界,使得后续水力压裂范围可控,大大增强了压裂效果,且更加安全;可延长顶板定向打孔的长度,形成长度较长的长钻孔,增大压裂服务范围,使作业工序更加简单,减少作用量。

Description

煤矿顶板水力压裂方法
技术领域
本发明涉及煤矿技术领域,具体而言,涉及一种煤矿顶板水力压裂方法。
背景技术
较之***手段,水力压裂技术在煤矿井下环境具有明显的安全优势,是近年来煤矿行业较为流行的灾害防治措施。
现有的水力压裂技术,通常采用短孔(孔深小于100m)整段压裂来进行采场围岩卸压、瓦斯抽采增透等作业,由于短孔压裂服务范围较小,常常导致作业工序复杂、工程量巨大,因此大大阻碍了技术发展。近年来,也出现了利用千米钻机打孔(孔深可达500m甚至更长)结合水力压裂技术的多种尝试,但其存在压裂范围不可控的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矿顶板水力压裂方法,以缓解现有技术中的水力压裂技术存在的压裂服务范围较小或压裂范围不可控的技术问题。
本发明提供的煤矿顶板水力压裂方法,其包括:
切缝:沿巷道走向对顶板定向切缝,形成缝隙;
钻孔:对所述顶板定向打孔,形成长钻孔;
压裂:在所述长钻孔内进行水力压裂。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
本发明提供的煤矿顶板水力压裂方法,在长钻孔内进行水力压裂之前,先沿巷道走向对顶板定向切缝,形成缝隙,该缝隙的存在可圈定水力压裂的横向边界,使得后续水力压裂范围可控,大大增强了压裂效果,且更加安全;此外,还可延长顶板定向打孔的长度,形成长度较长的长钻孔,可增大压裂服务范围,使作业工序更加简单,减少作用量。此外,采用水力压裂方式对煤矿灾害进行防治,较之***手段更为安全。
作为一种可实施方式,所述切缝步骤之前,所述方法还包括:
预先设定所述长钻孔的打孔路径及长度;
根据预先设定的所述长钻孔的打孔路径及长度,确定水力压裂范围;
根据所述水力压裂范围,确定所述缝隙的高度;所述缝隙的上端高度高于所述水力压裂范围的上端高度。
作为一种可实施方式,所述切缝步骤,包括:从巷道内,沿所述巷道走向对顶板定向切缝;
和/或,所述钻孔步骤,包括:从巷道内,对所述顶板定向打孔。
作为一种可实施方式,所述缝隙为两条,且分别位于所述水力压裂范围的横向两侧;
和/或,所述缝隙的倾斜角度为0~30°。
作为一种可实施方式,所述长钻孔的长度为100m以上;
和/或,所述钻孔步骤中,采用千米钻机进行定向打孔。
作为一种可实施方式,所述压裂步骤之前,所述方法还包括:二次钻孔:从所述长钻孔内对所述顶板定向打孔,形成分支孔。
所述压裂步骤,还包括:在所述分支孔内进行水力压裂。
作为一种可实施方式,所述二次钻孔步骤,包括:由所述长钻孔的若干部位对顶板定向打孔,形成梳状分支孔。
作为一种可实施方式,所述分支孔包括上向分支孔、下向分支孔和水平分支孔中的至少一种。
作为一种可实施方式,所述压裂步骤,包括:在所述长钻孔和所述分支孔内进行分段水力压裂。
作为一种可实施方式,若针对的灾害为冲击地压灾害、顶板悬顶或工作面来压强度高,则根据所述顶板的关键层的位置,确定所述长钻孔的打孔路径及长度,使所述长钻孔穿入所述顶板的关键层。
若针对的灾害为放顶煤顶煤放出率低,则根据煤层位置,确定所述长钻孔的打孔路径及长度,使所述水力压裂范围与所述煤层重叠。
若针对的灾害为水害,则根据所述顶板的含水层位置、岩石层位置及所述岩石层的碎胀系数,确定所述长钻孔的打孔路径及长度,使所述水力压裂范围控制在所述含水层以下,且破碎岩石能够充填采空区。
若针对瓦斯抽采,则根据瓦斯富集区的位置,确定所述长钻孔的打孔路径及长度,使所述水力压裂范围扩散至每个所述瓦斯富集区或大部分所述瓦斯富集区。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为煤矿工作面的正视图;
图2为煤矿工作面的侧视图;
图3为采用本发明实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法切缝后形成的煤矿工作面的正视图;
