煤矿水介质爆破与脉动压裂联合增透强润减尘工艺

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采工艺领域，特别是一种煤矿水介质爆破与脉动压裂联合增透强润减尘工艺，具体的说是一种煤矿水介质爆破与脉动压裂联合增透强润煤尘治理与瓦斯协同开采技术。

背景技术

煤炭资源在我国当前能源结构中的地位短期内不会动摇,随着开采深度和开采强度逐渐增加,矿井瓦斯、粉尘防治难度也在加大。

目前，矿井常用的瓦斯抽采方式有钻孔深孔预裂爆破、水力割缝、水力压裂、二氧化碳爆破致裂等，然而现有的每种技术都有其技术局限性，比如：深孔预裂爆破造缝可控性不佳，且不适用瓦斯含量高的煤层；水力割缝造缝范围不佳，单纯无初始裂隙的水力压裂造缝范围不可控；CO

发明内容

针对背景技术中提出的现有技术的缺陷，本发明在克服背景技术问题情况下，提供一种煤层充分润湿和瓦斯高效开采共解的技术，即煤矿水介质爆破与脉动压裂联合增透强润减尘工艺。

本发明所采用的技术方案是：一种煤矿水介质爆破与脉动压裂联合增透强润减尘工艺，所述减尘工艺中，润湿-爆破-脉动注水一体化实施；

具体包括以下步骤：

a.注水润湿：低压注水润湿煤体原生裂缝；

b.装药封孔：注水孔装爆破炸药、封孔；

c.爆破增缝：引爆炸药，爆炸冲击波在步骤a提供的含水环境中释放，扩大煤体原生裂缝，产生新的裂缝；

d.脉动压裂：高压脉动水力压裂；

e.注水润湿：脉动注水润湿煤体，减少采煤扬尘生成及煤块崩溅。

作为优选的技术方案：步骤a中，注水的低压压力为2-5 MPa，注水填充孔裂隙，为爆轰压力提供高传导率的介质。

作为优选的技术方案：步骤b中，注水孔的孔深大于100米，封孔长度为10-30米以防治爆破阶段漏气，采用两端封孔中间装药爆破的形式，应用可回收的胶囊封孔器进行封孔，中间装药段距离为0.5米，胶囊封孔器所用压力为10-15Mpa。

作为优选的技术方案：整个减尘工艺过程包括润注水润湿脉动压裂水力化工艺和爆破冲击波增透工艺两个主体部分；

其中注水润湿脉动压裂工艺包括步骤a、d、e；冲击波增透工艺包括步骤b和c。

作为优选的技术方案：步骤d中，高压脉动压力为20-30MPa、脉动频率为20-25Hz。

作为优选的技术方案：步骤e中，低压脉动压裂注水润湿过程，脉动压力为2-5MPa、脉动频率为20-25Hz。

本发明所公开的技术内容中，煤层爆破增透可以增加开采煤层的透气性系数，提高煤层瓦斯抽取率，为煤层的快速消突提供解决途径。相对于空气介质，水压爆破具有应力波作用时间长、能量利用率高的特点，广泛应用于爆破拆除、爆炸成形与过程中。实践证明,在煤层增透方面，水压爆破的传能效率高、安全性好、增透效果显著，具有绝对的优势和广阔的应用前景。

脉动式水力压裂利用井下静压水或供水泵提供动力源，将恒压水通过脉动注水器后输出具有周期性的脉冲射流，射流由峰值压力与谷底压力构成周期性的脉冲波，建立振动波。振动波以强烈的交变压力作用于地层，在煤体内产生周期性张压应力。利用水的不可压缩性，采用具有较高压力的脉冲水对煤层进行水力压裂，加速了层理或切割裂隙张开度的增大过程，如此规律反复发展下去，直至发展到煤层分层中的微小裂隙，压力水便达到对煤层的逐级分割破坏的作用，从而达到煤体增透的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明所公开的这种煤矿水介质爆破与脉动压裂联合增透强润减尘工艺，通过充分利用水力压裂优点与爆破冲击波的特性，一体化实现煤体增透润湿与煤层气高效开采，具体表现在冲击波大范围扩张煤体裂缝、水压增透润湿的同时，脉动压裂细化煤层裂隙；脉动注水润湿煤体，伴随上述压裂压力，水流补充注入新生裂隙，扩大煤体润湿范围，降低煤体脆性，减少采煤扬尘生成及煤块崩溅，提高煤颗粒含水率，削弱煤颗粒的飞扬能力。

