本發(fā)明涉及礦井下低透氣性、高瓦斯“三軟”煤層瓦斯抽采技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種煤層頂板水力壓裂系統(tǒng)及其實(shí)施方法。

背景技術(shù)：

目前，我國(guó)絕大部分高瓦斯和突出礦井所開(kāi)采的煤層屬于低滲煤層，透氣性差，瓦斯抽采困難，效率偏低，特別對(duì)于含有“三軟”煤層這種地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、賦存條件差、煤層軟、頂?shù)装逡曹浀拿旱V，這些情況尤為突出，嚴(yán)重制約了礦井安全生產(chǎn)。作為一種低滲透煤層卸壓增透措施，水力壓裂具有工藝簡(jiǎn)單、影響范圍大和危險(xiǎn)性小等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。

目前，水力壓裂主要采用穿層鉆孔與順層鉆孔兩種方式，這兩種施工方式要求水力壓裂鉆孔和抽采孔全部或部分布置在煤層中，當(dāng)增透目標(biāo)是“三軟”低透氣性高瓦斯煤層這種松軟的煤層時(shí)，由于強(qiáng)度低、易破碎，煤層中鉆孔施工困難且危險(xiǎn)，即使施工好的鉆孔，受地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、采掘應(yīng)力等因素的影響，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)坍塌、壓實(shí)等現(xiàn)象，以至于執(zhí)行后續(xù)的卸壓措施時(shí)煤層鉆孔已經(jīng)嚴(yán)重變形甚至損壞，另外高壓水在煤層鉆孔里極易與軟煤結(jié)合形成煤泥(漿)也會(huì)導(dǎo)致塌孔，此外，高壓水作用于煤層鉆孔四周松軟煤體時(shí)更容易造成其塑性變形，煤體會(huì)進(jìn)一步被壓實(shí)，導(dǎo)致卸壓增透范圍很小，效果很差，甚至沒(méi)有效果。因此，在“三軟”低透氣性高瓦斯軟煤層中實(shí)施水力壓裂增透措施往往達(dá)不到理想的效果，造成大量人力、物力及財(cái)力的浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明的目的是提供一種煤層頂板水力壓裂系統(tǒng)及其實(shí)施方法，以解決現(xiàn)有礦井下低透氣性、高瓦斯“三軟”煤層瓦斯抽采困難效率低的問(wèn)題。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種煤層頂板水力壓裂系統(tǒng)，包括水箱、壓裂泵和高壓管路，所述水箱的出水口通過(guò)出水管與所述壓裂泵的進(jìn)水口連接，所述壓裂泵的一側(cè)連接一動(dòng)力系統(tǒng)，所述壓裂泵的出水口與所述高壓管路的一端連接，所述高壓管路的另一端設(shè)有用于置入煤層頂板的水力壓裂鉆孔內(nèi)的置入位。

其中，所述壓裂泵的出水口處設(shè)有一壓力表和截止閥。

其中，所述壓裂泵的出水口處通過(guò)變徑接頭與所述高壓管路連通。

其中，所述水箱的進(jìn)水口設(shè)置用于連接所述礦井巷道的水管的連接位。

其中，所述水力壓裂系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述礦井巷道的頂部的瓦斯探頭。

其中，所述水力壓裂系統(tǒng)還包括用于抽采瓦斯的抽采管路。

本發(fā)明還提供一種煤層頂板水力壓裂系統(tǒng)的實(shí)施方法，包括以上任一項(xiàng)所述的水力壓裂系統(tǒng)，其特征在于，所述水力壓裂系統(tǒng)實(shí)施方法包括如下步驟：

開(kāi)孔，選定水力壓裂鉆孔位置，并平行于煤層開(kāi)設(shè)多個(gè)水力壓裂鉆孔；

壓裂，保持水管向水箱內(nèi)正常輸水，開(kāi)啟壓裂泵和動(dòng)力系統(tǒng)，壓裂水通過(guò)供水管進(jìn)入水箱，在動(dòng)力系統(tǒng)的作用下壓裂水從水箱進(jìn)入壓裂泵，經(jīng)過(guò)壓裂泵壓裂水變?yōu)楦邏簤毫阉?，高壓壓裂水通過(guò)高壓管路進(jìn)入水力壓裂鉆孔，煤層頂板在高壓壓裂水的作用下裂隙結(jié)構(gòu)遭到破壞而形成裂縫；

