本发明专利技术公开了一种防治厚煤层开采过程中瓦斯超限的方法及装置，首先选择煤层节理较发育的位置为钻孔位置，根据原始地最大主应力的方向选择钻孔以及喷嘴的角度，使得水力割缝方向与原始地最大主应力的方向呈30-60°，随后进行开钻以及固孔，在以上基础上成孔，成孔后进行水力割缝，随后进行封孔，封孔后对钻孔进行水力压裂，本发明专利技术实施效果好，将水力割缝以及水力压裂有效地结合起来，通过对钻孔位置、角度以及喷嘴角度进行选择，减少了钻孔的塌孔率，通过控制水力割缝方向有效地减少了厚煤层中的空白带出现的几率，增加了煤层的渗透率和透气性，从而提高了瓦斯抽采能力和效果，进而减少厚煤层瓦斯涌出量，实现防治厚煤层开采瓦斯超限的目的。
【技术实现步骤摘要】
一种防治厚煤层开采过程中瓦斯超限的方法及装置
本专利技术属于煤层开采过程中瓦斯安全防治
，具体涉及一种防治厚煤层开采过程中瓦斯超限的方法及装置。
技术介绍
通常情况下，厚度在3.5-7m间的煤层为厚煤层，我国厚煤层资源丰富，其储量占总储量的34%，通过厚煤层开采出来的煤炭产量也占据着很高的份额。但是煤层开采过程中，随着开采深度的增加，瓦斯超限的问题也越来越严重，尤其是厚煤层，因其具有煤层厚，瓦斯涌出量大，造成了抽采困难，目前瓦斯超限已成为煤矿安全生产的瓶颈问题。针对瓦斯超限这一问题，国内外学者研究通过提高瓦斯抽采率来防治采掘过程的瓦斯超限，其中常用的方法为交叉钻孔、密集钻孔、大直径钻孔、深孔松动爆破、水力冲孔、常规水力割缝、水力压裂、加砂致裂预抽等，这些技术在特定的环境下都取得的了显著效果。但由于厚煤层开采过程中的特殊性，以及这些技术本身的条件限制，使得其无法应用于厚煤层开采中。水力压裂技术在石油工业中有着较为成熟的应用，煤矿企业也相继引进了这一技术，实验表明水力压裂能有效的提高瓦斯抽采量，解决瓦斯超限的问题，但同时直接将常规的水力压裂技术应用于厚煤层瓦斯超限防治上，也有着诸多问题。目前在在厚煤层瓦斯超限解决方法中采用水力压裂遇到的问题：1、高压水使钻孔壁产生位移变形，一方面造成大面积卸压，另一方面在厚煤层当中形成了不确定位置的高压异常带，从而给采掘生产留下了安全隐患；2、由于起裂位置都在应力弱面处，受煤层地应力分布影响较大，通过钻孔实施压裂时裂缝的起裂位置及延伸方向不明确，由于地层中的煤层较为复杂，其中的裂缝会出现转向或向顶底板延伸的现象，造成裂隙无序扩展，不能对厚煤层进行均匀的增效，形成的裂缝单一、数量较少、存在大面积空白带；3、即使裂隙形成，由于没有考虑到最大主应力的作用，裂缝会在较短时间再次闭合，从而影响了整体的瓦斯抽放效果，使得瓦斯抽采量迅速减小，一般在抽采较短时间内恢复到原始水平。
技术实现思路
本专利技术旨在解决的技术问题为：提供一种能够提高瓦斯抽采量，从而防治厚煤层开采过程中瓦斯超限的方法及装置。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种用于防治厚煤层开采过程中瓦斯超限的方法，该方法包括以下步骤：1）钻孔位置的选择，根据煤层节理发育情况，选择节理较发育的位置为钻孔位置；2）钻孔以及水力割缝角度的选择，根据最大水平主应力的方向，选择钻孔角度以及水力割缝的角度，使得水力割缝方向与最大水平主应力的方向呈30-60°；3）开钻及固孔，利用钻机钻至压实带以内3-5m深后进行固孔；4）成孔，更换钻机的钻头，选择直接小于步骤3）中所用的钻头，钻至压实带内3-5m停钻，移走钻机；5）设备准备，将限压阀、喷嘴与连续油管连接；6）水力割缝，通过转动连续油管调节水力割缝方位角至步骤2）中的设计角度，调节水力压裂泵，使其出水压力小于限压阀的阈值，进行连续的水力割缝；7）双向膨胀器封孔，将水力压裂泵与注液管连接，通过注液管向双向膨胀器内注入高压水对钻孔进行临时封孔；8）水力压裂，调节水力压裂泵，使其出水压力大于限压阀的阈值，进行水力压裂；9）解封，抽出双向膨胀器中的高压水，实现对钻孔的解封；10）清除钻孔内的积水，将连续油管连接压风管，实现对钻孔内的积水的清除；11）瓦斯抽采，在压裂场施工抽采钻孔，抽采钻孔与步骤8）形成的压裂孔封孔后接入抽采管路，进行联抽；12）效果检验，监测日抽采量、纯量、抽采浓度，并对水力压裂的裂缝延伸方向及大小进行测试。