CN108843320A - 煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，包括以下步骤：根据前期现场施工采集的资料和数据设计钻井参数和压裂施工参数；在一侧或两侧巷道对应的工作面开始端布置定向钻机，并以一定开孔角度向上部坚硬顶板的预设位置钻若干口水平井，水平段结束于距离工作面边缘或中心轴线一定距离处，各水平井的水平段均裸眼完井；在地面下巷道内的适当区域布置水平井分段压裂施工所需要的设备；对水平井的裸眼水平段进行分段压裂施工，使整个工作面的坚硬顶板布满裂缝，从而达到煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突的目的。该方法可在坚硬顶板的同一水平面上整体制造多条裂缝，破坏整个工作面顶板的结构，提前消突，整体效果显著。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法。
背景技术
在煤矿开采中，若遇有坚硬顶板，则会造成岩体变形严重、超前矿压剧烈显现以及冲击地压等灾害。坚硬顶板在煤层采出后，当悬露面积较大时才突然垮落。20世纪80年代以前，我国一些煤矿通常采用刀柱采煤法管理坚硬顶板，每回采一定距离后，在采空区内留设一定面积的煤柱支承顶板。采用这种方法基本上可以保证工作面回采期间顶板不垮落，但是随着开采面积的不断扩大，所留煤柱的应力逐渐增大，终将被压碎破坏，当采空面积达到一定范围时，便会发生大面积垮落，从而造成剧烈的动力现象。
由于坚硬顶板难以自然垮落，如果不采取适当措施促使其垮落，则其初次垮落的步距会很大，一旦垮落，则冒落面积会很大，将形成巨大的风暴，对工作面威胁极大，因此需要采取适当措施使其垮落。面对这一严重灾害，国内外都在积极采取各种理论和技术措施来研究和解决这一难题，但是鉴于岩石力学学科本身的复杂性和生产地质条件的多样性，现有的研究理论、控制技术以及工程问题都有待进一步提高和改善。
目前，在煤矿巷道内进行消突通常采取爆破控顶技术和巷道内定向水力压裂技术，但是这两种方法在实践中都存在很多缺陷。
爆破控顶技术存在如下缺陷：使用火工品量较大，运输作业过程存在安全隐患；使用后产生大量有毒、有害气体，严重威胁作业人员的生命安全，增加作业人员患职业病的几率；强制放顶产生的震动对工作面支架和地面产生破坏。
巷道内定向水力压裂技术虽然可以提前消突，但仍存在如下缺陷：在坚硬顶板的预定位置无效进尺长，需要在巷道内钻斜井；需要在巷道工作面的两侧密集布井，钻井成本高；压裂施工时，每次压裂前需增加定向切槽工序，导致施工周期延长；单井进尺短，无法解决工作面深部问题，也无法解决整个工作面的消突问题。
因此，急需开发一种新型的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，该方法可在巷道掘进之前进行，从而实现对煤矿坚硬顶板的全面超前预裂。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：根据前期现场施工采集的资料和数据设计钻井参数和压裂施工参数；
步骤二：在煤矿一侧巷道对应的工作面开始端布置定向钻机，并使用该定向钻机以一定开孔角度向上部坚硬顶板的预设位置钻第一口水平井，水平段结束于距离工作面边缘一定距离处，然后以相同的方法钻第二口水平井，直至第n口水平井，各水平井的水平段均裸眼完井；或
在煤矿两侧巷道对应的工作面开始端布置定向钻机，并使用该定向钻机在两侧巷道分别以一定开孔角度向上部坚硬顶板的预设位置各钻第一口水平井，水平段均结束于距离工作面中轴线一定距离处，然后以相同的方法各钻第二口水平井，直至第n口水平井，各水平井的水平段均裸眼完井；
步骤三：在地面下巷道内的适当区域布置水平井分段压裂施工所需要的设备；
步骤四：对水平井的裸眼水平段进行分段压裂施工，使整个工作面的坚硬顶板布满裂缝，从而达到煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突的目的。
本发明的全工作面是指将整个煤矿开采煤层划分成若干个小工作面，每个小工作面的尺寸通常为宽度300米左右、长度3000-5000米，通过本发明的方法使整个小工作面的坚硬顶板布满裂缝，即可解决煤矿坚硬顶板全工作面消突问题，对于其他小工作面可采用同样的方法处理。
在设计水平井钻井时，不仅要考虑煤矿的地质特征和工作面的掘进因素，还要考虑后期分段压裂时工具串的下入和压裂裂缝在工作面坚硬顶板内的分布情况，这些因素共同决定了水平井的结构和轨迹。
若定向钻机的钻井能力充足或工作面只有一侧巷道能布置钻机时，则在工作面一侧巷道以一定开孔角度开孔，直接贯穿工作面钻井；若工作面两侧都有巷道能布置钻机时，则在工作面两侧巷道均以一定开孔角度开孔，直至贯穿工作面钻井，这样能有效降低单井进尺，减少对钻机钻井能力的要求。
