【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及瓦斯治理领，尤其是涉及关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺。
技术介绍
1、我国50％以上的国有矿井属于高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井。松软低渗煤层占比高达82％，该类煤层具有煤体松软破碎、渗透性低、含气量大等特点，煤层开采瓦斯预先抽采的时间和空间上的匹配问题非常突出。而且随着煤层开采深度不断增加，煤层地应力、瓦斯压力、瓦斯含量逐步增大，渗透率逐步降低，煤层瓦斯预抽难度增大，抽采效率低，易导致回采过程中瓦斯异常涌出现象频繁发生，极易导致工作面、上隅角、回风巷瓦斯浓度超限，严重威胁煤矿的安全生产。因此，煤层卸压增透及瓦斯抽采新的技术与工艺亟待提出。
2、目前煤矿井下采用的煤层增透卸压方法主要包括水力化措施、深孔爆破、气体压裂增透。其中水力化措施主要通过水力冲孔、水力压裂、高压水射流割缝、扩孔、造穴，使煤层原生裂隙扩展、贯通、不断生成新裂隙、释放煤层应力、提高煤层渗透性来强化瓦斯抽采效果。但是在松软煤层中实施水力化措施，不仅易造成钻孔塌孔、堵孔现象，而且水锁效应还会对煤层中的瓦斯运移产生负面影响。深孔爆破技术主要利用炸药爆炸过程中爆生气体产生的应力波作用改善煤层的孔裂隙结构，进而改善煤层的透气性达到强化瓦斯抽采的目的，但是采用深孔爆破进行增透过程中，炸药的储存、运输、使用过程中有极大的危险性，且其操作过程繁琐复杂；此外，在深部煤层的开采中，采用该项技术还易诱发冲击地压等其他动力灾害。气体压裂增透技术主要是将氮气、二氧化碳等惰性气体增压形成高能气体，其在煤层中卸压形成物理爆炸，在该过程中由于爆炸
3、由于松软煤层的煤质原因，单一采用以上的增透措施，煤层裂隙虽然能够有所发展并形成一定的裂隙网络，也能够达到强化瓦斯抽采的相关效果；但在一段时间后，裂隙快速闭合，煤层透气性及渗透率迅速降低，导致瓦斯抽采效果差。
4、为解决上述相关问题，本专利技术提出了一种关键层分段水力割缝、压裂与煤层大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，使煤体充分卸压，改善煤层渗透率，使卸压瓦斯快速释放以提升煤层瓦斯预抽效果，解决松软煤层回采过程中的瓦斯抽采效率低等问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，包括以下步骤：
3、s1、判定关键层层位，选取压裂关键层；
4、s2、确定压裂关键层水力割缝和压裂所需的割缝压力和压裂压力；
5、s3、对压裂关键层进行分段水力割缝、注水压裂；
6、s4、确定煤层大直径钻孔的布设间距，在关键层压裂区域的下方煤层中施工大直径钻孔；
7、s5、使用“两堵一注”工艺对大直径钻孔进行封孔作业；封孔完成后，立即进行并网预抽。
8、优选的，所述s1中，确定煤层上覆岩层组成及分布，基于材料悬臂梁理论，计算覆岩的破断距，综合上述结果和控制层高等参数，理论计算得出冒落带、裂隙带与弯曲下沉带的高度，建立煤层覆岩垮落理论模型，基于理论垮落模型，结合关键层理论判定覆岩关键层层位，具体为建立实验模型与物理模型，分析上覆岩层的垮落规律、破坏状态、裂隙发育、发展规律，确定关键层的层位，选取距煤层近的关键层为压裂关键层。
9、优选的，所述s2中，现场采集压裂关键层层位处的岩样，通过抗拉、抗压实验测试获得压裂关键层岩样物理力学性质，通过理论计算及现场实验确定割缝压力和压裂压力；
10、根据压裂关键层的岩性，不同岩性的压裂关键层选用不同的磨料——石英砂、石榴石、棕刚玉、核桃壳。
11、优选的，所述s3中，在巷道内使用定向钻机在压裂关键层内布设定向长钻孔，钻孔至设计孔深后停钻，采用高压磨料水射流割缝装置对煤层方向进行定向旋转割缝，完成所有割缝作业后，使用封孔器进行注水压裂。
12、优选的，所述s3中进行定向旋转割缝工作时，在割缝区域内，升高高压磨料水射流割缝装置的泵压至割缝压力，经过喷嘴形成脉冲射流对煤层方向进行定向旋转割缝，此区域割缝完成后，降低泵压至钻孔压力，向孔内输入一段时间的水清理割缝时残存的煤屑，待钻孔返水正常后，进行退钻至下一割缝区域，直至完成所有割缝作业；
13、优选的，所述s3中进行注水压裂工作时，将封孔器送入至钻孔最深处的割缝区域，开始注水压裂工艺，注水压裂过程包括四个阶段：水压自然上升阶段、手动升压阶段、压力保持阶段和手动卸压阶段；此区域压裂完成后，移至下一区域，直至完成所有压裂，整个过程实时监测注水压力和压裂时间。
14、优选的，所述s4中，基于数值模拟和煤层实测数据，确定煤层大直径钻孔的布设间距，在关键层压裂区域的下方卸压煤层中，在工作面进风巷道、回风巷道向煤层内施工大直径钻孔，完成二次卸压。
15、优选的，所述s4中进行大直径钻孔施工时，通过更换大直径钻头完成大直径钻孔，钻孔完成后，排净孔内煤渣，待钻杆全部退出后，开孔侧安装导向头，依次逐根采用插接方式推进护孔管，直至钻孔全程下护孔管。
16、因此，本专利技术关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，具有以下有益效果：
