專利名稱：一種在圍巖內(nèi)進(jìn)行高效強化抽采的系統(tǒng)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于易突出煤層的局部或區(qū)域消突的方法，特別是一種在圍巖內(nèi)進(jìn)行高效強化抽采的系統(tǒng)工藝。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的煤礦井下瓦斯治理主要是采用平行鉆孔、斜交鉆孔、網(wǎng)格式鉆孔、淺孔卸壓鉆孔、高位鉆孔、采空區(qū)埋管、穿層鉆孔、順層鉆孔、立體交叉鉆孔等進(jìn)行瓦斯抽采，但效果主要取決于煤儲層原始透氣性，鉆孔工程量大，瓦斯抽采濃度低，消突時間長。為提高煤儲層透氣性，采用了高壓水射流擴(kuò)孔、水力擠出、深孔高壓注水、水力割縫法、水力沖孔、水力掏槽等水力化措施，取得了一定效果，但它們增透范圍有限，且易誘發(fā)突出事故，并未得到普遍推廣。借鑒石油領(lǐng)域的油井壓裂和地面煤層氣井壓裂的煤礦井下水力壓裂治理瓦斯成為當(dāng)前新興的技術(shù)被越來越廣泛的研究應(yīng)用，考察當(dāng)前的眾多工藝技術(shù)，目前的煤礦井下壓裂都采用長鉆孔一次壓裂，壓裂裂縫不均勻，往往形成單個短寬裂縫，產(chǎn)氣量不高，或者是效果不能持久保持。中國專利公開號CN1534164A，
公開日期2004年10月6日，發(fā)明創(chuàng)造名稱“低透氣性高瓦斯軟厚煤層遠(yuǎn)程卸壓瓦斯抽采方法”。該方法包括在煤層底板的抽采巷向上方具有順層張裂隙的軟厚煤層中打出多個網(wǎng)格狀設(shè)置的穿層抽放鉆孔，卸壓瓦斯沿順層張裂隙匯集于抽放鉆孔，通過抽放管路抽放，以實現(xiàn)抽放卸壓的目的。顯然，該方法鉆孔數(shù)量多，需要設(shè)置多個鉆場，抽采準(zhǔn)備時間長，且只適應(yīng)于能由采動形成順層張裂隙的軟煤層。中國專利公開號CN101022575A，
公開日期2007年2月5日，發(fā)明創(chuàng)造名稱“突出煤層下向順層長鉆孔遞進(jìn)掩護(hù)區(qū)域性瓦斯抽采方法”。該方法由淺部向深部、由低瓦斯區(qū)向高瓦斯區(qū)，由上階段工作面機巷或腰巷施工下向傾斜長鉆孔、預(yù)抽煤層瓦斯，以降低煤層瓦斯含量，區(qū)域性消除煤層的突出危險性，實現(xiàn)突出煤層巷道機械化掘進(jìn)和安全高效開采，其僅適用于軟厚煤層，且主要是通過鉆孔實現(xiàn)瓦斯抽采，存在鉆孔密度大、瓦斯抽采效率低、抽采時間長等不足。中國專利公開號CN201826748U，
公開日期2011年5月11日，發(fā)明創(chuàng)造名稱“一種順層鉆進(jìn)松軟煤層深長瓦斯抽采孔的裝置”，該裝置包括設(shè)置在鉆頭上的徑向噴嘴和軸向噴嘴，利用硬煤分層或頂?shù)装迦菀足@孔的特點，選擇性地利用軸向噴嘴在硬煤分層或頂?shù)装逯羞M(jìn)行脈沖射流鉆孔和從硬煤分層或頂?shù)装逑蜍浢簩痈羁p的方式，以增大瓦斯抽采范圍。但對于抽采煤巷的條帶瓦斯而言，由于割縫范圍大而導(dǎo)致割縫時間長，造成巷道掘進(jìn)準(zhǔn)備時間長、效率低。因此，現(xiàn)有的煤層瓦斯預(yù)抽方法不適用于煤礦瓦斯災(zāi)害治理對煤巷條帶瓦斯抽采的效果和效率要求，在一定程度上制約著我國西南地區(qū)煤礦松軟煤層的開采效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在圍巖內(nèi)進(jìn)行高效強化抽采的系統(tǒng)工藝，該工藝?yán)闷胀ㄣ@機安裝氣動沖擊器在圍巖內(nèi)施工，以避免卡鉆、塌孔、噴孔等問題；利用高壓漿液封孔，既承受壓裂時的高壓，又不受鉆孔的仰俯限制；噴砂射孔后的規(guī)模壓裂，可以實現(xiàn)大范圍卸壓增透和裂隙增透，以縮短消突時間和提高瓦斯采收率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。一種在圍巖內(nèi)進(jìn)行高效強化抽采的系統(tǒng)工藝，包括以下步驟:
