基于爆燃压裂顶板水平井的浅埋煤层随采随充采煤方法技术

本发明专利技术公开了一种基于爆燃压裂顶板水平井的浅埋煤层随采随充采煤方法，通过在顶板岩层中施工斜水平井，下套管注水泥固井后，对水平井进行分段爆燃压裂，采煤后顶板垮落，套管出露，然后将斜水平井井筒作为充填料浆输送通道，实现了对采空区上覆岩层减沉、控沉。本发明专利技术通过爆燃压裂使岩层中产生裂缝从而保证采煤后顶板能够及时垮落，能实现煤矿开采和采空区充填同步作业，避免了充填作业对采煤作业的影响，并且能够对采空区及时处理，解决了地面沉降问题，从而避免由此引发的地面建筑损坏、地表生态环境破坏、耕地破坏等问题。耕地破坏等问题。耕地破坏等问题。

【技术实现步骤摘要】
基于爆燃压裂顶板水平井的浅埋煤层随采随充采煤方法


[0001]本专利技术属于煤矿开采
，具体涉及一种基于爆燃压裂顶板水平井的浅埋煤层随采随充采煤方法。

技术介绍

[0002]我国是世界上第一产煤大国，煤炭作为重要的基础能源和原料，具有能源与资源的双重属性。煤炭在我国一次能源生产和消费结构中，分别占76％和69％左右，有力地支撑了国民经济和社会的发展。目前，井工开采仍旧是我国煤矿的主要开采方式。煤炭采掘出地面后会在地下形成采空区，若不对采空区进行充填，在上覆岩层的重力作用下，地表将发生塌陷、形成地裂缝，从而对地面的建筑、耕地造成破坏，与生态环境保护的理念相违背。
[0003]为解决这一问题，充填开采作为一种解决采区覆岩沉降的途径被提出，通过在采空区注入料浆，支撑上部岩层，达到控沉的目的。
[0004]“一种利用地面定向钻孔进行矸石充填采煤技术方法”(CN202110313271.2)公开了一种以L型等地面钻孔为通道，将加工的矸石充填到“离层”和采空区中，达到随采随充和矸石零排放的目的。但是该技术需要在采煤机向前移动8
‑
20m时施工新钻孔，单一工作面充填工程量大，成本高。
[0005]“煤层顶板套管水平长钻孔随采随充生态采煤方法”(CN202110423554.2)公开了一种利用煤层顶板套管水平长钻孔作为充填膏体的充注通道，工作面回采，直接顶岩层随采随垮落，当直接顶岩层垮落使其中的套管前端出露于采空区后，向采空区注入充填膏体。该方法为煤矿随采随充提供了新思路，能够利用单一长钻孔实现长距离的充填，但是也面临顶板无法垮落时套管无法出露的问题。并且对于浅埋煤层，由于垂向深度浅，水平井水平段施工水垂比大，施工难度高。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种基于爆燃压裂顶板水平井的浅埋煤层随采随充采煤方法，以实现煤矿开采过程中的随采随充控沉，解决采空区沉降问题，达到煤炭绿色开采的目的。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0008]基于爆燃压裂顶板水平井的浅埋煤层随采随充采煤方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1，在目标工作面顶部的煤层顶板岩层中，采用三开井身结构，施工斜水平井；
[0010]步骤2，对斜水平井水平段实施分段爆燃压裂：采用多级射孔枪对斜水平井射孔，完成全井段射孔作业，得到多个射孔段；连接爆燃压裂工具串，采用油管传输将连接好的爆燃压裂工具串送至射孔段，完成全部射孔段的爆燃压裂作业；
[0011]步骤3，地面粉碎煤矸石制作充填料浆：采用煤矿开采过程中产生的煤矸石，粉碎筛选后与废水混合做成浆体；
[0012]步骤4，开始工作面回采，随着工作面采煤推进，液压支架前移，采空区顶板岩层在
重力作用下垮落，套管在重力作用下出露，前端位于采空区上；
[0013]步骤5，从地面井口注入充填料浆，充填液压支架后形成的采空区：通过地面泵，向水平井内泵注步骤3中制备的充填料浆；注入的充填料浆与垮落的煤层顶板岩石块混合堆积于采空区，对采空区上部岩层形成支撑；
[0014]步骤6，工作面继续回采，液压支架向前移动，重复步骤4
‑
5，直至完成整个工作面的随采随充作业。
[0015]本专利技术还包括如下技术特征：
[0016]具体的，所述步骤1包括：初始钻进井斜角10
°‑
30
°
，一开钻进至含水层以下，下套管固井，水泥返至地面；二开钻进至造斜点后开始造斜，当井斜为40
°‑
60
°
时稳斜钻进导眼井探煤，探至目标煤层后起钻，注水泥回填导眼井，然后继续增斜钻进至着陆点，下套管固井，水泥返高至地面；三开钻进至终孔深度处，下套管固井，水泥返高至地面，得到斜水平井。
[0017]具体的，所述步骤1中，斜水平井水平段与煤层顶面的垂直距离为2
‑
5m。
[0018]具体的，所述步骤1中，当煤层的埋藏深度H满足：H
‑
h
m
≤R+h时，采用斜直井钻机进行钻井施工作业；
[0019]上式中，h为一开钻进深度，m；h
m
为斜水平井水平段与煤层顶面的垂直距离，m；R为斜水平井井眼的最小曲率半径，计算公式为：