抽采，斷開(kāi)壓裂泵與變徑接頭的連接，將變徑接頭與礦井巷道內(nèi)的抽采管路連接，完成瓦斯的抽采。

其中，多個(gè)所述水力壓裂鉆孔之間的間距為10m，所述水力壓裂鉆孔的深度為50m。

其中，所述壓裂泵的出口處壓裂水的壓力范圍為5～35mpa。

其中，所述抽采管路上設(shè)有接口用以測(cè)試抽采瓦斯的參數(shù)值。

其中，所述抽采步驟還包括：觀察并記錄瓦斯探頭的讀數(shù)，瓦斯探頭監(jiān)測(cè)瓦斯超限濃度為1％。

(三)有益效果

本發(fā)明提供的一種煤層頂板水力壓裂系統(tǒng)及其實(shí)施方法，通過(guò)壓裂泵提供高壓壓裂水，高壓管路對(duì)“三軟”低透氣性高瓦斯軟煤層頂板進(jìn)行注水壓裂，方便對(duì)瓦斯的抽采，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作；實(shí)施方法簡(jiǎn)便易行，提高了瓦斯的抽采效率和安全系數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的水力壓裂鉆孔的布置圖。

圖中，1：煤層頂板；2：煤層；3：水力壓裂鉆孔；4：礦井巷道；5：水箱；6：壓裂泵；7：變徑接頭；8：高壓管路；9：瓦斯探頭；10：水管；11：出水管；12：動(dòng)力系統(tǒng)；13：壓力表；14：截止閥。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

本發(fā)明實(shí)施例針對(duì)現(xiàn)有對(duì)“三軟”低透氣性高瓦斯軟煤層中的瓦斯開(kāi)采困難的問(wèn)題，提供一種煤層頂板水力壓裂系統(tǒng)。

如圖1所示，一種煤層頂板水力壓裂系統(tǒng)，所述水力壓裂系統(tǒng)用于安裝在礦井巷道4內(nèi)，包括水箱5、壓裂泵6和高壓管路8，所述水箱5的出水口通過(guò)出水管11與所述壓裂泵6的進(jìn)水口連接，所述壓裂泵6的一側(cè)連接一動(dòng)力系統(tǒng)12，所述壓裂泵6的出水口與所述高壓管路8的一端連接，所述高壓管路8的另一端設(shè)有用于置入煤層頂板1的水力壓裂鉆孔3內(nèi)的置入位。

其中，本發(fā)明實(shí)施例優(yōu)適用于“三軟”低透氣性高瓦斯煤層，水力壓裂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)置在礦井巷道4內(nèi)，便于施工，水力壓裂系統(tǒng)包括水箱5、壓裂泵6和高壓管路8，水箱5的進(jìn)水口設(shè)置用于連接礦井巷道4的水管10的連接位，提供充足的壓裂水。

進(jìn)一步的，水箱5的出水口通過(guò)出水管11與壓裂泵6的進(jìn)水口連接，壓裂泵6的一側(cè)連接一動(dòng)力系統(tǒng)12，在動(dòng)力系統(tǒng)12的作用下壓裂水從水箱5內(nèi)進(jìn)入壓裂泵6，進(jìn)而對(duì)壓裂水加壓。

進(jìn)一步的，壓裂泵6的出水口處設(shè)有一壓力表13和截止閥14，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格監(jiān)測(cè)壓裂泵6施壓以后壓裂水的壓力，壓裂泵6出水口的端部通過(guò)變徑接頭7與高壓管路8的入口端連接。

其中，高壓管路8的出口端設(shè)在煤層頂板1的水力壓裂鉆孔3內(nèi)，煤層頂板1設(shè)有多個(gè)水力壓裂鉆孔3，并逐一對(duì)水力壓裂鉆孔3注入壓裂水，使煤層頂板1形成多個(gè)裂縫，實(shí)現(xiàn)煤層2的卸壓增透。

進(jìn)一步的，水力壓裂系統(tǒng)還包括設(shè)置在礦井巷道4的頂部的多個(gè)瓦斯探頭9，用監(jiān)控礦井巷道4內(nèi)瓦斯的濃度，水力壓裂系統(tǒng)還包括用于抽采瓦斯的抽采管路，保證施工安全。

本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)施方法，包括如下步驟：

開(kāi)孔，選定水力壓裂鉆孔，以煤層頂板的偽頂厚度為1m～2m為佳，距離直接頂1m～1.5m處，且平行于煤層開(kāi)設(shè)多個(gè)水力壓裂鉆孔；

試壓，開(kāi)啟水力壓裂系統(tǒng)，檢驗(yàn)穩(wěn)定后，將高壓管路的出水口放入水力壓裂鉆孔內(nèi)，檢測(cè)高壓管路的通暢性和水力壓裂鉆孔的嚴(yán)密性；

注水，保持水管向水箱內(nèi)正常輸水，開(kāi)啟壓裂泵和動(dòng)力系統(tǒng)，壓裂水通過(guò)供水管進(jìn)入水箱，在動(dòng)力系統(tǒng)的作用下壓裂水從水箱進(jìn)入壓裂泵，經(jīng)過(guò)壓裂泵壓裂水變?yōu)楦邏簤毫阉?，高壓壓裂水通過(guò)高壓管路進(jìn)入水力壓裂鉆孔，持續(xù)向水力壓裂鉆孔內(nèi)注入壓裂水至需求壓力；