a、在擬實施強化抽采的煤儲層的圍巖即頂板或底板內(nèi)，利用普通鉆機通過中空鉆桿安裝氣動沖擊器形成鉆具并按要求施鉆鉆孔，鉆孔后利用壓縮空氣吹洗鉆孔，然后退出鉆
亙.N 9
b、拆下氣動沖擊器并將鉆桿與噴射頭密封固定連接形成水力噴射裝置，并將噴射頭送到鉆孔內(nèi)的設(shè)定深度位置；
C、將水力噴射裝置與壓裂泵組連接，使其形成完整的高壓系統(tǒng)；
d、啟動壓裂泵組試壓，試壓包括在設(shè)定工作壓力下持續(xù)時間不少于5min、介質(zhì)的砂比不聞于5% ；
e、在鉆孔的設(shè)定深度的設(shè)定相位進(jìn)行高壓噴砂射孔以形成噴射孔，噴射孔貫穿鉆孔的圍巖層孔壁并伸入煤儲層；實時監(jiān)測現(xiàn)場情況，若系統(tǒng)壓力出現(xiàn)異常，則停止噴射并采取相應(yīng)措施，使其恢復(fù)正常后繼續(xù)噴砂射孔作業(yè)；
f、轉(zhuǎn)動噴射裝置至下一相位，重復(fù)執(zhí)行步驟e，直至鉆孔在同一深度上的所有噴射孔噴射完成；·
g、移動噴射裝置到噴射點，重復(fù)執(zhí)行步驟el，直至鉆孔上的所有噴射孔噴射完成；其中，位于最外端的噴射孔與鉆孔的封孔段最里端的距離不少于5m ；
h、以鉆孔為中心，布置一定數(shù)量和間距的考察孔，考察孔用于后期進(jìn)行壓裂影響范圍的確定；
1、采用注漿封孔方式在鉆孔和考察孔的孔口形成封孔段，并在考察孔外端連接可遠(yuǎn)程顯示考察孔內(nèi)部壓力且示值范圍不低于50MPa的壓力表；
j、連續(xù)一周且每天至少一次觀察和記錄壓力表讀數(shù)數(shù)據(jù)，并繪制成壓力曲線；k、將鉆孔與壓裂泵組連接，鉆孔作為壓裂孔進(jìn)行壓裂施工作業(yè)；壓裂時，遠(yuǎn)程觀測考察孔的壓力變化情況并與壓力曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以壓力變化值確定壓裂影響范圍；壓裂影響范圍達(dá)到要求執(zhí)行步驟1，否則，繼續(xù)壓裂；
1、停止壓裂作業(yè)，在鉆孔及考察孔孔口外均安裝氣水渣分離器和瓦斯監(jiān)測設(shè)備，并將瓦斯抽采設(shè)備通過氣水分渣離器分別與鉆孔和考察孔連接；
m、進(jìn)行邊排水邊負(fù)壓帶抽作業(yè)，定期對目標(biāo)區(qū)域的瓦斯突出危險性進(jìn)行驗證，若達(dá)標(biāo)，則執(zhí)行步驟η ;若不達(dá)標(biāo)，繼續(xù)執(zhí)行本步驟；η、停止抽采。本發(fā)明中考察孔的位置、數(shù)量應(yīng)根據(jù)煤巷斷面大小及煤層地質(zhì)條件確定；吹洗鉆孔的壓縮空氣氣壓彡1.2MPa。所述注漿封孔方式在鉆孔或考察孔的孔口形成的封孔段，包括形成由由里向外設(shè)置的封孔里段、封孔中段和封孔外段組成所述封孔段，其中，封孔里段由內(nèi)端頭、有機漿液封孔段和棉紗封孔段組成；封孔中段通過灌注標(biāo)號> 425的水泥漿液形成；封孔外段由有機漿液封孔段和外端堵頭組成；在鉆孔或考察孔的孔口還設(shè)有固定連接為一體的注漿管和注水管，在注漿管或注水管上按固定連接方式設(shè)有多個支撐片，注漿管里端出口位于封孔中段，注漿管的外端位于鉆孔或考察孔的孔口外用于與注漿系統(tǒng)連接，注水管的內(nèi)端出口貫穿封孔段伸入鉆孔或考察孔內(nèi)，注水管的內(nèi)端出口位于鉆孔或考察孔的孔口外，壓裂孔內(nèi)的注水管外端分別用于在水力噴射和壓裂時與壓裂泵組連接，在負(fù)壓帶抽時與氣水渣分離器連接；位于考察孔內(nèi)的注水管外端用于負(fù)壓帶抽時與氣水渣分離器和壓力表連接；在壓力觀察記錄時與壓力表連接。利用本方法在圍巖層中施鉆多個用于壓裂的鉆孔，并以鉆孔為中心，布設(shè)多個考察孔，以通過多個壓裂孔和考察孔實施大范圍的壓裂和強化抽采作業(yè)，實現(xiàn)區(qū)域防突的目的。具體范圍根據(jù)壓裂泵組組的負(fù)載能力和煤巖層性質(zhì)確定。本發(fā)明的有益效果是:選擇在構(gòu)成煤層圍巖層的頂板或底板中鉆孔，避免了在軟煤分層中鉆孔容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆等問題，同時，對煤巖體通過高壓噴射形成分支孔，增大煤體的暴露面積；利用分支空腹進(jìn)行高壓定向水力壓裂，壓穿裂縫之間的煤巖體，使煤層中原有的裂縫充分張開、延伸、相互貫通，使煤體大范圍卸壓增透，提高瓦斯抽采率，確保巷道掘進(jìn)工作安全，縮短巷道掘進(jìn)的準(zhǔn)備時間，提高煤層開采效率。


圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。圖2是本發(fā)明在中鉆孔3水力噴射形成噴射孔5后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明中封孔及壓裂工藝相關(guān)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。參見圖1、圖2、圖3，一種在圍巖6內(nèi)進(jìn)行高效強化抽采的系統(tǒng)工藝，包括以下步驟:
a、在擬實施強化抽采的煤儲層8的圍巖6即頂板或底板內(nèi)，利用普通鉆機通過中空鉆桿I安裝氣動沖擊器形成鉆具并按要求施鉆鉆孔3，鉆孔3后利用壓縮空氣吹洗鉆孔3，然后退出鉆具；
b、拆下氣動沖擊器并將鉆桿I與噴射頭7密封固定連接形成水力噴射裝置，并將噴射頭7送到鉆孔3內(nèi)的設(shè)定深度位置；
C、將水力噴射裝置與噴射及壓裂系統(tǒng)的壓裂泵組4連接，使其形成完整的高壓系統(tǒng)；
d、啟動壓裂泵組4試壓,試壓包括在設(shè)定工作壓力下持續(xù)時間不少于5min、介質(zhì)的砂比不聞于5% ；
e、在鉆孔3設(shè)定深度的設(shè)定相位進(jìn)行高壓噴砂射孔以形成噴射孔5，噴射孔5貫穿鉆孔3的圍巖6層孔壁并伸入煤儲層8 ;實時監(jiān)測現(xiàn)場情況，若系統(tǒng)壓力出現(xiàn)異常，則停止噴射并采取相應(yīng)措施，使其恢復(fù)正常后繼續(xù)噴砂射孔作業(yè)；
f、轉(zhuǎn)動噴射裝置至下一相位，重復(fù)執(zhí)行步驟e，直至鉆孔3在同一深度上的所有噴射孔5噴射完成；
g、移動噴射裝置到噴射點，重復(fù)執(zhí)行步驟el，直至鉆孔3上的所有噴射孔5噴射完成；其中，位于最外端的噴射孔5與鉆孔3的封孔段2最里端的距離不少于5m ；
h、以鉆孔3為中心，布置一定數(shù)量和間距的考察孔，考察孔用于后期進(jìn)行壓裂影響范圍的確定；
1、采用注漿封孔方式在鉆孔3和考察孔的孔口形成封孔段2，并在考察孔外端連接可遠(yuǎn)程顯示考察孔內(nèi)部壓力且示值范圍不低于50MPa的壓力表；
j、連續(xù)一周且每天至少一次觀察和記錄壓力表讀數(shù)數(shù)據(jù)，并繪制成壓力曲線；k、將鉆孔3與壓裂泵組4連接，鉆孔3作為壓裂孔進(jìn)行壓裂施工作業(yè)；壓裂時，遠(yuǎn)程觀測考察孔的壓力變化情況并與壓力曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以壓力變化值確定壓裂影響范圍；壓裂影響范圍達(dá)到要求執(zhí)行步驟1，否則，繼續(xù)壓裂；
1、停止壓裂作業(yè)，在鉆孔3及考察孔孔口外均安裝氣水渣分離器和瓦斯監(jiān)測設(shè)備，并將瓦斯抽采設(shè)備通過氣水渣分離器分別與鉆孔3和考察孔連接；