优选的是，所述工作面的长轴方向与所述坚硬顶板的最小主应力方向之间的夹角为β，0°≤β≤55°。
在上述任一方案中优选的是，所述工作面的长轴方向沿着所述坚硬顶板的最小主应力方向布置，即β＝0°。
在上述任一方案中优选的是，所述裸眼水平段与所述工作面的长轴方向之间的夹角为θ，0°≤θ≤10°。
在上述任一方案中优选的是，所述裸眼水平段沿着所述坚硬顶板的最小主应力方向布置，即θ＝0°。
采用本发明的技术方案，通常要求0°≤β≤55°且0°≤θ≤10°，这样才能确保裸眼水平段与坚硬顶板的最小主应力方向之间呈现一个小角度0°≤γ≤45°。优选的技术方案是β＝0°，θ＝0°，γ＝0°。坚硬顶板的最小主应力方向取决于岩层力学情况，可通过取样和室内分析获得。
在上述任一方案中优选的是，在煤矿一侧巷道对应工作面上布置水平井的数量应满足以下关系式：
式中，n——水平井的数量，n取大于等于1的整数；
L——工作面的长度，m；
L'——相邻两口水平井沿巷道方向的间距，m。
在上述任一方案中优选的是，相邻两口水平井之间的距离应满足以下关系式：d＝2λ＝L'cosθ
式中，d——相邻两口水平井之间的距离，m；
λ——压裂施工的缝长，m；
L'——相邻两口水平井沿巷道方向的间距，m；
θ——裸眼水平段与工作面长轴方向的夹角，°。
在上述任一方案中优选的是，所述裸眼水平段位于坚硬顶板的预设位置，该预设位置的确定应满足以下关系式：
式中，h1——裸眼水平段与煤层顶面之间的距离，m；
h2——煤层的厚度，m；
K——坚硬顶板的岩石堆积松散系数，系数范围为1.15-1.25；
根据坚硬顶板的岩性不同将h1分成若干个小层，即h11、h12.......h1n，每个小层垮塌后对应的岩石堆积松散系数为K1、K2........Kn。
在上述任一方案中优选的是，所述裸眼水平段的终点与工作面边缘的距离应满足以下关系式：
式中，d'——裸眼水平段的终点与工作面边缘的距离，m；
λ——压裂施工的缝长，m；
θ——裸眼水平段与工作面长轴方向的夹角，°。
在上述任一方案中优选的是，所述压裂施工的缝长应满足以下关系式：
式中，λ——压裂施工的缝长，m；
W——工作面的宽度，m；
θ——裸眼水平段与工作面长轴方向的夹角，°。
在上述任一方案中优选的是，所述水平井造斜段的最大全角变化率应满足以下关系式：
式中，k——造斜段的最大全角变化率，rad/m；
D——裸眼水平段的井眼直径，mm；
d——压裂工具串的最大刚体外径，mm；
L——压裂工具串的长度，mm；
Lc——压裂工具串的变形量，mm；
δ——安全系数。
在上述任一方案中优选的是，所述水平井造斜段的长度与所述开孔角度之间应满足以下关系式：(没有考虑裸眼水平段与工作面的夹角)
式中，α——开孔角度，°；
W1——造斜段的长度，m；
D——裸眼水平段的井眼直径，mm；
d——压裂工具串的最大刚体外径，mm；
L——压裂工具串的长度，mm；
Lc——压裂工具串的变形量，mm；
δ——安全系数。
在上述任一方案中优选的是，所述裸眼水平段的长度应满足以下关系式：(考虑了裸眼水平段与工作面的夹角)
式中，W2——裸眼水平段的长度，m；
W1——造斜段在平行于工作面所在平面上的投影长度，m；
W——工作面的宽度，m；
λ——压裂施工的缝长，mm；
θ——裸眼水平段与工作面长轴方向的夹角，°。
在上述任一方案中优选的是，所述裸眼水平段的分段压裂方法为双封单卡分段压裂或水力喷射分段压裂或投球滑套分段压裂。
(1)双封单卡分段压裂：该压裂方法实施的主要特点为“双封单卡”，即两个双封隔器、卡封单独一个压裂段。压裂管柱：油管+安全接头+扶正器+液压封隔器+压力开启滑套+液压封隔器+扶正器+引鞋，先压裂水平段最深处，完成第一段压裂后拖动管柱至压力开启滑套对准第二压裂段，压裂第二段，如此循环完成第N段压裂。
(2)水力喷射分段压裂：该压裂方法实施的主要特点为“水力喷射”，即用水力喷射头产生高速流体穿透岩石形成孔眼，随后环空注水补液，流体在孔眼底部产生高于破裂压力的压力，延伸水力裂缝。压裂管柱：油管+安全接头+水力喷射器+液压封隔器+扶正器+引鞋，先压裂水平段最深处，完成第一段压裂后拖动管柱至水力喷射器对准第二压裂段，压裂第二段，如此循环完成第N段压裂。
(3)投球滑套分段压裂：该压裂方法实施的主要特点为“投球滑套”、“不动管柱”，即用完井管柱和压裂管柱合并为一趟管柱一起下入，采用悬挂封隔器、扩张式裸眼封隔器、投球滑套、压差滑套以及坐封球座等工具下入井内。压裂管柱：悬挂封隔器+裸眼封隔器N+投球滑套N+分隔管+裸眼封隔器N-1+投球滑套N-1+分隔管……+裸眼封隔器Ⅱ+投球滑套Ⅱ+分隔管+裸眼封隔器Ⅰ+压差滑套Ⅰ+分隔管+球座+引鞋，使用裸眼封隔器封隔水平段，压裂时投球实现压裂作业井段横向选择性分段隔离，完成第一段至第N段压裂，从而实现全井段完全压裂作业。
