一种煤矿瓦斯深孔区域化抽采方法与装置

摘要

本发明公开了一种煤矿瓦斯深孔区域化抽采的方法与装置。煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置包括高压大流量集中供液装置、随钻雷达地质探测装置、深孔自适应定向钻机装置、电磁传输高压密封管柱、裸眼随钻分段压裂工具串。随钻雷达地质探测装置在钻进过程中实时连续探测地质构造与煤岩交界面。深孔自适应定向钻机装置基于探测结果自适应调节推进力、回转速度，以提高钻进效率，降低钻进过程卡钻和抱钻概率。本发明的装置及方法可有效指导大区域瓦斯治理尤其是松软煤层的抽采钻孔设计、随钻雷达地质探测、自适应钻进、主孔分段压裂和分支钻孔随钻压裂的实施，从而对以松软煤层为主的煤矿实现井下无巷化大区域瓦斯超前高效抽采。

权利要求

1.一种煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，包括高压大流量集中供液装置、随钻雷达地质探测装置(4)、深孔自适应定向钻机装置、电磁传输高压密封管柱(5)、裸眼随钻分段压裂工具串；所述高压大流量集中供液装置设置有双泵结构(702)，双泵结构(702)出口连接钻进压裂双模式供液切换结构(703)，高压大流量集中供液装置连接电磁传输高压密封管柱(5)；所述电磁传输高压密封管柱(5)为裸眼随钻分段压裂工具串提供压裂液，为深孔自适应定向钻机装置的螺杆马达(3)提供钻进液；所述随钻雷达地质探测装置(4)分别与裸眼随钻分段压裂工具串和深孔自适应定向钻机装置的螺杆马达(3)连接，并通过电磁传输高压密封管柱(5)传输信号；所述裸眼随钻分段压裂工具串设置有随钻压裂电磁传输通讯结构和双模式压差滑套，通过电磁传输通讯结构传输数据，通过双模式压差滑套切换钻进模式和压裂模式；

所述裸眼随钻分段压裂工具串包括上封隔器(802)、双模式压差滑套筛管一体化短节(804)和下封隔器(806)；

所述深孔自适应定向钻机装置包括钻头(1)；

所述双模式压差滑套筛管一体化短节(804)用于在利用煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置进行钻孔施工前，控制所述上封隔器(802)与所述下封隔器(806)之间的间距，使该间距大于钻孔在煤层段内的长度，顶板平行定向长钻孔施工完后，在孔底开始施工第1个分支孔，施工完成后调整所述上封隔器(802)与所述下封隔器(806)的位置使两者分别处于煤层底板和煤层顶板；根据分段水力压裂参数设计启动并控制高压大流量集中供液装置开始压裂，调节压裂压力至高于压裂泵泵压Pw，完成压裂水量V水时停止第1个分支孔压裂；

拖动所述电磁传输高压密封管柱(5)使所述钻头(1)处于第2个分支孔开孔点，第2个开孔点距第1个开孔点的分支钻孔间距为O，开始钻进第2个分支孔并进行随钻压裂，重复上述步骤直至所有分支孔压裂完成。

2.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，所述高压大流量集中供液装置由水箱(701)、双泵结构(702)、钻进压裂双模式供液切换结构(703)、高压胶管(704)、孔口装置(705)、远程控制器(706)依次连接。

3.根据权利要求2所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，所述双泵结构(702)设置有高压小流量泵组、低压大流量泵组，高压小流量泵组和低压大流量泵组共同连接在同一底盘上，共同连接水箱(701)及远程控制器(706)。

4.根据权利要求2所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，所述孔口装置(705)内部有单向阀，单向阀一端与所述电磁传输高压密封管柱(5)螺纹连接，单向阀另一端与所述高压胶管(704)连接；所述单向阀与高压胶管(704)连接的一端设置有旋转输水结构，单向阀控制流体仅能由高压胶管(704)一侧至电磁传输高压密封管柱(5)一侧通过，所述电磁传输高压密封管柱(5)一侧还设置有压力表和卸压阀；当所述高压大流量集中供液装置用于压裂时，在所述水箱(701)内添加压裂液，当所述高压大流量集中供液装置用于钻进时，在所述水箱(701)内添加钻进液。

5.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，所述深孔自适应定向钻机装置包括所述钻头(1)、近钻头随钻测量装置(2)、螺杆马达(3)、自适应定向钻机主机(6)。

6.根据权利要求5所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，所述近钻头随钻测量装置(2)用于测量钻孔轨迹参数，同时接收来自随钻雷达地质探测装置(4)探测的地质数据信息，通过电磁传输高压密封管柱(5)将数据信息传输至自适应定向钻机主机(6)上，经过数据分析及处理后，自适应调节推进力和回转速度。

7.根据权利要求5所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，所述钻头(1)、近钻头随钻测量装置(2)、螺杆马达(3)依次连接；所述螺杆马达(3)与随钻雷达地质探测装置(4)连接；所述自适应定向钻机主机(6)与电磁传输高压密封管柱(5)连接，并通过高压胶管(704)与所述高压大流量集中供液装置连接。

8.根据权利要求5所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，所述自适应定向钻机主机(6)包括锚固油缸组(601)、自适应给进装置(602)、电动机组件(603)、油箱组件(604)、自适应动力头(605)、防爆电脑(606)、履带车平台(607)；所述锚固油缸组(601)、自适应给进装置(602)、电动机组件(603)、油箱组件(604)、防爆电脑(606)均集成在履带车平台(607)上；所述自适应动力头(605)位于自适应给进装置(602)上，为定向钻孔提供回转动力并精确调整螺杆马达(3)工具面向角角度；所述自适应给进装置(602)提供钻孔所需的推进力。

9.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，所述电磁传输高压密封管柱(5)为无中心管结构，采用电磁感应方式进行信号传输，密封结构承压能力大于高压大流量集中供液装置最高压力，且不影响信号传输。

10.根据权利要求9所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，电磁传输高压密封管柱(5)在钻进过程中为螺杆马达(3)传输钻进液，在压裂过程中为裸眼随钻分段压裂工具串传输压裂液，在钻进和压裂过程中传输钻机指令信号并反馈随钻雷达地质探测装置(4)探测结果信息和钻头(1)的状态信息。