附图说明

图1为本发明的工艺流程框图。

图2为本发明中裂缝扩展顺序示意图。

图3为本发明的煤体区域内裂隙定向分裂框图。

图4为本发明中参考点至注水钻孔中心距离与参考点的流体等效密度呈现线性关系图。

具体实施方式

下面结合附图1-3及实施例详述本发明。

本发明所公开的技术方案是脉动压裂增透与瓦斯水力化协同开采技术，及有效利用水压爆破冲击波高效开采瓦斯的技术，并公开了应用这项技术的方法。

本发明所采用的技术方案包括注水润湿压裂技术及冲击波增透技术，见附图1。所述注水润湿压裂技术包括低压注水润湿工艺、脉动水力压裂工艺、脉动注水润湿工艺；所述冲击波增透技术包括装药封孔工艺及含水爆破增透工艺。

具体流程如下。

a.注水润湿：低压注水润湿煤体原生裂缝，初步润湿煤体。注水的低压压力为2-5MPa，注水填充孔裂隙，为爆轰压力提供高传导率的介质。

煤体中存在大量孔裂隙，这些孔裂隙是爆轰气体作用的主要弱面，然而，孔裂隙内的气体对爆轰压力的传递效果差，爆轰压力衰减快。水体是爆轰压力良好的传导介质，因此，采用先向煤层注水方法，填充煤体内部孔裂隙，提高爆轰压力传递效果，从而增大爆炸造缝范围。同时，注水过程可驱替（驱赶）瓦斯，煤体孔裂隙内的润湿水体可使爆破火焰与煤体内部瓦斯一定程度隔离，减小爆破引起煤层瓦斯爆炸的风险。

b.装药封孔：注水孔深装爆破炸药、封孔。注水孔的孔深大于100米，封孔长度为10-30米以防治爆破阶段漏气，采用两端封孔中间装药爆破的形式，应用可回收的胶囊封孔器进行封孔，中间装药段距离为0.5米，胶囊封孔器所用压力为10-15Mpa。

同时，含水环境阻止炽热固体颗粒从炮眼中直接飞出，延缓爆生气体与瓦斯、煤尘直接接触。煤层瓦斯抽放在矿井瓦斯灾害防治和资源开发利用中具有重要作用，封孔是煤层瓦斯抽放的关键。封孔保证炸药充分反应，使之放出最大热量和减少有毒气体生成，能够降低爆生气体逸出自由面的温度和压力，使更多的热量转变为机械能，提高爆破效果。

c.爆破增缝：引爆炸药，爆炸冲击波在步骤a提供的含水环境中释放，扩大煤体原生裂缝，产生新的裂缝,炸药当量需根据煤体硬度、煤体透气性而定。

附图2为裂缝扩展顺序。炸药爆炸会推动空气或水，形成压缩空气或压缩水，并以高速向外移动形成冲击波。根据空气中冲击波峰值经验公式与水中冲击波峰值经验公式，可以得到，空气中爆炸中心的冲击波压力峰值比水中大，但是空气中冲击波峰值随离爆炸中心的距离增大衰减很快，即空气中炸药的破坏程度和有效破坏半径都比水中小很多。在含水环境中引爆炸药，形成的冲击波扩大煤体原生裂缝，新增煤体裂缝形成大范围裂缝网，充分提供煤层瓦斯释放路径。

d.脉动压裂：脉动水力压裂，脉动压力在24MPa、脉动频率在20Hz。

如图3，爆破造缝完成后，在胶囊封孔的基础上进行脉动注水，脉动注水是注水压力循环往复波动的过程，主要利用水压脉动波动产生的水楔作用，提高注水量，实现减尘。脉动注水的过程可进一步促进末端裂隙的再次发育，从而提高注水及造缝效果，可驱替瓦斯提高瓦斯采收率。

