一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法技术

本发明专利技术公开了一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法，步骤如下：S1，将井田划分为规划区、准备区和生产区；S2，对规划区采用地面钻井卸压增透预抽；S3，准备区采用井上下联合压裂卸压增透抽采；S4，生产区采用采矿活动卸压协同水力化集成抽采工艺。本发明专利技术以规划区地面钻井卸压增透抽采、准备区井上下联合水力致裂卸压增透抽采、生产区采动卸压增透抽采为关键环节，以解除制约瓦斯高效流动的低渗透特性为根本出发点，通过人为主动卸压+采矿活动影响被动卸压两种增透类型，对煤矿规划区、准备区和生产区瓦斯进行三区联动立体抽采；形成先采气后采煤的“三区联动立体卸压增透高效抽采模式”，实现煤与瓦斯协调开发。

A systematic gas mining method for low permeability and high process coal seam

【技术实现步骤摘要】
一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法
本专利技术属于煤矿瓦斯治理
，具体涉及一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法。
技术介绍
我国不但煤炭资源丰富，而且在世界上也是重要的煤炭生产大国和消费大国，未来相当长一段时间内，煤炭仍将在我国能源结构中占较大比重。长期以来，煤炭在保障我国能源需求和经济快速发展的同时，一直面临诸多安全开采问题，尽管近些年来我国煤矿安全生产状况明显改善，但全国煤炭百万吨死亡率仍居0.2左右，与发达国家相比还有较大差距，重特大事故仍时有发生。尤其随着开采深度的逐渐增加，煤炭资源开采条件不断恶化，突出表现在煤层瓦斯压力和瓦斯含量增大、地质构造条件越来越复杂，容易造成群死群伤的瓦斯灾害依然严重，是我国煤矿安全生产过程中灾害防治领域始终努力防范的重点和难点。煤矿瓦斯灾害发生的形式多样，煤与瓦斯突出（以下简称“突出”）、瓦斯爆炸、瓦斯窒息、瓦斯燃烧等是其常见类型，潜在性、突发性、灾难性带来的难以防治是瓦斯事故的主要特点。尤其煤与瓦斯突出因其发生机理极其复杂，截止目前世界范围内对其发生的理论认识尚处于“假说”阶段，这无疑给现场瓦斯防治效果带来较大不确定性和盲目性，进而致使防治手段和措施虽然极其丰富，却难以从根本上预防突出的发生。有效的瓦斯抽采是治理瓦斯的根本，煤层透气性差、抽采效率低下是制约瓦斯高效抽采的瓶颈，既要做到抽采达标，不掘突出头、不采突出面，同时又不影响煤矿安全高效生产，结合煤炭开采特点进行体系化瓦斯综合治理是有效遏制重大瓦斯事故的发生，以及实现煤与瓦斯共采的必由之路。
技术实现思路
针对上述现有技术中描述的不足，本专利技术提供一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法，以规划区地面钻井卸压增透抽采、准备区井上下联合水力致裂卸压增透抽采、生产区采动卸压增透抽采为关键环节，以卸压增透为实施瓦斯抽采的基本准则的体系化瓦斯综合治理模式，以解除制约瓦斯高效流动的低渗透特性为根本出发点，通过人为主动卸压+采矿活动影响被动卸压两种增透类型，对煤矿规划区、准备区和生产区瓦斯进行三区联动立体抽采；形成先采气后采煤的“三区联动立体卸压增透高效抽采模式”，实现煤与瓦斯协调开发。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法，步骤如下：S1，将井田划分为规划区、准备区和生产区。所述规划区是指按照井田开采划分，所属煤炭资源拟经过较长时间（一般在5-10年甚至更长）以后方进行采煤作业的区块。所述准备区是指按照煤矿生产计划，近期（一般3-5年）内即将进行回采的区域。所述生产区是指井下本煤层进行煤巷掘进和回采作业的区域。S2，对规划区采用地面钻井卸压增透预抽。煤层开采之前即进行地面瓦斯预抽，且不受空间约束和时间限制是规划区的主要优势，通过提前地面布置多分支水平井、对接井、丛式井等大规模井群，进行大面积预先抽采，既有利于形成煤层气产业规模，又可实现高瓦斯突出煤层向低瓦斯非突出煤层的转变，同时地面井还兼具勘探孔等一井多用之功能，避免了井下近距离钻探瓦斯灾害的威胁，是实现瓦斯资源利用与灾害防治的良好衔接。