CN112324337B - 一种松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿瓦斯治理类技术领域，公开了一种松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采方法，即采用底板穿层沿顶梳状钻孔冲孔‑压裂‑冲孔增透煤层抽采瓦斯，具体步骤包括：首先在底板巷施工穿层钻孔进入煤层顶板，沿顶布置水平顺层钻孔，同时每隔25‑30m施工向下分支压裂钻孔，进入煤层底板2m；其次对分支煤孔实施水力冲孔，同时排出煤渣，逐渐增加注水压力，实现阶段封孔，启动煤层水力压裂，注水压力25MPa‑30MPa，达到目标压力和时间后停止压裂，降低注水压力再冲孔；重复以上步骤，完成全部分支钻孔增透工作；最后连接抽放管实施煤层全程瓦斯抽采。本发明适用于松软煤层，可以大幅度增加煤层透气性，降低煤层的瓦斯压力和含量，提高煤层瓦斯治理效果。

Description

一种松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采方法

技术领域

本发明属于煤矿井下瓦斯抽采增透技术领域，具体涉及一种松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采方法。

背景技术

煤与瓦斯突出一直是煤矿的重大灾害之一，瓦斯抽采是实现区域瓦斯治理的根本方法。但是随着煤层开采深度的增加，煤层瓦斯含量不断增加，煤层透气性逐渐变差，开采过程中瓦斯涌出量越来越大，瓦斯超限、各种动力现象、煤与瓦斯突出事故等瓦斯灾害隐患越来越严重，高效的瓦斯抽采成为煤矿瓦斯治理的首要任务。而针对高压、松软、透气性差的煤层瓦斯抽采仍然是抽放的难点，为提高松软煤层回采工作面区域瓦斯治理的效率，增加煤层透气性，提高瓦斯抽采率。传统的底板穿层钻孔，钻孔数量多、施工工程量大、抽采周期长、成本高、效果差，且钻孔容易被煤层煤渣和水阻塞，而松软煤层抽采问题更为严重。因此，需要提出一种基于松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔冲孔-压裂增透全程抽采方法，来有效解决这些问题。

发明内容

发明目的：为了解决高瓦斯松软煤层瓦斯抽采的存在问题，提出了一种松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采方法，包括以下步骤：

步骤一：从地表钻孔至底板岩层，在底板岩层处设置钻场，在钻场内布置钻孔设备以及水泥浆设备，利用钻孔设备向斜上方向钻出孔口管岩孔段，退出钻杆，然后在孔口管岩孔段内插入长度小于孔口管岩孔段的孔口管，利用水泥浆设备向孔口管重复高压注浆，水泥浆填充在孔口管内以及孔口管岩孔段，等待水泥浆凝固；

步骤二：水泥浆凝固后，利用钻孔设备沿孔口管内向斜上方向钻出煤层孔段，煤层孔段贯穿软煤煤层至接近软煤煤层顶板的顶板岩层处后落平，退出钻杆，再利用水泥浆设备向煤层孔段注入高压水泥浆，等待水泥浆凝固；

步骤三：利用钻孔设备沿煤层孔段钻孔，到达顶板岩层后以水平方向在顶板岩层内钻出水力压裂主孔段，钻孔过程中同时施工水力压裂，水力压裂贯穿整个水力压裂主孔段；

步骤四：水力压裂主孔段钻孔完毕后，退出钻杆，每退出一段距离，向下钻出水力压裂分支孔段，水力压裂分支孔段贯穿软煤煤层至底板岩层，钻孔过程中同时施工水力压裂，水力压裂贯穿整个水力压裂分支孔段；

步骤五：水力压裂分支孔段完毕后通过钻杆实施水力冲孔，水力冲孔完毕后，钻杆退出至水力压裂分支孔段上端位置，增加高压钻杆中水压至钻杆上膨胀封孔器开启进行封孔；

步骤六：封孔后钻杆持续注水，保持压力，维持一定时间，完成水利压裂后，关闭膨胀封孔器，退出钻杆至水力压裂主孔段；

步骤七：重复步骤四至六，完成多个水力压裂分支孔段的钻孔和水力压裂工作；

步骤八：钻杆完全退出水力压裂主孔段和煤层孔段，实施瓦斯联合抽采工作，回采工作面区域瓦斯治理抽采达标后，开始煤巷掘进工作，并根据工作面瓦斯治理效果补充实施工作面顺层钻孔预抽工作；

步骤九：在水力压裂主孔段的落平位置送入“两堵一注”的封孔器，在抽采过程中利用抽采达标评估软件进行抽采达标评估，当抽采达标后，煤巷开始掘进。

作为更进一步的优选方案，步骤一中，采用锚固剂锚固孔口管，孔口管管口具有法兰盘盖，法兰盘盖上具有连接钻孔设备以及水泥浆设备的接头。

作为更进一步的优选方案，步骤一中，注浆时先注入稠浆固定孔口管，再注入稀浆强化固定孔口管，等凝固24小时后，重复高压注浆，直至耐压10MPa以上，等待水泥浆凝固48小时进入下一工序。