m、進(jìn)行邊排水邊負(fù)壓帶抽作業(yè)，定期對目標(biāo)區(qū)域的瓦斯突出危險性進(jìn)行驗證，若達(dá)標(biāo)，則執(zhí)行步驟η ;若不達(dá)標(biāo)，繼續(xù)執(zhí)行本步驟；η、停止抽采。所述注漿封孔方式在鉆孔3或考察孔的孔口形成的封孔段2，包括形成由里向外設(shè)置的封孔里段21、封孔中段22和封孔外段23組成封孔段2，其中，封孔里段21由內(nèi)端頭21a、有機漿液封孔段21b和棉紗封孔段21c組成；封孔中段22通過灌注標(biāo)號> 425的水泥漿液形成；封孔外段23由有機漿液封孔段23a和外端堵頭23b組成；在鉆孔3或考察孔的孔口還設(shè)有固定連接為一體的注漿管11和注水管10，在注漿管11或注水管10上按固定連接方式設(shè)有多個支撐片14，注漿管11里端出口位于封孔中段22，注漿管11的外端位于鉆孔3或考察孔的孔口外用于與注漿系統(tǒng)連接，注水管10的內(nèi)端出口貫穿封孔段2伸入鉆孔3或考察孔內(nèi)，注水管10的內(nèi)端出口位于鉆孔3或考察孔的孔口外，壓裂孔內(nèi)的注水管10外端分別用于與壓裂泵組4連接和氣水渣分離器連接；位于考察孔內(nèi)的注水管10外端用于與氣水渣分離器和壓力表連接。所述吹洗鉆孔3的壓縮空氣氣壓彡1.2MPa。所述考察孔的位置、數(shù)量應(yīng)根據(jù)煤巷斷面大小及煤層地質(zhì)條件確定。本實施例中的噴射及壓裂系統(tǒng)除設(shè)有壓裂泵組4外還設(shè)有控制柜12和泄壓閥13。本實施例中的注漿系統(tǒng)設(shè)有混漿罐15、注漿泵16、第二泄壓閥17和系統(tǒng)壓力表18等ο在具體區(qū)域防突應(yīng)用中，可利用本方法在圍巖6層中施鉆多個用于壓裂的鉆孔3，并以鉆孔3為中心，布設(shè)多個考察孔，以通過多個壓裂孔和考察孔實施大范圍的壓裂和強化抽采作業(yè)，實現(xiàn)區(qū)域防突的目的。以上雖然結(jié)合了附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也可以意識到對所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)作出各種變化或修改，這些修改和變化應(yīng)理解為是在本發(fā)明的范圍和意圖之內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種在圍巖內(nèi)進(jìn)行高效強化抽采的系統(tǒng)工藝，其特征在于，包括以下步驟: a、在擬實施強化抽采的煤儲層(8)的圍巖(6)內(nèi)，利用普通鉆機通過中空鉆桿(I)安裝氣動沖擊器形成鉆具并按要求施鉆鉆孔(3)，鉆孔(3)達(dá)設(shè)定深度后利用壓縮空氣吹洗鉆孔(3)，然后退出鉆具； b、拆下氣動沖擊器并將鉆桿(I)與噴射頭(7)密封固定連接形成水力噴射裝置，并將噴射頭(7)送到鉆孔(3)內(nèi)的設(shè)定深度位置； C、將水力噴射裝置與噴射及壓裂系統(tǒng)的壓裂泵組(4)連接，使其形成完整的高壓系統(tǒng)； d、啟動壓裂泵組(4)試壓，試壓包括在設(shè)定工作壓力下持續(xù)時間>5min、介質(zhì)的砂比(5% ； e、在鉆孔(3)設(shè)定深度的設(shè)定相位進(jìn)行高壓噴砂射孔以形成噴射孔(5)，噴射孔(5)貫穿鉆孔(3)的圍巖(6)層孔壁并伸入煤儲層(8);實時監(jiān)測現(xiàn)場情況，若系統(tǒng)壓力出現(xiàn)異常，則停止噴射并采取相應(yīng)措施，使其恢復(fù)正常后繼續(xù)噴砂射孔作業(yè)； f、轉(zhuǎn)動噴射裝置至下一相位，重復(fù)執(zhí)行步驟e，直至鉆孔(3)在同一深度上的所有噴射孔(5)嗔射完成； g、移動噴射裝置到噴射點，重復(fù)執(zhí)行步驟eTf.，直至鉆孔(3)上的所有噴射孔(5)噴射完成；其中，位于最外端的噴射孔(5)與鉆孔(3)的封孔段(2)最里端的距離> 5m； h、以鉆孔(3)為中心，布置一定數(shù)量和間距的考察孔，考察孔用于后期進(jìn)行壓裂影響范圍的確定； 1、采用注漿封孔方式在鉆 孔(3)和考察孔的孔口形成封孔段(2)，并在考察孔外端連接可遠(yuǎn)程顯示考察孔內(nèi)部壓力且示值范圍彡50MPa的壓力表； j、連續(xù)一周且每天至少一次觀察和記錄壓力表讀數(shù)數(shù)據(jù)，并繪制成壓力曲線； k、將鉆孔(3)與壓裂泵組(4)連接，鉆孔(3)作為壓裂孔進(jìn)行壓裂施工作業(yè)；壓裂時，遠(yuǎn)程觀測考察孔的壓力變化情況并與壓力曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以壓力變化值確定壓裂影響范圍；壓裂影響范圍達(dá)到要求執(zhí)行步驟1，否則，繼續(xù)壓裂； 