在上述任一方案中优选的是，采用双封单卡分段压裂的方法对裸眼水平段进行分段压裂，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤1.1：在煤矿巷道内使用钻机将组配好的压裂管柱推送到第一口水平井的裸眼水平段中，直至压力开启滑套对准第一压裂段；
步骤1.2：将巷道内的压裂泵连接到油管上，开启压裂泵并注入无砂压裂液，当油管内的压力上升到2-3MPa时，两个液压封隔器座封，当油管内的压力上升到5-8MPa时，滑套开启，压裂泵继续向压裂管柱内注入无砂压裂液以压裂第一压裂段；
步骤1.3：油管内的压力迅速上升，达到坚硬顶板破裂所需要的压力，然后维持排量压力扩展裂缝，直至压力突然下降，观测压裂泵的压力趋势不再变化时，即可完成第一压裂段的压裂；
步骤1.4：缓慢放压至油管内的压力为0MPa，在巷道内使用钻机拖动压裂管柱至第二压裂段，使压力开启滑套对准第二压裂段；
步骤1.5：重复步骤1.2至步骤1.3，即可完成第二压裂段的压裂；
步骤1.6：重复步骤1.4至步骤1.5若干次后，即可完成第N压裂段的压裂；
步骤1.7：缓慢放压至油管内的压力为0MPa，在巷道内使用钻机将压裂管柱起出，即可完成第一口水平井的分段压裂；
步骤1.8：重复步骤1.1至步骤1.7若干次后，即可完成整个工作面的双封单卡分段压裂。
在上述任一方案中优选的是，采用水力喷射分段压裂的方法对裸眼水平段进行分段压裂，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤2.1：在煤矿巷道内使用钻机将组配好的压裂管柱推送到裸眼水平段中，直至水力喷射器对准第一压裂段；
步骤2.2：将巷道内的压裂泵连接到油管上，开启压裂泵并注入含砂压裂液，当油管内的压力上升到2-3MPa时，液压封隔器座封，当油管内的压力上升到5-8MPa时，开启水力喷射器并喷出含砂压裂液，当油管内的压力上升到40-45MPa时，水力喷射器开始射孔，同时向环空内注入无砂压裂液以压裂第一压裂段；
步骤2.3：油管内的压力迅速上升，达到坚硬顶板破裂所需要的压力，然后维持排量压力扩展裂缝，直至压力突然下降，观测压裂泵的压力趋势不再变化时，即可完成第一压裂段的压裂；
步骤2.4：缓慢放压至油管内的压力为0MPa，在巷道内使用钻机拖动压裂管柱至第二压裂段，使水力喷射器对准第二压裂段；
步骤2.5：重复步骤2.2至步骤2.3，即可完成第二压裂段的压裂；
步骤2.6：重复步骤2.4至步骤2.5若干次后，即可完成第N压裂段的压裂；
步骤2.7：缓慢放压至油管内的压力为0MPa，在巷道内使用钻机将压裂管柱起出，即可完成第一口水平井的分段压裂；
步骤2.8：重复步骤2.1至步骤2.7若干次后，即可完成整个工作面的水力喷射分段压裂。
在上述任一方案中优选的是，采用投球滑套分段压裂的方法对裸眼水平段进行分段压裂，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤3.1：在巷道内使用钻机将组配好的压裂管柱推送到裸眼水平段中，直至压差滑套Ⅰ对准第一压裂段；
步骤3.2：在压裂管柱内投放球Ⅰ；将巷道内的压裂泵连接到压裂管柱上，开启压裂泵并注入无砂压裂液，推动球Ⅰ至球座内；缓慢升压至裸眼封隔器设定的压力，稳定压力5min，然后座封所有的裸眼封隔器；
步骤3.3：继续升压至开启压差滑套Ⅰ所需要的压力，打开压差滑套Ⅰ；压裂泵继续向压裂管柱内注入无砂压裂液以压裂第一压裂段；
步骤3.4：油管内的压力迅速上升，达到坚硬顶板破裂所需要的压力，然后维持排量压力扩展裂缝，直至压力突然下降，观测压裂泵的压力趋势不再变化时，即可完成第一压裂段的压裂；
步骤3.5：在压裂管柱内投放球Ⅱ，压裂泵注入无砂压裂液，推送球Ⅱ进入投球滑套Ⅱ内；
步骤3.6：重复步骤3.4，即可完成第二压裂段的压裂；
步骤3.7：重复步骤3.5至步骤3.6若干次后，即可完成第N压裂段的压裂；
步骤3.8：缓慢放压至油管内的压力为0MPa，在巷道内使用钻机将压裂管柱起出，即可完成第一口水平井的分段压裂；
步骤3.9：重复步骤3.1至步骤3.8若干次后，即可完成整个工作面的投球滑套分段压裂。
水平井分段压裂施工现场需要合理布置，所需要的压裂设备布置在巷道内，施工现场布置图中包括水罐、压裂泵、储能器、压力传感器、流量传感器、压力流量数据采集装置、高压软管、液控高压闸门、钻机、ESD控制装置、微地震数据处理装置、微地震感应器、压裂管柱、裸眼水平井。
压裂工具：在煤矿裸眼水平井中，油管的外径不大于60.3mm，承压不小于70MPa，为适应巷道内钻机使用，每根油管的长度不大于3m。为方便钻具推送到位，在管柱上所有钢管和工具节箍上设置倒角，底部配合半圆形引鞋，油管每隔20-30m加扶正器，裸眼封隔器上下接头均加工有扶正器。
