一種預(yù)裂與高壓注水相結(jié)合的低透氣性煤層弱化增透方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤層弱化增透方法，尤其涉及一種預(yù)裂與高壓注水相結(jié)合的低透氣性煤層弱化增透方法。
【背景技術(shù)】
[0002]與世界上多數(shù)國(guó)家的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)相比，煤炭在中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占有特別重要的地位，僅2012年，中國(guó)原煤產(chǎn)量就達(dá)到了 36.5億噸，煤炭消費(fèi)占總能源量的比例接近70%。就目前中國(guó)已發(fā)現(xiàn)的煤炭資源來說，有近一半埋藏于-1000m以下，其地質(zhì)總儲(chǔ)量高達(dá)3萬(wàn)億噸左右。目前，從整體來看，中國(guó)煤炭資源后備不足，老礦區(qū)煤炭資源開始逐步萎縮，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)能源的需求也更加迫切，煤礦開采的深度和難度也越來越突出，各國(guó)礦山都逐漸轉(zhuǎn)入深部開采階段。據(jù)專家預(yù)計(jì)，根據(jù)目前中國(guó)煤炭資源的實(shí)際情況，預(yù)計(jì)20年后中國(guó)很多煤礦將進(jìn)入到1000?1500m的開采深度。比如，僅中國(guó)山東省千米深井煤炭資源儲(chǔ)量已經(jīng)占到總儲(chǔ)量的四成多，目前，在全國(guó)47個(gè)超千米的深井中，山東有21處。深部開采帶來的高地應(yīng)力、高瓦斯壓力加之我國(guó)的煤層普遍的滲透率較低，易造成沖擊地壓、煤與瓦斯突出等事故頻發(fā)，嚴(yán)重制約著礦井高效集約化開采和安全生產(chǎn)。
[0003]目前低透氣性煤層弱化增透措施主要有深孔松動(dòng)爆破、水射流割縫、水力沖孔以及井下高壓注水致裂弱化等。其中深孔松動(dòng)爆破、水射流割縫、水力沖孔技術(shù)存在影響半徑小、工作量大、施工較為復(fù)雜等問題，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用普遍性不高。煤層注水作為礦井沖擊地壓、煤與瓦斯突出等安全問題的有效方法，目前還缺少全面系統(tǒng)的研究，導(dǎo)致中國(guó)煤礦的煤層注水弱化增透效果較差；此外，高壓水受煤體應(yīng)力分布和煤層主裂隙的影響，還不能控制裂隙擴(kuò)展方向，局部煤體卸壓，局部煤體應(yīng)力卻發(fā)生集中；水空間分布的不均勻性反而導(dǎo)致局部瓦斯含量和壓力的異常升高，成為工作面生產(chǎn)的安全威脅；注水壓力衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致注水影響半徑較小，現(xiàn)場(chǎng)施工量大，裂縫呈現(xiàn)“外密內(nèi)疏”，導(dǎo)致鉆孔封孔效果差，注水時(shí)出現(xiàn)深部注水困難，水從工作面淺部的巷幫側(cè)流出的現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種預(yù)裂與高壓注水相結(jié)合的低透氣性煤層弱化增透方法。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明方案包括:
[0006]—種預(yù)裂與高壓注水相結(jié)合的低透氣性煤層弱化增透方法，其包括以下步驟:
[0007]用鉆機(jī)在工作面順槽預(yù)開采煤層側(cè)施工多個(gè)煤層弱化增透單元，在一個(gè)煤層弱化增透單元內(nèi)預(yù)設(shè)對(duì)應(yīng)的預(yù)裂裝置，起爆對(duì)應(yīng)預(yù)裂裝置后向該煤層弱化增透單元內(nèi)注入高壓水，待注水壓力突然降低并保持相應(yīng)壓力無(wú)變化，且煤層弱化增透單元有穩(wěn)定壓力水流出時(shí)，停止向該煤層弱化增透單元內(nèi)注水，完成對(duì)該煤層弱化增透單元的弱化增透；然后對(duì)下一個(gè)煤層弱化增透單元進(jìn)行弱化增透，直至完成整個(gè)開采煤層的弱化增透。
[0008]所述的低透氣性煤層弱化增透方法，其中，包括如下具體的步驟:
[0009]A、用鉆機(jī)在工作面順槽預(yù)開采煤層側(cè)施工若干長(zhǎng)度為40m?120m的鉆孔，其中每三個(gè)鉆孔組成一個(gè)上述煤層弱化增透單元，三個(gè)鉆孔中位于中間的鉆孔為高壓注水孔，位于高壓注水孔兩側(cè)的鉆孔為預(yù)裂孔，預(yù)裂孔與高壓注水孔之間的間距為5m?10m，相鄰兩組煤層弱化增透單元之高壓注水孔之間的間距為15m?20m ;
[0010]B、先對(duì)一個(gè)煤層弱化增透單元進(jìn)行弱化增透，每個(gè)預(yù)裂孔內(nèi)都布置有一個(gè)預(yù)裂裝置，采用多根接連在一起的專用安裝桿將預(yù)裂裝置送入對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔內(nèi)，并固定住預(yù)裂裝置的位置，預(yù)裂裝置的卸壓段長(zhǎng)度為對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔深度的20%?30%，預(yù)裂裝置的送入深度不小于對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔深度的80%，采用高分子材料和專用封孔器對(duì)對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度不小于預(yù)裂裝置送入深度的50%，對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔封孔外側(cè)設(shè)置有回流管，回流管外側(cè)接有回流管截止閥，回流管直接接入對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔封孔段內(nèi)側(cè)；
[0011]C、同時(shí)起爆兩個(gè)預(yù)裂裝置，待壓力釋放穩(wěn)定后，向高壓注水鉆孔中送入高壓注水管，采用高分子材料對(duì)高壓注水孔進(jìn)行封孔，注水管外接口接有三通閥和注水管截止閥，三通閥的一端安裝壓力表、流量表并和高壓注水栗相連，三通閥的另一端連接高壓膠管并直通巷道空間；
[0012]D、開啟高壓注水栗，注水壓力設(shè)定為8MPa?18MPa，待注水壓力突然降低并保持相應(yīng)壓力無(wú)變化，打開回流管截止閥，回流管截止閥有穩(wěn)定壓力水流出時(shí)，停止向高壓注水孔內(nèi)注水，完成對(duì)該煤層弱化增透單元的弱化增透；
[0013]E、撤出對(duì)應(yīng)預(yù)裂鉆孔內(nèi)的預(yù)裂裝置，對(duì)下一煤層弱化增透單元進(jìn)行弱化增透，周而復(fù)始，直至完成整個(gè)開采煤層的弱化增透。
[0014]所述的低透氣性煤層弱化增透方法，其中，上述預(yù)裂裝置包括殼體，殼體一端設(shè)置有一泄壓區(qū)域，殼體另一端設(shè)置有液態(tài)二氧化碳貯存室，液態(tài)二氧化碳貯存室與一起爆機(jī)構(gòu)相連接，泄壓區(qū)域末端與液態(tài)二氧化碳貯存室前端之間設(shè)置有能破碎的切變片；泄壓區(qū)域由多個(gè)長(zhǎng)條縫狀結(jié)構(gòu)的開口構(gòu)成，開口均勻布置在殼體上；液態(tài)二氧化碳在起爆機(jī)構(gòu)加熱作用下迅速汽化，沖破切變片由開口排出。
[0015]所述的低透氣性煤層弱化增透方法，其中，上述預(yù)裂孔和高壓注水孔的高分子封孔材料為高分子聚氨酯材料。
[0016]本發(fā)明提供的一種預(yù)裂與高壓注水相結(jié)合的低透氣性煤層弱化增透方法，針對(duì)我國(guó)深部礦井開采低透氣、煤質(zhì)堅(jiān)硬、難注水等問題提出，將液態(tài)二氧化碳相變預(yù)裂與高壓注水技術(shù)相結(jié)合，首先通過液態(tài)二氧化碳相變對(duì)深部煤體先進(jìn)行預(yù)裂，其預(yù)裂作用有四個(gè)，一是鉆孔深部煤體受液態(tài)二氧化碳汽化時(shí)氣體沿長(zhǎng)條縫狀結(jié)構(gòu)的開口噴出，在剪切力的作用下影響產(chǎn)生主裂隙，二是氣體迅速膨脹的膨脹力作用，迫使煤層中較大裂隙擴(kuò)展聯(lián)通，促使微小孔裂隙形成并逐漸張開，形成相聯(lián)通的再生裂隙網(wǎng)，汽化二氧化碳驅(qū)替煤層中瓦斯，改善煤層瓦斯流動(dòng)狀態(tài)，提高煤體的透氣性；三是通過高壓注水壓力壓裂煤體改變煤體力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)壓力水的擴(kuò)展對(duì)瓦斯起到再次驅(qū)替作用，迫使高壓瓦斯回流，進(jìn)一步提高區(qū)域范圍內(nèi)煤體的透氣性；四是預(yù)裂裝置使得鉆孔深部的裂隙數(shù)量大于淺部，避免了常規(guī)高壓注水時(shí)容易產(chǎn)生的裂隙“內(nèi)疏外密”，使得高壓水向鉆孔深部發(fā)展；本發(fā)明方法通過對(duì)高壓注水孔周圍深部煤體進(jìn)行預(yù)裂作用，顯著增大了注水的影響半徑，加快了高壓注水弱化的工程速度，顯著的提高了高壓水注入時(shí)裂隙擴(kuò)展方向，避免了部分煤體的應(yīng)力集中，從而提高了煤層注水效果，達(dá)到更好的煤體弱化增透目的。