基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术制造技术

本发明专利技术公开了一种基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术，包括下列步骤：对综放工作面顶煤结构进行观测；确定综放工作面顶煤压裂参数；对综放工作面顶煤进行压裂钻孔施工及开槽；对综放工作面压裂钻孔进行钻孔封孔；对综放工作面顶煤进行高压水力压裂；以及对综放工作面水力压裂效果分析；其中对综放工作面顶煤进行压裂钻孔施工及开槽步骤包括：在综放工作面顶煤开设多个垂直于工作面的顶面的压裂钻孔；在轨道顺槽顶面和运输顺槽顶面处开设多个向工作面偏转一个角度的压裂钻孔；及在压裂钻孔位于高位夹矸层内部分开设多个横向切槽。借此，可使得煤层中的高位厚硬夹矸层预裂破碎，实现夹矸层上部煤层的有效开采，降低资源的浪费。降低资源的浪费。降低资源的浪费。

【技术实现步骤摘要】
基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术


[0001]本专利技术是关于煤矿资源开采利用
，特别是关于一种基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术的综放开采方法。

技术介绍

[0002]我国西部陕西、内蒙等大型矿区赋存有大量埋藏深度较浅、煤质坚硬、煤层厚度为9～15m的特厚煤层，受制于大采高综采一次开采高度限制(世界大采高一次最大开采高度为8.8m)，分层开采又存在工艺复杂、效率低、效益差、下分层开采难度大等问题。这类煤层非常适宜采用大采高综放开采，但随着综放开采一次采出厚度的不断增大，顶煤从单一煤体转变为多层厚夹矸与煤体互层的复合顶煤体。对于综放开采，下部夹矸层可被采煤机直接截割，对工作面回采基本无影响；中部夹矸层受支架反复支撑作用，易于破碎冒落；上部夹矸层对顶煤破碎与冒放性的影响最大。强度较大的高位厚硬夹矸层不仅破碎效果差、大块多，也会影响位于夹矸层上部煤层的破碎与冒落，导致顶煤整体破碎效果差、放出率低等问题。因此，可以提供一种基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术，使得煤层中高位厚硬夹矸层预裂破碎，此方法对于实现位于夹矸层上部煤层的有效开采，减少煤炭资源的浪费具有重要的工程意义。
[0003]利用基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术，使得煤层中高位厚硬夹矸层预裂破碎有以下几方面优点，高位厚夹矸层以及煤体的裂隙密度加大，裂隙网络的联通性改善，提高了工作面顶煤的放出率，避免浪费资源，实现综合效益最大化；工作面顶煤整体上形成原生节理裂隙、翼型分支裂纹和水压主裂缝的裂隙网络，从而改善煤层的冒放性；破坏了顶板的完整性，增加和扩展了顶板的原始裂隙，实现了回采期间工作面顶板顺利垮落，减小初次来压和周期来压步距，达到回采工作面安全生产的目的。
[0004]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术，其能够使得煤层中的高位厚硬夹矸层预裂破碎，最终实现位于夹矸层上部煤层的有效开采，从而降低资源的浪费。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术，包括下列步骤：对综放工作面顶煤结构进行观测；确定综放工作面顶煤压裂参数；对综放工作面顶煤进行压裂钻孔施工及开槽；对综放工作面压裂钻孔进行钻孔封孔；对综放工作面顶煤进行高压水力压裂；以及对综放工作面水力压裂效果分析；其中对综放工作面顶煤进行压裂钻孔施工及开槽步骤包括：在综放工作面顶煤开设多个垂直于工作面的顶面的压裂钻孔；在轨道顺槽顶面和运输顺槽顶面处开设多个向工作面偏转一个角度的压裂钻孔；及在压裂钻孔位于高位夹矸层内部分开设多个横向切槽。
[0007]在一优选的实施方式中，对综放工作面顶煤结构进行观测步骤包括：根据综放工作面长度确定观测孔在切眼内的长度及间距；在切眼内以及轨道顺槽和运输顺槽的工作面顶煤进行垂直打孔作为观测孔；以及利用全景钻孔窥视仪对切眼内的观测孔进行观测分析，并通过观测钻孔的录像、钻孔柱状图和钻孔展开图三种图像信息结合矿井前期的地质勘探资料进行综合分析，从而确定综放工作面顶煤煤层的厚度、夹矸层厚度及煤层和夹矸层的层数以及顶煤裂隙发育情况；其中观测孔间的间距介于10～15m之间，观测孔的孔径介于32～75mm之间。
[0008]在一优选的实施方式中，确定综放工作面顶煤压裂参数步骤包括：根据矿井的地质勘探资料使钻孔窥视仪对顶煤内部结构观测结果，使用PFC软件对工作面顶煤水力压裂进行数值模拟计算，并得到工作面顶煤压裂参数。
[0009]在一优选的实施方式中，对综放工作面顶煤进行压裂钻孔施工及开槽步骤还包括：利用全景钻孔窥视仪对压裂钻孔进行钻孔窥视并观察开槽效果；以及采用用静压水冲洗压裂钻孔；其中压裂钻孔的孔径介于32～75mm之间，横向切槽的直径为不小于压裂钻孔的孔径一倍的楔形槽。
