煤矿井下钻孔高压水力压裂技术研究与应用研究报告(2)

2019-03-11 08:32

水流速增加;当压力水携带煤泥堵塞裂隙时,煤体渗透性降低,水难以流动使流量下降,压力上升。 4.注水压力

注水压力是所有水力化措施中的重要参数。若注水压力过低,不能压裂煤体,煤层结构不会发生明显的变化,相当于低压注水湿润措施,短时间内注水起不到卸压防突的作用;若注水压力过高,导致煤体在地应力和水压综合作用下迅速变形,形成突出。因此,合理的注水压力应该能够快速、有效破裂松动煤体,进而改变煤体孔隙和裂隙的容积及煤体结构,排放煤体瓦斯,达到消突的目的。水力压裂措施最高注水压力和最终注水压力应在式(1)和式(2)的基础上进行选择。

最高注水压力: Pm≥0.075?H+Pc (1) 最终注水压力: Pk=3+Pc (2) 式中 Pm——最高注水压力,MPa;

?——上覆岩层的平均容重,t/m3;

H——煤层埋深,m;

Pc——注水管路的压力损失,MPa; Pk——最终注水压力,MPa。

根据试验工作面钻孔柱状图的统计资料,用加权平均法计算出煤体上覆岩层的平均容重?,计算方法如下式:

??h ?=

i=1niiH (3)

式中 ?i——上覆岩层分层容重,t/m3;

hi——上覆岩层分层层厚度,m。

式(1)中煤层埋深取工作面实际埋深,将各分层容重及厚度代入式中,计算平均容重,由此计算的垂直应力。取管路损失压力Pc为泵站压力的10%。原则上,压力最高值不能超过工作面前方煤体应力集中带内的峰值应力(?H的2~3倍),起始压力初步设定为15 Mpa,逐步加压。 5.压裂时间控制

压裂时间与注水压力、注水量等参数密切相关,注水压力、流速不同,相同条件下达到同样效果的注水时间也不同。注水过程中,煤体被逐渐压裂破坏,各种孔裂隙不断沟通,高压水在已沟通的裂隙间流动,注水压力及注水流量等参数不断发生着变化,注水时间可根据注水过程中压力及流量的变化来确定。根据以往的地面水力压裂和井下水力挤出试验经验,当注水泵压降低为峰值压力的30%左右,可以作为注水结束时间。

压裂时采用动压,从开始注水到水力压裂措施结束大约需要120min时间。起始压力初步设定为15MPa,每5min升压2 Mpa,泵压达到29 Mpa左右。若稳定一段时间后,压力迅速下降,并持续加压时压力无明显上升,或者检验孔附近瓦斯浓度明显升高或有水涌出时,即说明压裂孔和检验孔之间已经完成压裂,此时即可停泵,关闭卸压阀,压裂程序结束。压裂措施实施过程中,需连续记录注水压力和流量,根据现场实际情况,适时调整压裂参数。 6.水力压裂增透抽采瓦斯工艺

煤矿井下钻孔水力压裂增透抽采瓦斯工艺,依次包括以下步骤:(1)选取压裂地点;(2)根据观察煤体类型、巷道布置和构造发育程度来确定压力类型,可采用顶底板顺层钻孔水力压裂、顶底板穿层钻孔水力压裂、本煤层顺层钻孔水力压裂或本煤层穿层钻孔水力压裂;(3)确定钻孔参数施工钻孔,钻孔参数包括孔长、开孔高度、孔径、倾角、方位角;(4)设计水

力压裂,包括注入水量和注入压力;(5)洗孔;(6)排水;(7)检验压裂效果,如符合要求向下进行,如不符合要求转向步骤(4);(8)进入管路进行抽放。该技术项目增强煤层透气性、减少采掘工作面瓦斯涌出量,显著提升单孔抽采能力和抽采效果。提高抽放效率、缩短抽放时间、最大限度消除瓦斯灾害。

