CN103527198A - 切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法 - Google Patents

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马剑
岳崇光
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Abstract

一种切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法,用钻机在开切眼上方顶板/顶煤内间隔施工两排致裂钻孔至设定深度,其中一排致裂钻孔靠近开切眼正帮,另一排致裂钻孔靠近开切眼副帮,在开切眼的左右两端头分别向顶板/顶煤施工一排锚索钻孔;或在开切眼上方的顶板措施巷内不同方向施工多排致裂钻孔;对钻孔进行水力致裂:实现了在给定的平面上使岩体产生一条或多条裂缝,把岩层分裂为一定尺寸和形状的块体或分层,破坏岩石的整体性和降低岩体的强度。防止采煤工作面初采阶段顶板大面积来压和采空区积聚瓦斯突然挤出,减小工作面漏风,保障安全,同时可改善顶煤的冒放性。其方法简单,施工方便,安全可靠,效果好。

Description

切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种顶板水力致裂方法,尤其是一种切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法。
背景技术
[0002] 我国许多矿区(如榆林神东矿区、大同矿区等)煤层之上直接赋存或在厚度较薄的直接顶上赋存有强度高、厚度大、整体性强、节理裂隙不发育的坚硬顶板,由于采煤工作面的切眼顶板采用锚索+锚杆+钢筋钢带支护,其支护强度大,导致采煤工作面在初采期间切眼区域顶板的悬顶面积达几千平方米至上万平方米,易出现顶板大面积来压;当顶板大面积垮落时,易把采空区积聚瓦斯突然挤出,造成瓦斯超限影响工作面安全生产;采空区顶板垮落不实时,容易造成工作面向采空区侧漏风,形成安全隐患。
[0003] 许多煤矿的坚硬或“两硬”(坚硬煤层、坚硬顶板)特厚煤层采用综放开采,在采用“U+I”型或“U”型通风方式等瓦斯治理技术条件下,综放面常出现初次来压期间瓦斯超限的现象,影响了工作面安全正常回采。针对初采期间瓦斯超限的问题,其原因为:(1)初采顶煤冒放性差导致采空区遗留大量煤炭;(2)顶煤未能及时冒落,导致顶板高抽巷和采空区导通不充分,顶板高抽巷的抽放效果没有显现;(3)工作面初次来压、老顶大面积垮落,瓦斯集中释放与挤出,造成工作面瓦斯超限。
[0004] 传统的爆破放顶安全管理复杂,涉及到炸药、雷管的管理运输,放炮要严格执行“一炮三检制”和“三人连锁放炮制”;实践表明,大规模爆破瞬时产生的大量CO等有害气体给矿井通风安全管理造成巨大影响,形成安全隐患;而且爆破经济成本高。对于高瓦斯矿井,爆破放顶由于存在爆破火花诱导瓦斯爆炸的隐患而不宜采用。
发明内容
[0005] 技术问题:本发明的目的是克服已有技术中的不足之处,提供一种方法简单、安全可靠的切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法。
[0006] 技术方案:本发明的切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法,包括如下步骤:
[0007] a.用钻机在开切眼上方顶板/顶煤内间隔施工两排致裂钻孔至设定深度,其中一排致裂钻孔靠近开切眼正帮,另一排致裂钻孔靠近开切眼副帮,在开切眼的左右两端头分别向顶板/顶煤施工一排锚索钻孔;
[0008] 或在开切眼上方的顶板措施巷内不同方向施工多排致裂钻孔;
[0009] b.对钻孔进行水力致裂:
[0010] 首先将高压密封安装管上连接封孔器,将封孔器送至致裂钻孔或锚索钻孔内设定位置处,然后在高压密封安装管上连接与水力致裂泵相连的水力致裂管路,所述水力致裂管路在致裂钻孔或锚索钻孔的孔口处设有泄压阀和压力表;