步骤11）中抽采钻孔以及步骤8）形成的压裂孔联抽的方式为通过高负压抽采。步骤2）所述根据最大水平主应力的方向选择钻孔的角度以及水力割缝的角度的方法为：根据最大水平主应力的方向分为三种情况：第一种情况，当最大水平主应力的方向与巷道的夹角小于30°时，钻孔与巷道的角度为30~60°，喷嘴为90°喷嘴；第二种情况，当最大水平主应力的方向与巷道的夹角为30~60°时，钻孔方向与巷道的角度为30~60°，喷嘴方向平行于巷道；第三种情况，当最大水平主应力的方向与巷道的夹角为60~90°时，钻孔与巷道的角度为60~90°，喷嘴选用90~120°之间的喷嘴。步骤3）所述的开钻及固孔的方法为，将封孔套管放入钻孔内，通过封孔套管向钻孔内注入浆液，当浆液从套管内返出时停止注浆，静待浆液凝固。在进行水力割缝过程中，控制连续油管回撤，回撤的距离小于水力割缝形成的压实带的宽度的2倍。在进行步骤4）之前，采用高压风将钻孔中的煤粉吹出钻孔。所述的步骤9）中双向膨胀器内的高压水抽出的方式为利用抽采负压抽出双向膨胀器内的高压水。本专利技术还公开了一种用于上述防治厚煤层开采过程中瓦斯超限的方法的装置，包括连续油管，创新之处在于，所述连续油管上设有指示线，连续油管一端上转动设有角度盘，另一端上通过螺纹固定设有喷嘴，连续油管的出液口上通过螺纹固定设置有限压阀，所述连续油管的外部套设有弹性材质的双向膨胀器，双向膨胀器上设有带有阀门的注液管。所述角度盘下部连接有配重器。所述双向膨胀器的材质为橡胶，长度为5~10m。通过以上技术方案，本专利技术的有益效果为：本专利技术在充分考虑了厚煤层原始地应力和节理发育情况的基础上，选择钻孔位置、钻孔角度以及水力割缝的角度，有效地减少了钻孔的塌孔率，并通过控制水力割缝方向，控制水力压裂起裂点和裂缝延伸方向，有效地减少了厚煤层中的空白带出现的几率，增加了煤层的渗透率和透气性，从而提高了瓦斯抽采能力和抽采效果，进而减少厚煤层瓦斯涌出量，最终实现防治厚煤层开采瓦斯超限的目的；本专利技术所述的装置，将喷嘴以及连续油管通过螺纹连接，便于根据不同情况选择喷嘴角度，同时根据原始地应力的方向，形成不同的水力割缝角度；双向膨胀器简化了封孔过程，降低了工艺难度。附图说明图1为本专利技术所述方法流程图；图2为根据原始地主应力方向划分三种情况饼形图；图3为本专利技术第一种情况施工示意图；图4为本专利技术所述装置结构示意图;图5为图4的A-A剖面图。具体实施方式实施例1，如图1、图2及图3所示的防治厚煤层开采过程中瓦斯超限的方法，该方法包括：1）钻孔位置的选择：进入煤层14巷道，观察煤层14节理发育情况，选择煤层节理较发育的煤层，因为煤层节理发育状况比较好时，钻孔的联通性好，会造成封孔困难，通过选择煤层节理较发育的位置，可降低后续步骤中封孔的难度，从而提高效率，节理的发育分为三种情况，此处较发育是指煤层14中的节理有发育，但是密度不大；2）钻孔角度的选择：测试煤层最大水平主应力的方向，通过测试出的最大水平主应力的角度，选择钻孔的角度，以及喷嘴的角度，最大水平主应力的角度与钻孔以及喷嘴的角度之间的关系如表1所示：表1：钻孔与巷道之间的角度喷嘴角度第一种情况30-60°90°第二种情况30-60°平行于巷道第三种情况60-90°90~120°第一种情况原始地最大应力与巷道10之间的角度为0-30°，因两者之间角度过小，在选择钻孔方向时，