压裂装备包括：钻机，用于在巷道内下入和起出压裂管柱，钻机的推送力和拉力≥10t；压裂泵，使用电动高压注水泵，其单车功率≥50KW、工作压力≥70MPa、排量≥1000L/min；高压软管，用于连接压裂泵和油管；105MPa高压液控针型阀，安装在水平井井口的油管处，由独立的液压站控制，能紧急关断，是压裂时的安全装备，可避免高压软管爆裂产生巷道和井内安全问题。
使用煤矿水或清水配置压裂液。采用水力喷射分段压裂方法，在喷射每段射孔时，需要向压裂液中加砂，加砂量按着设计加砂量的下限执行，在裂缝延伸阶段无需加砂。采用双封单卡分段压裂和投球滑套分段压裂方法，在整个压裂过程中，都无需向压裂液中加砂。
压裂施工参数的确定原则是小排量、高压力，确保缝长尽可能的长。压裂段的划分，需要根据水平段岩性特征和压裂规模确定分段数量，在每段压裂规模一定的情况下尽可能增加压裂分段数量。分段数量：投球滑套分段压裂通常每隔100-150m划分一个压裂段；水力喷射分段压裂和双封单卡分段压裂通常每隔3-5m划分一个压裂段。
根据生产需要可选择性的对压裂效果进行监测。采用无源微地震监测方法，在煤层巷道内布置接收器，实时监测裂缝的三维走向；高压注水泵出口安装压力排量记录仪，实时监控压裂压力和排量。
本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，利用定向钻机在巷道内向煤层坚硬顶板的预设位置钻若干裸眼水平井，在裸眼水平井段进行分段压裂，使整个工作面顶板布满裂缝，从而解决煤矿坚硬顶板全工作面消突的问题，避免煤矿开采过程中发生事故，消除安全隐患。
本发明的技术方案能够带来如下有益效果：在巷道内，定向钻机向上钻进，单井无效进尺少；水平段裸眼完井，可节约成本，提高工作效率；整个工作面全部覆盖；分段压裂能够在采煤前完成坚硬顶板消突；采用定向钻机施工，井眼尺寸大，压裂管柱容易推入，管柱的设计能够使管柱在水平井内自如地送入和拉出，分段压裂的成功率高，同时降低了人工劳动强度；一趟压裂管柱可实现N次分段压裂，极大地缩短压裂周期；可解决工作面深部顶板消突问题；可在顶板同一水平面上整体制造多条裂缝，破坏整个工作面顶板的结构，提前消突，整体效果显著。
本发明的技术方案适用于煤矿粉砂岩、碳酸盐岩等坚硬顶板，为超前、经济、可靠地解决煤矿坚硬顶板的突出问题提供了钻井和压裂整体方案。
附图说明
图1为按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的一优选实施例中水平井组的布置示意图；
图2为按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的图1所示实施例中水平井组与坚硬顶板的位置关系示意图；
图3为按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的图1所示实施例中单井的井眼轨迹示意图；
图4为按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的图1所示实施例中水平井分段压裂施工平面图；
图5为按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的另一优选实施例中水平井组的布置示意图。
图中标注说明：1-坚硬顶板，2-煤层，3-巷道，4-水平井，5-裸眼水平段，6-水罐，7-压裂泵，8-储能器，9-压力传感器，10-流量传感器，11-压力流量数据采集装置，12-高压软管，13-液控高压闸门，14-钻机，15-ESD控制装置，16-微地震数据处理装置，17-微地震感应器，18-压裂管柱。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例一：
按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的一实施例，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：根据前期现场施工采集的资料和数据设计钻井参数和压裂施工参数；步骤二：在煤矿一侧巷道对应的工作面开始端布置定向钻机，并使用该定向钻机以一定开孔角度向上部坚硬顶板的预设位置钻第一口水平井，水平段结束于距离工作面边缘一定距离处，然后以相同的方法钻第二口水平井，直至第n口水平井，各水平井的水平段均裸眼完井；
步骤三：在地面下巷道内的适当区域布置水平井分段压裂施工所需要的设备；步骤四：对水平井的裸眼水平段进行分段压裂施工，使整个工作面的坚硬顶板布满裂缝，从而达到煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突的目的。
