穿层钻孔区域消突综合技术方案(潘一矿).doc

淮南矿业集团潘一煤矿2631（1）高抽巷穿层钻孔区域消突综合技术方案（讨论稿）河南理工大学二00九年十月I目 录1 潘一矿试验点概况与技术背景12 综合水力化工艺和技术参数考察33 钻孔设计及施工33.1钻孔控制范围33.2 钻孔间距43.3 钻孔直径43.4 钻孔施工54 水力冲孔技术55 水力压裂技术55.1 水力压裂技术参数55.2 水力压裂工艺工程85.2.1 注水前85.2.2 注水过程中85.2.3 注水后95.3 装备及仪器仪表106 封孔抽放117 区域消突效果的考察117.1 区域消突指标117.2 消突钻孔布置方式合理性考察127.3 区域消突效果考察孔的布置方式127.4 回采工作面区域消突效果评价方法131 潘一矿试验点概况与技术背景潘一矿11-2煤层是突出煤层，于2000年12月02日，在东二2351（1）上风巷在放炮掘进时发生了1次压出，压出标高-620m，压出煤量10t，瓦斯量279m3。2631（1）高抽巷位于西三采区（F4断层下盘），被掩护的2621（1）下顺槽标高在-590m左右，2个实测瓦斯压力分别为3.1MPa（-700m）和1.42MPa（-580），因此，工作面瓦斯压力在1.5MPa左右，f值分别为0.691.25，瓦斯放散初速度为79，根据根据“集技2008310号文”规定，该区域11-2煤层属于突出危险区。2621（1）下顺槽以块状为主，少量粉沫状、片状，属半亮型，厚1.11.8m，平均煤厚1.4m。工作面中东部11-2煤层发育一层伪顶，由泥岩及煤线组成，易冒落，厚01.28m,平均厚度0.5m。工作面东部受F4断层组牵引影响，煤层产状变化较大，预计11-2煤层产状为：18026648。根据国家安全生产监督管理总局第19号令防治煤与瓦斯突出规定第十五条，“。确保在突出煤层采掘前实施区域防突措施”，因此，在采掘前必需采用区域防突措施，即开采保护层和穿层孔预抽。突出煤层往往地应力和瓦斯压力大、瓦斯含量高，透气性低，导致煤与瓦斯突出问题日益严重和复杂，防突措施必需具备以下三个特点：潘一11-2煤层以压出为主，即地应力是控制突出的主要因素，要求防突措施具有卸压的效果；透气性低，煤层透气性系数为0.0010.01m2/ MPa2.d，属于难以抽采的煤层，要求消突措施必须具有增透效果；多数煤层都具有突出危险性，无突出危险性的解放层越来越少，即保护层也需要消突；同一煤层具有突出危险性的面积越来越大，而且高地应力的参与使煤与瓦斯突出区域预测越来越复杂，划出无突出危险区的可能性越来越小，因此，保护层的区域消突措施受条件限制，具有一定的局限性。针对以上突出特点，必需采用结合卸压增透措施的穿层钻孔区域消突。目前被各矿区广泛推广应用的卸压增透消突措施就是水力冲孔技术和水力压裂技术，这两项措施在不同煤层均取得较好的应用效果，不但能保证有较好的卸压增透效果，而且在低透气煤层的有效抽放影响半径均达到5m以上，大大节省了工程量和抽放时间。但两个技术措施都有一定得局限性，水力冲孔技术措施针对较硬煤体和下向孔，消突效果较差；水力压裂仅靠高压水压裂煤体增加裂隙来提高煤层透气性，由于没有卸压空间，被压开的煤体在注水压力撤除之后，重新闭合，只在较短时间内起到卸压增透效果，特别是对软煤来说。因此，结合两者优点，使两个措施形成互补，我们提出采用水力冲孔+水力压裂的穿层钻孔区域消突措施，分为3种工艺方案：（1）考虑2631（1）高抽巷掩护2621（1）下顺槽钻孔为下向孔，且煤体相对较硬，不利于冲孔，仅采用水力压裂；（2）先采取水压裂将煤体压开，然后采用水力冲孔，以冲出更多煤体，防止水力压裂产生的裂隙闭合；（3）先采用水力冲孔，形成一定得卸压空间，然后在采用水力压裂，保证较大范围内形成贯通裂隙，水力冲孔钻孔相当于松动爆破控制孔的作用。