图4为采用本发明实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法切缝后形成的煤矿工作面的侧视图;
图5为采用本发明实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法钻孔后形成的煤矿工作面的正视图;
图6为采用本发明实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法钻孔后形成的煤矿工作面的侧视图;
图7为采用本发明实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法钻孔后形成的煤矿工作面的俯视图;
图8为采用本发明实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法二次钻孔后形成的煤矿工作面的正视图;
图9为采用本发明实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法二次钻孔后形成的煤矿工作面的侧视图;
图10为采用本发明实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法二次钻孔后形成的另一煤矿工作面的正视图;
图11为采用本发明实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法二次钻孔后形成的另一煤矿工作面的侧视图。
附图标记说明:
100-巷道;
200-顶板;210-缝隙;220-长钻孔;230-上向分支孔;240-下向分支孔;
300-煤层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
图1和图2分别示意了煤矿工作面在水力压裂前的正视图和侧视图;图3和图4分别示意了在采用本实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法完成切缝后形成的煤矿工作面的正视图和侧视图,其中,图4中的虚线代表切缝后产生的缝隙的上端;图5-图7分别示意了在采用本实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法完成钻孔后形成的煤矿工作面的正视图、侧视图和俯视图,其中,图6和图7中的虚线代表缝隙210的上端;图6和图7分别示意了在采用本实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法完成二次钻孔后形成的煤矿工作面的正视图和侧视图,其中,二次钻孔采用的是向下钻孔方式,图7中的虚线代表缝隙210的上端;图8和图9分别示意了在采用本实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法完成二次钻孔后形成的煤矿工作面的正视图和侧视图,其中,二次钻孔采用的是向上钻孔方式,图9中的虚线代表缝隙210的上端。图7也可看作采用本实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法完成二次钻孔后形成的煤矿工作面的俯视图。
参见图1-图7,本实施例提供了一种煤矿顶板水力压裂方法,其包括:
切缝:沿巷道走向对顶板200定向切缝,形成缝隙210;
钻孔:对顶板200定向打孔,形成长钻孔220;
压裂:在长钻孔220内进行水力压裂。
本实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法,在长钻孔内进行水力压裂之前,先沿巷道100的走向对顶板200定向切缝,形成缝隙210,该缝隙210的存在可圈定水力压裂的横向边界,使得后续水力压裂范围可控,大大增强了压裂效果,且更加安全;此外,还可延长顶板200定向打孔的长度,形成长度较长的长钻孔220,可增大压裂服务范围,使作业工序更加简单,减少作用量。此外,采用水力压裂方式对煤矿灾害进行防治,较之***手段更为安全。
具体地,可通过聚能***或定向水力割缝等手段,对顶板200定向切缝。