四、突出煤层区域性消突技术方案 (一)高抽巷技术实施方案

有下列情况之一的,不具备开采保护层的突出危险采掘工作面,必须先做高抽巷;

1.埋藏深度大于700m以上的工作面;

2.瓦斯含量在20m3/t以上,瓦斯压力在1.8MPa以上的工作面。 (三)高抽巷布置方式

1.在突出煤层采煤工作面风巷布置一条内错高抽巷,内错高抽巷与突出煤层顶板垂距8~10m,高抽巷与风巷内错中对中距离为10~15m;

2.在突出煤层采煤工作面机巷布置一条外错高抽巷,外错高抽巷与突出煤层顶板垂距8~10m,高抽巷与机巷外错中对中距离为15~20m;

3.高抽巷原则上是布置在戊8煤层中或己

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煤层中。工作面机巷外错高

抽巷可同时做为该区段下一个工作面的风巷内错高抽巷。

五、高抽巷穿层水力压裂钻孔及抽放钻孔技术方案

(一)从高位掩护巷沿煤层顶板施工注水预裂钻孔,每15m布置一个,钻孔终孔位置位于采面空白带,同时在注水预裂孔两侧各布置一个卸压抽放孔,抽放孔终孔位置距注水孔终孔位置15m(钻孔布置见图4-1、4.2);

图4-1戊9-10-12160高抽巷穿层卸压注水钻孔布置剖面图

图4-2戊9-10-12160高抽巷穿层卸压注水钻孔布置平面图

(二)注水及抽放钻孔设计孔径75mm,卸压注水孔角度及长度由地测队提供,钻孔终孔位置要穿过煤层;

(三)注水钻孔施工完毕后使用膨胀水泥和聚氨脂进行封孔,封孔深度不低于30m;采用高压注水泵向钻孔进行压裂液,压力不得小于30MPa,通过注水使煤层中形成压裂卸压,湿润煤体,从而降低煤层突出危险性;

(四)注水钻孔必须在其两侧的卸压钻孔施工到位后方可开始注水,确保能够正常卸压;

(五)卸压注水钻孔和抽放钻孔施工完毕后进行联网抽放。 六、区域性消突技术实施后取得的效果

(一)对被掩护巷高压水力压裂后,防突钻孔打钻时工作面无喷孔、夹钻、顶钻、响煤炮等突出预兆。

(二)被掩护巷正常掘进期间,回风流瓦斯与工作面压裂前回风流瓦斯对比下降0.2%左右。

(三)压裂前平均每月测试超标5次左右,压裂后杜绝了测试超标现象。 (四)压裂前被掩护巷平均每月单进25~30米之间,压裂后每月单进提高到55~60米之间,大大提高了每月单进量。

(五)注水前煤体含水率为3.2%,注水后煤体含水率为3.5%,提高了0.3个百分点。

(六)压裂前工作面需执行4排56个措施孔来保障安全施工,每个执行措施循环要5~6个小班才能完成;压裂后工作面可以执行3排42个措施孔,只需2~3个小班就能完成,大大缩短了执行措施循环时间,为工作面进尺争取了时间。

(七)掩护巷干管瓦斯抽放浓度注水前为15%,注水后为30%,提高了15个百分点。

七、突出煤层区域性消突技术标准研究主要结论及创新点 (一)突出煤层必须实施高抽巷,建立高抽巷的技术标准

1.在突出煤层采煤工作面风巷布置一条内错高抽巷,内错高抽巷与突出煤层顶板垂距8~10m,高抽巷与风巷内错中对中距离为10~15m;

2.在突出煤层采煤工作面机巷布置一条外错高抽巷,外错高抽巷与突出煤层顶板垂距8~10m,高抽巷与机巷外错中对中距离为15~20m;

(二)研究了高位巷水力压裂钻孔和抽放钻孔的技术标准; 1.高抽巷每30m施工一个水力压裂钻孔,每两个水力压裂钻孔之间布置


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