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明中預(yù)裂與注水增透的布置示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明中預(yù)裂裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明中預(yù)裂裝置泄壓區(qū)域之開口的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明中預(yù)裂孔的剖面示意圖；
[0021]圖5為本發(fā)明中預(yù)裂效果的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明提供了一種預(yù)裂與高壓注水相結(jié)合的低透氣性煤層弱化增透方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0023]本發(fā)明提供了一種預(yù)裂與高壓注水相結(jié)合的低透氣性煤層弱化增透方法，其包括以下步驟:用鉆機(jī)在工作面順槽預(yù)開采煤層側(cè)施工多個(gè)煤層弱化增透單元，在一個(gè)煤層弱化增透單元內(nèi)預(yù)設(shè)對(duì)應(yīng)的預(yù)裂裝置，起爆對(duì)應(yīng)預(yù)裂裝置后向該煤層弱化增透單元內(nèi)注入高壓水，待注水壓力突然降低并保持相應(yīng)壓力無(wú)變化，且煤層弱化增透單元有穩(wěn)定壓力水流出時(shí)，停止向該煤層弱化增透單元內(nèi)注水，完成對(duì)該煤層弱化增透單元的弱化增透；然后對(duì)下一個(gè)煤層弱化增透單元進(jìn)行弱化增透，直至完成整個(gè)開采煤層的弱化增透。
[0024]其更為具體的是，如圖1、圖4與圖5所示的，包括如下具體的步驟:
[0025]步驟A:用鉆機(jī)在工作面順槽預(yù)開采煤層側(cè)施工若干長(zhǎng)度為40m?120m的鉆孔，其中每三個(gè)鉆孔組成一個(gè)上述煤層弱化增透單元，三個(gè)鉆孔中位于中間的鉆孔為高壓注水孔2，位于高壓注水孔兩側(cè)的鉆孔為預(yù)裂孔1，預(yù)裂孔1與高壓注水孔2之間的間距為5m?10m，相鄰兩組煤層弱化增透單元之高壓注水孔2之間的間距為15m?20m ;
[0026]步驟B:先對(duì)一個(gè)煤層弱化增透單元進(jìn)行弱化增透，每個(gè)預(yù)裂孔1內(nèi)都布置有一個(gè)預(yù)裂裝置13，采用多根接連在一起的專用安裝桿8將預(yù)裂裝置13送入對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔1內(nèi)，并固定住預(yù)裂裝置13的位置，預(yù)裂裝置13的卸壓段長(zhǎng)度為對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔1深度的20%?30%，預(yù)裂裝置13的送入深度不小于對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔1深度的80%，采用高分子材料10和專用封孔器7對(duì)對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔1進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度不小于預(yù)裂裝置13送入深度的50%，對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔1封孔外側(cè)設(shè)置有回流管9，回流管9設(shè)置有回流管壓力表11，回流管9外側(cè)接有回流管截止閥12，回流管9直接接入對(duì)應(yīng)預(yù)裂孔1封孔段內(nèi)側(cè)；
[0027]步驟C:同時(shí)起爆兩個(gè)預(yù)裂裝置13，待壓力釋放穩(wěn)定后，向高壓注