11.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，所述裸眼随钻分段压裂工具串还包括上转换结构(801)、上扶正器(803)、下扶正器(805)、下转换结构(807)，其中上转换结构(801)与随钻雷达地质探测装置(4)连接，下转换结构(807)与电磁传输高压密封管柱(5)连接；所述上转换结构(801)、上封隔器(802)、上扶正器(803)、双模式压差滑套筛管一体化短节(804)、下扶正器(805)、下封隔器(806)、下转换结构(807)均设置有电磁传输结构；所述双模式压差滑套筛管一体化短节(804)包含双模式压差滑套和筛管两部分，其中双模式压差滑套设置有钻进压裂双模式结构，筛管用于高压水出水。

12.根据权利要求11所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，双模式压差滑套通过调节高压大流量集中供液装置的供液压力自动切换钻进模式和压裂模式，供液压力在Pd以下时为钻进模式，供液压力大于Pd时为压裂模式，其中Pd在10~20MPa之间可调。

13.根据权利要求12所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，在钻进模式时高压水不进入上封隔器(802)、下封隔器(806)和筛管，避免上封隔器(802)和下封隔器(806)膨胀以及筛管出水，高压水只进入螺杆马达(3)并提供动力；在压裂模式时，高压水不进入螺杆马达(3)，上封隔器(802)、下封隔器(806)膨胀封孔，筛管出水进行分段内压裂，压力降至Pd以下时双模式压差滑套关闭压裂模式上封隔器(802)、下封隔器(806)，上封隔器(802)和下封隔器(806)卸压收缩。

14.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，随钻雷达地质探测装置(4)包括发射共形天线阵列(401)、发射机控制电路(402)、接收机控制电路(403)、雷达信号处理器(404)、MEMS加速度传感器(405)、接收共形天线阵列(406)。

15.根据权利要求14所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，所述雷达信号处理器(404)对信号的处理过程为：发射共形天线阵列(401)螺旋式扫描周边全部空间后，形成间断式的雷达反射界面，在三维空间中提取采掘工作面顶底煤岩分界面，为空间剖分提供分层边界；雷达波在煤层中传播，振幅会随着传播距离的增加而衰减，相位也随之偏移，在地层界面，雷达波会出现偏转和反射；通过反射波的振幅强度与相位偏移，利用层析成像理论，反演雷达波路径上的煤层属性，表征煤层的变化信息。

16.根据权利要求15所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，其特征在于，对所述三维空间的剖分采用四面体剖分单元，从而离散整个三维空间；对于钻孔附近小尺度的孔径约束，进行区域化加密；在探测边缘区域，增大剖分尺寸。

说明书

一种煤矿瓦斯深孔区域化抽采方法与装置

技术领域

[0001] 本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采领域，具体涉及一种煤矿瓦斯深孔区域化抽采的方法与装置。

背景技术

[0002] 以2009年《防治煤与瓦斯突出规定》发布为标志，“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的防突工作原则被提出，我国正式进入了以区域防突为主的区域瓦斯治理第一阶
段。第一阶段区域预抽要求的范围比较小，仍然存在周期性的循环交替问题。对于一个走向
1000m长的区段而言，需要交替数十个循环才能完成工作面回采巷道的掘进，防突与掘进作
业的矛盾对立没有从根本上得到解决，抽采的时间、质量难以可靠保证的问题仍然存在，甚
至还很严重。以穿层钻孔为主的预抽煤层瓦斯区域防突措施，能够做到对整个区段进行区
域预抽并达到要求指标后再开始采掘工作。但该方式的最大问题是工程量大、工期长、成本
高。部分煤矿需布置三至四条岩巷才能使穿层钻孔覆盖整个区段煤层，岩巷掘进速度滞后、
钻孔施工工期和预抽时间长，整体成本高。

[0003] 2019年版《防治煤与瓦斯突出细则》（简称《防突细则》）首次将“定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯”列为区域防突措施，控制范围有所提升，但抽、掘交替问题仍然存在，千米
工作面要交替多次。这不仅影响综合掘进速度，关键是只要存在掘进等抽采的情况，就会有
抽采效果难以保证的问题。在钻进及控制方面，当区域范围增大后，区域内煤层及顶底板赋
存条件变化多端，对钻孔轨迹控制的要求更高，现有随钻测量装置远离钻头5 8m，且轨迹参
~
数以静态测量为主，这导致钻孔轨迹测量和控制滞后。另外现有定向钻机操作和钻孔轨迹
调整严重依赖人工经验，操作人员因经验水平差异大，造成钻孔轨迹调整误差大。

[0004] 此外，很大部分未采用增渗措施的定向长钻孔存在“打得进，抽不出”问题，这种钻孔施工成本高效果低的原因主要是当前的水力压裂与钻孔施工作业不紧密，设备不通用，
施工后未进行增渗作业，钻机撤场后更无法进行增渗作业，而目前最适合于定向长钻孔的
增渗技术仍然是水力压裂，因此亟需一套结构简单操作便利的钻孔与水力压裂装置。

[0005] 综上，针对当前的瓦斯治理技术无法避免抽、掘、采交替的问题或采用专用治理巷道工程量大的问题，亟需一种以整个采区为范围的煤矿井下深孔区域化抽采方法及装置对
煤层瓦斯进行抽采。基于该方法及装置能实现随钻探测、自适应钻进，实现整个采区超前预
抽，最终达到一个采区预抽达标后，再投入该区段的采掘目标，避免或尽可能减少在一个区
段内的抽、掘、采交替。

发明内容

[0006] 本发明的主要目的在于解决目前无法做到随钻地质探测指导钻机施工、现有定向钻机操作和钻孔轨迹调整严重依赖人工经验、参数设计无体系、水力压裂不随钻等问题，实
现定向长钻孔地质信息随钻测量、基于随钻探测地质信息的钻进工艺参数自主调节、水力
压裂随钻化，形成一套系统简单操作简实施简便的以整个采区为范围的煤矿井下深孔区域
化抽采装置及方法。

[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：

[0008] 本发明实施例的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置包括高压大流量集中供液装置、随钻雷达地质探测装置(4)、深孔自适应定向钻机装置、电磁传输高压密封管柱(5)、裸眼随钻
分段压裂工具串；所述高压大流量集中供液装置设置有双泵结构(702)，双泵结构(702)出
口连接钻进压裂双模式供液切换结构(703)，高压大流量集中供液装置连接电磁传输高压
密封管柱(5)；所述电磁传输高压密封管柱(5)为裸眼随钻分段压裂工具串提供压裂液，为
深孔自适应定向钻机装置的螺杆马达(3)提供钻进液；所述随钻雷达地质探测装置(4)分别
与裸眼随钻分段压裂工具串和深孔自适应定向钻机装置的螺杆马达(3)连接，并通过电磁
传输高压密封管柱(5)传输信号；所述裸眼随钻分段压裂工具串设置有随钻压裂电磁传输
通讯结构和双模式压差滑套，通过电磁传输通讯结构传输数据，通过双模式压差滑套切换
钻进模式和压裂模式。