若依然选择平行于最大主应力，则会造成因钻孔与巷道角度过小不利于在钻孔过程中的施工，从而影响瓦斯抽采效率，故选择钻孔角度为30°，从而一方面降低了原始地最大应力对钻孔的影响，另一方面可以深度钻孔，选用90°的喷嘴，可使水力割缝方向与钻孔垂直，降低水平应力对水力割缝形成的裂缝11的破坏，从而增加煤层的渗本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于防治厚煤层开采过程中瓦斯超限的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： 1）钻孔位置的选择，根据煤层节理发育情况，选择节理较发育的位置为钻孔位置；2）钻孔以及水力割缝角度的选择，根据原始地最大主应力的方向，选择钻孔角度以及水力割缝的角度，使得水力割缝方向与原始地最大主应力的方向呈30‑60°；3）开钻及固孔，利用钻机钻至压实带以内3‑5m深后进行固孔；4）成孔，更换钻机的钻头，选择直接小于步骤3）中所用的钻头，钻至压实带内3‑5m停钻，移走钻机；5）设备准备，将限压阀、喷嘴与连续油管连接；6）水力割缝，通过转动连续油管调节水力割缝方位角至步骤2）中的设计角度，调节水力压裂泵，使其出水压力小于限压阀的阈值，进行连续的水力割缝；7）双向膨胀器封孔，将水力压裂泵与注液管连接，通过注液管向双向膨胀器内注入高压水对钻孔进行临时封孔；8）水力压裂，调节水力压裂泵，使其出水压力大于限压阀的阈值，进行水力压裂；9）解封，抽出双向膨胀器中的高压水，实现对钻孔的解封；10）清除钻孔内的积水，将连续油管连接压风管，实现对钻孔内的积水的清除；11）瓦斯抽采，在压裂场施工抽采钻孔，抽采钻孔与步骤8）形成的压裂孔封孔后接入抽采管路，进行联抽；12）效果检验，监测日抽采量、纯量、抽采浓度，并对水力压裂的裂缝延伸方向及大小进行测试。...
【技术特征摘要】
1.一种用于防治厚煤层开采过程中瓦斯超限的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：1）钻孔位置的选择，根据煤层节理发育情况，选择节理较发育的位置为钻孔位置；2）钻孔以及水力割缝角度的选择，根据最大水平主应力的方向，选择钻孔角度以及水力割缝的角度，使得水力割缝方向与最大水平主应力的方向呈30-60°；所述根据最大水平主应力的方向选择钻孔的角度以及水力割缝的角度的方法为：根据最大水平主应力的方向分为三种情况：第一种情况，当最大水平主应力的方向与巷道的夹角小于30°时，钻孔与巷道的角度为30~60°，喷嘴为90°喷嘴；第二种情况，当最大水平主应力的方向与巷道的夹角为30~60°时，钻孔方向与巷道的角度为30~60°，喷嘴方向平行于巷道；第三种情况，当最大水平主应力的方向与巷道的夹角为60~90°时，钻孔与巷道的角度为60~90°，喷嘴选用90~120°之间的喷嘴；3）开钻及固孔，利用钻机钻至压实带以内3-5m深后进行固孔；4）成孔，更换钻机的钻头，选择直接小于步骤3）中所用的钻头，钻至压实带内3-5m停钻，移走钻机；5）设备准备，将限压阀、喷嘴与连续油管连接；6）水力割缝，通过转动连续油管调节水力割缝方位角至步骤2）中的设计角度，调节水力压裂泵，使其出水压力小于限压阀的阈值，进行连续的水力割缝，在进行水力割缝过程中，控制连续油管回撤，回撤的距...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓，李锋，马耕，李贤忠，陶云奇，张帆，冯云飞，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41
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