在具体操作时,既可先进行切缝步骤,再进行钻孔步骤,也可先进行钻孔步骤,再进行切缝步骤;只需保证在压裂步骤之前,先完成切缝步骤和钻孔步骤即可。
在上述切缝步骤之前,可预先设定长钻孔220的打孔路径及长度;根据预先设定的长钻孔220的打孔路径及长度,确定水力压裂范围;根据水力压裂范围,确定缝隙210的高度,使缝隙210的上端高度高于水力压裂范围的上端高度,如此,可提高后续水力压裂范围的可控度,进一步增强了预裂效果及安全性。
上述切缝步骤具体可包括:从巷道100内,沿巷道走向对顶板200定向切缝,安全性较高。
上述钻孔步骤具体可包括:从巷道100内,对顶板200定向打孔,安全性较高。
可从巷道100的靠近工作面的一侧,由下而上朝远离巷道100的方向进行定向切缝,保护顶板的处于巷道100上方的部分不垮落;优选从巷道100的靠近工作面的顶角位置定向切缝。可从巷道100的靠近工作面的一侧,由下而上朝远离巷道100的方向对顶板200进行定向打孔,压裂后在工作面回采后,顶部200处于压裂范围内的部位更容易垮落,顶板200处于巷道100上方不会受压裂影响;优选从巷道100的靠近工作面的顶角位置定向打孔。当然,对于有其他需求的工况而言,也可选择从巷道100的其他位置进行定向切缝,切缝的倾斜方向也可相应调整;同样,也可选择从巷道100的其他位置进行定向打孔,长钻孔220的弯曲方向也可相应调整。
可将缝隙210设置为两条,并将两条缝隙210分别设置在水力压裂范围的横向两侧,如此,可将水力压裂范围控制在两条缝隙210之间的区域,效果更佳。
具体地,将缝隙210的倾斜角度设置为0~30°,以获得较佳的预裂效果。优选地,可将缝隙210的倾斜角度设置为10~15°。
优选将上述长钻孔220的长度设置在100m以上,以获得较大压裂服务范围。
在上述钻孔步骤中,可采用千米钻机进行定向打孔,以保证长钻孔220的长度。
参见图8-图11,在压裂之前,可进行二次钻孔:从长钻孔220内对顶板200定向打孔,以形成分支孔;在压裂时,除在长钻孔220内进行水力压裂外,还在分支孔内进行进一步水力压裂,以增加顶板200的压裂范围,使压裂区在竖向上可控。
上述二次钻孔步骤具体可包括由长钻孔220的若干部位对顶板200定向打孔,形成梳状分支孔,如此,可进一步增加压裂范围,提高压裂区在竖向上的可控度。
参见图8和图9,也可由长钻孔向下打孔,以形成下向分支孔240;参见图10和图11,可由长钻孔220向上打孔,以形成上向分支孔230;还可由长钻孔220水平打孔,以形成水平分支孔。当然,可以由长钻孔220分别向上、向下、水平打孔,以形成上向分支孔230、下向分支孔240和水平分支孔中的两种或三种分支孔。
在压裂步骤中,优选在长钻孔220和分支孔内进行分段水力压裂,以获得较佳地水力压裂效果。
若针对的灾害为冲击地压灾害、顶板悬顶或工作面来压强度高,则根据顶板的关键层的位置,确定长钻孔220的打孔路径及长度,使长钻孔220穿入顶板200的关键层,压裂区的顶板200压裂后能够有效释放应力集中、降低强度、便于架后垮落,因此可以缓解冲击地压风险、有效避免架后悬顶、减弱工作面来压强度。
若针对的灾害为放顶煤顶煤放出率低,则根据煤层300的位置,确定长钻孔220的打孔路径及长度,使水力压裂范围与煤层300重叠,保证对煤层300的压裂效果,可有效迫使顶煤破断、放出,提高顶煤放出率、降低顶煤大块率。此种情况下,长钻孔220可以穿入煤层300上方靠近煤层300的位置,也可以直接穿入煤层300的顶部。
若针对的灾害为水害,则根据顶板200的含水层位置、岩石层位置及岩石层的碎胀系数,确定长钻孔220的打孔路径及长度,以满足以下要求:长钻孔220不能太高,降低裂隙带,以使水力压裂范围控制在含水层以下,防止裂缝扩展到含水层;同时,长钻孔220也不能太低,增高顶板200的垮落带,以保证足够的岩石破碎量,使的压裂区的顶板200垮落后产生的破碎岩石在体积膨胀后能够充填采空区,有效防治顶板200的含水层的破断。