[0009] 在一些实施例中，所述高压大流量集中供液装置由水箱(701)、双泵结构(702)、钻进压裂双模式供液切换结构(703)、高压胶管(704)、孔口装置(705)、远程控制器(706)依次
连接。

[0010] 在一些实施例中，所述双泵结构(702)设置有高压小流量泵组、低压大流量泵组，高压小流量泵组和低压大流量泵组共同连接在同一底盘上，共同连接水箱(701)及远程控
制器(706)。

[0011] 在一些实施例中，所述孔口装置(705)内部有单向阀，单向阀一端与所述电磁传输高压密封管柱(5)螺纹连接，单向阀另一端与所述高压胶管(704)连接；所述单向阀与高压
胶管(704)连接的一端设置有旋转输水结构，单向阀控制流体仅能由高压胶管(704)一侧至
电磁传输高压密封管柱(5)一侧通过，所述电磁传输高压密封管柱(5)一侧还设置有压力表
和卸压阀；当所述高压大流量集中供液装置用于压裂时，在所述水箱(701)内添加压裂液，
当所述高压大流量集中供液装置用于钻进时，在所述水箱(701)内添加钻进液。

[0012] 在一些实施例中，深孔自适应定向钻机装置包括钻头(1)、近钻头随钻测量装置(2)、螺杆马达(3)、自适应定向钻机主机(6)。

[0013] 在一些实施例中，所述近钻头随钻测量装置(2)用于测量钻孔轨迹参数，同时接收来自随钻雷达地质探测装置(4)探测的地质数据信息，通过电磁传输高压密封管柱(5)将数
据信息传输至自适应定向钻机主机(6)上，经过数据分析及处理后，自适应调节推进力和回
转速度。

[0014] 在一些实施例中，所述钻头(1)、近钻头随钻测量装置(2)、螺杆马达(3)依次连接；所述螺杆马达(3)与随钻雷达地质探测装置(4)连接；所述自适应定向钻机主机(6)与电磁
传输高压密封管柱(5)连接，并通过高压胶管(704)与所述高压大流量集中供液装置连接。

[0015] 在一些实施例中，所述自适应定向钻机主机(6)包括锚固油缸组(601)、自适应给进装置(602)、电动机组件(603)、油箱组件(604)、自适应动力头(605)、防爆电脑(606)、履
带车平台(607)；所述锚固油缸组(601)、自适应给进装置(602)、电动机组件(603)、油箱组
件(604)、防爆电脑(606)均集成在履带车平台(607)上；所述自适应动力头(605)位于自适
应给进装置(602)上，为定向钻孔提供回转动力并精确调整螺杆马达(3)工具面向角角度；
所述自适应给进装置(602)提供钻孔所需的推进力。

[0016] 在一些实施例中，所述电磁传输高压密封管柱(5)为无中心管结构，采用电磁感应方式进行信号传输，密封结构承压能力大于高压大流量集中供液装置最高压力，且不影响
信号传输。

[0017] 在一些实施例中，电磁传输高压密封管柱(5)在钻进过程中为螺杆马达(3)传输钻进液，在压裂过程中为裸眼随钻分段压裂工具串传输压裂液，在钻进和压裂过程中传输钻
机指令信号并反馈随钻雷达地质探测装置(4)探测结果信息和钻头(1)的状态信息。

[0018] 在一些实施例中，所述裸眼随钻分段压裂工具串包括上转换结构(801)、上封隔器(802)、上扶正器(803)、双模式压差滑套筛管一体化短节(804)、下扶正器(805)、下封隔器
(806)、下转换结构(807)，其中上转换结构(801)与随钻雷达地质探测装置(4)连接，下转换
结构(807)与电磁传输高压密封管柱(5)连接；所述上转换结构(801)、上封隔器(802)、上扶
正器(803)、双模式压差滑套筛管一体化短节(804)、下扶正器(805)、下封隔器(806)、下转
换结构(807)均设置有电磁传输结构；所述双模式压差滑套筛管一体化短节(804)包含双模
式压差滑套和筛管两部分，其中双模式压差滑套设置有钻进压裂双模式结构，筛管用于高
压水出水。

[0019] 在一些实施例中，双模式压差滑套通过调节高压大流量集中供液装置的供液压力自动切换钻进模式和压裂模式，供液压力在Pd以下时为钻进模式，供液压力大于Pd时为压裂
模式，其中Pd在10~20MPa之间可调。

[0020] 在一些实施例中，在钻进模式时高压水不进入上封隔器(802)、下封隔器(806)和筛管，避免上封隔器(802)和下封隔器(806)膨胀以及筛管出水，高压水只进入螺杆马达(3)
并提供动力；在压裂模式时，高压水不进入螺杆马达(3)，上封隔器(802)、下封隔器(806)膨
胀封孔，筛管出水进行分段内压裂，压力降至Pd以下时双模式压差滑套关闭压裂模式上封
隔器(802)、下封隔器(806)，上封隔器(802)和下封隔器(806)卸压收缩。

[0021] 在一些实施例中，随钻雷达地质探测装置(4)包括发射共形天线阵列(401)、发射机控制电路(402)、接收机控制电路(403)、雷达信号处理器(404)、MEMS加速度传感器
(405)、接收共形天线阵列(406)。

[0022] 在一些实施例中，所述雷达信号处理器(404)对信号的处理过程为：发射共形天线阵列(401)螺旋式扫描周边全部空间后，形成间断式的雷达反射界面，在三维空间中提取采
掘工作面顶底煤岩分界面，为空间剖分提供分层边界；雷达波在煤层中传播，振幅会随着传
播距离的增加而衰减，相位也随之偏移，在地层界面，雷达波会出现偏转和反射；通过反射
波的振幅强度与相位偏移，利用层析成像理论，反演雷达波路径上的煤层属性，表征煤层的
变化信息。

[0023] 在一些实施例中，对所述三维空间的剖分采用四面体剖分单元，从而离散整个三维空间；对于钻孔附近小尺度的孔径约束，进行区域化加密；在探测边缘区域，增大剖分尺
寸。

[0024] 本发明实施例的煤矿瓦斯深孔区域化抽采方法，应用如上述任一实施例中所述的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置，包括以下步骤：