17、(1)在关键层中进行定向旋转水力割缝，预制定向裂缝，再对割缝区域进行水力压裂致使其发生损伤破坏，相较于不预制定向裂缝，可以减小下一步水力压裂过程中的起裂压力，优化裂隙扩展路径，避免水力压裂过程中形成无序裂隙；使关键层压裂过程中形成有效连续贯通的裂隙网络，从而有效切断煤层上覆岩层的应力传递路径，改变煤层上覆岩层的应力分布，致使煤体卸压。
18、(2)在关键层压裂下方的卸压煤层中施工大直径钻孔，在钻孔周围的煤体形成不规则的宏观裂纹，致使煤体二次卸压，生成大量的新裂隙，相较于无压裂关键层煤层的普通钻孔，可以显著提高煤层的透气性，增加瓦斯的解吸和排放速度；大直径钻孔能够提供更大的瓦斯流动通道，使得煤层的渗透率得到有效的改善，同时增加瓦斯抽采的效率，并且可以替代多个普通钻孔，减少钻孔的总数，降低钻孔施工和维护的成本。
19、(3)本工艺适用于提升高地应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量、低透气性松软煤层的瓦斯治理。
20、下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
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1.关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于：所述S1中，建立煤层覆岩垮落模型，结合关键层理论判定覆岩关键层层位，选取距煤层近的关键层为压裂关键层。
3.根据权利要求1所述的关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于：所述S2中，现场采集压裂关键层层位处的岩样，通过抗拉、抗压实验测试获得压裂关键层岩样物理力学性质，确定割缝压力和压裂压力。
4.根据权利要求1所述的关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于：所述S3中，在巷道内使用定向钻机在压裂关键层内布设定向长钻孔，采用高压磨料水射流割缝装置对煤层方向进行定向旋转割缝，完成所有割缝作业后，使用封孔器进行注水压裂。
5.根据权利要求4所述的关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于：所述S3中进行定向旋转割缝工作时，在割缝区域内，升高高压磨料水射流割缝装置的泵压至割缝压力
6.根据权利要求5所述的关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于：所述S3中进行注水压裂工作时，将封孔器送入至钻孔最深处的割缝区域，开始注水压裂工艺，注水压裂过程包括四个阶段：水压自然上升阶段、手动升压阶段、压力保持阶段和手动卸压阶段；此区域压裂完成后，移至下一区域，直至完成所有压裂，整个过程实时监测注水压力和压裂时间。
7.根据权利要求1所述的关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于：所述S4中，基于数值模拟和煤层实测数据，确定煤层大直径钻孔的布设间距，在关键层压裂区域的下方卸压煤层中，在工作面进风巷道、回风巷道向煤层内施工大直径钻孔，完成二次卸压。
8.根据权利要求7所述的关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于：所述S4中进行大直径钻孔施工时，通过更换大直径钻头完成大直径钻孔，钻孔完成后，排净孔内煤渣，待钻杆全部退出后，开孔侧安装导向头，依次逐根采用插接方式推进护孔管，直至钻孔全程下护孔管。
...【技术特征摘要】
1.关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于：所述s1中，建立煤层覆岩垮落模型，结合关键层理论判定覆岩关键层层位，选取距煤层近的关键层为压裂关键层。
3.根据权利要求1所述的关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于：所述s2中，现场采集压裂关键层层位处的岩样，通过抗拉、抗压实验测试获得压裂关键层岩样物理力学性质，确定割缝压力和压裂压力。
4.根据权利要求1所述的关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于：所述s3中，在巷道内使用定向钻机在压裂关键层内布设定向长钻孔，采用高压磨料水射流割缝装置对煤层方向进行定向旋转割缝，完成所有割缝作业后，使用封孔器进行注水压裂。
5.根据权利要求4所述的关键层分段水力割缝、压裂与大直径钻孔相结合的瓦斯治理工艺，其特征在于：所述s3中进行定向旋转割缝工作时，在割缝区域内，升高高压磨料水射流割缝装置的泵压至割缝压力，经过喷嘴形成脉冲射流对煤层方向进行定向旋转割缝，此区域割缝完...
【专利技术属性】
技术研发人员：李峰，夏斌，王琛琛，段宝燕，李泽雨，梁栋栋，孙一平，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：
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