厚煤层网格钻孔交叉压裂协作增透方法

技术领域

本发明专利涉及煤炭开采与煤层瓦斯强化抽采技术领域，具体涉及一种低渗厚煤层交叉钻孔与水力压裂协作增透方法。

背景技术

据专业机构调查显示，我国已探明的厚煤层储量约占煤炭资源总储量的50％，每年地下厚煤层产量约占全国煤炭产量40％以上，厚煤层已成为我国高产高效开采的主力煤层。近年来，放顶煤开采技术、大采高开采技术等厚煤层开采技术与装备的发展取得了跨越式突破，为我国的煤炭开采做出了巨大贡献。随着煤矿开采深度加速延伸，厚煤层开采强度不断增强，深部区域瓦斯治理成为关键技术。我国煤矿约42％的开采煤层属于难抽煤层，95％的高瓦斯突出矿井煤层都具有难抽特征。因此，提高深部厚煤层瓦斯抽采效果，是解决低渗透率厚煤层瓦斯含量高、突出危险性强、瓦斯涌出超限等难题的根本之策。

低渗煤层增透机制是依靠外界手段，强行扩增煤体裂隙，将原始裂隙或新生裂隙沟通成网，达到大面积卸压，从而提高煤层渗透性能。由地层赋存特征可知，同一位置的垂直地应力要大于水平应力，会造成沿层理和垂直层理两个方向煤体渗透性产生差异，总体表现出煤体层理方向的原始裂隙较发育，渗透性好，并且不受煤层顶底板封闭岩层约束，瓦斯易沿层理方向运移。当采用煤层增透措施时，因煤层层理方向的原始裂隙更为丰富，新生裂隙容易沿层理方向扩展发育，而垂直层理方向上的裂隙发展缓慢，导致煤层垂直层理方向上增透范围不能覆盖煤层全厚，严重制约低渗厚煤层增透效果和瓦斯抽采能力。对于中、薄煤层，即使某种增透技术的破坏能力大于垂直应力束缚强度时，增透范围可以扩大至煤层顶底板，但过度追求扩大煤层层理方向上增透范围时，水力压裂破坏强度势必造成煤层顶底板损伤，岩层破碎分散，不利于回采期间时顶底板维护。可见，单一增透技术在增透安全和增透效果方面还未达到精准可控的效果。

目前，交叉钻孔、深孔预裂爆破、水力压裂、水力割缝、高压空气和液态CO

发明内容

为解决上述问题，本发明提出的厚煤层网格钻孔交叉压裂协作增透方法，提供一种工程量小、稳定性好、增透效率高的厚煤层网格钻孔交叉压裂协作增透技术，主要用于解决常规单一增透技术无法满足低渗厚煤层全煤厚增透需求，厚煤层瓦斯抽采存在效率低、耗时长等难题效果不佳的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

厚煤层网格钻孔交叉压裂协作增透方法，用于从进风巷对煤层实施压裂增透，包括如下步骤：

步骤A：在回采工作面的进风巷内施工多个钻孔组，每个钻孔组中包括若干个水平方向开孔间距相等钻孔，每个钻孔组内的钻孔布置均满足下列条件：

每个钻孔组设置n排钻孔，

同排钻孔开孔水平间距a值小于煤层层理方向上水力压裂有效直径d

多个钻孔组中，第一排和最后一排为辅助钻孔，选择位于进风巷断面中部排钻孔作为致裂钻孔，当致裂钻孔实施水力增透后，厚煤层沿层理方向和垂直层理方向的增透有效范围控制煤层全煤厚；

多个钻孔组中，每个钻孔组的钻孔倾角θ从下至上依次增大，辅助钻孔控制范围可达煤层顶底板，第一排辅助钻孔终点距煤层顶板和致裂钻孔终点距煤层底板的取值范围l

多个钻孔组中，辅助钻孔方位角一致，致裂钻孔方位角一致，但两者不等，辅助钻孔和致裂钻孔的水平投影实现交叉，且水平投影交叉的辅助钻孔和致裂钻孔设为同一交叉压裂组；

步骤B：钻孔施工完成后，辅助钻孔下设抽采管，致裂钻孔安装压裂钻杆，在辅助钻孔和致裂钻孔完成封孔后，实施水力压裂，当交叉钻孔裂隙全面贯通，交叉压裂作业完成。

作为优选的，在步骤A中，当辅助钻孔沿煤层倾向布置时，致裂钻孔应与进风巷呈一定夹角向工作面后方布置；当致裂钻孔沿煤层倾向布置时，辅助钻孔方位角与进风巷呈一定夹角向工作面后方布置。