在设计水平井钻井时，不仅要考虑煤矿的地质特征和工作面的掘进因素，还要考虑后期分段压裂时工具串的下入和压裂裂缝在工作面坚硬顶板内的分布情况，这些因素共同决定了水平井的结构和轨迹。
采用本实施例的技术方案，通常要求0°≤β≤55°且0°≤θ≤10°，这样才能确保裸眼水平段与坚硬顶板的最小主应力方向之间呈现一个小角度0°≤γ≤45°。坚硬顶板的最小主应力方向取决于岩层力学情况，可通过取样和室内分析获得。其中，β为工作面长轴方向与坚硬顶板最小主应力方向之间的夹角，θ为裸眼水平段与工作面长轴方向之间的夹角，γ为裸眼水平段与坚硬顶板最小主应力方向之间的夹角。
本实施例中，在工作面的一侧巷道内布置钻机，以一定开孔角度开孔，直接贯穿工作面钻井。如果定向钻机的钻井能力充足，也可在工作面的一侧巷道以一定开孔角度开孔。
在煤矿一侧巷道对应工作面上布置水平井的数量应满足以下关系式：
式中，n——水平井的数量，n取大于等于1的整数；
L——工作面的长度，m；
L'——相邻两口水平井沿巷道方向的间距，m。
相邻两口水平井之间的距离应满足以下关系式：d＝2λ＝L'cosθ
式中，d——相邻两口水平井之间的距离，m；
λ——压裂施工的缝长，m；
L'——相邻两口水平井沿巷道方向的间距，m；
θ——裸眼水平段与工作面长轴方向的夹角，°。
所述裸眼水平段位于坚硬顶板的预设位置，该预设位置的确定应满足以下关系式：
式中，h1——裸眼水平段与煤层顶面之间的距离，m；
h2——煤层的厚度，m；
K——坚硬顶板的岩石堆积松散系数，系数范围为1.15-1.25；
根据坚硬顶板的岩性不同将h1分成若干个小层，即h11、h12.......h1n，每个小层垮塌后对应的岩石堆积松散系数为K1、K2........Kn。
所述裸眼水平段的终点与工作面边缘的距离应满足以下关系式：式中，d'——裸眼水平段的终点与工作面边缘的距离，m；
λ——压裂施工的缝长，m；
θ——裸眼水平段与工作面长轴方向的夹角，°。
所述压裂施工的缝长应满足以下关系式：
式中，λ——压裂施工的缝长，m；
W——工作面的宽度，m；
θ——裸眼水平段与工作面长轴方向的夹角，°。
所述水平井造斜段的最大全角变化率应满足以下关系式：
式中，k——造斜段的最大全角变化率，rad/m；
D——裸眼水平段的井眼直径，mm；
d——压裂工具串的最大刚体外径，mm；
L——压裂工具串的长度，mm；
Lc——压裂工具串的变形量，mm；
δ——安全系数。
所述水平井造斜段的长度与所述开孔角度之间应满足以下关系式：
(没有考虑裸眼水平段与工作面的夹角)
式中，α——开孔角度，°；
W1——造斜段的长度，m；
D——裸眼水平段的井眼直径，mm；
d——压裂工具串的最大刚体外径，mm；
L——压裂工具串的长度，mm；
Lc——压裂工具串的变形量，mm；
δ——安全系数。
所述裸眼水平段的长度应满足以下关系式：(考虑了裸眼水平段与工作面的夹角)
式中，W2——裸眼水平段的长度，m；
W1——造斜段在平行于工作面所在平面上的投影长度，m；
W——工作面的宽度，m；
λ——压裂施工的缝长，mm；
θ——裸眼水平段与工作面长轴方向的夹角，°。
本实施例中，煤矿某工作面煤层埋深为300m，采高为6m，坚硬顶板50m内为难垮塌的粉砂岩，裸眼水平段与工作面长轴方向之间的夹角θ＝10°，工作面宽度为300m、长度为3500m。
如图1-3所示，坚硬顶板1位于煤层2上方，在煤矿一侧巷道3以一定开孔角度向上部坚硬顶板1的预设位置钻一组水平井4，共钻58口水平井，水平段结束于距离工作面边缘一定距离处，各水平井的水平段均裸眼完井。钻完后使用铣鞋通洗井，使井壁光滑。
在巷道和定向钻机能力许可范围内尽量选择大的开孔角度，A为巷道处煤层上的开孔点，B为裸眼水平段的起点，C为裸眼水平段的终点，W1为造斜段在平行于工作面所在平面上的投影长度，尽量缩小W1的长度，W2为裸眼水平段的长度。本实施例中，h1＝30m，h2＝6m，α＝20°，d＝60m，W1＝160m，W2＝200m，L′＝25m。
如图4所示，水平井分段压裂施工现场需要合理布置，所需要的压裂设备布置在巷道内，施工现场布置图中包括水罐6、压裂泵7、储能器8、压力传感器9、流量传感器10、压力流量数据采集装置11、高压软管12、液控高压闸门13、钻机14、ESD控制装置15、微地震数据处理装置16、微地震感应器17、压裂管柱18、裸眼水平井5。
压裂工具：在煤矿裸眼水平井中，油管的外径不大于60.3mm，承压不小于70MPa，为适应巷道内钻机使用，每根油管的长度不大于3m。为方便钻具推送到位，在管柱上所有钢管和工具节箍上设置倒角，底部配合半圆形引鞋，油管每隔20-30m加扶正器，裸眼封隔器上下接头均加工有扶正器。
