CN115263264B - 一种近距离煤层群开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近距离煤层群开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采方法，属于煤矿煤与瓦斯突出防治领域。该方法包括：S1：布置定向长钻孔及梳状分支孔；S2：计算定向长钻孔及梳状分支孔施工参数；S3：施工定向长钻孔及梳状分支孔；S4：分段水力压裂首采层及途经煤层；S5：协调高效抽采开采层和邻近层瓦斯。本发明在煤层开采之前利用开拓巷道采用定向长钻孔结合梳状分支孔分段水力压裂技术，实现开采层采掘过程中对开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采，从源头上降低瓦斯危害，对近距离煤层群防止误揭煤层和瓦斯超限事故、降低抽采工程量和成本、提高瓦斯抽采效率、高效抽采和高效防突均具有重要意义。

Description

一种近距离煤层群开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采方法

技术领域

本发明属于煤矿煤与瓦斯突出防治领域，涉及一种近距离煤层群开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采方法。

背景技术

煤矿煤与瓦斯突出(简称“突出”)灾害严重影响了煤矿的安全生产。众所周知，保护层开采作为防突的重要手段被广泛应用，但部分煤层为近距离煤层群，彼此之间层间距小于20m，较近者仅有3～5m，不但不具备保护层开采条件，而且当某一煤层采掘过程中，受邻近层影响容易出现误揭煤层和瓦斯超限等事故。其次，目前距离较近的开采层和邻近层的防突和瓦斯超限防治，主要利用空间关系布置多条煤、岩巷(如淮南矿区一个工作面布置了6条巷道)和众多抽采钻孔(顺层钻孔、穿层钻孔、定向长钻孔等)进行瓦斯抽采，这些方法虽然起到了一定作用，但存在抽采工程量大成本高、抽采难度大效率低(钻孔易变形垮塌)等问题，严重制约了煤矿的安全高效生产。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种近距离煤层群开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采方法，针对近距离煤层群容易引发事故、抽采工程量大成本高、抽采难度大效率低等问题，采用定向长钻孔结合梳状分支孔分段水力压裂技术，实现开采层采掘过程中对开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采，从源头上降低瓦斯危害(即在煤层开采之前利用开拓巷道超前、高效抽采瓦斯)，对近距离煤层群防止误揭煤层和瓦斯超限事故，降低抽采工程量和成本，提高瓦斯抽采效率、高效抽采和高效防突均具有重要意义。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种近距离煤层群开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采方法，包括以下步骤：

S1：布置定向长钻孔及梳状分支孔；

S2：计算定向长钻孔及梳状分支孔施工参数；

S3：施工定向长钻孔及梳状分支孔；

S4：分段水力压裂首采层及途经煤层；

S5：协调高效抽采开采层和邻近层瓦斯。

进一步，步骤S1中，所述定向长钻孔布置在同一组近距离煤层群最浅部煤层顶板裂隙带的上部坚硬岩层中。

进一步，步骤S1中，所述梳状分支孔具有明显的导向作用，且具有同时高效抽采开采层和邻近层瓦斯的作用，梳状分支孔终孔位置布置在首采层底板下方岩层1m处。

进一步，步骤S2中，计算梳状分支孔施工参数，表达式为：

X_n＝Y_n＝(X₁ ²÷K_n1)^0.5×K_y÷i^0.5

其中，X_n、Y_n分别为第n层煤层梳状分支孔走向施工间距、倾向施工排距，即第n层煤层走向、倾向压裂范围；X₁为单一煤层走向水力压裂范围，K_n1为n层煤层梳状分支孔煤层厚度影响系数；K_y为岩体能量消耗系数；i为一次水力压裂段之间梳状分支孔个数。

进一步，步骤S2中，所述梳状分支孔煤层厚度影响系数K_n1的计算公式为：

K_n1＝Z_n/Z₁＝(X₁*Y₁)/(X_n*Y_n*i)＝X₁ ²/(X_n ²*i)