作为优选的，所述辅助钻孔或致裂钻孔与进风巷之间的夹角为θ

作为优选的，在步骤B中，钻孔施工完成后，辅助钻孔下设直径为四分或六分的抽采管，抽采管口安装三通阀，三通阀剩余两个端口的一端连接瓦斯抽采系统，另一端连接液体流量传感器，每个辅助钻孔采用聚氨酯或水泥砂浆进行封孔；致裂钻孔安装压裂钻杆，压裂钻杆孔口端连水力压裂设备，致裂钻孔采用“两堵一注”进行高强度密封；

调节三通阀，使辅助钻孔与液体流量传感器连通，启动水力压裂设备，开始对一个交叉压裂组中的致裂钻孔实施水力压裂，压裂过程中实时监测液体流量传感器数值，根据数值大小分析辅助钻孔返水量，进而判定钻孔交叉压裂程度。

作为优选的，当辅助钻孔和致裂钻孔的最小层间距之间裂隙预先沟通时，高压水会沿沟通裂隙从致裂钻孔进入辅助钻孔，并逐渐向孔外排出，初始沟通条件下，辅助钻孔返水量较小；随着交叉钻孔之间裂隙沟通范围逐渐扩大，辅助钻孔的排水量也随之增大，当钻孔返水流量稳定不变时，表明交叉压裂沟通形成的裂隙网格已覆盖煤层厚度；此时，关闭三通阀，继续压裂，当水力压裂设备监测致裂孔内的水压再次下降后，停止压裂，该交叉压裂组交叉压裂作业完成。

作为优选的，辅助钻孔封孔和致裂钻孔的封孔长度的长度均不小于煤层层理方向上水力压裂有效直径d

作为优选的，在步骤B之后，实施

步骤C：卸除压裂设备，致裂钻孔下设10m四分铁管，采用聚氨酯或水泥砂浆进行封孔，封孔长度8m，将交叉压裂组所有致裂钻孔接入瓦斯抽采系统，同时调节三通阀使辅助钻孔也连通瓦斯抽采系统，开始对交叉压裂组的致裂钻孔和辅助钻孔实施瓦斯抽采。

作为优选的，在一个交叉压裂组完成压裂作业后，重复步骤B和步骤C，对下一个交叉压裂组进行交叉压裂作业，并执行瓦斯抽采，直至工作面所有交叉压裂组全部完成压裂作业。

使用本发明的有益效果是：

该发明集交叉钻孔和水力压裂两种增透技术优势为一体，充分发挥交叉钻孔叠加效应，促进煤体内原始裂隙交叉成网，形成丰富的裂隙网格系统，为水力增透搭建了交叉压裂通道，使压裂作业时高压水能进入网格裂隙覆盖煤层全厚，实现交叉压裂协同增透作业，完成低渗厚煤层全煤厚、立体式的增透需求。交叉压裂克服单一技术增透能力的不足，将交叉钻孔和水力压裂的技术优势融为一体、形成互补，增透效果事半功倍，减少了煤层增透工程量，提高了钻孔稳定性和抽采效果，并且还能根据辅助钻孔返水量精确判定交叉压裂增透影响范围，防止压力水破坏煤层顶底板，确保交叉压力作业安全。

附图说明

图1为本发明厚煤层网格钻孔交叉压裂协作增透方法中交叉钻孔剖面布置示意图。

图2为图1中对应的辅助钻孔与致裂钻孔平面布置示意图。

图3为本发明厚煤层网格钻孔交叉压裂协作增透方法中另一实施例中的交叉钻孔剖面布置示意图。

图4为图3中对应的辅助钻孔与致裂钻孔平面布置示意图。

图5是本发明厚煤层网格钻孔交叉压裂协作增透方法中交叉钻孔布置剖面示意图。

附图标记包括：

图中：1-进风巷；2-开采煤层；3-辅助钻孔；4-致裂钻孔；5-回采工作面；6-回风巷；7-三通阀；8-液体流量传感器；9-瓦斯抽采系统；a-同排钻孔开孔水平间距；b-开采煤层厚度；c-进风巷高度；d-相邻排钻孔开孔垂直间距。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

