1.本发明属于煤矿瓦斯治理技术领域，具体涉及一种井上下联合精准消除煤与瓦斯突出的方法。
背景技术：
2.煤与瓦斯突出是煤体-围岩区域动力系统受到采掘工程动力扰动而引发的一种矿井动力现象，是严重威胁我国煤矿安全生产的自然动力灾害。地壳内的构造应力场决定了突出在时间和空间上的不均匀分布，地应力为影响矿井突出发生的核心因素，突出过程中，在数秒到数十秒内，大量的含瓦斯破碎煤岩体向采掘空间或巷道抛出，掩埋井下采掘工人，摧毁设施设备，造成重大人员伤亡和财产损失。瓦斯灾害不仅在煤矿事故中所占比例最高，而且危害性也最大。
3.国内外学者开展了大量的物理模拟试验，但对煤与瓦斯突出机理的认识无法达到明确统一。瓦斯地质实践表明，地质构造是控制煤与瓦斯突出事故的主要地质因素。通过对我国煤与瓦斯突出事故统计分析表明，煤与瓦斯突出在井田中的分布是不均匀的，比较集中发生在对矿区或井田总体上起控制作用的断层附近，其中断层端部和向斜轴部是发生煤与瓦斯突出事故的高危地段。通过研究及井下施工验证，断层端部往往是地应力高度集中地带，当断层尖灭于煤层中时，断层尖灭处往往派生和伴生构造发育，煤体结构遭受破坏严重，因而聚集大量的高能瓦斯，为发生煤与瓦斯突出事故创造了条件。
4.径向井技术具有定向能力强、延伸距离远的优势，同时，径向分支施工过程中，喷射液不停携带煤粉及瓦斯冲出地面，具有解除井筒附近应力集中，沟通煤层原始裂隙的作用。根据水力压裂力学原理，压裂时压裂液首先进入张开度较大的层理或裂隙弱面，然后张开度较小的次级裂隙弱面扩展，直至煤层的微裂隙；通过压裂液在裂隙弱面内对壁面产生的内压作用，致使各级裂隙弱面不断扩展、延伸，相互之间贯通，形成相互交织的裂隙网络，从而起到煤层增流增渗能力，破坏原始高应力不均衡分布情况。
技术实现要素：
5.本发明针对规划巷道区域断层端部和向斜轴部容易发生煤与瓦斯突出事故的问题，提供一种井上下联合精准消除煤与瓦斯突出的方法。
6.本发明采用如下技术方案：一种对规划巷道区域断层端部和向斜轴部应力集中区，开展井上下联合精准压裂及抽采，消除煤与瓦斯突出的方法。该方法包括结合地质资料预判煤与瓦斯突出点（一般为断层端部和向斜轴部）；在对应的地面位置施工钻孔；对钻孔进行径向井改造，解除井筒附近应力集中，沟通煤层原始裂隙；压裂改造，基于径向井施工的径向分支，起到导向的作用；利用井下长钻孔进行抽放，达到消除煤与瓦斯突出的目的。具体包括如下步骤：1. 结合地形地质条件，在断层端部和向斜轴部，预判为煤与瓦斯突出点重点区域。
径向分支层。
20.图2为径向分布部署平面图；图3为径向分布部署剖面图；其中：8-井眼；9-地层。
21.图4为径向井分支部署及裂缝延伸图；其中：10-井筒；11-主裂隙方向；12-压裂裂缝延伸方向；13-次生裂隙。
22.图5为井上下联合抽采示意图；其中：14-地面钻孔；15-钻场；16-井下长钻孔；17-压裂影响范围。
具体实施方式
23.结合附图，对本发明做进一步说明。
24.一种井上下联合精准消除煤与瓦斯突出的方法，包括如下步骤：（1）根据三维地震资料和已有资料进行地质预判，推测可能存在的煤与瓦斯突出点。根据现场经验，将井位初步设计在规划巷道附近的断层端部和向斜轴部。
25.（2）结合地形条件和井位部署原则进行井位部署。防突井布置必须与矿井采掘工作相衔接。防突井靶心或者改造后应贯通推测突出区域。防突井布置必须充分考虑构造发育的方向、大小及可能影响的区域。
26.（3）进行钻井施工，采用二开井身结构，为便于后续径向施工，采用套管完井的方式。
27.a. 一开采用φ311.15mm钻头钻进，钻入稳定基岩10m后，下入j55钢级φ244.5mm套管，固井水泥返至地面，目的是封住第四系和新生系上部易垮易漏失地层，为二开安全钻进创造条件。
28.b. 二开采用φ215.9mm钻头钻进至目的煤层底板以下40m，常规测井后，下入n80钢级φ177.8mm生产套管，固井水泥返至地面。
29.（4）通过实施径向水力喷射钻孔技术，尽可能多地沟通煤层裂隙，扩大平面和剖面煤层气藏渗流能力或增加卸压半径。结合地质条件和煤储层条件，设计径向分支参数，包括分支长度，分支孔径，分支个数，分支层数等。其中，分支个数总过流面积要满足后续压裂排量的需求。
