申请/专利权人：太原理工大学

申请日：2019-06-13

公开（公告）日：2020-10-23

公开（公告）号：CN110318674B

主分类号：E21B7/04(20060101)

分类号：E21B7/04(20060101);E21B43/16(20060101);E21B43/26(20060101);E21B43/267(20060101);E21B43/30(20060101);E21C41/18(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.23#授权;2019.11.05#实质审查的生效;2019.10.11#公开

摘要：本发明公开了一种巷道顶板致裂防突的方法，适用于深部高瓦斯、低渗透煤层巷道的防突。本发明通过在地面打水平井，并将井眼轨迹控制在距预留煤柱煤层顶界一定范围内的顶板中，其方向与巷道掘进方向一致，并与排采直井对接；采用射孔技术，在水平井水平段分段定点向下射孔，射孔不勾通预留煤柱煤层；然后以超临界CO2作为压裂液，以预留煤柱煤层顶板碎粒作为支撑剂，采用大排量对预留煤柱煤层进行跨界面分段压裂，并使裂缝在垂直水平井水平段方向左右两侧各扩展20~30m，在一次性实现待掘运输平巷和待掘回风平巷高效致裂防突的同时，还可大幅提高巷道掘进速度，避免传统水力压裂的缺陷，并促进煤层气的增产，一举多效。

主权项：1.一种巷道顶板致裂防突的方法，其特征在于包括以下步骤：a.在预留煤柱正上方从地面打排采直井；b.在预留煤柱正上方打地面水平井，保证其水平段井眼轨迹位于顶板中，且距离煤层顶界1.5~2.0m；c.采用射孔技术，按照16孔m、线形竖直向下对水平井水平段进行射孔，射孔深度位于煤层顶界之上，即不勾通预留煤柱煤层；射孔技术为采用射孔枪定点向下射孔，射孔深度位于预留煤柱煤层顶界上方1.2~1.5m，即射孔射穿套管和水泥环，但不勾通预留煤柱煤层；所述射孔深度结合顶板岩性，根据压裂裂缝能量释放率恰好等于其在煤层中的扩展阻力这一原则，按照公式πH-hp-σh2E=KIC22E'确定，式中，H为水平井水平段距预留煤柱煤层顶界距离，h为射孔深度，p为注水压力，σh为最小水平地应力，KIC为煤体断裂韧度，E为水平井布置层位顶板弹性模量，E'为煤体弹性模量；d.以超临界CO2为压裂介质，以顶板碎粒为支撑剂对水平段进行分段压裂；e.裂缝在垂直水平井水平段左右两侧各扩展20~30m后，停泵并关闭水平井，利用超临界CO2迅速气化形成的压降，将瓦斯经排采直井抽出，实现待掘运输平巷和待掘回风平巷的顶板致裂防突。