其中，Z₁、Z_n分别为单一煤层、第1层至第n层煤层的煤层厚度之和，Y₁为单一煤层倾向水力压裂范围。

进一步，步骤S2中，定向长钻孔倾向施工排距和梳状分支孔倾向施工排距相同。

进一步，步骤S4具体包括：对首采层及途经煤层的多个梳状分支孔进行水力压裂，，增加了开采煤层及途经煤层的透气性。

进一步，步骤S5中，开采同一组近距离煤层群的最浅部煤层时，可实现协调高效预抽开采层瓦斯和卸压抽采所有下伏邻近层瓦斯。开采同一组近距离煤层群的最深部煤层时，可实现协调高效预抽开采层瓦斯和卸压抽采所有上覆邻近层瓦斯。开采同一组近距离煤层群的最浅部和最深部之间煤层时，可实现协调高效预抽开采层瓦斯和卸压抽采所有下伏邻近层和上覆邻近层瓦斯。

本发明的有益效果在于：本发明从源头上降低瓦斯危害，在煤层开采之前利用开拓巷道采用定向长钻孔结合梳状分支孔分段水力压裂技术，实现开采层采掘过程中对开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采；对近距离煤层群防止误揭煤层和瓦斯超限事故、降低抽采工程量和成本、提高瓦斯抽采效率、高效抽采及高效防突均具有重要意义。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明近距离煤层群开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采方法流程图；

图2为定向长钻孔及梳状分支孔施工参数计算平面示意图；

图3为定向长钻孔及梳状分支孔施工参数计算剖面示意图；

图4为首采层为第2层水力压裂工艺示意图；

图5为首采层为第1层定向长钻孔及梳状分支孔布置示意图；

图6为首采层为第n层定向长钻孔及梳状分支孔布置示意图。

附图标记：1为定向长钻孔，2为梳状分支孔，3为煤层，4为开拓上下山巷道，5为水力压裂泵组，6为前端封隔器，7为后端封隔器，8为采空区，9为裂隙带(开采后产生的)。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，本发明提供一种近距离煤层群开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采方法，具体包括以下步骤：

步骤1：布置定向长钻孔及梳状分支孔。

(1)确定定向长钻孔施工层位。

搜集矿井综合柱状图、矿井地勘钻孔和已施工钻孔，分析近距离煤层群最浅部煤层顶板岩层的岩性、力学参数，结合定向钻机钻具性能，沿煤层走向铅直方向确定最浅部煤层顶板定向长钻孔的合理施工层位。

为确保定向长钻孔在煤层群各煤层开采过程中始终使用，根据顶板“三带”理论，定向长钻孔布置在顶板裂隙带的上部坚硬岩层中，具体可参考“三带”理论。

(2)确定梳状分支孔终孔位置。

本发明中梳状分支孔具有明显的导向作用，且具有同时高效抽采开采层和邻近层瓦斯的作用，梳状分支孔终孔位置布置在首采层底板下方岩层1m处。

步骤2：计算定向长钻孔及梳状分支孔施工参数。

(1)确定梳状分支孔施工参数。

根据已有研究，水力压裂参数主要和煤层厚度、煤层间岩层情况有关。因此，分析单一煤层和多个煤层的煤层厚度和之间岩层情况，即可确定多个煤层水力压裂施工参数。

请参阅图2、图3，以首先开采第2层煤层为例，假设已知任一单一煤层分段水力压裂在煤层走向方向上的施工排距为X₁、倾向方向上的施工间距Y₁，首先开采第2层煤层时即第1层和第2层煤层同时水力压裂。那么，梳状分支孔分段水力压裂在煤层走向方向上的施工排距X₂、倾向方向上的施工间距Y₂的计算方法详述如下：

1)煤层厚度影响系数分析

假设已知任一煤层煤层厚度为Z₁，走向、倾向压裂范围分别为X₁、Y₁，则该水力压裂泵组压裂煤体体积为：

V₁＝X₁*Y₁*Z₁ (1)

根据能量守恒定律可知，同一水力压裂泵组压裂煤体的体积应该相等，即同一水力压裂泵站压裂单一煤层煤体体积V₁和压裂第1层和第2层煤层的煤体体积V₂应该相等，则可得出如下计算公式：

V₂＝V₁＝X₁*Y₁*Z₁＝X₂*Y₂*Z₂*i (2)