[0025] 步骤1，获取煤岩层的地质环境、应力状态和物理力学参数，所述煤岩层的参数包括煤层坚固性系数f1、顶板坚固性系数f2、区段走向长度L、区段倾向长度N、煤层厚度h、煤岩
抗拉强度σt、煤层埋深H、煤层原始水平最大主应力σH、煤层原始水平最小主应力σh、孔隙压
力P0、地下介质的相对介电常数εr、顶底板岩层吸水系数λ2；

[0026] 步骤2，根据获取的煤岩层的参数和设计公式设计抽采钻孔类型及对应钻孔参数；

[0027] 步骤3，采用深孔自适应定向钻机装置，根据步骤2中设置的抽采钻孔参数，基于随钻雷达地质探测装置(4)在钻进过程中实时连续探测的地质信息，自适应调节深孔自适应
定向钻机装置的推进力和回转速度, 进行顶板平行定向长钻孔施工；

[0028] 步骤4，根据压裂目标煤岩层的参数，计算煤层的破裂压力Pk、压裂泵泵压Pw以及压裂水量V水；

[0029] 步骤5，计算顶板平行定向长钻孔压裂分段长度W和压裂段间距U；

[0030] 步骤6，以步骤4和步骤5得到的参数作为设计参数进行水力压裂作业；

[0031] 步骤7，压裂后进行排水、封孔，连接抽采装置进行抽采。

[0032] 在一些实施例中，其中步骤2的抽采钻孔类型设计方法如下：

[0033] 抽采钻孔类型分为顶板平行定向长钻孔和顶板平行定向长钻孔+分支孔两种类型，设顶板坚固性系数f2与煤层坚固性系数f1比值为D，D按下式计算：

[0034]

[0035] 其中D＞2时采用顶板平行定向长钻孔，D≤2时，采用顶板平行定向长钻孔+分支孔。

[0036] 在一些实施例中，其中步骤2的抽采钻孔类型对应的钻孔参数设计方法如下：

[0037] 分支孔施工时钻头(1)穿过煤层并进入底板深度为x，x取值为5 10m；~

[0038] 顶板平行定向长钻孔参数：顶板平行定向长钻孔层位在煤层上方M处，钻孔长度为2
K，钻孔间距为P，钻孔个数为B，M、K、P、B值分别按下式计算，其中ε=1m：

[0039] M=2h‑f2

[0040] K=L+30

[0041]

[0042]

[0043] 顶板平行定向长钻孔+分支孔参数：顶板平行定向长钻孔层位在煤层上方M处，钻孔长度为K，钻孔间距为P，钻孔主孔个数为B，分支钻孔间距O=P，分支孔个数为q，q按下式计
算：

[0044] 。

[0045] 在一些实施例中，其中步骤3中的随钻雷达地质探测装置(4)在钻进过程中实时连续探测，具体过程为：探测时，接收机控制电路(403)同步发射机控制电路(402)的指令，并
通过MEMS加速度传感器(405)实时感知随钻雷达地质探测装置(4)姿态，根据自身姿态启动
一组或多组相应的发射共形天线阵列(401)和接收共形天线阵列(406)进行探测数据采集
工作与数据分析，反演出定向探测钻孔周围地质信息；随钻雷达地质探测装置(4)将煤岩交
界面信息通过电磁传输高压密封管柱(5)传输给深孔自适应定向钻机装置，在钻进过程中
根据煤岩交界面信息实时调整螺杆马达(3)方位与倾角，保证钻孔设计层位。

[0046] 在一些实施例中，其中随钻雷达地质探测装置(4)探测煤岩交界面目标体深度H计算公式如下：

[0047]

[0048] 上式中，v为电磁波在介质中的波速；t为探测仪器测量的电磁波走时；x为发射共形天线阵列(401)与接收共形天线阵列(406)之间的距离；v值可用宽角法直接测量或根据
近似计算公式计算：

[0049]

[0050] 上式中，c为光速，εr为地下介质的相对介电常数；

[0051] 随钻雷达地质探测装置(4)自身感知方向计算公式如下：

[0052]

[0053] 上式中，θ为随钻雷达地质探测装置(4)探测主方向与煤岩交界面法线方向角度；gy为随钻雷达地质探测装置(4)初始水平径向方向传感轴加速度测量值；gz为随钻雷达地质
探测装置(4)初始竖直方向传感轴加速度测量值。

[0054] 在一些实施例中，其中步骤4中煤层的破裂压力Pk，计算公式如下：

[0055] Pk＝3σh‑σH+σt‑P0

[0056] 上式中：σh为煤层原始水平最小主应力，σH为煤层原始水平最大主应力，σt为煤岩抗拉强度，P0为孔隙压力；

[0057] 计算需要的压裂泵泵压Pw，Pw计算公式如下：

[0058] Pw=Pk+PH+Pr

[0059] 上式中：PH为压裂管路液柱压力，PH=ρgHc  , ρ为压裂液密度；g为重力加速度，Hc为电磁传输高压密封管柱(5)高差，为钻孔终孔标高减去开口标高；Pr为压裂液沿程摩阻，Pr=
aLgλ1，Lg为管路长度，λ1为摩阻系数，a=1MPa/km；

[0060] 依据压裂目标煤岩层设计的钻孔间距参数，考虑压力水漏失，估算压裂水量V水，

[0061] V水计算公式如下：

[0062] V水=0.02V体λ2

[0063] 上式中V体为设计的压裂影响范围煤层体积；λ2为顶底板岩层吸水系数，根据顶板坚固性系数 f2 取值：f2＞2时，λ2取值为1，f2为其它数值时，λ2=1.7‑0.35 f2。

[0064] 在一些实施例中，其中步骤5中顶板平行定向长钻孔压裂分段长度W和压裂段间距U按下式计算：

[0065]

[0066]

[0067] 上式中，f1为煤层坚固性系数，f2为顶板坚固性系数，M为定向长钻孔距煤层距离，h3/2
为煤层厚度，β=1m 。

[0068] 在一些实施例中，其中步骤6根据设计参数进行水力压裂作业，对于顶板平行定向长钻孔随钻压裂作业，具体步骤如下：

[0069] 利用煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置进行钻孔施工前，调节好双模式压差滑套筛管一体化短节(804)来控制上封隔器(802)与下封隔器(806)之间的间距至顶板平行定向长钻
孔压裂分段长度W；