全文数据：一种巷道顶板致裂防突的方法技术领域本发明涉及一种巷道顶板致裂防突的方法，尤其适用于深部高瓦斯、低渗透煤层巷道的防突，属于煤矿安全和瓦斯抽采领域。背景技术目前关于煤层巷道的防突方法主要以打瓦斯抽放孔、布置瓦斯抽采巷、水力冲孔及水力割缝等为主，但这些方法通常存在巷道掘进速度慢、作业难度大、运行成本高等问题。煤层气开采领域通过在地面布置直井，在开采煤层气的同时，能够对巷道和工作面进行卸压防突，但该方法存在所需井数多、单井产气量低、占用土地多等缺点，势必导致防突效果差。在煤层中布置水平井开采煤层气要求煤质较硬，虽能一定程度上提高煤层气抽采效率，进而使得瓦斯含量降低，取得一定防突效果，但是因为水平井筒布置在煤层中，对后续巷道的掘进干扰较大，同时压裂规模普遍较小，而且压裂液选用活性水，存在返排难、污染地层和地下水、耗费水资源等问题。中煤科工集团西安研究院的“一种煤层气分段压裂水平井强化抽采方法”（CN103967472A）为解决构造软煤水平井布置易出现卡钻、塌孔等问题，提出将水平井布置在距煤层顶界0.5~1.5m之间的顶板中，射孔勾通煤层，这种方法为构造软煤煤层气抽采和巷道防突提供了指导，但因其射孔深至煤层，未能利用顶板脆性断裂释放的能量，造成额外的压裂液消耗，同时因为选用活性水作为压裂液，除了存在返排难、易污染地层和地下水等缺陷外，活性水与构造软煤作用可能导致煤体结构软化，加之作为支撑剂的石英砂强度远高于构造软煤，极易导致其在高地应力、高注水压力作用下嵌入煤体，从而导致压裂裂缝较窄，甚至堵塞，最终可能导致煤层气抽采和防突效果与预期有一定差距。发明内容本发明旨在提供一种巷道顶板致裂防突的方法，能够充分利用顶板脆性断裂释放能、环境污染小、可大幅提高待掘运输平巷和待掘回风平巷掘进速度。本发明提供了一种巷道顶板致裂防突的方法，包括以下步骤：a.在预留煤柱正上方从地面打排采直井，并对其在水平井预设层位造穴；b.在预留煤柱正上方打地面水平井，保证其水平段井眼轨迹位于顶板中，且距离煤层顶界1.5~2.0m，并使水平井和排采直井在造穴处对接连通，然后在水平井水平段末端布置封隔桥塞；c.采用射孔技术，按照16孔m、线形竖直向下对水平井水平段进行射孔，射孔深度位于煤层顶界之上，该孔即不勾通预留煤柱煤层；d.以超临界CO2为压裂介质，以顶板碎粒为支撑剂对水平段进行分段压裂；e.裂缝在垂直水平井水平段左右两侧各扩展20~30m后，停泵并关闭水平井，利用超临界CO2迅速气化形成的压降，将瓦斯经排采直井抽出，实现待掘运输平巷和待掘回风平巷的顶板致裂防突。所述的排采直井深至预留煤柱煤层下方50~60m。所述的水平井布置方向与巷道掘进方向一致，水平井水平段长度为600~1000m，其井眼轨迹位于距预留煤柱煤层顶界正上方1.5~2m的顶板中。采用射孔枪定点向下射孔时，射孔深度位于预留煤柱煤层顶界上方1.2~1.5m，即射孔射穿套管和水泥环，不勾通预留煤柱煤层，具体射孔深度结合顶板岩性，根据压裂裂缝能量释放率恰好等于其在煤层中的扩展阻力这一原则，按照公式πH-hp-σh2E=KIC22E'确定，式中，H为水平井水平段距预留煤柱煤层顶界距离，h为射孔深度，p为注水压力，σh为最小水平地应力，KIC为煤体断裂韧度，E为水平井布置层位顶板弹性模量，E'为煤体弹性模量。所述的超临界CO2通过布置在地面和水平井井筒内的加热棒对液态CO2持续加热并保持在31.4℃获得。所述的支撑剂通过在待掘巷道所处矿区对煤层顶板取样，并利用破碎机将其破碎成颗粒获得，其粒径范围为40~80目。本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明压裂可以在巷道掘进之前实施，可以大幅提高巷道掘进和采煤效率；因为水平井水平段和射孔均位于预留煤柱煤层顶界正上方，可以充分利用顶板脆性断裂释放能强化煤层的压裂效果，同时通过使裂缝沿垂直水平井水平段方向左右两侧各扩展20~30m，达到一次性对待掘运输平巷和待掘回风平巷致裂防突的目的；以超临界CO2为压裂介质，能够充分利用其扩散性好、高密度等优势，并能够避免水力压裂煤层带来的“水锁效应”、水资源的浪费以及对地层和地下水的污染，同时，CO2与瓦斯主要成分CH4在煤层中竞争吸附，对其进行驱替置换，而且停泵关井后，超临界CO2因压力降低迅速气化，从排采直井排出，迅速形成压降，促使瓦斯大量排出，从而一次性实现待掘运输平巷和待掘回风平巷的安全、高效防突。附图说明图1是巷道顶板致裂防突的结构示意图；图2是井下巷道位置关系图（图1中左视）。图中：1—水平井，2—排采直井，3—预留煤柱，4—封隔桥塞，5—射孔，6—井内加热棒，7—支撑剂储罐，8—液态CO2储罐，9—混砂车，10—地面加热棒，11—泵车，12—待掘运输平巷，13—待掘回风平巷。具体实施方式下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。实施例1：图1是巷道顶板致裂防突的结构示意图，对图1的结构说明如下：从地面在预留煤柱3正上方沿巷道掘进方向打水平井1，从地面在预留煤柱3正上方打排采直井2，在水平井1预设层位对排采直井2造穴，以利于后续与水平井1对接连通；在水平井的井筒和套管之间布置井内加热棒6，在水平井内分段设有封隔桥塞4；在水平井水平段均匀向下有射孔5（射孔与煤柱不连通）；地面设有超临界CO2注入装置：液态储罐8中的CO2与支撑剂储罐7中的板碎粒经与混砂车9连接，混砂车9另一端连接地面加热棒10，超临界CO2经泵车11以不低于15m3min的排量注入水平井1，泵车位于水平井的入口处。如图1、2所示，本发明提供的一种巷道顶板致裂防突的方法，包括如下步骤：a.从地面在预留煤柱3正上方打排采直井2，其深度至预留煤柱煤层下方50~60m，在水平井1预设层位对排采直井2造穴，造穴半径为0.5m左右，以利于后续与水平井1对接连通；b.从地面在预留煤柱3正上方沿巷道掘进方向打水平井1，在井筒和套管之间布置井内加热棒6，水平井1水平段长度保持在600~1000m，采用方向伽马+电磁波视电阻率随钻测井精确控制技术，将其井眼轨迹控制在距预留煤柱煤层顶界正上方1.5~2m的顶板中，然后将水平井1与排采直井2在造穴处对接连通，并采用油管输送将封隔桥塞4送至水平井1水平段末端，加压坐封；c.采用射孔技术，按照16孔m、线形竖直向下对水平井1水平段进行分段定点向下射孔，射孔5深度为1.2~1.5m，射穿套管和水泥环，但不勾通预留煤柱3煤层；d.将液态储罐8中的CO2与支撑剂储罐7中的40~80目顶板碎粒经混砂车9混合，经地面加热棒10将其加热至31.4℃，然后经泵车11注入水平井1，同时开启井内加热棒6对水平井1内的压裂液持续加热，使其温度不低于31.4℃，以保证CO2始终保持超临界态，压裂第一段，当裂缝沿垂直水平井1水平段方向左右两侧各扩展20~30m后，第一段压裂完毕，停泵，布置封隔桥塞4，封隔第一段，然后采用同样方式，依次压裂后续各段，直至整个水平段压裂完毕；e.压裂完毕后，关闭水平井1，同时打开所设桥塞4和排采直井2，利用超临界CO2迅速气化形成的压降对预留煤柱3、瓦斯进行负压抽采，一次性实现待掘运输平巷12和待掘回风平巷13的顶板致裂安全、高效防突。