[0011] 开启水力致裂泵,通过水力致裂管路向致裂钻孔或锚索钻孔内进行水力致裂;
[0012] 当水力致裂管路上的压力表监测到致裂钻孔或锚索钻孔的水力致裂压力小于5MPa时或煤岩层“出汗”超过5〜7min时,关闭水力致裂泵,打开泄压阀,完成一个钻孔的致裂;
[0013] c.取出封孔器,重复步骤b,对下一钻孔进行致裂,直至完成所有钻孔的致裂。
[0014] 所述在开切眼内顶板/顶煤上施工的致裂钻孔与顶板/顶煤相垂直或倾斜,在开切眼两个端头施工的锚索钻孔与顶板/顶煤相垂直或倾斜,或在开切眼上方的顶板措施巷内不同方向施工的多排致裂钻孔与顶板相倾斜;所述致裂钻孔或锚索钻孔的深度为采高的3〜5倍,孔深为3〜30m ;所述致裂钻孔或锚索钻孔的孔间距由顶板/顶煤物理力学性质和水力致裂裂缝扩展半径所定,为0.2〜35m ;所述两排或多排致裂钻孔或锚索钻孔在空间位置上相互错开布置或平行布置;间隔或对每个致裂钻孔内施工至少一个径向槽。
[0015] 有益效果:本发明根据采煤工作面切眼顶板的支护体系和整体稳定性特点,结合水力致裂的裂缝扩展规律,确定采用主要切断切眼顶板四周和岩层分裂+弱化切眼顶板锚固体整体力学性能的控制思路,形成水力致裂钻孔布置的设计方法。在切眼内四周或切眼区域顶板措施巷内向顶板施工一排或多排水力致裂钻孔至设定位置,用开槽钻头或水力割缝钻头在设定位置开槽,用高压密封安装管将封孔器送至致裂钻孔的设定位置,通过向致裂钻孔或锚索钻孔中注入高压水,在高压水的作用下,裂缝沿致裂钻孔的预制缝起裂和扩展;并通过控制致裂钻孔的间距,使相邻钻孔的水压裂缝带贯通,实现切眼坚硬顶板水力预裂。在给定的平面上使岩体产生一条或多条裂缝,把岩层分裂为一定尺寸和形状的块体或分层,破坏岩石的整体性和降低岩体的强度,达到控制顶板的效果。若采煤工作面推进4〜8m后顶板控制效果不理想,可再在采煤工作面端面顶板向推进方向倾斜一定角度补充一排致裂钻孔进行高压水力致裂;有利于坚硬顶板的定向处理,防止采煤工作面初采阶段顶板大面积来压和采空区积聚瓦斯突然挤出,减小工作面漏风,可改善顶煤的冒放性,达到控制顶板(顶煤)和保障安全的效果。该方法也可以应用于工作面正常推采期间采空区的悬顶控制。其方法简单,施工方便,安全可靠,效果好,具有广泛的实用性。
附图说明
[0016] 图1是本发明的实施例一布置立体示意图;
[0017] 图2是本发明的钻孔布置平面示意图;
[0018] 图3是图2的A-A剖面图;
[0019] 图4是图2的B-B剖面图;
[0020] 图5是本发明实施例二的钻孔布置示意图;
[0021] 图6是图5的A-A剖面图;
[0022] 图7是图5的B-B剖面图。
[0023] 图中:1-顶板/顶煤,2-致裂钻孔,3-封孔器,4-高压密封安装管,5-切眼正帮,6-水力致裂泵,7-压力表,8-泄压阀,9-水力致裂管路,10-开切眼,11-锚索钻孔,12-端头,13-顶板措施巷,14-顶板高抽巷。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图对本发明的实施作进一步描述:
[0025] 本发明的切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法,首先用钻机在开切眼10上方顶板/顶煤I内施工两排致裂钻孔2至设定深度,一排致裂钻孔2靠近切眼正帮5,另一排致裂钻孔2靠近切眼副帮,其中一些致裂钻孔2可用开槽钻头或水力割缝钻头在设定位置处施工径向槽;在开切眼10两个端头12处用锚索钻机向顶板/顶煤I施工两排锚索钻孔11,或在开切眼10上方的顶板措施巷13内不同方向施工多排致裂钻孔2 ;所述在开切眼10内顶板/顶煤I上施工的致裂钻孔2与顶板/顶煤I相垂直或倾斜,在开切眼10两个端头12施工的锚索钻孔11与顶板/顶煤I相垂直或倾斜;或在开切眼10上方的顶板措施巷13内不同方向施工的多排致裂钻孔2与顶板相倾斜。