压裂装备包括：钻机，用于在巷道内下入和起出压裂管柱，钻机的推送力和拉力≥10t；压裂泵，使用电动高压注水泵，其单车功率≥50KW、工作压力≥70MPa、排量≥1000L/min；高压软管，用于连接压裂泵和油管；105MPa高压液控针型阀，安装在水平井井口的油管处，由独立的液压站控制，能紧急关断，是压裂时的安全装备，可避免高压软管爆裂产生巷道和井内安全问题。
使用清水配置压裂液。在整个压裂过程中，无需向压裂液中加砂。
压裂施工参数的确定原则是小排量、高压力，确保缝长尽可能的长。压裂段的划分，需要根据水平段岩性特征和压裂规模确定分段数量，在每段压裂规模一定的情况下尽可能增加压裂分段数量。
根据生产需要可选择性的对压裂效果进行监测。采用无源微地震监测方法，在煤层巷道内布置接收器，实时监测裂缝的三维走向；高压注水泵出口安装压力排量记录仪，实时监控压裂压力和排量。
所述裸眼水平段的分段压裂方法为双封单卡分段压裂，该压裂方法实施的主要特点为“双封单卡”，即两个双封隔器、卡封单独一个压裂段。压裂管柱：油管+安全接头+扶正器+液压封隔器+压力开启滑套+液压封隔器+扶正器+引鞋，先压裂水平段最深处，完成第一段压裂后拖动管柱至压力开启滑套对准第二压裂段，压裂第二段，如此循环完成第N段压裂。
采用双封单卡分段压裂的方法对裸眼水平段进行分段压裂，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤1.1：在煤矿巷道内使用钻机将组配好的压裂管柱推送到第一口水平井的裸眼水平段中，直至压力开启滑套对准第一压裂段；
步骤1.2：将巷道内的压裂泵连接到油管上，开启压裂泵并注入无砂压裂液，当油管内的压力上升到2-3MPa时，两个液压封隔器座封，当油管内的压力上升到5-8MPa时，滑套开启，压裂泵继续向压裂管柱内注入无砂压裂液以压裂第一压裂段；
步骤1.3：油管内的压力迅速上升，达到坚硬顶板破裂所需要的压力，然后维持排量压力扩展裂缝，直至压力突然下降，观测压裂泵的压力趋势不再变化时，即可完成第一压裂段的压裂；
步骤1.4：缓慢放压至油管内的压力为0MPa，在巷道内使用钻机拖动压裂管柱至第二压裂段，使压力开启滑套对准第二压裂段；
步骤1.5：重复步骤1.2至步骤1.3，即可完成第二压裂段的压裂；
步骤1.6：重复步骤1.4至步骤1.5若干次后，即可完成第N压裂段的压裂；
步骤1.7：缓慢放压至油管内的压力为0MPa，在巷道内使用钻机将压裂管柱起出，即可完成第一口水平井的分段压裂；
步骤1.8：重复步骤1.1至步骤1.7若干次后，即可完成整个工作面的双封单卡分段压裂。
本实施例的技术方案能够带来如下有益效果：在巷道内，定向钻机向上钻进，单井无效进尺少；水平段裸眼完井，可节约成本，提高工作效率；整个工作面全部覆盖；分段压裂能够在采煤前完成坚硬顶板消突；采用定向钻机施工，井眼尺寸大，压裂管柱容易推入，管柱的设计能够使管柱在水平井内自如地送入和拉出，分段压裂的成功率高，同时降低了人工劳动强度；一趟压裂管柱可实现N次分段压裂，极大地缩短压裂周期；可解决工作面深部顶板消突问题；可在顶板同一水平面上整体制造多条裂缝，破坏整个工作面顶板的结构，提前消突，整体效果显著。本实施例适用于煤矿粉砂岩、碳酸盐岩等坚硬顶板，为超前、经济、可靠地解决煤矿坚硬顶板的突出问题提供了钻井和压裂整体方案。
实施例二：
按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的另一实施例，其工艺步骤、钻井及施工参数的设计公式、原理、所使用的施工设备、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：
所述裸眼水平段的分段压裂方法为水力喷射分段压裂，该压裂方法实施的主要特点为“水力喷射”，即用水力喷射头产生高速流体穿透岩石形成孔眼，随后环空注水补液，流体在孔眼底部产生高于破裂压力的压力，延伸水力裂缝。压裂管柱：油管+安全接头+水力喷射器+液压封隔器+扶正器+引鞋，先压裂水平段最深处，完成第一段压裂后拖动管柱至水力喷射器对准第二压裂段，压裂第二段，如此循环完成第N段压裂。
采用水力喷射分段压裂的方法对裸眼水平段进行分段压裂，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤2.1：在煤矿巷道内使用钻机将组配好的压裂管柱推送到裸眼水平段中，直至水力喷射器对准第一压裂段；
步骤2.2：将巷道内的压裂泵连接到油管上，开启压裂泵并注入含砂压裂液，当油管内的压力上升到2-3MPa时，液压封隔器座封，当油管内的压力上升到5-8MPa时，开启水力喷射器并喷出含砂压裂液，当油管内的压力上升到40-45MPa时，水力喷射器开始射孔，同时向环空内注入无砂压裂液以压裂第一压裂段；
步骤2.3：油管内的压力迅速上升，达到坚硬顶板破裂所需要的压力，然后维持排量压力扩展裂缝，直至压力突然下降，观测压裂泵的压力趋势不再变化时，即可完成第一压裂段的压裂；