其中，X₁、Y₁分别为单一煤层走向、倾向水力压裂范围，m；X₂、Y₂分别为第2层煤层走向、倾向压裂范围，m；Z₁、Z₂分别为单一煤层、第1层和第2层煤层的煤层厚度之和，m；i为一次水力压裂段之间梳状分支孔个数。

此处将煤层简化为各向同性均质物质，那么单一煤层走向、倾向压裂范围X₁、Y₁大小相等，第1层和第2层煤层走向、倾向压裂范围X₂、Y₂也相等，第1层和第2层煤层整体压裂仅仅相当于单一煤层增加了煤层的厚度，此处定义第1层和第2层煤层和单一煤层的煤层厚度的比值K₂₁为两层煤水力压裂范围煤层厚度影响系数，同时考虑梳状分支孔是并联水力压裂。那么，水力压裂范围煤层厚度影响系数的计算公式如下：

K₂₁＝Z₂/Z₁＝(X1*Y₁)/(X₂*Y₂*i)＝X₁ ²/(X₂ ²*i) (3)

2)岩体能量消耗系数分析

由于岩层硬度远远大于煤层，故水力压裂能量主要作用于软弱的煤体、少部分能量由于摩擦作用消耗在岩体上，此处定义岩体消耗的能量与压裂能量之比为岩体能量消耗系数Ky，该系数可通过现场考察得出，经验值一般为0.1～0.3。

3)施工参数确定

根据公式(3)推导可得出第1层和第2层煤层梳状分支孔走向施工间距X₂、倾向施工排距Y₂为：

X₂＝Y₂＝(X₁ ²÷K₂₁)^0.5×K_y÷i^0.5 (4)

其他煤层走向施工间距、倾向施工排距，计算方法和上述方法相同。

(2)确定定向长钻孔施工参数

显而易见，定向长钻孔倾向施工排距和梳状分支孔倾向施工排距相同，定向长钻孔的钻孔长度一般和回采工作面的长度相同，一般为500～1000m。

步骤3：施工定向长钻孔及梳状分支孔。

此处仍以首先开采第2层煤层为例，请参阅图2、图3，按照步骤2确定的定向长钻孔及梳状分支孔施工参数进行施工，施工主要工艺介绍如下：

定向钻孔采用二级孔身结构，一级开孔采用回转钻进，开孔钻具组合为Φ98mmPDC钻头+Φ73mm普通回转钻杆；一级扩孔钻具组合为Φ96mm/Φ153mmPDC组合钻头+特制扶正器+Φ73mm普通回转钻杆；二级扩孔钻具组合为Φ153mm/Φ193mmPDC钻头+特制扶正器+Φ73mm普通回转钻杆，扩孔完成后下入Φ146mm套管60m。二级开孔采用定向钻进，钻具组合为Φ98mmPDC钻头+Φ73mm孔底马达+Φ73mm下无磁钻杆+随钻测量仪器+Φ73mm上无磁钻杆+Φ73mm中心通缆式钻杆。

梳状分支孔施工采用前进式分支孔工艺，即从孔口向孔底开分支孔，也就是在主孔钻孔的同时进行分支孔施工，所使用的钻头、钻杆和定向长钻孔相同。

步骤4：分段水力压裂首采层及途经煤层。

此处仍以首先开采第2层煤层为例，请参阅图4，为保证水力压裂钻孔封孔的有效性，保障水力压裂过程的顺利实施，采用套管+封隔器封孔方式。定向钻孔水力压裂方式为后退式分段压裂，即从孔底至孔口方向依次进行水力压裂。假设每个压裂段梳状分支孔个数为i，即在第1个分支孔前方1m处和第i个梳状分支孔后方1m处分别安装套管+封隔器进行水力压裂，然后根据要求完成水力压裂进行保压、排水等工序。采用同样方法对定向长钻孔其他水力压裂段逐段进行水力压裂，直至所有分支孔完成水力压裂。

步骤5：协调高效抽采开采层和邻近层瓦斯。

将煤层定向长钻孔连接抽采管路进行瓦斯抽采，并单独安装抽采计量装置进行瓦斯抽采量计量，待首采层抽采达标后，即可对首采层进行采掘活动，在煤层采掘过程中实现协调高效抽采开采层和邻近层瓦斯。