作为更进一步的优选方案，步骤四中，钻杆在水力压裂主孔段中每退出50-60m，即向下钻一个水力压裂分支孔段，水力压裂分支孔段底部在底板岩层位置形成容纳水和煤渣的蓄水仓。

作为更进一步的优选方案，步骤六中，封孔后钻杆持续注水，压力增加至15MPa，稳定30min。

本发明所公开的是一种基于松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔冲孔-压裂增透全程抽采方法，其适用于高瓦斯松软煤层的区域瓦斯治理。通过固化软煤煤层穿层钻孔，保证实施底板穿层沿顶水力压裂主孔的稳定性，而后依次利用水力压裂主孔施工水力压裂分支孔，在分支孔中首先实施水力冲孔，将一部分软煤冲出，起到初步卸压增透；继续在冲孔之后实施水力压裂，有利于进一步压裂煤体，沟通裂隙，扩大卸压影响范围；再压裂基础上再实施水力冲孔，来回往复冲刷孔周煤体，增加孔周卸压空间，有利于在抽采的过程中孔周煤体的在地应力作用下的运移，从而增加煤层的透气性，增加钻孔抽放半径，提高单孔抽采的效率，缩短抽采时间，节约成本。

附图说明

图1为本发明注浆固定孔口管的剖面图；

图2 为本发明水力压力主钻孔的煤孔段固化剖面图；

图3 为本发明松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔布置剖面图；

其中，1-钻场，2-孔口管岩孔段，3-孔口管，4-煤层孔段，5-水力压裂主孔段，6-水力压裂分支孔段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的一种基于松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采技术，主要包含六大步骤，一、固定孔口管；二、固化松软煤层穿层孔；三、施工顶板水平主钻孔；四、“后退式”施工穿层分支钻孔；五、分支钻孔冲孔-压裂-冲孔；六、封孔抽放。

如图1所示，在计划区域治理工作面下方中部布置底板巷，底板巷位于煤层底板10-15m位置处，在底板巷两侧布置钻场1，钻场1内布置各设备，包括钻孔设备以及水泥浆设备；利用多次高压注浆固化穿层钻孔口管岩孔段2，具体工艺如下：

首先施工深度10m，直径133mm的钻孔，形成孔口管岩孔段2，放入长10m，直径133mm的带法兰盘孔口管3，采用锚固剂锚固孔口管，重复高压注浆，直至耐压10MPa以上，水泥浆凝固48小时后，待施工穿层钻孔。

如图2所示，打开法兰盘盖，继续施工穿层钻孔，钻孔直径113mm，入煤层顶板2m后落平，形成煤层孔段4，即退出钻杆，固定法兰盘盖，通过注浆阀门注入高压水泥浆，在固化软煤钻孔时注浆必须先稀浆再注入稠浆，注浆压力15MPa，注浆完成后关闭注浆阀门，完成注浆，水泥浆渗透进煤层孔段4，凝固48小时后，即可进行后续压裂孔的施工工作。

如图3所示，利用定向钻机扫孔，钻孔直径95mm，而后沿煤层顶板施工水力压裂，形成水力压裂主孔段5，水力压裂主孔段5贯穿整个煤层顶板上的顶部岩层，逐段退出定向钻杆，每隔50-60m向下施工水力压裂钻出水力压裂分支孔段6，钻孔直径95mm，钻孔穿透煤层进入煤层底板2m，形成深度不小2m的蓄水仓，满足后期部分不能够排出的水煤渣的蓄积，降低水煤渣对煤层瓦斯释放的抑制作用，增加瓦斯抽采效果。

每施工完一个分支压裂孔，开始实施水力冲孔，即高压水通过高密封钻杆，利用冲孔钻头射出高压水射流，冲刷煤体，同时旋转钻杆，煤水混合物及瓦斯通过钻孔排出，冲孔是注水压不低于10MPa，冲孔煤量约为1.2t/m，具体冲煤量需根据煤体的软硬程度进行调整。完成水力冲孔后，退出定向钻杆至分支孔岩孔段，随钻安装有高压封孔器，在施工完水力压裂分支钻孔后，退出钻杆至分支钻孔岩孔段，增加高压钻杆中水压，当压力增加至10MPa时，自动打开随钻高压橡胶封孔器单向阀，橡胶封孔器随水压增加而膨胀，最终实现随钻高压封孔。

当压力继续增加至15MPa，稳定30min，间隔5MPa，直至达到煤层起裂压力20-25MPa，水力压裂泵压力为35MPa，注水量为100-150m³，各压裂孔注水压力和注水量根据实际煤层条件进行调整，完成水力压裂后，关闭膨胀封孔器阀门，恢复钻进状态，重复上述步骤，实施水力冲孔，在孔口安装防喷孔的气液固三相分离装置。