壓裂，煤層頂板在高壓壓裂水的作用下裂隙結(jié)構(gòu)遭到破壞而形成裂縫，當(dāng)壓力迅速下降時(shí)或瓦斯探頭實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛壬邥r(shí)，低壓注水15min～25min后關(guān)閉水力壓裂系統(tǒng)；

抽采，斷開(kāi)壓裂泵與變徑接頭的連接，將變徑接頭與礦井巷道內(nèi)的抽采管路連接，完成瓦斯的抽采。

具體實(shí)施過(guò)程如下：

如圖2所示，開(kāi)孔，選定水力壓裂鉆孔的位置，選厚度為2m的煤層頂板的偽頂，且距離直接頂1.5m處鉆孔，保證水力壓裂鉆孔與下側(cè)的煤層平行，并開(kāi)設(shè)多個(gè)水力壓裂鉆孔，水力壓裂鉆孔的深度為50m，間距為10m，保證間距在單個(gè)水力壓裂鉆孔的壓裂有效影響半徑之內(nèi)。

試壓，檢查水力壓裂系統(tǒng)正常后開(kāi)啟電源，開(kāi)啟壓裂泵進(jìn)行試運(yùn)行5分鐘，檢驗(yàn)其穩(wěn)定性；將高壓管路的出水口放置到水力壓裂鉆孔中，并進(jìn)行正式壓裂前的試壓，觀察壓力表，若出現(xiàn)壓力在低位徘徊，確定是封孔不嚴(yán)漏水，則此孔作廢，若出現(xiàn)壓力急劇上升，可能是高壓管路堵塞所致，此時(shí)需泄壓、關(guān)停壓裂泵，通暢高壓管路后重新進(jìn)行打壓試驗(yàn)，若壓力緩慢上升，且達(dá)到8.0mpa，無(wú)孔口漏水、高壓管路堵塞等異常情況，則水力壓裂系統(tǒng)為正常狀態(tài)，關(guān)閉系統(tǒng)，直到水壓正常之后將水力壓裂鉆孔的孔口密封。

注水，開(kāi)啟水力壓裂系統(tǒng)，運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，開(kāi)啟井下巷道的水管的水閥，保持水管向水箱內(nèi)正常輸水，壓裂水通過(guò)供水管進(jìn)入水箱，在動(dòng)力系統(tǒng)的作用下壓裂水從水箱進(jìn)入壓裂泵，經(jīng)過(guò)壓裂泵壓裂水變?yōu)楦邏簤毫阉?，高壓壓裂水通過(guò)高壓管路進(jìn)入水力壓裂鉆孔，持續(xù)向水力壓裂鉆孔內(nèi)注入壓裂水，進(jìn)而對(duì)煤層頂板施壓，該水力壓裂系統(tǒng)采用動(dòng)壓注水，開(kāi)始時(shí)壓力先緩慢升到8mpa，以后每5min升壓2mpa，對(duì)頂板進(jìn)行壓裂作業(yè)。

壓裂，當(dāng)壓裂泵注壓力達(dá)到需求壓力，水壓調(diào)節(jié)范圍在5～35mpa，穩(wěn)定一段時(shí)間后，壓力迅速下降，并持續(xù)加壓時(shí)壓裂泵注壓力無(wú)明顯上升，或者通過(guò)對(duì)散發(fā)到巷道內(nèi)的瓦斯用瓦斯探頭9實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛让黠@升高時(shí)，說(shuō)明目標(biāo)煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生大量裂縫，此時(shí)可以用低壓大排量檔位注水，擴(kuò)大裂縫范圍，20min后壓裂泵的壓力降為峰值壓力的30％左右，可以作為注水結(jié)束時(shí)間，關(guān)停水力壓裂系統(tǒng)，打開(kāi)卸壓閥，壓裂結(jié)束，整個(gè)壓裂時(shí)間一般在2小時(shí)左右。

抽采，斷開(kāi)壓裂泵與變徑接頭的連接，將變徑接頭與礦井巷道內(nèi)的抽采管路連接，并在抽采管路上留有相應(yīng)的接口，對(duì)抽采的瓦斯進(jìn)行濃度、流量、負(fù)壓等參數(shù)的測(cè)試，完成整個(gè)瓦斯的抽采。

其中，在整個(gè)實(shí)施過(guò)程中，觀察并詳細(xì)記錄瓦斯探頭的讀數(shù)，掌握壓裂期間巷道的瓦斯?jié)舛茸兓闆r，一旦發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛犬惓?，要及時(shí)進(jìn)行泵注程序調(diào)整，若瓦斯探頭濃度超限1％，則暫停注水，有異常情況要及時(shí)撤人，保證施工安全。

本發(fā)明提供的一種煤層頂板水力壓裂系統(tǒng)及其實(shí)施方法，通過(guò)壓裂泵控制水壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)“三軟”低透氣性高瓦斯軟煤層頂板進(jìn)行最適壓力壓裂，方便對(duì)瓦斯的抽采，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作；實(shí)施方法簡(jiǎn)便易行，提高了瓦斯的抽采效率和安全系數(shù)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。