[0010]在一优选的实施方式中，对综放工作面压裂钻孔进行钻孔封孔步骤包括：在每个压裂钻孔内的多个横向切槽的两侧设置封孔器；在每个压裂钻孔内穿设注水钢管，注水钢管同时穿过封孔器，且注水钢管的压裂钢管段至于封孔器之间的多个横向切槽处；以及通过手动泵向封孔器注水使封孔器膨胀并撑紧封闭在压裂钻孔的孔壁和注水钢管之间；其中向封孔器的注水加压的压力介意9～11之间MPa之间。
[0011]在一优选的实施方式中，对综放工作面顶煤进行高压水力压裂步骤包括：将高压泵和水压仪通过高压胶管与注水钢管连接；利用高压泵通过高压胶管、注水钢管以及压裂钢管段提供高压水对高位夹矸层进行压裂操作；通过压力表或水压仪的压力曲线监测预裂缝的起裂；随着监测预裂缝起裂后水压的下降，继而进入保压阶段；以及在保压阶段，随着裂纹扩展及伴随着新裂纹的产生，利用流量计监测高压水的流量以及高压水的注入水量，以保证工作面顶煤中的高位夹矸层充分弱化和软化。
[0012]在一优选的实施方式中，对综放工作面水力压裂效果分析步骤包括：利用全景钻孔窥视仪对高压水压裂后的工作面顶煤中的高位夹矸层进行窥视；以及通过对钻孔录像、钻孔展开图和柱状图观察水力压裂效果。
[0013]在一优选的实施方式中，对综放工作面水力压裂效果分析步骤还包括：若工作面顶煤中的高位夹矸层的裂隙较少，破碎不明显时，继续进行压裂，若工作面顶煤中的高位夹矸层的破碎严重，则进行放顶煤开采。
[0014]在一优选的实施方式中，对综放工作面顶煤进行高压水力压裂步骤还包括：向注水钢管的注水加压的压力介意9～11之间MPa之间。
[0015]在一优选的实施方式中，对综放工作面顶煤进行高压水力压裂步骤还包括：压裂钢管段上包括多个孔洞或裂缝。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术具有以下有益效果：本利用水力压裂网络化预裂技术，将位于综放工作面顶煤高位夹矸层预裂破碎，从而使夹矸层上部的煤层在矿山压力的作用下得到冒落，高位厚夹矸层以及煤体的裂隙密度加大，裂隙网络的联通性改善，提高了工作面顶煤的放出率，避免浪费资
源，实现综合效益最大化。水力致裂后，工作面顶煤整体上形成原生节理裂隙、翼型分支裂纹和水压主裂缝的裂隙网络，从而改善煤层的冒放性；利用水力压裂技术对工作面顶煤高位夹矸层预裂，破坏了顶板的完整性，增加和扩展了顶板的原始裂隙，实现了回采期间工作面顶板顺利垮落，减小初次来压和周期来压步距，达到回采工作面安全生产的目的。
附图说明
[0017]图1是根据本专利技术一实施方式的工作面及两巷道压裂钻孔的布置示意图；
[0018]图2是根据本专利技术一实施方式的工作面及两巷道水力压裂的施工工艺示意图。
[0019]主要附图标记说明：
[0020]1‑
水压仪，2
‑
压力表，3
‑
高压泵，4
‑
横向切槽，5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术，其特征在于，包括下列步骤：对综放工作面顶煤结构进行观测；确定综放工作面顶煤压裂参数；对综放工作面顶煤进行压裂钻孔施工及开槽；对综放工作面压裂钻孔进行钻孔封孔；对综放工作面顶煤进行高压水力压裂；以及对综放工作面水力压裂效果分析；其中所述对综放工作面顶煤进行压裂钻孔施工及开槽步骤包括：在所述综放工作面顶煤开设多个垂直于所述工作面的顶面的压裂钻孔；在轨道顺槽顶面和运输顺槽顶面处开设多个向所述工作面偏转一个角度的压裂钻孔；及在所述压裂钻孔位于所述高位夹矸层内部分开设多个横向切槽。2.如权利要求1所述的基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术，其特征在于，所述对综放工作面顶煤结构进行观测步骤包括：根据综放工作面长度确定观测孔在切眼内的长度及间距；在所述切眼内以及所述轨道顺槽和所述运输顺槽的工作面顶煤进行垂直打孔作为观测孔；以及利用全景钻孔窥视仪对切眼内的所述观测孔进行观测分析，并通过观测钻孔的录像、钻孔柱状图和钻孔展开图三种图像信息结合矿井前期的地质勘探资料进行综合分析，从而确定综放工作面顶煤煤层的厚度、夹矸层厚度及煤层和夹矸层的层数以及顶煤裂隙发育情况；其中所述观测孔间的间距介于10～15m之间，所述观测孔的孔径介于32～75mm之间。3.如权利要求1所述的基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术，其特征在于，所述确定综放工作面顶煤压裂参数步骤包括：根据矿井的地质勘探资料使钻孔窥视仪对顶煤内部结构观测结果，使用PFC软件对工作面顶煤水力压裂进行数值模拟计算，并得到工作面顶煤压裂参数。4.如权利要求1所述的基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术，其特征在于，所述对综放工作面顶煤进行压裂钻孔施工及开槽步骤还包括：利用全景钻孔窥视仪对所述压裂钻孔进行钻孔窥视并观察开槽效果；以及采用用静压水冲洗所述压裂钻孔；其中所述压裂钻孔的孔径介于32～75mm之间，所述横向切槽的直径为不小于所述压裂钻孔的孔径一倍的楔形槽。5.如权利要求1所述的基于水力压裂的特厚煤层高位夹矸层的网络化预裂技术，其特征在于，所述对综放工作面压...

【专利技术属性】
技术研发人员：张笃学，梁顺，高文，落弘业，牛永寿，刘金辉，雷小兵，郝一松，孙大勇，汤瑞山，李聪，肖超，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：