一种脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的方法和设备，所述方法结合脉冲致裂和常规水力致裂的方法优势，先通过脉冲水力致裂在煤体中产生裂缝网络，然后采用常规大排量水力致裂使裂缝网络进一步扩展，充分改造煤体结构，减小顶煤破碎块度，提高顶煤冒放性。本发明专利技术中的设备包括小排量的脉冲泵与大排量的常规泵之间通过三通阀和开关阀控制，施工时先导通脉冲泵的一路，关闭常规高压泵管路，脉冲致裂结束后再关闭脉冲通道，打开常规压裂通道。本发明专利技术可以使顶煤产生足够多的裂缝，达到弱化顶煤的效果，改善顶煤冒放性，减小顶煤的冒放块度，施工方便，安全可靠，减少资源的浪费。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的方法及设备
本专利技术涉及一种控制顶煤冒放性的方法，具体涉及一种脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的方法及设备，属于煤炭开采

技术介绍
我国厚及特厚煤层储量、产量均占煤炭总储量和总产量的40％以上，综采放顶煤是在我国迅速发展起来的一种开采厚煤层的高产高效采煤方法，目前，综放开采已成为我国厚及特厚煤层的主导采煤方法。综放开采的基本要求是“架前完整，架后破碎”，由于其技术特点的限制，对于坚硬厚及特厚煤层或者放顶煤工作面上覆岩层的矿山压力显现缓和，而这种压力无法实现顶煤的及时且充分的破碎，因此达不到放顶煤的冒放性要求，从而导致顶煤放出率很低。传统控制顶煤冒放性的方法主要有深孔预爆破、煤层注水致裂、爆破和注水相结合预先综合弱化三种技术，但是对于坚硬厚及特厚煤层，这三种破碎顶煤的方法存在以下问题：深孔预爆破技术、爆破和注水相结合预先综合弱化技术均涉及到炸药、雷管的管理运输，放炮要严格执行“一炮三检制”和“三人连锁放炮制”，安全管理复杂；大规模爆破瞬时产生的大量CO等有害气体给矿井通风安全管理造成巨大影响；对于高瓦斯矿井，爆破破碎煤柱由于存在爆破火花诱导瓦斯爆炸的隐患而不宜采用；综采工作面一般都在200m左右，在上下巷进行深孔爆破，钻孔要辐射整个区域，钻孔长，所以需要大量的火药和雷管等火工品，经济成本高；炸药爆破通常在一定的范围内布置密集的钻孔，单孔控制范围小。煤层注水致裂技术由于煤层注水的压力一般在5MP左右，水力致裂的裂缝扩展方向受控于三维应力场，产生的裂缝少而疏，对煤体的强度弱化程度有限，因此无法形成足够多的裂缝，故而破碎顶煤的效果不明显。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述不足，本专利技术提供一种脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的方法及设备，可以使顶煤产生足够多的裂缝，达到弱化顶煤的效果，改善顶煤冒放性，减小顶煤的冒放块度。该方法施工方便，安全可靠，减少了资源的浪费。为了解决上述问题，本专利技术一种脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的设备，包括水力致裂泵组、高压胶管、封隔器和高压密封安装杆，高压密封安装杆深入钻孔底部的一端安装封隔器，高压密封安装杆的另一端通过高压胶管与水力致裂泵组相连，封隔器通过高压细软管与手压泵相连，所述水力致裂泵组包括水力致裂高压泵和水力致裂脉冲泵，水力致裂高压泵输出的高压胶管与水力致裂脉冲泵输出的高压胶管之间通过三通阀相连，水力致裂高压泵与三通阀之间的管路上设有开关阀I，水力致裂脉冲泵与三通阀之间的管路上设有开关阀II，三通阀的另一端通过高压胶管与高压密封安装杆相连，高压胶管与高压密封安装杆之间通过转换接头相连。进一步的，三通阀与转换接头之间的高压胶管管路上设有泄压阀。进一步的，三通阀与泄压阀之间的高压胶管管路上设有水力致裂测控仪。