若针对瓦斯抽采,则根据瓦斯富集区的位置,确定长钻孔220的打孔路径及长度,使水力压裂范围扩散至每个瓦斯富集区或大部分瓦斯富集区,也就是说,使水力压裂范围扩散至尽可能多的瓦斯富集区,压裂区产生的裂隙能够有效增加透气性,提高瓦斯抽采效率和效果。具体地,若瓦斯富集区较少、较分散,则可选择将长钻孔220直接打入瓦斯富集区;若瓦斯富集区较多、较集中,则可选择将长钻孔220打在多个瓦斯富集区围成的区域的居中区域,使得在长钻孔220内进行水力压裂后产生的裂缝能够延伸至尽可能多的瓦斯富集区内,减少打孔个数,减少作业量。其中,瓦斯富集区可能为顶板煤层、本煤层或底板煤层。
本实施例提供的煤矿顶板水力压裂方法,还可用于其他灾害治理。
此外,在沿空留巷方面,也可以采用本方法进行优化,促进工作面垮落、提升留巷效果。
虽然本发明披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
最后,还需要说明的是,在本文中,术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且 还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是:以上所述实施例,仅为本发明的具体实施方式,用以说明本发明的技术方案,而非对其限制,本发明的保护范围并不局限于此,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改、变化或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种煤矿顶板水力压裂方法,其特征在于,包括:
切缝:沿巷道走向对顶板定向切缝,形成缝隙;
钻孔:对所述顶板定向打孔,形成长钻孔;
压裂:在所述长钻孔内进行水力压裂。
2.根据权利要求1所述的煤矿顶板水力压裂方法,其特征在于,所述切缝步骤之前,所述方法还包括:
预先设定所述长钻孔的打孔路径及长度;
根据预先设定的所述长钻孔的打孔路径及长度,确定水力压裂范围;
根据所述水力压裂范围,确定所述缝隙的高度;所述缝隙的上端高度高于所述水力压裂范围的上端高度。
3.根据权利要求1所述的煤矿顶板水力压裂方法,其特征在于,所述切缝步骤,包括:从巷道内,沿所述巷道走向对顶板定向切缝;
和/或,所述钻孔步骤,包括:从巷道内,对所述顶板定向打孔。
4.根据权利要求2所述的煤矿顶板水力压裂方法,其特征在于,所述缝隙为两条,且分别位于所述水力压裂范围的横向两侧;
和/或,所述缝隙的倾斜角度为0~30°。
5.根据权利要求1所述的煤矿顶板水力压裂方法,其特征在于,所述长钻孔的长度为100m以上;
和/或,所述钻孔步骤中,采用千米钻机进行定向打孔。
6.根据权利要求1所述的煤矿顶板水力压裂方法,其特征在于,所述压裂步骤之前,所述方法还包括:二次钻孔:从所述长钻孔内对所述顶板定向打孔,形成分支孔;
所述压裂步骤,还包括:在所述分支孔内进行水力压裂。
7.根据权利要求6所述的煤矿顶板水力压裂方法,其特征在于,所述二次钻孔步骤,包括:由所述长钻孔的若干部位对顶板定向打孔,形成梳状分支孔。
8.根据权利要求6所述的煤矿顶板水力压裂方法,其特征在于,所述分支孔包括上向分支孔、下向分支孔和水平分支孔中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的煤矿顶板水力压裂方法,其特征在于,所述压裂步骤,包括:在所述长钻孔和所述分支孔内进行分段水力压裂。
10.根据权利要求2或4所述的煤矿顶板水力压裂方法,其特征在于,若针对的灾害为冲击地压灾害、顶板悬顶或工作面来压强度高,则根据所述顶板的关键层的位置,确定所述长钻孔的打孔路径及长度,使所述长钻孔穿入所述顶板的关键层;
若针对的灾害为放顶煤顶煤放出率低,则根据煤层位置,确定所述长钻孔的打孔路径及长度,使所述水力压裂范围与所述煤层重叠;
若针对的灾害为水害,则根据所述顶板的含水层位置、岩石层位置及所述岩石层的碎胀系数,确定所述长钻孔的打孔路径及长度,使所述水力压裂范围控制在所述含水层以下,且破碎岩石能够充填采空区;
若针对瓦斯抽采,则根据瓦斯富集区的位置,确定所述长钻孔的打孔路径及长度,使所述水力压裂范围扩散至每个所述瓦斯富集区或大部分所述瓦斯富集区。
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