[0070] 顶板平行定向长钻孔施工完成后，根据分段水力压裂参数设计启动并控制高压大流量集中供液装置开始压裂，调节压裂压力至高于压裂泵泵压Pw，完成压裂水量V水时停止
孔底第1段压裂，拖动电磁传输高压密封管柱(5)带动裸眼随钻分段压裂工具串，使上封隔
器(802)距第1段压裂的下封隔器(806)位置的距离为压裂段间距U进行第2段压裂，重复上
述步骤直至所有分段压裂完成。

[0071] 在一些实施例中，其中步骤6根据设计参数进行水力压裂作业，对于顶板平行定向长钻孔+分支孔随钻压裂作业，具体步骤如下：

[0072] 利用煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置进行钻孔施工前，调节好双模式压差滑套筛管一体化短节(804)来控制上封隔器(802)与下封隔器(806)之间的间距，使该间距大于钻孔
在煤层段内的长度，顶板平行定向长钻孔施工完后，在孔底开始施工第1个分支孔，施工完
成后调整上封隔器(802)与下封隔器(806)的位置使两者分别处于煤层底板和煤层顶板；根
据分段水力压裂参数设计启动并控制高压大流量集中供液装置开始压裂，调节压裂压力至
高于压裂泵泵压Pw，完成压裂水量V水时停止第1个分支孔压裂；拖动电磁传输高压密封管柱
(5)使钻头(1)处于第2个分支孔开孔点，第2个开孔点距第1个开孔点的距离为O，开始钻进
第2个分支孔并进行随钻压裂，重复上述步骤直至所有分支孔压裂完成。

[0073] 在一些实施例中，其中步骤7压裂后进行排水时，钻孔孔口安装临时负压装置，用于抽吸排水过程中出现的正压瓦斯，防止钻场内部瓦斯超限，排水至排水流量小于VP时采
3
用水泥砂浆封孔, VP在0.2~0.5m/h内取值，封孔后连接抽采装置进行抽采。

[0074] 本发明的有益效果在于：本发明的一种煤矿瓦斯深孔区域化抽采的方法与装置，结构简单，操作简便，在钻进和压裂时共用高压大流量集中供液装置和电磁传输高压密封
管柱，随钻雷达地质探测装置无需退钻后再探测，探测结果直接指导钻进过程，钻进过程自
主作业，裸眼分段压裂工具串可随钻作业，可实现以松软煤层为主的煤矿井下无巷化大区
域瓦斯超前高效抽采。

[0075] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可
以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和
获得。

附图说明

[0076] 图1为本发明的煤矿瓦斯深孔区域化抽采流程示意图；

[0077] 图2为本发明的煤矿瓦斯深孔区域化抽采钻孔布置立体示意图；

[0078] 图3为本发明的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置总体示意图；

[0079] 图4为本发明的随钻雷达地质探测装置示意图；

[0080] 图5为本发明的自适应定向钻机主机示意图；

[0081] 图6为本发明的裸眼随钻分段压裂工具串示意图。

[0082] 附图标记：1‑钻头；2‑近钻头随钻测量装置；3‑螺杆马达；4‑随钻雷达地质探测装置；401‑发射共形天线阵列；402‑发射机控制电路；403‑接收机控制电路；404‑雷达信号处
理器；405‑MEMS加速度传感器；406‑接收共形天线阵列；407‑煤岩交界面Ⅰ；408‑煤岩交界面
Ⅱ；5‑电磁传输高压密封管柱； 6‑自适应定向钻机主机； 601‑锚固油缸组；602‑自适应给
进装置；603‑电动机组件；604‑油箱组件；605‑自适应动力头；606‑防爆电脑；607‑履带车平
台；701‑水箱；702‑双泵结构；703‑钻进压裂双模式供液切换结构；704‑高压胶管；705‑孔口
装置；706‑远程控制器；801‑上转换结构；802‑上封隔器；803‑上扶正器；804‑双模式压差滑
套筛管一体化短节；805‑下扶正器；806‑下封隔器；807‑下转换结构。

具体实施方式

[0083] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0084] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示
意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相
互组合。

[0085] 其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不
代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是
可以理解的。

[0086] 本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或
暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述
位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术
人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0087] 图3‑6，为本发明的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置的总体示意图及各组成部分的示意图。具体而言，煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置包括高压大流量集中供液装置、随钻雷达
地质探测装置4、深孔自适应定向钻机装置、电磁传输高压密封管柱5、裸眼随钻分段压裂工
具串。

[0088] 参见图3，高压大流量集中供液装置由水箱701、双泵结构702、钻进压裂双模式供液切换结构703、高压胶管704、孔口装置705、远程控制器706依次连接。双泵结构702设置有
高压小流量泵组、低压大流量泵组，高压小流量泵组和低压大流量泵组共同连接在同一底
盘上，共同连接水箱701及远程控制器706。双泵结构702设置有高压小流量泵组、低压大流
量泵组，高压小流量泵组和低压大流量泵组共同连接在同一底盘上，共同连接水箱701及远
程控制器706。孔口装置705内部有单向阀，一端与电磁传输高压密封管柱5螺纹连接，一端
与高压胶管704连接；单向阀与高压胶管704连接的一端设置有旋转输水结构，单向阀控制
流体仅能由高压胶管704一侧至电磁传输高压密封管柱5一侧通过，电磁传输高压密封管柱
5一侧还设置有压力表、卸压阀；当高压大流量集中供液装置用于压裂时，在水箱701添加压
裂液，当高压大流量集中供液装置用于钻进时，在水箱701内添加钻进液。

[0089] 参见图3，深孔自适应定向钻机装置包括钻头1、近钻头随钻测量装置2、螺杆马达3、自适应定向钻机主机6。钻头1、近钻头随钻测量装置2、螺杆马达3依次连接；螺杆马达3与
随钻雷达地质探测装置4连接；自适应定向钻机主机6与电磁传输高压密封管柱5连接，并通
过高压胶管704与高压大流量集中供液装置连接。近钻头随钻测量装置2用于测量钻孔轨迹
参数，同时接收来自随钻雷达地质探测装置4探测的地质数据信息，通过电磁传输高压密封
管柱5将数据信息传输至自适应定向钻机主机6上，经过数据分析及处理后，自适应调节推
进力和回转速度。