S2.1，在规划区的计划巷道两侧及计划巷道内开设地面井。S2.2，完井后向地面井注入氮气泡沫进行压裂储层改造。选择N2作为储层压裂改造的气源，对提高瓦斯抽采效果具有多重优势。第一，N2良好的驱替、置换煤层瓦斯效应，其作用效果可通过三个性能来实现：①N2注气端和析气端较高压力梯度条件下，对煤层裂隙中游离瓦斯的“驱赶”和“携载”作用；②N2注入煤层后稀释作用条件下，扩散空间内部瓦斯浓度大于外部，导致微孔隙瓦斯出现“扩散”作用；③多组分气体条件下，N2分子对CH4分子的“竞争”吸附作用。第二，对于煤层而言，N2的低压、低渗、水敏性特点对外来井液的敏感度较高，很容易受到污染和伤害，与常规水基压裂液相比，采用氮气泡沫注压的方式能够有效提高入井液的返排速度和返出程度，通过氮气的隔离、降滤、助排的综合作用有助于工作液克服毛管力的束缚，增强自身返排源动力，起到保护储层和强化措施效果的作用。第三，相对CO2，N2作为气源性能更加稳定、环保、安全，获取也十分方便。S2.3，在规划区开挖定向羽状多分支水平井，并通过配套的工程井进行地面瓦斯预抽。羽状多分支水平井钻井完井技术打破了多年来钻井轨迹停留于“点”的局限性，不但实现了井筒在煤层水平层面“线”的延伸，而且可沿水平主井段双侧施工多条分支井眼，控制和调整分支钻井轨迹呈羽状分布结构后，有效钻井轨迹即可在煤层水平方向实现“面”的互联互通，最大限度的沟通煤层孔-裂隙系统，极大的提高了井筒和煤层的接触范围和空间，实现瓦斯大面积卸压和高效流动，不但能高效抽采工作面范围内的瓦斯，而且对消除井下煤巷掘进期间瓦斯突出危险性也十分有利。与常规地面瓦斯抽采井相比，羽状多分支水平井煤层段一般不需要固井和储层压裂改造，具有清洁、无害、倒流能力强、服务范围广等独特优势，尤其适合低渗透煤层瓦斯开采。具体步骤如下：S2.3.1，在规划区沿煤巷掘进方向开设一条水平主井，水平主井长度高达1500m。S2.3.2，在水平主井的双侧对称开设有若干条分支水平井，分支水平井与水平主井连通形成羽状结构；单个分支水平井长200-1000m不等。S2.4，在规划区开设对接井，并对对接井进行水力运移抽采。所述对接井包括注水出气井和排煤水出气井；在排煤水出气井的煤层段设置有掏穴，作为煤泥输出通道；注水出气井和排煤水出气井通过对接通道连通。在排煤水出气井位于煤层段，采用空气动力造穴方法在排煤水出气井的井底形成大孔径洞穴作为煤泥输出的通道。水力运移抽采过程为，在注水出气井安装进水兼出气功能的封井装置，通过连接地面脉动冲压设备。在排煤水出气井安装煤气水分离装置，用于收集井下冲刷、卸压产生煤、气和循环水。地面脉动冲压设备通过注水出气井注入高压水，高压水在对接通道、掏穴和排煤水出气井内形成循环，对注水出气井和排煤水出气井之间的煤层进行冲刷，排出瓦斯。对接井水力运移卸压开采模式，此项技术工艺对松软、低渗煤层具有较大适用性，可靠有效降低煤层孔隙压力、疏通瓦斯运移通道、提高煤层卸压效果，尤其适合布设于井下煤巷对应煤层位置。S3，准备区采用井上下联合压裂卸压增透抽采；随着煤炭开采的延伸，规划区逐渐转变为准备区，根据煤矿生产衔接安排，井下需开始开拓巷道的施工，此时要进行瓦斯抽采方式的调整和转变：即，一方面充分利用地面抽采井在煤层中所形成裂隙，进行地面负压抽采；另一方面，井下施工长钻孔，实施井下水力压裂，使地面井完井期间生的原有裂缝与井下钻孔压裂新形成裂缝充分有效贯通，进行井上下联合抽采。所构成的立体抽采网络，可大大提高瓦斯抽采效率，快速降低预采煤层瓦斯含量。要使井上下联合抽采技术取得理想的瓦斯治理效果，须在煤炭开采的规划和准备阶段即开始井上下联合抽采工艺布局。根据井下采、掘工序安全生产需要，井上下联合抽采工艺可分为条带式和区域递进式两种，分别侧重于解决煤巷掘进和工作面回采期间瓦斯治理。S3.1，煤巷掘进瓦斯抽采采用条带式井上下联动卸压抽采工艺；按照条带式井上下联动抽采工艺的瓦斯治理目标，在未进行地面预抽的规划区或准备区，对拟开设的水平大巷、盘区（带区）大巷、工作面巷道，在其两侧施工常规地面钻井，完井后进行储层压裂改造，之后按排水降压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法，其特征在于，步骤如下：S1，将井田划分为规划区、准备区和生产区；S2，对规划区采用地面钻井卸压增透预抽；S3，准备区采用井上下联合压裂卸压增透抽采；S4，生产区采用采矿活动卸压协同水力化集成抽采工艺。