脉动频率作为脉动的主要参数之一，直接影响低频水力脉动压裂的效果及效率。脉动频率值的选择主要考虑两个方面：

（1）相关岩石疲劳损伤敏感频率研究表明，低频环境下更易产生岩石的疲劳损伤；

（2）考虑人工裂缝中的水力脉动传播衰减，为保持裂缝末端具有一定的脉动压力波动幅度，低频较为有利。

脉动载荷作用于岩体时，脉动压力引起岩石的疲劳损伤，可降低裂缝起缝压力和延伸、扩展压力。根据疲劳损伤理论，脉动频率、脉动压力波幅是关键参数。实验研究压力保持幅度与半缝长关系得，脉动频率为25Hz时，沿程压力保持幅度相对较大。在规定半缝长处输入相同压力，脉动频率为25Hz的压力值较大。通过低频低压注水润湿煤体原生裂缝，能够较高程度润湿煤体原生裂缝。

脉动水力压裂是在普通水力压裂技术的基础上提出的一种新的煤层卸压增透技术，是将具有一定频率的脉动水持续注入钻孔中，由峰值压力与谷底压力构成周期性的脉动波，对煤体裂隙产生交变或重复荷载，逐渐使煤体出现疲劳破坏，促使煤层中的微小裂隙形成和逐渐张开，宏观裂隙扩展联通，最终形成新的裂隙网，使瓦斯充分从煤体中释放，高效收集煤体中释放的瓦斯。根据对高压脉动水对煤体作用进行的理论分析，并利用现场工业性试验得出了脉动压力在24MPa、脉动频率在20Hz时，卸压增透效果最好。脉动水力压裂使瓦斯充分从煤体中释放，增加煤体透性，使瓦斯充分从煤体中释放，高效收集煤体中释放的瓦斯。

e. 注水润湿：脉动注水润湿煤体，减少采煤扬尘生成及煤块崩溅。低压脉动压裂注水润湿过程，如图1的流程图中，步骤e的压力值选用2 Mpa，在实际操作时，脉动压力为2-5MPa、脉动频率为20-25Hz。

逐步减小脉动压力范围，弱化高压对煤体原生孔裂隙的挤压作用，使水体注入到微小孔裂隙内。煤体含水率增高，可起到软化煤体作用。在采煤过程中，软化后的煤体不易迸溅，进而起到较少扬尘。同时，煤体含水率的增加，也会使煤体颗粒周围包裹更多的水膜，从而增大煤体颗粒重量，弱化煤颗粒的飞扬能力。

下面以实施例对本发明的具体方案做详细说明。

水力裂隙网络扩展呈现两种模式：密集裂隙网格同步扩展模式（Ⅰ类）、疏松分布主干裂隙先扩展随后贯穿模式（Ⅱ类）。裂隙扩展模式受初始裂隙开裂数影响，当开裂数

（P为压力，S为裂隙宽度，r为发育范围半径）。

通过孔群、拐角裂隙、垂向裂隙、宽裂隙、双裂隙等结构的两相流体输运特性，参考点至注水钻孔中心距离与参考点的流体等效密度呈现线性关系，如图4所示，本发明使煤层增透关键技术由增大变形自由面改变为增加初始裂隙。

注水润湿操作过程，常规方法是从钻孔位置向周围煤体沿着径向布置一个注水面，从而提高待注水体与煤体的接触面，以实现提升注水润湿效果。本发明是先以低压注水冲击扰动增加初始裂隙范围和密度，以水力割缝扩展径向自由面，为水力裂隙扩展提供形变空间。注水面多采用水力切割造缝面，此时注水润湿阶段的人造缝面可为后期爆破和脉动压裂提供初始裂隙，使得后期发育的裂以水力割缝方向为导向、在注水润湿的范围内，以实现增透方向的可控，提高裂隙的可控性。