井下水力压裂的基本原理即将压裂液高压注入煤（或岩）体中原有的和压裂后出现的裂缝内，克服最小主应力和煤岩体的破裂压力，扩宽并伸展和沟通这些裂缝，进而在煤中产生更多的人造裂缝与裂隙，从而增加煤层的透气性。2 水力压裂装备系统压裂系统由压裂泵、水箱、压力表、专用封孔器等组成如图1所示。图1 压裂系统布置示意图（1）压裂泵与水表：压裂注水泵采用额定压力为31.5MPa、额定流量为80L的BRW80/31.5型煤矿用乳化液泵（南京六和煤矿机械有限责任公司生产）；注水泵安装压力表、水表及卸压阀门等附件，试验选用SGS型双功能高压水表，该表集注水水量和压力计量功能于一体，能够同时测量注水的压力、流量和水量。额定压力31.5MPa，最小流量0.1m3/h，最大流量5m3/h，最小读数0.0001m3，测量允许最大误差为5%。（2）压裂管路：采用R13-51-35MPa型钢丝缠绕液压软管（平顶山市矿益胶管制品有限公司制造），用快速接头与注水泵相连接。钻孔内采用优质耐高压无缝钢管，采用快速接头与封孔器和钻孔外高压注水管路相连接。（3）封孔材料：采用SFKA70/45-1500型（河南理工大学制造）水力压裂专用封孔器进行封孔，封孔器由封孔胶囊、连接杆、出水嘴和注水头四部分组成，封孔器抗压强度为40MPa，外径65mm，内径45mm，加压扩张系数为1.41.8。3 综合水力化工艺和技术参数考察对比试验3种试验工艺方案的卸压增透效果，主要从透气性系数的增加情况、衰减系数的减小情况、抽放有效影响半径的扩大情况和施工工程量对减小情况3个方面考察，并研究的水力压裂技术措施实施的合理时间和工序。另外，通过现场试验和数值模拟的方法，进一步优化水力冲孔工艺，改善前期研究中存在的排不出渣、憋孔和埋钻现象；研究水力压裂注水前、注水中和注水后整个技术工艺过程。3.1 水力压裂技术参数考察考察水力化措施实施前后的抽放有效影响半径、钻孔瓦斯抽放量、煤体瓦斯压力与含量、煤体水分。（1）水力压裂有效影响半径与间距考察有效影响半径考察采用瓦斯流量法，预计水力压裂有效影响半径为615m之间，因此，布置考察孔距离水力压裂孔分别为6m、10m、13m和15m，布置如图2所示，钻孔参数如表1所示。a 水力压裂平面图b 水力压裂剖面图c 1号钻场剖面图（1-1剖面图）图2 水力压裂有效影响半径考察方案图表1 1#钻场水力压裂半径考察钻孔参数表孔号孔径（mm）顶板投影与终孔沿倾向距(m)顶板投影与终孔沿走向距(m)孔长（m）俯角（）偏角（）B17315019.840.90.0K111315620.738.821.8K2113151022.235.833.7K3113151323.733.240.9K4113151524.931.545.0水力压裂有效影响半径考察实施步骤为：打抽放钻孔取样作水分和含量考察抽放量至稳定打水力压裂钻孔考察瓦斯抽放量的变化在各考察孔附近打钻取样测定水分的变化。考察完水力压裂有效影响半径后，间距按R布置，确定间距后设计水力压裂钻孔。（2）钻孔控制范围根据防治煤与瓦斯突出规定，穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施的钻孔应当控制整条煤层巷道及其两侧一定范围内的煤层。要求钻孔控制回采巷道外侧的范围是：倾斜、急倾斜煤层巷道上帮轮廓线外至少20m，下帮至少10m；其他为巷道两侧轮廓线外至少各15m。以上所述的钻孔控制范围均为沿层面的距离。2621（1）工作面的倾角在56，为缓倾斜，需控制巷道两侧轮廓线15m。（3）钻孔直径采用水力压裂技术措施的钻孔直径不应太大，在42mm94mm之间，孔径不宜太大，不然，封孔后承受不了高压。可通过实验不同孔径水力压裂效果考察和封孔质量考察，确定最佳水力压裂孔径。目前，根据河南矿区水力压裂经验和贵矿钻机装备条件，选用73mm钻头。（4）封孔深度和长度采用专用封孔器封孔（河南理工大学研制的SFKA70/45-1500型），封孔器长度10m，封孔器以外用无缝钢管连接。