【技术特征摘要】
1.一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法，其特征在于，步骤如下：S1，将井田划分为规划区、准备区和生产区；S2，对规划区采用地面钻井卸压增透预抽；S3，准备区采用井上下联合压裂卸压增透抽采；S4，生产区采用采矿活动卸压协同水力化集成抽采工艺。2.根据权利要求1所述的一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法，其特征在于，在步骤S2中，具体步骤如下：S2.1，在规划区的计划巷道两侧及计划巷道内开设地面井；S2.2，完井后向地面井注入氮气泡沫进行压裂储层改造；S2.3，在规划区开挖定向羽状多分支水平井，并通过配套的工程井进行地面瓦斯预抽；S2.4，在规划区开设对接井，并对对接井进行水力运移抽采；所述对接井包括注水出气井和排煤水出气井；在排煤水出气井的煤层段采用空气动力造穴方法设置有掏穴，作为煤泥输出通道；注水出气井和排煤水出气井通过对接通道连通。3.根据权利要求2所述的一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法，其特征在于，在步骤S2.3中，具体步骤如下：S2.3.1，在规划区沿煤巷掘进方向开设一条水平主井；S2.3.2，在水平主井的双侧对称开设有若干条分支水平井，分支水平井与水平主井连通形成羽状结构。4.根据权利要求2所述的一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法，其特征在于：在步骤S2.4中，水力运移抽采过程如下：在注水出气井安装进水兼出气功能的封井装置，通过连接地面脉动冲压设备；在排煤水出气井安装煤气水分离装置，用于收集井下冲刷、卸压产生煤、气和循环水；地面脉动冲压设备通过注水出气井注入高压水，高压水在对接通道、掏穴和排煤水出气井内形成循环，对注水出气井和排煤水出气井之间的煤层进行冲刷，排出瓦斯。5.根据权利要求1所述的一种低渗高突煤层体系化瓦斯开采方法，其特征在于，在步骤S3中，具体步骤如下：S3.1，煤巷掘进瓦斯抽采采用条带式井上下...

【专利技术属性】
技术研发人员：付江伟，屈丽娜，李鹏，丁淑敏，刘琦，李晓艳，陈亮，靳晓华，王冰，王天瑜，李志良，徐德宇，
申请(专利权)人：中原工学院，
类型：发明
国别省市：河南,41