一种近距离煤层群增、抽、固一体化快速消突揭煤方法

技术领域

本发明涉及消突揭煤方法领域，特别涉及一种近距离煤层群增、抽、固一体化快速消突揭煤方法。

背景技术

煤层瓦斯预抽是煤矿瓦斯灾害防治的重要手段，而煤层瓦斯透气性是制约钻孔瓦斯抽采效果的主控制因素，且我国含煤区域除沁水盆地外多以低透气性煤层为主，尤其在近距离煤层群揭煤过程中，存在瓦斯抽采效率低、揭煤周期长、安全隐患大等问题。目前国内煤层增透措施多以水力冲孔、水力压裂、水力割缝、预裂爆破为主，其中水力压裂和水力割缝作为一种高效瓦斯抽采及瓦斯灾害治理技术得到了广泛的推广应用。而水力压裂和水力割缝增透技术又有各自的局限性：水力压裂在促进煤体原生裂隙不断扩展的同时，又能产生新的裂隙，与原有裂隙贯通形成裂隙网络，构成瓦斯扩散运移的有效通道，大面积改良煤体透气性；水力割缝能有效增大煤体的暴露面积，促进瓦斯解析运移，但裂隙发育不可控，且措施钻孔影响范围小。同时，措施孔的实施加剧了揭煤区域煤体的破碎程度。因此，针对上述问题，如何有效对煤体透气性进行改良，使裂隙充分发育并得到逐步扩展和延伸，提高煤层的瓦斯抽采效率，保证揭煤区域煤岩体的整体性，成为了水力化增透方法现场应用的技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近距离煤层群增、抽、固一体化快速消突揭煤方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种近距离煤层群增、抽、固一体化快速消突揭煤方法，包括以下步骤：

S1，根据现场煤层赋存情况，合理设计水力割缝钻孔，结合水力割缝钻孔的影响范围合理布置水力压缝钻孔位置；

S2，按照施工顺序逐一施工水力割缝钻孔，其中水力割缝钻孔确保采用后退式对目标煤层逐一割缝增透，施工后全程下套管，封孔预抽煤层群的瓦斯；

S3，按照施工顺序逐一施工水力压缝钻孔，其中水力压缝钻孔确保采用后退式对目标煤层逐一压裂增透，施工后全程下套管，封孔预抽煤层群的瓦斯；

S4，对揭煤区域煤层进行逐一消突验证，消突达标后对第一割缝钻孔至第九割缝钻孔和第一压缝钻孔至第四压缝钻孔逐一进行封孔注浆，固化揭煤区域煤层群，按照揭煤程序逐一揭露煤层。

优选的，根据步骤S1，在掘进工作距离待揭露煤层最小法线距离大于10m时，开展前探钻孔确定第一目标煤层、第二目标煤层和第三目标煤层，当掘进工作距离第一目标煤层最小法线距离L3＞7m时，对第一目标煤层、第二目标煤层、第三目标煤层开展揭煤措施，设计措施钻孔，故在布置第一割缝钻孔至第九割缝钻孔时：首先根据第一目标煤层、第二目标煤层、第三目标煤层的坚固性系数合理确定水力割缝的割缝半径R和割缝水压P0；依据确定的割缝半径R，并结合井巷揭煤要求设计第一割缝钻孔至第九割缝钻孔的施工位置，同时保证第一割缝钻孔、第三割缝钻孔、第五割缝钻孔、第二割缝钻孔、第四割缝钻孔、第六割缝钻孔控制范围的外边缘到巷道轮廓线的最小垂距L1≥5m，第一割缝钻孔、第二割缝钻孔、第三割缝钻孔、第四割缝钻孔、七割缝钻孔、第八割缝钻孔控制范围的外边缘到巷道轮廓线沿煤层层面的最小距离L2≥12m；结合第一割缝钻孔至第九割缝钻孔割缝作用所产生的应力分布情况和第一目标煤层、第二目标煤层、第三目标煤层的坚固性系数，合理确定第一压缝钻孔至第四压缝钻孔的位置和初始起裂压力P0。

