[發(fā)明專(zhuān)利]一種定向水力裂切煤層卸壓增透裝置及卸壓增透方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111499717.1
• 申請(qǐng)日: 2021-12-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114165198B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李峰;王琛琛;劉漢武;孫潤(rùn)川;相廣友
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）
• 主分類(lèi)號(hào): E21B43/00
• 分類(lèi)號(hào): E21B43/00;E21B43/26;E21C37/12;E21F7/00
• 代理公司: 鄭州立格知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 41126
• 代理人: 張妍

本發(fā)明公開(kāi)了一種定向水力裂切煤層卸壓增透裝置及卸壓增透方法，主要由脹裂器、推進(jìn)桿、高壓軟管、高壓蝶閥、高壓水泵、水箱等組成，該裝置將水箱中的水通過(guò)高壓水泵形成高壓流體，通過(guò)桿體帶有刻度標(biāo)尺的推進(jìn)桿將脹裂器輸送至預(yù)制的煤層裂隙位置處；高壓流體通過(guò)推進(jìn)桿使位于煤層定向裂隙處的脹裂器膨脹，從而對(duì)煤壁產(chǎn)生巨大徑向應(yīng)力，使煤層中預(yù)制的定向裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中并發(fā)生張拉破壞，裂隙不斷擴(kuò)展，在鉆孔間形成連續(xù)貫通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，在停止對(duì)脹裂器注水時(shí)，關(guān)閉推進(jìn)桿尾端的高壓蝶閥，由于其密封作用，脹裂器依舊能維持較高壓力，避免煤層中新生成的裂隙網(wǎng)絡(luò)閉合，達(dá)到對(duì)煤層實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)裂切效果，實(shí)現(xiàn)煤層增透、強(qiáng)化瓦斯抽采目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于煤礦井下可開(kāi)采煤層增透卸壓及瓦斯抽采技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種定向水力裂切煤層卸壓增透裝置及卸壓增透方法。

背景技術(shù)

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加速，電力行業(yè)對(duì)煤炭的需求與日俱增，煤炭的開(kāi)采量不斷增大。在此過(guò)程中煤炭開(kāi)采深度不斷增加，開(kāi)采難度不斷增大。其中煤炭開(kāi)采時(shí)面臨的最嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害是煤與瓦斯突出，開(kāi)采深度的增大使瓦斯以高瓦斯含量、高瓦斯壓力、高應(yīng)力、低滲透率的特征賦存于待開(kāi)采煤層中，其導(dǎo)致的安全隱患嚴(yán)重影響著煤炭開(kāi)采工作的正常進(jìn)行。故需要強(qiáng)化原有的煤層卸壓增透及瓦斯抽采技術(shù)。

目前煤礦井下采用的煤層增透卸壓方法主要有水力化措施、深孔爆破、氣體壓裂增透，近年來(lái)又有學(xué)者提出采用高壓磨料氣體射流卸壓增透的新方法。其中水力化措施主要通過(guò)水力沖孔、水力壓裂、高壓水射流割縫、擴(kuò)孔、造穴，使煤層原生裂隙擴(kuò)展、貫通、不斷生成新裂隙、釋放煤層應(yīng)力、提高煤層滲透性來(lái)強(qiáng)化瓦斯抽采效果。但是在松軟煤層中實(shí)施水力化措施，不僅易造成鉆孔塌孔、堵孔現(xiàn)象，而且水鎖效應(yīng)還會(huì)對(duì)煤層中的瓦斯運(yùn)移產(chǎn)生負(fù)面影響。深孔爆破技術(shù)主要利用炸藥爆炸過(guò)程中爆生氣體產(chǎn)生的應(yīng)力波作用改善煤層的孔裂隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善煤層的透氣性達(dá)到強(qiáng)化瓦斯抽采的目的，但是采用深孔爆破進(jìn)行增透過(guò)程中，炸藥的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用過(guò)程中有極大的危險(xiǎn)性，且其操作過(guò)程繁瑣復(fù)雜；此外在深部煤層的開(kāi)采中，采用該項(xiàng)技術(shù)還易誘發(fā)沖擊地壓等其他動(dòng)力災(zāi)害。氣體壓裂增透技術(shù)主要是通過(guò)將氮?dú)狻⒍趸嫉葰怏w增壓形成高能氣體，其在煤層中卸壓形成物理爆炸，在該過(guò)程中由于爆炸應(yīng)力波及熱應(yīng)力對(duì)煤層孔裂隙結(jié)構(gòu)的改善使煤層透氣性增大、滲透率提高，從而達(dá)到提升瓦斯抽采效果的目的；但是根據(jù)近年來(lái)的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在使用二氧化碳爆破驅(qū)替過(guò)程中，由于其獨(dú)特的吸附特性更易造成二氧化碳突出等動(dòng)力災(zāi)害，形成新的安全隱患。目前劉勇等學(xué)者提出的高壓磨料氣體射流卸壓增透技術(shù)，通過(guò)采用空壓機(jī)產(chǎn)生高能壓縮空氣，通過(guò)前混合或后混合方式將磨料粒子與高能空氣充分混合加速后經(jīng)優(yōu)化的拉法爾噴嘴射出，對(duì)煤層進(jìn)行割縫、擴(kuò)孔，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化瓦斯抽采的目的。但由于松軟煤層的煤質(zhì)原因，采用目前現(xiàn)有的水力化措施、深孔爆破、氣體壓裂等增透措施，煤層裂隙雖然能夠有所發(fā)展并形成一定的裂隙網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到強(qiáng)化瓦斯抽采的相關(guān)效果；但一段時(shí)間后，卸壓增透措施形成的裂隙逐漸閉合，煤層透氣性及滲透率逐漸降低，導(dǎo)致瓦斯抽采效果不佳，安全隱患極大。

由于經(jīng)濟(jì)條件、技術(shù)因素的限制，目前在井下應(yīng)用最成熟的增透卸壓技術(shù)是水力化措施，其中效果最明顯的是水力壓裂技術(shù)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，水力壓裂的增透效果受煤層天然裂隙及最大主應(yīng)力的影響，煤層起裂壓力及裂紋轉(zhuǎn)向距離在最大主應(yīng)力作用下發(fā)生變化，影響煤層的增透卸壓效果。為了使煤層破裂壓力降低，壓裂裂縫偏轉(zhuǎn)角度減小，盡可能的提高鉆孔及能源利用效率，相關(guān)學(xué)者提出了定向水力壓裂技術(shù)。通過(guò)在煤層中預(yù)制定向裂縫，導(dǎo)向控制水力壓裂裂紋擴(kuò)展方向，減小煤層破裂壓力及裂縫偏轉(zhuǎn)角度，從而提高鉆孔利用率及瓦斯抽采效果。但是對(duì)于松軟煤層，水力壓裂技術(shù)依舊面臨著水鎖效應(yīng)影響煤層瓦斯解吸、壓裂裂隙快速閉合的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種定向水力裂切煤層卸壓增透裝置及卸壓增透方法，本發(fā)明首先采用后混式高壓磨料氣體射流煤層割縫裝置對(duì)卸壓煤層進(jìn)行定向割縫，預(yù)制煤層定向裂隙。切縫完成后，在不需要注漿封孔的前提下，在鉆孔內(nèi)采用以高壓水為動(dòng)力源的脹裂器對(duì)預(yù)制裂縫處的煤層進(jìn)行動(dòng)態(tài)定向壓裂，控制裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)展，形成致密裂隙網(wǎng)絡(luò)，防止壓裂裂隙重新閉合，從而達(dá)到煤層增透卸壓，強(qiáng)化瓦斯抽采的目的。