实施例1

如图1-图5所示，本实施例提出的厚煤层网格钻孔交叉压裂协作增透方法，主要步骤如下：

在回采工作面5的进风巷1内施工辅助钻孔3和致裂钻孔4，钻孔布置参数需根据进风巷高度c、开采煤层厚度b、煤层层理方向上水力压裂的有效直径d

交叉压裂钻孔排数以三排为例，进风巷1断面从上至下第一排和第三排为辅助钻孔3，第二排为致裂钻孔4，同排钻孔开孔水平间距a小于煤层层理方向上水力压裂的有效直径d

如图5所示，三排钻孔倾角θ从下至上依次增大，呈立体式分布，第一排和第三排辅助钻孔3控制范围可达煤层顶底板，第一排钻孔终点距煤层顶板和第二排钻孔终点距煤层底板的取值范围l

第一排和第三排辅助钻孔3方位角相等，致裂钻孔4与两排辅助钻孔3的方位角不同，三排钻孔在平面投影上呈相互交叉分布，而在立体空间内不发生交叉，结合现场钻孔施工条件，辅助钻孔3和致裂钻孔4的方位角可采用两种方式布置，如图1、图2所示，当辅助钻孔3沿煤层倾向布置，致裂钻孔4应与进风巷1呈一定夹角向工作面后方布置，夹角

E.钻孔施工完成后，辅助钻孔3下设直径为四分或六分的抽采管，抽采管口安装三通阀7，三通阀7剩余两个端口的一端连接瓦斯抽采系统9，另一端连接液体流量传感器8，每个辅助钻孔3采用聚氨酯或水泥砂浆进行封孔，抽采管和封孔的长度均不小于水力增透层理方向上的有效直径d

调节三通阀7，使辅助钻孔3与液体流量传感器8连通，启动水力压裂设备，开始对其中一组致裂钻孔4实施水力压裂，压裂过程中实时监测液体流量传感器8数值，根据数值大小分析辅助钻孔3返水规律，从而精确定位交叉压裂增透范围。增透范围判定依据：当辅助钻孔3和致裂钻孔4的最小层间距之间裂隙预先沟通时，高压水会沿沟通裂隙从致裂钻孔4进入辅助钻孔3，并逐渐向孔外排出；初始沟通条件下辅助钻孔3返水量较小，随着交叉钻孔之间裂隙沟通范围逐渐扩大，辅助钻孔3的排水量也随之增大，当流量稳定不变时，表明交叉压裂促进裂隙网格有效沟通，并覆盖煤层全厚；此时，关闭三通阀7，继续压裂，当水力压裂设备监测致裂钻孔4内的水压再次下降后，停止压裂，该组钻孔交叉压裂作业完成。

卸除压裂设备，致裂钻孔4下设10m四分铁管，采用聚氨酯或水泥砂浆进行封孔，封孔长度8m，将交叉压裂组的所有致裂钻孔4接入瓦斯抽采系统9，同时调节三通阀7使辅助钻孔3也连通瓦斯抽采系统9，开始对交叉压裂组的致裂钻孔和辅助钻孔实施瓦斯抽采。当一个交叉压裂组完成压裂作业后，对下一个交叉压裂组进行交叉压裂作业，并执行瓦斯抽采，直至工作面所有交叉压裂组全部完成压裂作业。

实施例2

实施例1以交叉压裂组3排钻孔为例，本实施例中交叉压裂钻孔排数大于3排。

若交叉压裂钻孔排数n＞3时，钻孔布置方式应遵循如下原则：第一排和最后一排必须为辅助钻孔3，致裂钻孔4选择进风巷1断面中部数排钻孔，排数需要根据煤层厚度和垂直煤层层理方向上水力压裂的有效半径d2确定，但要保证致裂钻孔4实施水力增透后，厚煤层沿层理方向和垂直层理方向的增透有效范围能控制煤层全煤厚。

该实施例的其他技术方案和实施步骤与实施例1相同。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以做出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。