优选的，根据步骤S1，所述割缝钻孔间割缝作用所形成的应力集中情况，以第一割缝钻孔、第五割缝钻孔、第一压缝钻孔之间的应力分布情况为例展开介绍，应力变化曲线在第一割缝钻孔、水力第五割缝钻孔产生的塑性区内应力低于平均原岩应力曲线，在塑性区边界附近应力变化曲线骤增，并高于平均原岩应力曲线，产生应力集中区域，在应力集中区域实施第一压缝钻孔，改善应力集中区域的应力集中情况，扩展裂隙导通第一割缝钻孔、第五割缝钻孔所产生的塑性区。

优选的，根据步骤S2，在掘进工作面迎头，以第一割缝钻孔的施工工艺为例展开介绍，通过钻机在第一割缝钻孔的孔位处钻进至第三目标煤层的顶板，改用高压水对第三目标煤层进行割缝增透，高压水水压缓慢升至割缝水压P0，并维持一定的割缝时间，保证割缝效果；退钻至第二目标煤层处，采用高压水对第二目标煤层进行割缝增透，高压水水压缓慢升至割缝水压P0，并维持一定的割缝时间，保证割缝效果；退钻至第一目标煤层处，采用高压水对第一目标煤层进行割缝增透，高压水水压缓慢升至割缝水压P0，并维持一定的割缝时间，保证割缝效果；退出钻杆，钻孔全程下套管，封孔预抽煤层群的瓦斯；第二割缝钻孔至第八割缝钻孔按照钻孔顺序依次施工。

优选的，根据步骤S3，在掘进工作面迎头，以第一压缝钻孔的施工工艺为例展开介绍，通过钻机在第一压缝钻孔的孔位处钻进至第三目标煤层的顶板，利用压裂封孔器定点坐封，对第三目标煤层进行压裂卸压增透，高压水水压升至初始起裂压力P0后，维持一定的压裂时间，如没有出现水压骤降，则缓慢增压至水压骤降为止，维持一定的压裂时间，停止压裂，利用孔口阀门装置缓慢卸压放水；退钻至第二目标煤层处，利用压裂封孔器定点坐封，对第二目标煤层进行压裂卸压增透，高压水水压升至初始起裂压力P0后，维持一定的压裂时间，如没有出现水压骤降，则缓慢增压至水压骤降为止，维持一定的压裂时间，停止压裂，利用孔口阀门装置缓慢卸压放水；退钻至第一目标煤层处，利用压裂封孔器定点坐封，对第一目标煤层进行压裂卸压增透，高压水水压升至初始起裂压力P0后，维持一定的压裂时间，如没有出现水压骤降，则缓慢增压至水压骤降为止，维持一定的压裂时间，停止压裂，利用孔口阀门装置缓慢卸压放水；退出钻杆，钻孔全程下套管，封孔预抽煤层群的瓦斯；第二压缝钻孔至第四压缝钻孔按照钻孔顺序依次施工。

优选的，根据步骤S4，在掘进工作面迎头，通过打钻取芯，测定第一目标煤层、第二目标煤层、第三目标煤层的残余瓦斯含量，消突达标后对第一割缝钻孔至第九割缝钻孔和第一压缝钻孔至第四压缝钻孔逐一进行封孔注浆操作，注浆开始阶段注浆量不宜过大，确保注浆稳定渗透后，逐渐加大注浆量，当注浆压力超过10MPa或者出现大面积漏浆时，即可换孔注浆或停止注浆；揭煤区域煤层群固化稳定后，按照揭煤程序逐一揭露煤层。

本发明的技术效果和优点：

本发明利用水力割缝钻孔和水力压缝钻孔相配合的设置方式，通过水力化措施，对揭煤区域煤层群进行扰动，改良煤体透气性，提高煤层透气性，与现有技术相比，本发明的技术方法能够实现煤层群透气性的整体提升，加大揭煤区域煤层群的瓦斯抽采效率，固化揭煤区域煤岩体，提高煤岩体的整体性，缩短了揭煤周期，保证了揭煤过程的安全性。

