一种基于顶板水平井一井多用的充填开采方法与流程

本发明属于矿山充填，涉及一种基于顶板水平井一井多用的充填开采方法。

背景技术：

1、我国煤系地层发育，如鄂尔多斯盆地、沁水盆地煤炭资源丰富，煤炭资源伴生的有丰富的煤层气(瓦斯)，由于瓦斯含量巨大，在煤炭资源开采过程中容易产生突出或者煤与瓦斯突出现象，同时，在采煤过程中由于顶板主要以坚硬难冒的砂岩和砾岩为主，开采后较大面积不垮落，矿压显现剧烈，大面积冒落时产生暴风和冲击波,破坏十分激烈、局部冲击地压及煤柱集中压力表现显著。并且随着煤炭资源高强度的开采伴随大面积采空区的出现，致使地表沉陷、含水层破坏、水土流失、矸石固废堆放、瓦斯灾害、采场顶板大面积垮落飓风灾害等问题，从而导致区域生态紊乱。

2、为了解决矿山开采过程中产生的一系列问题，基于顶板水平井一井多用的充填开次方法应运而生，一井多用不仅可以作为煤层气(瓦斯)抽采和解决顶板冲击地压的通道，也可以作为矿山充填开采料浆输送的通道。目前煤层气抽采主要以水平井为主，而矿压的解决主要以井下长钻孔为主，矿山充填主要以直井作为料浆输送通道，因此针对不同的灾害治理需要利用不同的方式，为此，为了满足煤层气(瓦斯)、矿压、充填多种灾害的治理，需要探索利用一种通道解决多种灾害。

3、现有的方法存在以下几个方面：

4、一方面为了安全高效的开采煤炭资源，需要对高瓦斯矿井中的煤层进行提前预抽，但是由于直井与煤层接触面较小，难易高效解决煤层瓦斯突出的问题，因此应运而生产生了水平井工艺，煤层气抽采过程中利用顶板水平井进行水力压裂，可以针对碎软煤或硬煤。针对煤炭资源开采过程中，大面积悬顶而不垮落，从而矿压显现剧烈，大面积冒落时产生暴风和冲击波,破坏十分激烈局部冲击地压及煤柱集中压力表现显著，从而利用煤层气抽采过程中的顶板水平井在煤炭资源开采前进行加密压裂，从而为顶板冲击地压问题提供了通道。在煤炭资源开采过程中产生的采空区，利用顶板水平井作为充填通道，实现煤炭资源的随采随充。在煤炭资源开采过程中，若针对每一种灾害治理单独施工钻井，由于多灾害在时间和空间上相互叠置，井群之间会产生相互影响。对于多灾害重叠的情况，如果为了避免井间干扰加大井距，则有可能导致灾害治理偏离灾害治理区，影响后期灾害治理。同时针对每一种灾害单独施工钻井也会增大钻井施工成本，延长钻井周期等。因此，在煤炭资源开采的过程中可考虑一井多用，避免多灾害协调治理过程中的井间干扰，同时缩短灾害治理的钻井工期，降低钻井成本，提高井筒利用效率。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供了一种基于顶板水平井一井多用的充填开采方法，解决了现有煤炭资源开采过程中及灾害治理过程中施工多种井，浪费成本也严重制约充填开采的效率。

2、本发明的目的可以采用下列技术方案来实现：

3、一种基于顶板水平井一井多用的充填开采方法，设置井筒，所述的井筒包括垂直井井筒和水平井井筒；水平井井筒的方位沿煤层工作面的走向布设，水平井井筒的长度根据所在区域煤层的埋藏深度和水平井钻井过程中水垂比工艺确定；

4、水平井井筒施工完成后，进行分段压裂，实现目标储层的增产改造；

5、目标储层的增产改造-煤层气抽采结束后，进行水力压裂裂缝加密，确定应力增高区范围、压裂后应力减弱区岩体承担的上覆载荷和应力增高区的最大载荷；

6、利用udec二维离散元数值模拟软件研究煤岩体采动裂隙场时空演化规律，确定工作面的充填步距，根据工作面的充填步距，利用切割工具从压裂段开始切割，随着工作面的推进，沿着工作面走向方向，直接顶板破断垮塌，充填管道裸露截断，从而实现煤炭资源的随采随充。