封孔位置必须在煤岩交接面里0.51m。（5）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消突的作用；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。一般认为煤层发生压裂的压力大小主要取决于地层的煤层赋存深度以及煤层的f值。根据河南平顶山矿区试验，得出如图3所示的煤层压裂压力与煤层赋存深度之间的关系曲线，二者之间大致呈直线关系，可用下式表示： (1)式中 煤层压裂压力，MPa； H煤层赋存深度，m。在淮南矿区，目前还没有压裂压力与煤体结构、埋深、裂隙发育情况及f值关系的成熟公式，在下一步工作中，通过实验，进一步查明压裂压力与上述因素的关系，得出压裂压力与上述因素的合理关系式以确定合理的压裂压力。根据河南平顶山矿区的经验公式，初步确定压裂压力为20MPa。图3 压裂压力与煤层赋存深度的关系（6）压裂时间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，当注水泵压降为峰值压力的30%左右，可以作为注水结束时间。采用动压注水，从开始注水到水力压裂措施结束大约需要60min时间。每5min升压2MPa，泵压达到设计要求，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，或者巷道瓦斯浓度明显升高时，说明顺槽迎头产生裂缝，此时停泵，关闭卸压阀，压裂程序结束。（7）注水流量与注水压力的关系中、高压注水作用于煤体是一个逐渐湿润煤体、压裂破碎煤体的过程。在注水的前期，注水压力和注水流量呈线性升高；随后，注水压力与流量反向变化，并呈波浪状。这直观反映出了在注水初期，具有一定压力和流速的压力水通过钻孔进入煤体裂隙，克服裂隙阻力运动；随后，当压裂液充满现有裂隙后，水流动受到阻碍，由于煤体渗透性较低，水流量降低，压力增高而积蓄势能；当积蓄的势能足以破裂煤体形成新的裂隙时，势能转化为动能，压力降低，水流速增加；当压力液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。5.2 水力压裂工艺工程5.2.1 注水前（1）注水孔打够深度后，必须将煤粉排出。注水器深入钻孔深度不得小于20米。（2）注水前必须按图示位置设置警戒，严禁人员进入顺槽及其回风巷内。掘进头及其回风巷内，所有电器设备必须切断电源，由机电技术部负责。（3）注水前，必须先检查注水系统和注水管路的密封性，在高压管路密封性不好或破损时，禁止注水。当高压管路处于承压状态时，禁止连接、拆卸和修理高压管件。（4）开泵注水前，瓦斯检查员必须检查掘进头和回风流中的瓦斯浓度，当瓦斯浓度不超限时，方可开泵注水。5.2.2 注水过程中（1）注水试验地点其附近50m范围巷道底板与煤层垂距不得小于5m。（2）注水前，跟班队长必须向生产调度中心汇报，生产调度中心通知监测机房对迎头及回风流中的瓦斯情况进行监控，当工作面或回风巷任一探头瓦斯浓度达到0.8时，监测机房立即汇报生产调度中心，生产调度中心应及时将瓦斯变化情况电话通知作业人员，以便现场作业人员及时调整注水压力。（3）注水泵必须由专人负责操作，开始注水时，在前35分钟内必须缓慢增加水压至设计注水压力；注水泵应当设置卸压阀，调整该阀可保证压力平缓上升或减压。（4）注水期间，严禁人员进入工作面及其回风巷内。（5）注水时，当水压下降至实际最大注水压力的30以上时，可结束注水。停泵时，注水泵发动机应缓慢卸压，以防突然卸压造成封孔器往外推出。（6）注水时间在12小时内完成。注水压力控制在830Mpa。（7）水力压裂强度试验时，注水泵的操作地点设在东翼轨道运输大巷两道防突风门之间，注水泵的供电必须执行瓦斯电闭锁和风电闭锁，作业地点必须设置直通生产调度中心的电话。