一种脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的方法，包括以下步骤：第一步、在切眼煤层内施工互相平行的、垂直煤壁的走向长钻孔；分别在运输顺槽和回风顺槽施工相互平行的、垂直煤壁的倾向长钻孔I和倾向长钻孔II，两顺槽钻孔相互错开布置；第二步、安装水力致裂脉冲泵并调试；第三步、将封隔器送至钻孔底部，并依次连接高压密封安装杆、转换接头及高压胶管，将高压胶管与水力致裂脉冲泵相连接；第四步、利用手压泵向封隔器注入高压水，使封隔器膨胀封孔；第五步、打开开关阀II，开启水力致裂脉冲泵进行脉冲水力致裂，致裂过程中通过实时观察安装于管路中的水力致裂测控仪来监测致裂钻孔的水压力变化情况以及致裂区域的煤壁渗水情况；第六步、当水力致裂测控仪监测到致裂钻孔的水压力小于5MPa时或煤岩层“出汗”超过5～7min时，关闭水力致裂脉冲泵，打开泄压阀，将封隔器退出至设计的第二段压裂位置处重新封孔致裂，重复此步骤直至整个钻孔段致裂完成；第七步、取出封隔器，安装至下一个钻孔，重复步骤c～f，直至完成所有钻孔的致裂。由于顶煤破断冒放的块度是反映顶煤冒放性的特征参数，而顶煤的冒放性主要由顶煤的物理力学性质和采动应力即矿山压力两个关键因素控制。本专利技术采用脉冲水力致裂控制顶煤冒放性，其原理是利用脉冲高压泵向煤层钻孔中注入排量呈周期性变化的高压水使钻孔孔壁在周期性的疲劳加载下发生多处破裂，从而产生较多的不受三维应力场控制的裂缝；而且，高频率的冲击波能够激活煤层的天然裂缝，使天然裂缝重新张开并扩展贯通，从而在煤层中形成复杂的裂缝网络，充分切割煤体，弱化煤体的整体力学特性；同时还可以改变煤体的渗透性能，使煤体充分吸水湿润，进一步软化煤体；因此坚硬顶煤脉冲水力致裂控制技术是采用脉冲水力致裂的方法预先破坏顶煤的宏、细观结构，再通过致裂和软化作用弱化煤体的强度，进而依靠矿山压力的破煤作用，达到提高顶煤冒放性的要求。作为本专利技术的进一步的改进，在脉冲水力致裂弱化顶煤的基础上，结合脉冲水力致裂和常规水力致裂的方法优势，提出一种“先脉冲水力致裂，后常规水力致裂”的顶煤弱化技术，其中，在上述方法的基础上，第二步骤中，安装水力致裂脉冲泵的同时安装水力致裂高压泵并调试，利用三通阀将水力致裂脉冲泵和水力致裂高压泵并联到一起；第五步骤中，水力致裂脉冲泵进行脉冲水力致裂30分钟后关闭水力致裂脉冲泵以及开关阀II，然后打开开关阀I，以及水力致裂高压泵，通过大排量的泵注，进一步扩展脉冲水力致裂产生的裂缝，增大裂缝扩展范围；第六步骤中，当水力致裂测控仪监测到致裂钻孔的水压力小于5MPa时或煤岩层“出汗”超过5～7min时，关闭水力致裂高压泵，打开泄压阀，将封隔器退出至设计的第二段压裂位置处重新封孔致裂，重复此步骤直至整个钻孔段致裂完成。本改进的方法是首先通过脉冲高压泵，向煤层注入高频率的脉冲高压水，利用周期性的高压反复冲击煤层，使煤层产生多裂缝；然后采用常规大排量水力致裂使脉冲水力致裂产生的裂缝网络进一步扩展，使相邻钻孔间的裂缝扩展贯通，把煤体切割为一定尺寸和形状的块体，充分改造煤体结构，破坏煤层的整体性和降低煤体的强度，弱化顶煤整体力学性能，使其在工作面推进的过程中能够更充分破碎，减小顶煤破碎块度，提高顶煤冒放性。进一步的，第一步骤中，先进行切眼钻孔施工，然后进行两顺槽钻孔施工，两顺槽钻孔从切眼方向向大巷方向顺序进行；第三至第六步骤中的水力致裂顺序与钻孔施工顺序相同，两者同步进行，平行作业，施工速度要匹配，钻孔可提前施工。进一步的为保证长钻孔的压裂效果，提高裂缝的均匀程度和裂缝的数目，水力压裂过程采用分段后退式压裂，分段压裂长度为10～20m；具体步骤如下：(a)开启水力致裂脉冲泵或水力致裂高压泵；(b)向一个致裂钻孔内注水，进行一次循环水力致裂；(c)当水力致裂测控仪监测到致裂钻孔的水压力小于5MPa时或煤岩层“出汗”超过5～7min时，关闭水力致裂脉冲泵或水力致裂高压泵，打开泄压阀，完成此次循环水力致裂；(d)接着将封隔器向钻孔的孔口方向退后10～20m，再次进行一次循环水力致裂；(e)周而复始，直至封隔器后退至距致裂钻孔的孔口深度15m处进行最后一次循环水力致裂；(f)退出封隔器，完成后退分段式水力致裂。进一步的，水力致裂脉冲泵输出的水力脉冲的压力范围为0～20MP，额定流量为6.7m3/h。封隔器包括前膨胀胶管封孔器和后膨胀胶管封孔器，前膨胀胶管封孔器和后膨胀胶管封孔器间隔设在钻孔内，前后膨胀胶管封孔器之间设有连通管和高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的设备，包括水力致裂泵组(7)、高压胶管(8)、封隔器(6)和高压密封安装杆(5)，高压密封安装杆(5)深入钻孔底部的一端安装封隔器(6)，高压密封安装杆(5)的另一端通过高压胶管(8)与水力致裂泵组(7)相连，封隔器(6)通过高压细软管(17)与手压泵(18)相连，其特征在于，所述水力致裂泵组(7)包括水力致裂高压泵(7‑2)和水力致裂脉冲泵(7‑1)，水力致裂高压泵(7‑2)输出的高压胶管(8)与水力致裂脉冲泵(7‑1)输出的高压胶管(8)之间通过三通阀(15)相连，水力致裂高压泵(7‑2)与三通阀(15)之间的管路上设有开关阀I(14)，水力致裂脉冲泵与三通阀(15)之间的管路上设有开关阀II(13)，三通阀(15)的另一端通过高压胶管(8)与高压密封安装杆(5)相连，高压胶管(8)与高压密封安装杆(5)之间通过转换接头(16)相连。