30.（5）径向分支施工方位的确定主要受地应力和主裂隙方位的影响，若与最大主应力方向大角度相交，钻孔容易受最大主应力的影响引起坍塌，应尽可能地与最大主应力方向平行。钻孔与主裂隙方位的空间关系决定着钻孔的影响范围，在ii、iii类煤中，煤的内生裂隙和外生裂隙均较为发育，在考虑地应力因素的同时，还要尽可能地与主裂隙方位成大角度相交。
31.（6）鉴于煤储层一般粘土矿物含量相对较高，影响压裂增透效果，使用一定浓度的 kcl 溶液作为喷射液，既能防治煤层有较大的膨胀量，又能降低溶液的表面张力，利于喷射液的排渣解阻。使用质量浓度为2-3%的 kcl 溶液。
32.（7）水力压裂的主要目的是通过对煤层实施有控制的增透改造，使煤体裂隙系统在水力作用下得到充分有效的扩展和延伸，从而达到煤储层增流增渗的效果，进而更有利于煤储层内的瓦斯气体的排放及抽采。径向井施工结束后进行水力压裂施工，井下径向分
支施工过程中可以有效地沟通原始次裂隙，后续的水力压裂作业可以使压裂裂缝在近井端沿径向分支孔眼延伸，在远端受到地应力影响，裂缝将沿着主裂隙的方位扩展，从而大幅度增加裂缝的延伸面积，提高增透效果。
33.（8）地面径向及导向压裂结束后，井下长钻孔通过导向作用向压裂影响范围内施工，可高效抽采瓦斯，从根本上降低构造高应力区的应力，消除煤与瓦斯突出的隐患。
技术特征：
1.一种井上下联合精准消除煤与瓦斯突出的方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，结合地质资料预判煤与瓦斯突出点，为断层端部和向斜轴部；第二步，结合地形条件和井位部署原则，进行防突井井位部署，井位部署与矿井采掘工作相衔接，防突井靶心或者改造后贯通突出点；第三步，地面施工垂直钻孔；第四步，对钻孔进行径向井改造，解除井筒附近应力集中，沟通煤层原始裂隙；第五步，径向井施工结束后，进行水力压裂施工；第六步，地面径向及导向压裂结束后，利用井下长钻孔进行抽放，达到消除煤与瓦斯突出。2.根据权利要求1所述的一种井上下联合精准消除煤与瓦斯突出的方法，其特征在于：第二步中所述井位部署位置，施工时间为2-3个月，地面孔压裂时井下长钻孔或其他抽放孔距离部署位置200m以上。3.根据权利要求1所述的一种井上下联合精准消除煤与瓦斯突出的方法，其特征在于：第三步中所述地面施工垂直钻孔，采用二开井身结构，并套管完井，（1）一开采用φ311.15mm钻头钻进，钻入稳定基岩10m后，下入j55钢级φ244.5mm套管，固井水泥返至地面；（2）二开采用φ215.9mm钻头钻进至目的煤层底板以下40m，常规测井后，下入n80钢级φ177.8mm生产套管，固井水泥返至地面。4.根据权利要求1所述的一种井上下联合精准消除煤与瓦斯突出的方法，其特征在于：第四步中所述径向井改造，对目的层设计3-4个层次，每个层次间隔1m，单层钻进2-4个径向孔，单支长度为80-100m。5.根据权利要求1所述的一种井上下联合精准消除煤与瓦斯突出的方法，其特征在于：第四步中所述径向井改造，使用质量浓度为2-3%的kcl溶液作为喷射液。6.根据权利要求1所述的一种井上下联合精准消除煤与瓦斯突出的方法，其特征在于：第五步中所述水力压裂施工，压裂裂缝延伸方向最终与主应力的方向一致。7.根据权利要求1所述的一种井上下联合精准消除煤与瓦斯突出的方法，其特征在于：第五步中所述水力压裂施工，采用光套管大规模压裂，排量为8方/分钟，总液量为600方，砂量按照7倍煤层厚度考虑，压裂液使用质量浓度为2-3%的 kcl 溶液。
技术总结
一种井上下联合精准消除煤与瓦斯突出的方法，属于煤矿瓦斯治理技术领域，可解决规划巷道区域断层端部和向斜轴部容易发生煤与瓦斯突出事故的问题，该方法包括结合地质资料预判煤与瓦斯突出点（一般为断层端部和向斜轴部）；在对应的地面位置施工钻孔；对钻孔进行径向井改造，解除井筒附近应力集中，沟通煤层原始裂隙；压裂改造，基于径向井施工的径向分支，起到导向的作用；利用井下长钻孔进行抽放，达到消除煤与瓦斯突出的目的。该方法是一种积极主动的预判并消除煤与瓦斯突出的方法。主动的预判并消除煤与瓦斯突出的方法。主动的预判并消除煤与瓦斯突出的方法。
技术研发人员：刘亮亮 潘结南 石亚男 王越 白杨 李德慧 徐云 张永成 秦玉霞 张为
受保护的技术使用者：山西晋煤集团技术研究院有限责任公司
技术研发日：2021.12.28
技术公布日：2022/3/25