步骤2.4：缓慢放压至油管内的压力为0MPa，在巷道内使用钻机拖动压裂管柱至第二压裂段，使水力喷射器对准第二压裂段；
步骤2.5：重复步骤2.2至步骤2.3，即可完成第二压裂段的压裂；
步骤2.6：重复步骤2.4至步骤2.5若干次后，即可完成第N压裂段的压裂；
步骤2.7：缓慢放压至油管内的压力为0MPa，在巷道内使用钻机将压裂管柱起出，即可完成第一口水平井的分段压裂；
步骤2.8：重复步骤2.1至步骤2.7若干次后，即可完成整个工作面的水力喷射分段压裂。
采用水力喷射分段压裂方法，在喷射每段射孔时，需要向压裂液中加砂，加砂量按着设计加砂量的下限执行，在裂缝延伸阶段无需加砂。
实施例三：
按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的另一实施例，其工艺步骤、钻井及施工参数的设计公式、原理、所使用的施工设备、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：
所述裸眼水平段的分段压裂方法为投球滑套分段压裂，该压裂方法实施的主要特点为“投球滑套”、“不动管柱”，即用完井管柱和压裂管柱合并为一趟管柱一起下入，采用悬挂封隔器、扩张式裸眼封隔器、投球滑套、压差滑套以及坐封球座等工具下入井内。压裂管柱：悬挂封隔器+裸眼封隔器N+投球滑套N+分隔管+裸眼封隔器N-1+投球滑套N-1+分隔管……+裸眼封隔器Ⅱ+投球滑套Ⅱ+分隔管+裸眼封隔器Ⅰ+压差滑套Ⅰ+分隔管+球座+引鞋，使用裸眼封隔器封隔水平段，压裂时投球实现压裂作业井段横向选择性分段隔离，完成第一段至第N段压裂，从而实现全井段完全压裂作业。
采用投球滑套分段压裂的方法对裸眼水平段进行分段压裂，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤3.1：在巷道内使用钻机将组配好的压裂管柱推送到裸眼水平段中，直至压差滑套Ⅰ对准第一压裂段；
步骤3.2：在压裂管柱内投放球Ⅰ；将巷道内的压裂泵连接到压裂管柱上，开启压裂泵并注入无砂压裂液，推动球Ⅰ至球座内；缓慢升压至裸眼封隔器设定的压力，稳定压力5min，然后座封所有的裸眼封隔器；
步骤3.3：继续升压至开启压差滑套Ⅰ所需要的压力，打开压差滑套Ⅰ；压裂泵继续向压裂管柱内注入无砂压裂液以压裂第一压裂段；
步骤3.4：油管内的压力迅速上升，达到坚硬顶板破裂所需要的压力，然后维持排量压力扩展裂缝，直至压力突然下降，观测压裂泵的压力趋势不再变化时，即可完成第一压裂段的压裂；
步骤3.5：在压裂管柱内投放球Ⅱ，压裂泵注入无砂压裂液，推送球Ⅱ进入投球滑套Ⅱ内；
步骤3.6：重复步骤3.4，即可完成第二压裂段的压裂；
步骤3.7：重复步骤3.5至步骤3.6若干次后，即可完成第N压裂段的压裂；
步骤3.8：缓慢放压至油管内的压力为0MPa，在巷道内使用钻机将压裂管柱起出，即可完成第一口水平井的分段压裂；
步骤3.9：重复步骤3.1至步骤3.8若干次后，即可完成整个工作面的投球滑套分段压裂。
实施例四：
按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的另一实施例，其工艺步骤、钻井及施工参数的设计公式、原理、所使用的施工设备、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：裸眼水平段与工作面长轴方向之间的夹角θ＝5°。
实施例五：
按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的另一实施例，其工艺步骤、钻井及施工参数的设计公式、原理、所使用的施工设备、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：裸眼水平段与工作面长轴方向之间的夹角θ＝0°。
实施例六：
按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的另一实施例，其工艺步骤、钻井及施工参数的设计公式、原理、所使用的施工设备、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：工作面长轴方向与坚硬顶板最小主应力方向之间的夹角β＝0°，裸眼水平段与工作面长轴方向之间的夹角θ＝0°，裸眼水平段与坚硬顶板最小主应力方向之间的夹角γ＝0°。
实施例七：
如图5所示，按照本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法的另一实施例，其工艺步骤、钻井及施工参数的设计公式、原理、所使用的施工设备、有益效果等均与实施例一相同，不同的是：步骤二中，在煤矿两侧巷道3对应的工作面开始端布置定向钻机，并使用该定向钻机在两侧巷道3分别以一定开孔角度向上部坚硬顶板1的预设位置各钻第一口水平井4，水平段均结束于距离工作面中轴线一定距离处，然后以相同的方法各钻第二口水平井4，直至第n口水平井4，各水平井4的水平段均裸眼完井。