[0090] 参见图3，电磁传输高压密封管柱5为无中心管结构，采用电磁感应方式进行信号传输，密封结构承压能力大于高压大流量集中供液装置最高压力，且不影响信号传输。电磁
传输高压密封管柱5在钻进过程中为螺杆马达3传输钻进液，在压裂过程中为裸眼随钻分段
压裂工具串传输压裂液，在钻进和压裂过程中传输钻机指令信号、反馈随钻雷达地质探测
装置4探测结果信息和钻头1的状态信息。高压大流量集中供液装置在双泵结构702出口连
接钻进压裂双模式供液切换结构703，并通过孔口装置705连接电磁传输高压密封管柱5。随
钻雷达地质探测装置分别与裸眼随钻分段压裂工具串和深孔自适应定向钻机装置的螺杆
马达3连接，并通过电磁传输高压密封管柱5传输信号。

[0091] 参见图3和图4，随钻雷达地质探测装置4包括发射共形天线阵列401、发射机控制电路402、接收机控制电路403、雷达信号处理器404、MEMS加速度传感器405、接收共形天线
阵列406。雷达信号处理器404的信号处理过程为：发射共形天线阵列401螺旋式扫描周边全
部空间后，形成间断式的雷达反射界面，在三维空间中提取采掘工作面顶底煤岩分界面，为
空间剖分提供分层边界；雷达波在煤层中传播，振幅会随着传播距离的增加而衰减，相位也
随之偏移，在地层界面，雷达波会出现偏转和反射；通过反射波的振幅强度与相位偏移，利
用层析成像理论，反演雷达波路径上的煤层属性，表征煤层的变化信息。对三维空间的剖分
具体采用四面体剖分单元，从而离散整个三维空间；对于钻孔附近小尺度的孔径约束，进行
区域化加密；在探测边缘区域，增大剖分尺寸。

[0092] 参见图3和图5，自适应定向钻机主机6为定向钻孔提供推进力和回转动力。自适应定向钻机主机6包括锚固油缸组601、自适应给进装置602、电动机组件603、油箱组件604、自
适应动力头605、防爆电脑606、履带车平台607；锚固油缸组601、自适应给进装置602、电动
机组件603、油箱组件604、防爆电脑606均集成在履带车平台607上；自适应动力头605位于
自适应给进装置602上，为定向钻孔提供回转动力和精确调整螺杆马达3工具面向角角度；
自适应给进装置602提供钻孔所需的推进力。

[0093] 参见图3和图6，裸眼随钻分段压裂工具串包括上转换结构801、上封隔器802、上扶正器803、双模式压差滑套筛管一体化短节804、下扶正器805、下封隔器806、下转换结构
807，上述部件依次螺纹连接，其中上转换结构801与随钻雷达地质探测装置4连接，下转换
结构807与电磁传输高压密封管柱5连接；上转换结构801、上封隔器802、上扶正器803、双模
式压差滑套筛管一体化短节804、下扶正器805、下封隔器806、下转换结构807均设置有电磁
传输结构；双模式压差滑套筛管一体化短节804包含双模式压差滑套和筛管两部分，其中双
模式压差滑套设置有钻进压裂双模式结构，筛管用于高压水出水。双模式压差滑套通过调
节高压大流量集中供液装置的供液压力来自动切换钻进模式和压裂模式，供液压力在Pd以
下为钻进模式，供液压力大于Pd时为压裂模式，其中Pd在10~20MPa之间可调。在钻进模式时
高压水不进入上封隔器802、下封隔器806和筛管，避免上封隔器802和下封隔器806膨胀以
及筛管出水，高压水只进入螺杆马达3并提供动力。在压裂模式时，高压水不进入螺杆马达
3，上封隔器802、下封隔器806膨胀封孔，筛管出水进行分段内压裂，压力降至Pd以下时双模
式压差滑套关闭压裂模式上封隔器802、下封隔器806，上封隔器802和下封隔器806卸压收
缩。裸眼随钻分段压裂工具串还设置有随钻压裂电磁传输通讯结构，并通过电磁传输通讯
结构传输数据。

[0094] 结合图1‑2，说明本发明的煤矿瓦斯深孔区域化抽采方法，应用了图3‑6所示出的煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置。实施例1中的煤矿瓦斯深孔区域化抽采方法，包括以下步
骤：

[0095] 步骤1，获取煤岩层的地质环境、应力状态、物理力学等参数：假设获取到的煤层坚固性系数f1=0.5、顶板坚固性系数f2=2、区段走向长度L=1200m、区段倾向长度N=600m、煤层
厚度h=2m、煤岩抗拉强度σt=1.2MPa、煤层埋深H=600m、煤层原始水平最大主应力σH=24MPa、
煤层原始水平最小主应力σh=15MPa、孔隙压力P0=0.5MPa，地下介质的相对介电常数εr=6、顶
底板岩层吸水系数λ2=0.25。

[0096] 步骤2，根据获取的煤岩层参数，按下述方法设计抽采钻孔类型及对应钻孔参数。

[0097] 抽采钻孔类型划分：抽采钻孔类型分为顶板平行定向长钻孔和顶板平行定向长钻孔+分支孔两种类型，设顶板坚固性系数与煤层坚固性系数比值为D，D值为无量纲参数，D的
大小代表顶板通过水力压裂将裂缝扩展到煤层的可能性大小，根据可能性大小判定是否设
计分支孔，D按下式计算：

[0098]

[0099] 式中，f1为煤层坚固性系数，f2为顶板坚固性系数，经计算D=4。当D＞2时采用顶板平行定向长钻孔，当D≤2时，采用顶板平行定向长钻孔+分支孔。本实施例中计算的D＞2，因
此采用的抽采钻孔类型为顶板平行定向长钻孔。

[0100] 将顶板平行定向长钻孔层位设计在煤层上方M处，钻孔长度为K，钻孔间距为P，钻2
孔个数为B，M、K、P、B值分别按下式计算，其中ε=1m：

[0101] M=2h‑f2

[0102] K=L+30

[0103]

[0104]

[0105] 经计算M=2m，K=1230m，P=25m，B=21.6。

[0106] 步骤3，采用深孔自适应定向钻机装置，根据步骤2中的抽采钻孔设计参数，基于随钻雷达地质探测装置在钻进过程中实时连续探测地质信息，自适应调节深孔自适应定向钻
机装置推进力、回转速度等，以提高钻进效率，降低钻进过程卡钻、抱钻概率，并始终保持钻
孔轨迹处于煤层上方M=2m处进行顶板平行定向长钻孔施工。