1、停止壓裂作業(yè)，在鉆孔(3)及考察孔孔口外均安裝氣水渣分離器和瓦斯監(jiān)測設(shè)備，并將瓦斯抽采設(shè)備通過氣水渣分離器分別與鉆孔(3)和考察孔連接； m、進(jìn)行邊排水邊負(fù)壓帶抽作業(yè)，定期對目標(biāo)區(qū)域的瓦斯突出危險性進(jìn)行驗證，若達(dá)標(biāo)，則執(zhí)行步驟η ;若不達(dá)標(biāo)，繼續(xù)執(zhí)行本步驟； η、停止抽采。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在圍巖內(nèi)進(jìn)行高效強化抽采的系統(tǒng)工藝，其特征在于，所述注漿封孔方式在鉆孔(3)或考察孔的孔口形成的封孔段(2)，包括形成由由里向外設(shè)置的封孔里段(21)、封孔中段(22)和封孔外段(23)組成所述封孔段(2)，其中，封孔里段(21)由內(nèi)端頭(21a)、有機漿液封孔段(21b)和棉紗封孔段(21c)組成；封孔中段(22)通過灌注標(biāo)號> 425的水泥漿液形成；封孔外段(23)由有機漿液封孔段(23a)和外端堵頭(23b)組成；在鉆孔(3)或考察孔的孔口還設(shè)有固定連接為一體的注漿管(11)和注水管(10)，在注漿管(11)或注水管(10)上按固定連接方式設(shè)有多個支撐片(14)，注漿管(11)里端出口位于封孔中段(22)內(nèi)，注漿管(11)的外端位于鉆孔(3)或考察孔的孔口外；注水管(10)的內(nèi)端出口穿過封孔段(2)伸入鉆孔(3)或考察孔內(nèi)，注水管(10)的內(nèi)端出口位于鉆孔(3)或考察孔的孔口外。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在圍巖內(nèi)進(jìn)行高效強化抽采的系統(tǒng)工藝，其特征在于，所述吹洗鉆孔(3)的壓縮空氣氣壓彡1.2MPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在圍巖內(nèi)進(jìn)行的高效強化抽采的工藝，其特征在于，所述考察孔的位置、數(shù)量應(yīng)根據(jù)煤巷斷面大小及煤層地質(zhì)條件確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在圍巖內(nèi)進(jìn)行高效強化抽采的系統(tǒng)工藝，包括在擬實施強化抽采的煤儲層的圍巖即頂板或底板內(nèi)，利用普通鉆機通過氣動沖擊器形成鉆孔，采用水力噴砂射孔方式噴射連通煤巖層與鉆孔的多個噴射孔，以鉆孔為中心布設(shè)多個觀察孔，對鉆孔和觀察孔進(jìn)行封孔處理；通過鉆孔進(jìn)行壓裂，通過觀察孔的監(jiān)測壓力變化情況確定壓裂影響范圍，利用鉆孔和觀察孔進(jìn)行邊排水邊負(fù)壓帶抽作業(yè)。優(yōu)選，封孔作業(yè)采用灌漿封孔方式進(jìn)行。本發(fā)明的有益效果是，可避免在軟煤分層中鉆孔容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆等問題，高壓噴射形成的分支孔，增大了煤體的暴露面積；水力壓裂壓穿了裂縫之間的煤巖體，使煤層中原有的裂縫充分張開、延伸、相互貫通，使煤體大范圍卸壓增透，提高瓦斯抽采率。
文檔編號E21B1/00GK103195468SQ20131011217
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者周東平, 徐濤, 周聲才, 覃樂, 王文春, 何興玲, 沈大富, 余模華, 郭臣業(yè), 王聯(lián), 何苗, 周俊杰, 李棟, 張迪, 張翠蘭 申請人:重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司