实施例1：请参阅图5，如果首先开采第1层煤层，则梳状分支孔终孔位置落在煤层1的底板见岩1m处。由图5可知，首先利用定向长钻孔和梳状分支孔对煤层进行水力压裂，水力压裂后对开采层(第1层煤层)进行瓦斯抽采，瓦斯抽采达标后对第1层煤层进行采掘作业。采掘作业过程中，煤层顶底板煤层和岩层均受采动影响，形成采空区8，煤层顶底板煤层和岩层得以卸压会产生裂隙带9，此时已施工的定向长钻孔和梳状分支孔可抽采下伏邻近层(第2层至n层煤层)卸压瓦斯。即实现了开采层(第1层煤层)和下伏邻近层(第2层至n层煤层)的协调高效抽采。

实施例2：请参阅图4，如果首先开采第2层煤层，则梳状分支孔终孔位置布置在煤层2的底板见岩1m处。由图4可知，首先利用定向长钻孔和梳状分支孔对煤层进行水力压裂，水力压裂后对开采层(第2层煤层)进行瓦斯抽采，瓦斯抽采达标后对第2层煤层进行采掘作业。采掘作业过程中，煤层顶底板煤层和岩层均受采动影响，形成采空区8，煤层顶底板煤层和岩层得以卸压会产生裂隙带9，此时已施工的定向长钻孔和梳状分支孔可抽采上覆邻近层(第1层煤层)和下伏邻近层(第3层至n层煤层)卸压瓦斯。即实现了预抽开采层(第2层煤层)煤层瓦斯和卸压抽采邻近层(第2层煤层的下伏邻近层和上覆邻近层)瓦斯的协调高效抽采。

实施例3：请参阅图6，如果首先开采第n层煤层，则梳状分支孔终孔位置落在煤层n的底板见岩1m处。以此类推，由图6可得，实现了预抽开采层(第n层煤层)煤层瓦斯和卸压抽采上覆邻近层(第1层至n-1层煤层)瓦斯的协调高效抽采。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种近距离煤层群开采层和邻近层瓦斯协调高效抽采方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：布置定向长钻孔及梳状分支孔；

所述定向长钻孔布置在同一组近距离煤层群最浅部煤层顶板裂隙带的上部坚硬岩层中；

S2：计算定向长钻孔及梳状分支孔施工参数；

所述梳状分支孔终孔位置布置在首采层底板下方岩层1m处；

计算梳状分支孔施工参数，表达式为：

X_n＝Y_n＝(X₁ ²÷K_n1)^0.5×K_y÷i^0.5

其中，X_n、Y_n分别为第n层煤层梳状分支孔走向施工间距、倾向施工排距，即第n层煤层走向、倾向压裂范围；X₁为单一煤层走向水力压裂范围，K_n1为n层煤层梳状分支孔煤层厚度影响系数；K_y为岩体能量消耗系数；i为一次水力压裂段之间梳状分支孔个数；

所述梳状分支孔煤层厚度影响系数K_n1的计算公式为：

K_n1＝Z_n/Z₁＝(X₁*Y₁)/(X_n*Y_n*i)＝X₁ ²/(X_n ²*i)

其中，Z₁、Z_n分别为单一煤层、第1层至第n层煤层的煤层厚度之和，Y₁为单一煤层倾向水力压裂范围；

S3：施工定向长钻孔及梳状分支孔；

S4：分段水力压裂首采层及途经煤层；

S5：协调高效抽采开采层和邻近层瓦斯；

开采同一组近距离煤层群的最浅部煤层时，实现协调高效预抽开采层瓦斯和卸压抽采所有下伏邻近层瓦斯；开采同一组近距离煤层群的最深部煤层时，实现协调高效预抽开采层瓦斯和卸压抽采所有上覆邻近层瓦斯；开采同一组近距离煤层群的最浅部和最深部之间煤层时，实现协调高效预抽开采层瓦斯和卸压抽采所有下伏邻近层和上覆邻近层瓦斯。

2.根据权利要求1所述瓦斯协调高效抽采方法，其特征在于，步骤S2中，定向长钻孔倾向施工排距和梳状分支孔倾向施工排距相同。

3.根据权利要求1所述瓦斯协调高效抽采方法，其特征在于，步骤S4具体包括：对首采层及途经煤层的多个梳状分支孔进行水力压裂。