[0107] 随钻雷达地质探测装置4实时探测时接收机控制电路403同步发射机控制电路402指令，并通过MEMS加速度传感器405实时感知装置姿态，根据自身姿态启动一组或多组相应
的发射共形天线阵列401和接收共形天线阵列406进行探测数据采集工作与数据分析，反演
出定向探测钻孔周围地质信息。随钻雷达地质探测装置4将煤岩交界面信息通过电磁传输
高压密封管柱5传输给深孔自适应定向钻机装置，在钻进过程中根据煤岩交界面信息实时
调整螺杆马达3方位与倾角，保证钻孔设计层位。

[0108] 随钻雷达探测煤岩交界面目标体深度H按下式计算：

[0109]

[0110] 式中，v为电磁波在介质中的波速；t为探测仪器测量的电磁波走时；x为发射共形天线阵列401与接收共形天线阵列406之间距离；v值可用宽角法直接测量，也可根据近似计
算公式：

[0111]

[0112] 式中，c为光速，εr为地下介质的相对介电常数。

[0113] 随钻雷达地质探测装置4自身感知方向计算公式如下：

[0114]

[0115] 式中，θ为随钻雷达地质探测装置4探测主方向与煤岩交界面法线方向角度；gy为随钻雷达地质探测装置4初始水平径向方向传感轴加速度测量值；gz为随钻雷达地质探测
装置4初始竖直方向传感轴加速度测量值。

[0116] 步骤4，根据压裂目标煤岩层的地质环境、应力状态、物理力学等参数，计算煤层的破裂压力Pk、压裂泵泵压Pw、压裂水量V水，为后续随钻分段压裂作业提供数据。

[0117] 煤层的破裂压力Pk，按下式计算。

[0118] Pk＝3σh‑σH+σt‑P0

[0119] 式中：σh为煤层原始水平最小主应力，σH为煤层原始水平最大主应力，σt为煤岩抗拉强度，P0为孔隙压力。通过计算煤层的破裂压力Pk=21.7MPa。

[0120] 根据计算的Pk值及其他参数计算需要的压裂泵泵压Pw，Pw按下式计算。

[0121] Pw=Pk+PH+Pr

[0122] PH为压裂管路液柱压力，PH=ρgHc；ρ为压裂液密度，本次假设采用清水作为压裂液ρ3
=1000kg/m ；g为重力加速度，取g=10N/kg；Hc为电磁传输高压密封管柱高差，根据经验的开
孔高度1m，结合煤层厚度和钻孔层位值，钻孔终孔标高减去开口标高计算得Hc=3m，经计算PH
=0.03MPa；Pr为压裂液沿程摩阻，Pr=aLgλ1，Lg为管路长度，假设为0.1km，λ1为摩阻系数，假设
管路摩阻系数λ1=8，a=1MPa/km，计算得Pr=0.8MPa。经计算压裂泵泵压Pw=22.53MPa。

[0123] 依据压裂目标煤岩层设计的钻孔间距等参数，考虑压力水漏失，估算压裂水量V水，

[0124] V水按下式计算：

[0125] V水=0.02V体λ2

[0126] 式中V体为设计的压裂影响范围煤层体积，根据钻孔间距分段参数等估算的煤层体3
积约为2250m ；λ2为顶底板岩层吸水系数，依顶板岩层坚固性系数f2 取值：f2＞2时，λ2取值
3
1，f2为其它数值时，λ2=1.7‑0.35 f2。经计算V水=45m。

[0127] 步骤5，计算顶板平行定向长钻孔压裂分段长度W和压裂段间距U。

[0128] 顶板平行定向长钻孔压裂分段长度W和压裂段间距U按下式计算：

[0129]

[0130]

[0131] 上式中，f1为煤层坚固性系数，f2为顶板坚固性系数，M为定向长钻孔距煤层距离，h3/2
为煤层厚度，β=1m 。经计算顶板平行定向长钻孔压裂分段长度W=5m，压裂段间距U=40m。

[0132] 步骤6，根据上述设计参数进行水力压裂作业。

[0133] 顶板平行定向长钻孔随钻压裂作业：利用整套煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置进行钻孔施工前，调节好双模式压差滑套筛管一体化短节804来控制上封隔器802与下封隔器
806之间的间距至W=5m。顶板平行定向长钻孔施工完后，根据分段水力压裂参数设计启动并
控制高压大流量集中供液装置开始压裂，调节压裂压力至高于压裂泵泵压Pw=22.53MPa，完
3
成压裂水量V水=45m 时停止孔底第1段压裂，拖动电磁传输高压密封管柱5带动裸眼随钻分
段压裂工具串，使上封隔器距第1段压裂的下封隔器位置的距离为压裂段间间距U=40m进行
第2段压裂，重复以此直至所有分段压裂完成。

[0134] 步骤7，压裂后进行排水、封孔、连接抽采装置进行抽采，压裂后进行排水时，孔口安装临时负压装置，用于抽吸排水过程中的正压瓦斯，防止钻场内部瓦斯超限，排水至排水
3
流量小于VP时采用水泥砂浆封孔, VP在0.2~0.5m /h内取值，封孔后连接抽采装置进行抽
采。压裂后，排水、封孔、连接抽采装置进行抽采。

[0135] 实施例2中的煤矿瓦斯深孔区域化抽采方法，包括以下步骤：

[0136] 步骤1，获取煤岩层的地质环境、应力状态、物理力学等参数：假设获取到的煤层坚固性系数f1=1.5、顶板坚固性系数f2=2.4、区段走向长度L=1200m、区段倾向长度N=600m、煤
层厚度h=2m、煤岩抗拉强度σt=1.2MPa、煤层埋深H=600m、煤层原始水平最大主应力σH=
24MPa、煤层原始水平最小主应力σh=15MPa、孔隙压力P0=0.5MPa，地下介质的相对介电常数
εr=6、顶底板岩层吸水系数λ2=0.25。

[0137] 步骤2，根据获取的煤岩层参数，按下述方法设计抽采钻孔类型及对应钻孔参数。

[0138] 抽采钻孔类型划分：抽采钻孔类型分为顶板平行定向长钻孔和顶板平行定向长钻孔+分支孔两种类型，设顶板坚固性系数与煤层坚固性系数比值为D，D值为无量纲参数，D的
大小代表顶板通过水力压裂将裂缝扩展到煤层的可能性大小，根据可能性大小判定是否设
计分支孔，D按下式计算：

[0139]

[0140] 式中，f1为煤层坚固性系数，f2为顶板坚固性系数，经计算D=1.6。当D＞2时采用顶板平行定向长钻孔，当D≤2时，采用顶板平行定向长钻孔+分支孔。本实施例计算的D值小于
2，因此采用的抽采钻孔类型为顶板平行定向长钻孔+分支孔。

