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专利号: 2021103612616
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 土层或岩石的钻进;采矿
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法,其特征在于,具体包括以下步骤:S1、设计压裂钻孔(1)参数;施工压裂钻孔(1),根据压裂钻孔(1)倾斜角度α、切顶高度‑1

Hc、单个封孔器长度LP、封孔距离LF来确定压裂钻孔(1)长度Lb,计算公式为:Lb=Hcsin α+LP+LF/2,压裂钻孔(1)自巷道肩窝处以倾角α、长度Lb施工至指定位置;

S2、施工压裂钻孔(1)和导向孔(2);根据单个压裂钻孔(1)水力压裂试验测试得出压裂半径,以小于2倍压裂半径的施工间距Lh来布置压裂钻孔(1),在相邻的两个压裂钻孔(1)中间施工导向孔(2),导向孔(2)参数与压裂钻孔(1)一致;

S3、高压射流切割径向弱面(8);选用侧向射流切割设备(3)并将其射流端推送至压裂钻孔(1)内垂直高度为Hc、孔深为Lc的位置后固定,使其无法沿轴向移动,开启侧向射流切割设备(3),当高压水到达射流端时缓慢旋转侧向射流切割设备(3)使其喷射出的高压射流(7)沿径向切割压裂钻孔(1),形成环状的径向弱面(8),然后关闭侧向射流切割设备(3);

S4、高压射流切割轴向弱面;使侧向射流切割设备(3)后退一个封孔器长度LP的距离,当侧向射流切割设备(3)的射流端到达孔内垂直高度Ha所在位置后,转动侧向射流切割设备(3)使两侧的射流方向连线与巷道走向一致后将其固定,使其无法沿径向旋转,开启侧向射流切割设备(3)后沿压裂钻孔(1)轴向缓慢后退,使高压射流(7)沿轴向切割压裂钻孔(1)形成连续轴向弱面(9),当射流喷嘴退至孔内垂直高度为Hc、孔深为Lc处的位置时,关闭侧向射流切割设备(3)并将其退出压裂钻孔(1),结束射流切割施工;

S5、实施顶板径向水力压裂;将前封孔器(10)、后封孔器(11)通过封孔器连接件连通后接入供水系统,将前封孔器(10)、后封孔器(11)送入压裂钻孔(1)内垂直高度为Hc的径向弱面(8)所在位置,然后开启供水系统,前封孔器(10)和后封孔器(11)受高压水作用膨胀体积变大,封堵钻孔,前封孔器(10)和后封孔器(11)之间形成的空间为封隔段,随着高压水的持续注入,封孔器连接件自身设置的阀门会自动开启,高压水从阀门涌出后充满前封孔器(10)和后封孔器(11)之间的封隔段,然后高压水开始沿径向弱面(8)致裂厚硬顶板,制造沿压裂钻孔(1)径向的水力裂缝面(12),水力裂缝面(12)扩展至导向孔(2)时,会有水流从导向孔(2)内涌出,此时结束水力压裂施工;

S6、将前封孔器(10)和后封孔器(11)后退至压裂钻孔(1)内垂直高度为Ha~Hs的连续轴向弱面(9)区间内,根据压裂钻孔(1)该段的长度重复步骤S5的水力压裂施工流程若干次,制造若干组沿压裂钻孔(1)的轴向水力裂缝面(13),多组轴向水力裂缝面(13)互相贯通形成连续轴向裂缝面(14);

S7、判断压裂效果与补充施工;通过钻孔窥视仪观测压裂钻孔(1)相邻的导向孔(2)内情况,判断压裂钻孔(1)内垂直高度为Hc的径向压裂段是否存在径向水力裂缝面(12)、孔内垂直高度为Ha~Hs的轴向压裂段是否存在轴向水力裂缝面(13);若径向水力裂缝面(12)或轴向水力裂缝面(13)存在,则判断水力压裂施工效果良好;若两者均不存在,则在导向孔(2)内的相应分段,重复步骤S3和S5或重复步骤S4和S6,补充施工径向水力压裂和轴向水力压裂来提高压裂效果。

2.如权利要求1所述的一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法,其特征在于,步骤S1中,压裂钻孔(1)角度α应根据钻机(4)设备情况,角度α=90°;切顶高度Hc与煤层厚度和顶板碎胀系数有关,设为煤层厚度的3~5倍。

3.如权利要求1所述的一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法,其特征在于,步骤S3和步骤S4中,径向弱面(8)切割的垂直高度和切顶高度Hc一致,所在位置的孔深为:Lc=‑1 ‑1

Hcsin α;连续轴向弱面(9)切割起始位置的垂直高度为:Ha=(Hcsin α‑LP)sinα;连续轴向‑1

弱面(9)切割结束于孔内垂直高度Hs的位置,此时孔深Ls=Hssin α,垂直高度Hs为巷道高度的1~2倍,作为施工安全距离来保证巷道不受水力压裂施工影响。

4.如权利要求1所述的一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法,其特征在于,步骤S5中,径向水力压裂施工能形成近水平水力裂缝面,使切顶高度以下的顶板充分垮落。

5.如权利要求1所述的一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法,其特征在于,步骤S6中,轴向水力压裂施工能形成近垂直水力裂缝面,使巷道上方顶板沿侧向破断。

6.如权利要求1所述的一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法,其特征在于,步骤S3中,侧向射流切割设备(3)包括依次连接在一起的双向射流喷嘴、高压钢管(6)、高压软管(5)、高压泵(15)以及水箱(16)。