权利要求：1.一种巷道顶板致裂防突的方法，其特征在于包括以下步骤：a.在预留煤柱正上方从地面打排采直井；b.在预留煤柱正上方打地面水平井，保证其水平段井眼轨迹位于顶板中，且距离煤层顶界1.5~2.0m；c.采用射孔技术，按照16孔m、线形竖直向下对水平井水平段进行射孔，射孔深度位于煤层顶界之上，即不勾通预留煤柱煤层；d.以超临界CO2为压裂介质，以顶板碎粒为支撑剂对水平段进行分段压裂；e.裂缝在垂直水平井水平段左右两侧各扩展20~30m后，停泵并关闭水平井，利用超临界CO2迅速气化形成的压降，将瓦斯经排采直井抽出，实现待掘运输平巷和待掘回风平巷的顶板致裂防突。2.根据权利要求1所述的巷道顶板致裂防突的方法，其特征在于：所述的排采直井深至预留煤柱煤层下方50~60m。3.根据权利要求1所述的巷道顶板致裂防突的方法，其特征在于：所述的水平井布置方向与巷道掘进方向一致，水平井水平段长度为600~1000m，其井眼轨迹位于距预留煤柱煤层顶界正上方1.5~2.0m的顶板中。4.根据权利要求1所述的巷道顶板致裂防突的方法，其特征在于：采用射孔枪定点向下射孔时，射孔深度位于预留煤柱煤层顶界上方1.2~1.5m，即射孔射穿套管和水泥环，但不勾通预留煤柱煤层。5.根据权利要求4所述的巷道顶板致裂防突的方法，其特征在于：所述射孔深度结合顶板岩性，根据压裂裂缝能量释放率恰好等于其在煤层中的扩展阻力这一原则，按照公式确定，式中，H为水平井水平段距预留煤柱煤层顶界距离，h为射孔深度，p为注水压力，σh为最小水平地应力，KIC为煤体断裂韧度，E为水平井布置层位顶板弹性模量，E'为煤体弹性模量。6.根据权利要求1所述的巷道顶板致裂防突的方法，其特征在于：所述的超临界CO2通过加热棒对液态CO2持续加热并保持31.4℃获得，压裂时其泵入量保持不低于15m3min。7.根据权利要求1所述的巷道顶板致裂防突的方法，其特征在于：所述的支撑剂通过在待掘巷道所处矿区对煤层顶板取样，并利用破碎机将其破碎成颗粒获得，其粒径范围为40~80目。

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