[0141] 将顶板平行定向长钻孔层位设计在煤层上方M处，钻孔长度为K，钻孔间距为P，钻2
孔个数为B，M、K、P、B值分别按下式计算，其中ε=1m。

[0142] M=2h‑f2

[0143] K=L+30

[0144]

[0145]

[0146] 经计算M=1.6m，K=1230m，P=31.25m，B=17.28。

[0147] 顶板平行定向长钻孔+分支孔参数：顶板平行定向长钻孔层位在煤层上方M处，钻孔长度为K，钻孔间距为P，钻孔个数为B，分支钻孔间距O=P=31.25m，分支孔个数为q，q按下
式计算：

[0148]

[0149] 经计算q=39.36m。

[0150] 步骤3，采用深孔自适应定向钻机装置，根据步骤2中的抽采钻孔设计参数，基于随钻雷达地质探测装置在钻进过程中实时连续探测地质信息，自适应调节深孔自适应定向钻
机装置推进力、回转速度等，以提高钻进效率，降低钻进过程卡钻、抱钻概率，并始终保持钻
孔轨迹处于煤层上方M=1.6m处进行顶板平行定向长钻孔施工。

[0151] 随钻雷达地质探测装置4实时探测时接收机控制电路403同步发射机控制电路402指令，并通过MEMS加速度传感器405实时感知装置姿态，根据自身姿态启动一组或多组相应
的发射共形天线阵列401和接收共形天线阵列406进行探测数据采集工作与数据分析，反演
出定向探测钻孔周围地质信息。随钻雷达地质探测装置4将煤岩交界面信息通过电磁传输
高压密封管柱5传输给深孔自适应定向钻机装置，在钻进过程中根据煤岩交界面信息实时
调整螺杆马达3方位与倾角，保证钻孔设计层位。

[0152] 随钻雷达地质探测装置4探测煤岩交界面目标体深度H按下式计算：

[0153]

[0154] 式中，v为电磁波在介质中的波速；t为探测仪器测量的电磁波走时；x为发射共形天线阵列401与接收共形天线阵列406之间距离；v值可用宽角法直接测量，也可根据近似计
算公式计算：

[0155]

[0156] 式中，c为光速，εr为地下介质的相对介电常数。

[0157] 随钻雷达地质探测装置4自身感知方向计算公式如下：

[0158]

[0159] 式中，θ为随钻雷达地质探测装置4探测主方向与煤岩交界面法线方向角度；gy为随钻雷达地质探测装置4初始水平径向方向传感轴加速度测量值；gz为随钻雷达地质探测
装置4初始竖直方向传感轴加速度测量值。

[0160] 步骤4，根据压裂目标煤岩层的地质环境、应力状态、物理力学等参数，计算煤层的破裂压力Pk、压裂泵泵压Pw、压裂水量V水，为后续随钻分段压裂作业提供数据。

[0161] 煤层的破裂压力Pk，按下式计算：

[0162] Pk＝3σh‑σH+σt‑P0

[0163] 上式中：σh为煤层原始水平最小主应力，σH为煤层原始水平最大主应力，σt为煤岩抗拉强度，P0为孔隙压力。通过计算煤层的破裂压力Pk=21.7MPa。

[0164] 根据计算的Pk值及其他参数计算需要的压裂泵泵压Pw，Pw按下式计算。

[0165] Pw=Pk+PH+Pr

[0166] PH为压裂管路液柱压力，PH=ρgHc；ρ为压裂液密度，本次假设采用清水作为压裂液ρ3
=1000kg/m ；g为重力加速度，取g=10N/kg；Hc为电磁传输高压密封管柱高差，由开孔在煤层，
最终分支孔进入煤层，高差忽略不计，因此按PH=0MPa计算；Pr为压裂液沿程摩阻，Pr=aLgλ1，
Lg为管路长度，假设为0.1km，λ1为摩阻系数，假设管路摩阻系数λ1=8，计算得Pr=0.8MPa。经
计算压裂泵泵压Pw=22.5MPa。

[0167] 依据压裂目标煤岩层设计的钻孔间距等参数，考虑压力水漏失，估算压裂水量V水，

[0168] V水按下式计算：

[0169] V水=0.02V体λ2

[0170] 式中V体为设计的压裂影响范围煤层体积，根据钻孔间距分段参数等估算的煤层体3
积约为1953m ；λ2为顶底板岩层吸水系数，依顶板岩层坚固性系数 f2取值，f2＞2时，λ2取值
3
为1，f2为其它数值时，λ2=1.7‑0.35 f2。经计算V水=39.06m。

[0171] 步骤5，计算顶板平行定向长钻孔压裂分段长度W和压裂段间距U，本次选用的钻孔类型为顶板平行定向长钻孔+分支孔，因此该步骤无需进行计算。

[0172] 步骤6，根据上述设计参数进行水力压裂作业。

[0173] 顶板平行定向长钻孔+分支孔随钻压裂作业：利用整套煤矿瓦斯深孔区域化抽采装置进行钻孔施工前，调节好双模式压差滑套筛管一体化短节804来控制上封隔器802与下
封隔器806之间的间距，使其大于钻孔在煤层段内的预计长度，顶板平行定向长钻孔施工完
后，在孔底开始施工第1个分支孔，施工完后调整上封隔器802与下封隔器806的位置使其分
别处于煤层底板和煤层顶板。根据分段水力压裂参数设计启动并控制高压大流量集中供液
3
装置开始压裂，调节压裂压力至高于压裂泵泵压Pw=22.5MPa，完成压裂水量V水=39.06m时停
止第1个分支孔压裂。拖动电磁传输高压密封管柱5使钻头处于第2个分支孔开孔点，第2个
开孔点距第1个开孔点的距离为O=31.25m，开始钻进第2个分支孔并进行随钻压裂，重复以
此直至所有分支孔压裂完成。

[0174] 步骤7，压裂后进行排水、封孔、连接抽采装置进行抽采，压裂后进行排水时，孔口安装临时负压装置，用于抽吸排水过程中的正压瓦斯，防止钻场内部瓦斯超限，排水至排水
3
流量小于VP时采用水泥砂浆封孔, VP在0.2~0.5m /h内取值，封孔后连接抽采装置进行抽
采。压裂后，排水、封孔、连接抽采装置进行抽采。

[0175] 如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的方案，但凡对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发
明的权利要求范围当中。

[0176] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0177] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0178] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以
是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的
普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0179] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0180] 在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实
施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示
例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书
中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0181] 尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型
均在本发明的保护范围内。