本实施例中，在工作面两侧都有巷道布置钻机，在两侧巷道均以一定开孔角度开孔，直至贯穿工作面钻井，这样能有效降低单井进尺，减少对钻机钻井能力的要求。
本领域技术人员不难理解，本发明的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：根据前期现场施工采集的资料和数据设计钻井参数和压裂施工参数；
步骤二：在煤矿一侧巷道对应的工作面开始端布置定向钻机，并使用该定向钻机以一定开孔角度向上部坚硬顶板的预设位置钻第一口水平井，水平段结束于距离工作面边缘一定距离处，然后以相同的方法钻第二口水平井，直至第n口水平井，各水平井的水平段均裸眼完井；或
在煤矿两侧巷道对应的工作面开始端布置定向钻机，并使用该定向钻机在两侧巷道分别以一定开孔角度向上部坚硬顶板的预设位置各钻第一口水平井，水平段均结束于距离工作面中轴线一定距离处，然后以相同的方法各钻第二口水平井，直至第n口水平井，各水平井的水平段均裸眼完井；
步骤三：在地面下巷道内的适当区域布置水平井分段压裂施工所需要的设备；
步骤四：对水平井的裸眼水平段进行分段压裂施工，使整个工作面的坚硬顶板布满裂缝，从而达到煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突的目的。
2.如权利要求1所述的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，其特征在于：所述工作面的长轴方向与所述坚硬顶板的最小主应力方向之间的夹角为β，0°≤β≤55°。
3.如权利要求2所述的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，其特征在于：所述工作面的长轴方向沿着所述坚硬顶板的最小主应力方向布置，即β＝0°。
4.如权利要求2所述的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，其特征在于：所述裸眼水平段与所述工作面的长轴方向之间的夹角为θ，0°≤θ≤10°。
5.如权利要求4所述的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，其特征在于：所述裸眼水平段沿着所述坚硬顶板的最小主应力方向布置，即θ＝0°。
6.如权利要求1所述的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，其特征在于：在煤矿一侧巷道对应工作面上布置水平井的数量应满足以下关系式
式中，n——水平井的数量，n取大于等于1的整数；
L——工作面的长度，m；
L'——相邻两口水平井沿巷道方向的间距，m。
7.如权利要求6所述的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，其特征在于：相邻两口水平井之间的距离应满足以下关系式
d＝2λ＝L'cosθ
式中，d——相邻两口水平井之间的距离，m；
λ——压裂施工的缝长，m；
L'——相邻两口水平井沿巷道方向的间距，m；
θ——裸眼水平段与工作面长轴方向的夹角，°。
8.如权利要求1所述的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，其特征在于：所述裸眼水平段位于坚硬顶板的预设位置，该预设位置的确定应满足以下关系式
式中，h1——裸眼水平段与煤层顶面之间的距离，m；
h2——煤层的厚度，m；
K——坚硬顶板的岩石堆积松散系数，系数范围为1.15-1.25；
根据坚硬顶板的岩性不同将h1分成若干个小层，即h11、h12.......h1n，每个小层垮塌后对应的岩石堆积松散系数为K1、K2........Kn。
9.如权利要求8所述的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，其特征在于：所述裸眼水平段的终点与工作面边缘的距离应满足以下关系式
式中，d'——裸眼水平段的终点与工作面边缘的距离，m；
λ——压裂施工的缝长，m；
θ——裸眼水平段与工作面长轴方向的夹角，°。
10.如权利要求9所述的煤矿坚硬顶板全工作面巷道内提前消突方法，其特征在于：所述压裂施工的缝长应满足以下关系式
式中，λ——压裂施工的缝长，m；
W——工作面的宽度，m；
θ——裸眼水平段与工作面长轴方向的夹角，°。
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2018
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