【技术特征摘要】
1.一种脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的设备，包括水力致裂泵组(7)、高压胶管(8)、封隔器(6)和高压密封安装杆(5)，高压密封安装杆(5)深入钻孔底部的一端安装封隔器(6)，高压密封安装杆(5)的另一端通过高压胶管(8)与水力致裂泵组(7)相连，封隔器(6)通过高压细软管(17)与手压泵(18)相连，其特征在于，所述水力致裂泵组(7)包括水力致裂高压泵(7-2)和水力致裂脉冲泵(7-1)，水力致裂高压泵(7-2)输出的高压胶管(8)与水力致裂脉冲泵(7-1)输出的高压胶管(8)之间通过三通阀(15)相连，水力致裂高压泵(7-2)与三通阀(15)之间的管路上设有开关阀I(14)，水力致裂脉冲泵与三通阀(15)之间的管路上设有开关阀II(13)，三通阀(15)的另一端通过高压胶管(8)与高压密封安装杆(5)相连，高压胶管(8)与高压密封安装杆(5)之间通过转换接头(16)相连。2.如权利要求1所述的脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的设备，其特征在于，三通阀(15)与转换接头(16)之间的高压胶管管路上设有泄压阀(9)。3.如权利要求2所述的脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的设备，其特征在于，三通阀(15)与泄压阀(9)之间的高压胶管管路上设有水力致裂测控仪(10)。4.一种脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、在切眼煤层(11)内施工互相平行的、垂直煤壁的走向长钻孔(19)；分别在运输顺槽(1)和回风顺槽(12)施工相互平行的、垂直煤壁的倾向长钻孔I(4)和倾向长钻孔II(20)，两顺槽钻孔相互错开布置；第二步、安装水力致裂脉冲泵(7-1)并调试；第三步、将封隔器(6)送至钻孔底部(4)，并依次连接高压密封安装杆(5)、转换接头(16)及高压胶管(8)，将高压胶管与水力致裂脉冲泵(7-1)相连接；第四步、利用手压泵(18)向封隔器注入高压水，使封隔器(6)膨胀封孔；第五步、打开开关阀II，开启水力致裂脉冲泵(7-1)进行脉冲水力致裂，致裂过程中通过实时观察安装于管路中的水力致裂测控仪(10)来监测致裂钻孔的水压力变化情况以及致裂区域的煤壁渗水情况；第六步、当水力致裂测控仪(10)监测到致裂钻孔的水压力小于5MPa时或煤岩层“出汗”超过5～7min时，关闭水力致裂脉冲泵(7-1)，打开泄压阀(9)，将封隔器(6)退出至设计的第二段压裂位置处重新封孔致裂，重复此步骤直至整个钻孔段致裂完成；第七步、取出封隔器(6)，安装至下一个钻孔，重复步骤c～f，直至完成所有钻孔的致裂。5.如权利要求4所述的脉冲水力致裂控制顶煤冒放性的方法，其特征在于，第二步骤中，安装水力致裂脉冲泵(7-1)的同时安装水力致裂高压泵(7-2)并调试，利用三通阀将水力致裂脉冲泵(7-1)和水力致裂高压泵(7-2)并联到一起；第五步骤中，水力致裂脉冲泵(7-1)进行脉冲水力致裂30分钟后关闭水力致裂脉冲泵(7-1)以及开关阀II(13)，然后打开开关阀I(14)，以及水力致裂高压泵(7-2)，通过大排量的泵注，进一步扩展脉冲水力致裂产生的裂缝，增大裂缝扩展范围；第六步骤中，当水力致裂测控仪...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄炳香，赵兴龙，陈树亮，邵鲁英，
申请(专利权)人：中国矿业大学，徐州佑学矿业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32