7、可选的，所述的水平井井筒的：水垂比最大不超过3；管径为139.7～273mm，全井最大井斜角≤3°，全角变化率≤1.4°/25m。

8、可选的，所述的目标储层的增产改造包括：煤层气抽采的段间距设置为50～60m。

9、可选的，所述的水力压裂裂缝加密包括：顶板冲击地压治理过程中压裂间距设置为30～50m，射孔位置位于两段交点位置，孔密为12～16孔/米，射孔排量10m3/min左右。

10、可选的，所述的应力增高区范围为：

11、

12、式中，a为应力增高区范围，m；c为压裂层与压裂上层岩层接触面的黏聚力，mpa；θ为压裂层与压裂上层岩层接触面的内摩擦角，°；a为侧压系数；hc为压裂层高度，m；kt为压裂后t时刻巷帮侧支撑应力集中系数；γ为上覆岩层容重，mn/m3；h为压裂层所处岩层深度，m。

13、可选的，所述的压裂后应力减弱区岩体承担的上覆载荷为：

14、

15、式中，εt为压裂层cd范围内岩体产生的弹性变形，e为压裂层岩体的弹性模量，ν为泊松比，煤层所受载荷为q，mpa。

16、可选的，所述的应力增高区的最大载荷为：

17、

18、l'为压裂影响范围，m。

19、本发明的有益效果是：

20、在资源开采过程中及灾害治理过程中共用一个井筒解决煤炭资源开采过程中的瓦斯突出、防治冲击地压，为煤炭资源开采过程产生的采空区提供了充填通道，从而避免了地面沉降和生态破坏。通过资源的开发及灾害并举共用一个井筒解决了资源开发和灾害治理中的钻井布置矛盾及井间干扰问题。通过资源开发及灾害治理过程中的一井多用协调开采与治理，缩短煤系资源开采的钻井工期，降低钻井成本，提高井筒使用效率。

技术特征：

1.一种基于顶板水平井一井多用的充填开采方法，其特征在于，设置井筒，所述的井筒包括垂直井井筒和水平井井筒；

2.根据权利要求1所述的基于顶板水平井一井多用的充填开采方法，其特征在于，所述的水平井井筒的特征：水垂比最大不超过3；管径为139.7～273mm，全井最大井斜角≤3°，全角变化率≤1.4°/25m。

3.根据权利要求1或2所述的基于顶板水平井一井多用的充填开采方法，其特征在于，所述的目标储层的增产改造包括：

4.根据权利要求1或2所述的基于顶板水平井一井多用的充填开采方法，其特征在于，所述的水力压裂加密包括：

5.根据权利要求1或2所述的基于顶板水平井一井多用的充填开采方法，其特征在于，所述的应力增高区范围为：

6.根据权利要求1或2所述的基于顶板水平井一井多用的充填开采方法，其特征在于，所述的压裂后应力减弱区岩体承担的上覆载荷为：

7.根据权利要求1或2所述的基于顶板水平井一井多用的充填开采方法，其特征在于，所述的应力增高区的最大载荷为：

技术总结
本发明公开了一种基于顶板水平井一井多用的充填开采方法，设置井筒，所述的井筒包括垂直井井筒和水平井井筒；水平井井筒的方位沿煤层工作面的走向布设，水平井井筒的长度根据所在区域煤层的埋藏深度和水平井钻井过程中水垂比工艺确定；水平井井筒施工完成后，进行分段压裂，实现目标储层的增产改造；目标储层的增产改造结束后，进行水力压裂加密，确定应力增高区范围、压裂后应力减弱区岩体承担的上覆载荷和应力增高区的最大载荷；根据工作面的充填步距，利用切割工具从压裂段切割，实现煤炭资源的随采随充。通过资源开发及灾害治理过程中的一井多用协调开采与治理，缩短煤系资源开采的钻井工期，降低钻井成本，提高井筒使用效率。

技术研发人员：杨建超,孙四清,辛欣,陈崇枫,杜天林,贾立龙,杨新辉,董海潮
受保护的技术使用者：中煤科工西安研究院（集团）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/8/16