5.2.3 注水后（1）注水结束30分钟后，由瓦检员、安检员和当班跟班班长共同进入工作面检查巷道瓦斯、确认瓦斯不超限、注水现场无异常时，安检员汇报生产调度中心，生产调度中心通知东区各单位电工恢复供电，恢复生产。（2）注水结束后，注水人员必须按规定内容认真填写注水记录。根据注水记录，矿总工程师组织对注水效果进行分析研究。（3）每次注水结束后，检测队要及时提供井下瓦斯变化资料。5.3 装备及仪器仪表压裂系统由压裂泵、水箱、压力表、专用封孔器等组成如图1所示。压裂泵选用额定压力为40MPa、最大排量为1.2m3/min的YL400/315型柱塞压裂泵。为便于操作和控制，压裂泵安装有压力表、水表及卸压阀门等附件，压力表采用直感耐震压力表、专用本安型电流式压力传感器和专用本安型电压式涡轮流量传感器。水箱采用特制井下压裂备用水箱，总容积15m3，多只水箱并联，通过4寸软管与压裂泵吸入总管连接。高压管路选用2寸高压胶管。钻孔内采用优质无缝钢管，采用快速接头与封孔器和高压胶管相连接。无缝钢管外径57mm，内径45mm，壁厚6mm，每节长2.5-3m。压裂工具限流尾管开孔，孔密10孔/m，钢管底部丝堵封口并开孔。钻孔封孔器选用专用封孔器，封孔器抗压强度不低于40MPa，外径65mm，内径45mm，加压扩张系数23。6 封孔抽放对水力冲孔钻孔和水力压裂钻孔进行封孔抽放，根据防治煤与瓦斯突出规定预抽瓦斯钻孔封堵必须严密。穿层钻孔的封孔段长度不得小于5m。应当做好每个钻孔施工参数的记录及抽采参数的测定。钻孔孔口抽采负压不得小于13kPa。预抽瓦斯浓度低于30%时，应当采取改进封孔的措施，以提高封孔质量。7 区域消突效果的考察区域消突效果考察需依据防治煤与瓦斯突出规定进行，关于区域效果考察的规定如下。7.1 区域消突指标五十三条规定：采用预抽煤层瓦斯区域防突措施时，应当以预抽区域的煤层残余瓦斯压力或者残余瓦斯含量为主要指标或其他经试验（应符合本规定第四十二条要求的程序）证实有效的指标和方法进行措施效果检验。其中，在采用残余瓦斯压力或者残余瓦斯含量指标对穿层钻孔、顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施和穿层钻孔预抽石门（含立、斜井等）揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施进行检验时，必须依据实际的直接测定值，其他方式的预抽煤层瓦斯区域防突措施可采用直接测定值或根据预抽前的瓦斯含量及抽、排瓦斯量等参数间接计算的残余瓦斯含量值。依据以上规定，考虑淮南矿区是低变质程度煤体，主要以气煤为主，表现出低瓦斯含量、高瓦斯压力的特点，建议选用瓦斯压力作为作为区域消突评价指标，指标临界值可通过实际考察或选用0.74MPa，以确保安全。考虑水力冲孔+水力压裂综合技术消突效果的特殊性，主要是为了考察消突效果中卸压方面的效果和均匀性，应将单孔冲出煤量作为考察效果的指标之一。7.2 消突钻孔布置方式合理性考察第五十四条规定：对预抽煤层瓦斯区域防突措施进行检验时，均应当首先分析、检查预抽区域内钻孔的分布等是否符合设计要求，不符合设计要求的，不予检验。根据以上规定，需先考察先冲孔后压裂技术的有效影响半径，然后考察钻孔布置方式是否满足消突要求，即是否存在消突空白带，消突是否均匀等情况。7.3 区域消突效果考察孔的布置方式防治煤与瓦斯突出规定第五十五条规定，采用直接测定煤层残余瓦斯压力或残余瓦斯含量等参数进行预抽煤层瓦斯区域措施效果检验时，应当符合下列要求：（一）对穿层钻孔或顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯区域防突措施进行检验时若区段宽度（两侧回采巷道间距加回采巷道外侧控制范围）未超过120m，以及对预抽回采区域煤层瓦斯区域防突措施进行检验时若回采工作面长度未超过120m，则沿回采工作面推进方向每间隔3050m至少布置1个检验测试点；若预抽区段煤层瓦斯区域防突措施的区段宽