附图说明

图1为本发明的剖面示意图。

图2为本发明的见煤层面孔位置示意图。

图3是本发明的应力分布示意图。

图中：1、工作面；2、第一目标煤层；3、第二目标煤层；4、第三目标煤层；5、水力割缝钻孔；51、第一割缝钻孔；52、第二割缝钻孔；53、第三割缝钻孔；54、第四割缝钻孔；55、第五割缝钻孔；56、第六割缝钻孔；57、七割缝钻孔；58、第八割缝钻孔；59、第九割缝钻孔；6、水力压缝钻孔；61、第一压缝钻孔；62、第二压缝钻孔；63、第三压缝钻孔；64、第三压缝钻孔；7、塑性区；8、应力变化曲线；9、平均原岩应力曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1至3所示的一种近距离煤层群增、抽、固一体化快速消突揭煤方法，包括以下步骤：

S1，根据现场煤层赋存情况，合理设计水力割缝钻孔5，结合水力割缝钻孔5的影响范围合理布置水力压缝钻孔6位置；

S2，按照施工顺序逐一施工水力割缝钻孔5，其中水力割缝钻孔5确保采用后退式对目标煤层逐一割缝增透，施工后全程下套管，封孔预抽煤层群的瓦斯；

S3，按照施工顺序逐一施工水力压缝钻孔6，其中水力压缝钻孔6确保采用后退式对目标煤层逐一压裂增透，施工后全程下套管，封孔预抽煤层群的瓦斯；

S4，对揭煤区域煤层进行逐一消突验证，消突达标后对第一割缝钻孔51至第九割缝钻孔59和第一压缝钻孔61至第四压缝钻孔64逐一进行封孔注浆，固化揭煤区域煤层群，按照揭煤程序逐一揭露煤层。

根据步骤S1，在掘进工作距离待揭露煤层最小法线距离大于10m时，开展前探钻孔确定第一目标煤层2、第二目标煤层3和第三目标煤层4，当掘进工作距离第一目标煤层2最小法线距离L3＞7m时，对第一目标煤层2、第二目标煤层3、第三目标煤层4开展揭煤措施，设计措施钻孔，故在布置第一割缝钻孔51至第九割缝钻孔59时：首先根据第一目标煤层2、第二目标煤层3、第三目标煤层4的坚固性系数合理确定水力割缝的割缝半径R和割缝水压P0；依据确定的割缝半径R，并结合《防治煤与瓦斯突出细则》井巷揭煤要求设计第一割缝钻孔51至第九割缝钻孔59的施工位置，同时保证第一割缝钻孔51、第三割缝钻孔53、第五割缝钻孔55、第二割缝钻孔52、第四割缝钻孔54、第六割缝钻孔56控制范围的外边缘到巷道轮廓线包括预计前方揭煤段巷道的轮廓线的最小垂距L1≥5m，第一割缝钻孔51、第二割缝钻孔52、第三割缝钻孔53、第四割缝钻孔54、七割缝钻孔57、第八割缝钻孔58控制范围的外边缘到巷道轮廓线包括预计前方揭煤段巷道的轮廓线沿煤层层面的最小距离L2≥12m；结合第一割缝钻孔51至第九割缝钻孔59割缝作用所产生的应力分布情况和第一目标煤层2、第二目标煤层3、第三目标煤层4的坚固性系数，合理确定第一压缝钻孔61至第四压缝钻孔64的位置和初始起裂压力P0，根据步骤S1，割缝钻孔间割缝作用所形成的应力集中情况，以第一割缝钻孔51、第五割缝钻孔55、第一压缝钻孔61之间的应力分布情况为例展开介绍，应力变化曲线8在第一割缝钻孔51、水力第五割缝钻孔55产生的塑性区7内应力低于平均原岩应力曲线9，在塑性区7边界附近应力变化曲线8骤增，并高于平均原岩应力曲线9，产生应力集中区域，在应力集中区域实施第一压缝钻孔61，改善应力集中区域的应力集中情况，扩展裂隙导通第一割缝钻孔51、第五割缝钻孔55所产生的塑性区；