完成所有分支钻孔的冲孔-压裂-冲孔工作后，实施瓦斯联合抽采工作。回采工作面区域瓦斯治理抽采达标后，开始煤巷掘进工作，并根据工作面瓦斯治理效果补充实施工作面顺层钻孔预抽工作，注意的是，由于定向钻孔比较长，无法实现精确钻孔，不能有效保证钻孔在煤层中治理效果的全覆盖，需要在煤巷掘进过程中，随时进行瓦斯突出危险的效果验证工作，如果出现效果验证指标超过临界值，须在超过临界值的区域补充短顺煤层钻孔，作为局部的补充措施。

当所有分支钻孔全部实施结束冲孔-压裂-冲孔的全部措施后，退出定向钻机，送入“两堵一注”的封孔器，即FK-4/20橡胶封孔器，封孔深度到达水力压裂主孔落平处，注浆所用水泥需为膨胀水泥，注浆压力不低于2MPa。

在抽采过程中利用抽采达标评估软件进行抽采达标评估，当抽采达标后，煤巷开始掘进，同时严格按照《防治煤与瓦斯突出细则》要求实施区域和局部“四位一体”的综合措施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：从地表钻孔至底板岩层，在底板岩层处设置钻场（1），在钻场（1）内布置钻孔设备以及水泥浆设备，利用钻孔设备向斜上方向钻出孔口管岩孔段（2），退出钻杆，然后在孔口管岩孔段（2）内插入长度小于孔口管岩孔段（2）的孔口管（3），利用水泥浆设备向孔口管（3）重复高压注浆，水泥浆填充在孔口管（3）内以及孔口管岩孔段（2），等待水泥浆凝固；

步骤二：水泥浆凝固后，利用钻孔设备沿孔口管（3）内向斜上方向钻出煤层孔段（4），煤层孔段（4）贯穿软煤煤层至接近软煤煤层顶板的顶板岩层处后落平，退出钻杆，再利用水泥浆设备向煤层孔段（4）注入高压水泥浆，等待水泥浆凝固；

步骤三：利用钻孔设备沿煤层孔段（4）钻孔，到达顶板岩层后以水平方向在顶板岩层内钻出水力压裂主孔段（5），钻孔过程中同时施工水力压裂，水力压裂贯穿整个水力压裂主孔段（5）；

步骤四：水力压裂主孔段（5）钻孔完毕后，退出钻杆，每退出一段距离，向下钻出水力压裂分支孔段（6），水力压裂分支孔段（6）贯穿软煤煤层至底板岩层，钻孔过程中同时施工水力压裂，水力压裂贯穿整个水力压裂分支孔段（6）；

步骤五：水力压裂分支孔段（6）完毕后通过钻杆实施水力冲孔，水力冲孔完毕后，钻杆退出至水力压裂分支孔段（6）上端位置，增加高压钻杆中水压至钻杆上膨胀封孔器开启进行封孔；

步骤六：封孔后钻杆持续注水，保持压力，维持一定时间，完成水力压裂后，关闭膨胀封孔器，退出钻杆至水力压裂主孔段（5）；

步骤七：重复步骤四至六，完成多个水力压裂分支孔段（6）的钻孔和水力压裂工作；

步骤八：钻杆完全退出水力压裂主孔段（5）和煤层孔段（4），实施瓦斯联合抽采工作，回采工作面区域瓦斯治理抽采达标后，开始煤巷掘进工作，并根据工作面瓦斯治理效果补充实施工作面顺层钻孔预抽工作；

步骤九：在水力压裂主孔段（5）的落平位置送入FK-4/20橡胶封孔器，在抽采过程中利用抽采达标评估软件进行抽采达标评估，当抽采达标后，煤巷开始掘进。

2.根据权利要求1所述的一种松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采方法，其特征在于：所述步骤一中，采用锚固剂锚固孔口管（3），孔口管（3）管口具有法兰盘盖，法兰盘盖上具有连接钻孔设备以及水泥浆设备的接头。

3.根据权利要求1所述的一种松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采方法，其特征在于：所述步骤一中，注浆时先注入稠浆固定孔口管（3），再注入稀浆强化固定孔口管（3），等凝固24小时后，重复高压注浆，直至耐压10MPa以上，等待水泥浆凝固48小时进入下一工序。

4.根据权利要求1所述的一种松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采方法，其特征在于：所述步骤四中，钻杆在水力压裂主孔段（5）中每退出50-60m，即向下钻一个水力压裂分支孔段（6），水力压裂分支孔段（6）底部在底板岩层位置形成容纳水和煤渣的蓄水仓。

5.根据权利要求1所述的一种松软煤层底板穿层沿顶梳状钻孔全程瓦斯抽采方法，其特征在于：所述步骤六中，封孔后钻杆持续注水，压力增加至15MPa，稳定30min。

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