[0020][0021]其中，d为套管外径，m；k1为安全系数；k2为螺纹应力集中系数；T为套管管体钢材的屈服强度，MPa。
[0022]具体的，所述步骤2中，油管将多级射孔枪传输至预定深度射孔，单射孔段长度1m
‑
2m，射孔密度不小于10孔/m，相邻射孔段之间间距不小于20m。
[0023]具体的，所述步骤2中，爆燃压裂工具串包括自上而下依次相接的：接头、机械封隔器、磁定位器、扶正器、隔热环、撞击点火器、爆燃压裂火药柱、扶正器和引鞋。
[0024]具体的，完成全部射孔段的爆燃压裂作业包括：连接爆燃压裂工具串，采用油管传输将连接好的爆燃压裂工具串送至第一射孔段，并用磁定位器校准深度，使压裂弹对准射孔段；将机械封隔器坐封，并装好井口防喷装置；从井口向油管内投入撞击棒点火引爆压裂弹；将机械封隔器解封，起出井内作业管柱；重复操作至完成全部射孔段的爆燃压裂作业。
[0025]具体的，所述步骤3中，粉碎煤矸石后筛选粒径不大于4mm，浆体密度为1.15
‑
1.20g/cm3。
[0026]具体的，所述步骤5中，泵注充填料浆的泵注排量2
‑
5m3/min。
[0027]本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0028](1)本专利技术可实现煤矿开采和采空区充填同步作业，避免了充填作业对采煤作业的影响，并且能够对采空区及时处理，解决地面沉降问题，从而避免由此引发的地面建筑损坏、地表生态环境破坏、耕地破坏等问题。
[0029](2)本专利技术借助斜直井钻机施工浅层水平井，可降低水平井施工难度，提高浅层水平井水平段长度，减少充填钻孔施工数量。
[0030](3)本专利技术对斜水平井水平段进行分段爆燃压裂施工，在采煤前能够在顶板内形
成大量裂缝，一方面能够减弱顶板强度，保证顶板垮落，促使套管出露作为料浆输送通道，另一方面可弱化顶板，解决坚硬顶板大面积悬顶造成的冲击地压问题。
[0031](4)本专利技术通过粉碎煤矸石后制备充填料浆，能够解决煤矿开采过程中形成的矸石堆放污染环境问题，从而有助于实现矸石“零排放”的目标。
附图说明
[0032]图1为本专利技术的方法流程图；
[0033]图2为(a)常规直井钻机钻进示意(b)斜直井钻机钻进示意图；
[0034]图3为本专利技术斜水平井井身结构示意图；
[0035]图4为本专利技术斜水平井分段爆燃压裂裂缝示意图；
[0036]图5为本专利技术爆燃压裂裂缝形态示意图；
[0037]图6为(a)本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于爆燃压裂顶板水平井的浅埋煤层随采随充采煤方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在目标工作面顶部的煤层顶板岩层中，采用三开井身结构，施工斜水平井；步骤2，对斜水平井水平段实施分段爆燃压裂：采用多级射孔枪对斜水平井射孔，完成全井段射孔作业，得到多个射孔段；连接爆燃压裂工具串，采用油管传输将连接好的爆燃压裂工具串送至射孔段，完成全部射孔段的爆燃压裂作业；步骤3，地面粉碎煤矸石制作充填料浆：采用煤矿开采过程中产生的煤矸石，粉碎筛选后与废水混合做成浆体；步骤4，开始工作面回采，随着工作面采煤推进，液压支架前移，采空区顶板岩层在重力作用下垮落，套管在重力作用下出露，前端位于采空区上；步骤5，从地面井口注入充填料浆，充填液压支架后形成的采空区：通过地面泵，向水平井内泵注步骤3中制备的充填料浆；注入的充填料浆与垮落的煤层顶板岩石块混合堆积于采空区，对采空区上部岩层形成支撑；步骤6，工作面继续回采，液压支架向前移动，重复步骤4
‑
5，直至完成整个工作面的随采随充作业。2.如权利要求1所述的基于爆燃压裂顶板水平井的浅埋煤层随采随充采煤方法，其特征在于，所述步骤1包括：初始钻进井斜角10
°‑
30
°
，一开钻进至含水层以下，下套管固井，水泥返至地面；二开钻进至造斜点后开始造斜，当井斜为40
°‑
60
°
时稳斜钻进导眼井探煤，探至目标煤层后起钻，注水泥回填导眼井，然后继续增斜钻进至着陆点，下套管固井，水泥返高至地面；三开钻进至终孔深度处，下套管固井，水泥返高至地面，得到斜水平井。3.如权利要求1所述的基于爆燃压裂顶板水平井的浅埋煤层随采随充采煤方法，其特征在于，所述步骤1中，斜水平井水平段与煤层顶面的垂直距离为2
‑
5m。4.如权利要求3所述的基于爆燃压裂顶板水平井的浅埋煤层随采随充采煤方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海军，李浩哲，孙四清，姜在炳，程斌，庞涛，陈崇枫，赵龙，
申请(专利权)人：中煤科工西安研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：