根据步骤S2，在掘进工作面1迎头，以第一割缝钻孔51的施工工艺为例展开介绍，通过钻机在第一割缝钻孔51的孔位处钻进至第三目标煤层4的顶板，改用高压水对第三目标煤层4进行割缝增透，高压水水压缓慢升至割缝水压P0，并维持一定的割缝时间，保证割缝效果；退钻至第二目标煤层3处，采用高压水对第二目标煤层3进行割缝增透，高压水水压缓慢升至割缝水压P0，并维持一定的割缝时间，保证割缝效果；退钻至第一目标煤层2处，采用高压水对第一目标煤层2进行割缝增透，高压水水压缓慢升至割缝水压P0，并维持一定的割缝时间，保证割缝效果；退出钻杆，钻孔全程下套管，封孔预抽煤层群的瓦斯；第二割缝钻孔52至第八割缝钻孔58按照钻孔顺序依次施工；

根据步骤S3，在掘进工作面1迎头，以第一压缝钻孔61的施工工艺为例展开介绍，通过钻机在第一压缝钻孔61的孔位处钻进至第三目标煤层4的顶板，利用压裂封孔器定点坐封，对第三目标煤层4进行压裂卸压增透，高压水水压升至初始起裂压力P0后，维持一定的压裂时间，如没有出现水压骤降，则缓慢增压至水压骤降为止，维持一定的压裂时间，停止压裂，利用孔口阀门装置缓慢卸压放水；退钻至第二目标煤层3处，利用压裂封孔器定点坐封，对第二目标煤层3进行压裂卸压增透，高压水水压升至初始起裂压力P0后，维持一定的压裂时间，如没有出现水压骤降，则缓慢增压至水压骤降为止，维持一定的压裂时间，停止压裂，利用孔口阀门装置缓慢卸压放水；退钻至第一目标煤层2处，利用压裂封孔器定点坐封，对第一目标煤层2进行压裂卸压增透，高压水水压升至初始起裂压力P0后，维持一定的压裂时间，如没有出现水压骤降，则缓慢增压至水压骤降为止，维持一定的压裂时间，停止压裂，利用孔口阀门装置缓慢卸压放水；退出钻杆，钻孔全程下套管，封孔预抽煤层群的瓦斯；第二压缝钻孔62至第四压缝钻孔64按照钻孔顺序依次施工；

根据步骤S4，在掘进工作面1迎头，通过打钻取芯，测定第一目标煤层2、第二目标煤层3、第三目标煤层4的残余瓦斯含量，消突达标后对第一割缝钻孔51至第九割缝钻孔59和第一压缝钻孔61至第四压缝钻孔64逐一进行封孔注浆操作，注浆开始阶段注浆量不宜过大，确保注浆稳定渗透后，逐渐加大注浆量，当注浆压力超过10MPa或者出现大面积漏浆时，即可换孔注浆或停止注浆；揭煤区域煤层群固化稳定后，按照揭煤程序逐一揭露煤层。

本发明使用方法：

通过水力化措施，对揭煤区域煤层群进行扰动，改良煤体透气性，提高煤层透气性；通过水力割缝措施，逐层对目标煤层进行割缝增透，增大煤体的暴露面积和煤体裂隙的发育程度，形成一定的卸压增透区域；通过水力压裂措施，逐层对目标煤层进行压裂增透，在促进煤体原生裂隙不断扩展的同时，产生新的裂隙，与水力割缝产生的裂隙贯通形成裂隙网络，构成瓦斯扩散运移的有效通道，大面积改良煤体透气性；措施孔施工完成后，立即全程下套管，并进行有效封孔，预抽揭煤区域煤层群的瓦斯；对揭煤区域煤层进行逐一消突验证，消突达标后对第一割缝钻孔51至第九割缝钻孔59和第一压缝钻孔61至第四压缝钻孔64逐一进行封孔注浆，固化揭煤区域煤层群，按照揭煤程序逐一揭露煤层。与现有技术相比，本发明的技术方法能够实现煤层群透气性的整体提升，加大揭煤区域煤层群的瓦斯抽采效率，固化揭煤区域煤岩体，提高煤岩体的整体性，缩短了揭煤周期，保证了揭煤过程的安全性。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。