所述两个端头12处施工的锚索钻孔垂直布置;所述施工致裂钻孔2或锚索钻孔11的深度为采高的3〜5倍,孔深为3〜30m ;所述施工的致裂钻孔2或锚索钻孔的孔间距由顶板I物理力学性质和水力致裂裂缝扩展半径所定,孔间距为0.2〜35m ;所述两排或多排致裂钻孔2或锚索钻孔11在空间位置上相互错开布置或平行布置;所述施工的两个端头12处锚索钻孔11布置范围至少大于切眼10宽度并沿巷道煤柱侧布置,布置范围为3〜30m ;所述施工的致裂钻孔2开槽数由顶板I物理力学性质所定,间隔或对每个致裂钻孔内施工至少一个径向槽。将高压密封安装管4与封孔器3连接,并将封孔器3送至致裂钻孔2或锚索钻孔11设定位置处,高压密封安装管4连接水力致裂管路9,水力致裂管路9在致裂钻孔2或锚索钻孔11孔口处设有泄压阀8和压力表7,水力致裂管路9另一端连接水力致裂泵6 ;开启水力致裂泵6,通过水力致裂管路9向致裂钻孔2或锚索钻孔11内进行高压水力致裂;当压力表7监测到的水力致裂压力小于5MPa时或煤岩层“出汗”超过5〜7min时间时,关闭水力致裂泵6,停止高压水力致裂,并打开泄压阀8,完成一个钻孔的致裂;取出封孔器3,重复上述过程,对下一钻孔进行致裂,直至完成所有钻孔的致裂。
[0026] 实施例一:如图1、图2所示,某矿煤层平均厚度2.28m,切眼高2.8m,长300m,宽
7.8m,锚索长8m ;直接顶为深灰色砂质泥岩,平均厚度13.27m ;老顶为灰色粉砂岩,平均厚度21.8m,直接底为深灰色砂质泥岩,平均厚度1.42m ;切眼支护为锚索+锚杆+钢筋钢带支护。首先用钻机在开切眼10内顶板/顶煤I上施工两排致裂钻孔2,靠切眼正帮5附近的致裂钻孔2向采煤工作面的推进方向倾斜布置,靠切眼副帮附近的致裂钻孔2与顶板/顶煤I垂直布置;一排致裂钻孔2靠近切眼正帮5向采煤工作面推进方向倾斜80°布置,另一排致裂钻孔2靠近切眼副帮与顶板/顶煤I相垂直布置;用锚索钻机在两个端头12处各施工一排锚索钻孔11,两排锚索钻孔11与顶板/顶煤I相垂直布置;根据切眼10采高
2.3m和锚索长度Sm,为使顶板垮落充满采空区,靠近切眼正帮5处的致裂钻孔2深11m,垂深10m,靠近切眼副帮5处的致裂钻孔2深10m,锚索钻孔11孔深为IOm ;根据切眼支护强度和水力致裂裂缝扩展半径,上述两排开槽钻孔2的孔间距为20m,锚索钻孔11的孔间距为5m ;上述施工的两个端头12处锚索钻孔11布置范围至少大于切眼10宽度7.8m并沿巷道煤柱侧布置,布置范围为15m ;上述施工的两排致裂钻孔2单排在空间位置上相互错开IOm布置;上述施工的致裂钻孔2开槽数由顶板I物理力学性质所定,致裂钻孔2开槽数目为4个,如图3、图4所示。用高压密封安装管4将封孔器3送至致裂钻孔2或锚索钻孔11的设定位置处,并连接水力致裂管路9,水力致裂管路9连接致裂钻孔2或锚索钻孔11孔口处设有泄压阀8和压力表7,水力致裂管路9另一端连接水力致裂泵6 ;开启水力致裂泵6,通过水力致裂管路9向致裂钻孔2或锚索钻孔11内进行高压水力致裂;当压力表7监测到的水力致裂压力小于5MPa时或煤岩层“出汗”超过5〜7min时间时,关闭水力致裂泵6,停止高压水力致裂,并打开泄压阀8卸除孔内压力,完成一个钻孔的致裂;取出封孔器3,重复以上过程,对下一钻孔进行致裂,直至完成所有钻孔的致裂。
[0027] 实施例二:如图5所示,某矿煤层厚度为7.25〜20.19m,平均11.17m,纯煤厚为
4.3〜19.34m,平均10.02m,含夹矸2〜10层,夹矸厚度0.2〜6.8m,平均1.15m,单层厚度
0.05〜lm。夹矸岩性为:灰褐色高岭岩、灰黑色炭质泥岩,泥岩、局部夹深灰色粉砂岩。老顶为灰白、深灰、杂色粉砂岩、细砂岩、中粒砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩交替赋存,成分以石英为主,次为长石及暗色矿物,胶结致密坚硬。工作面呈三巷布置,采用“进一回一抽”通风方式,顶板高抽巷14沿顶板掘进布置,垂直方向与工作面回风巷顶板相距20m,水平方向与工作面回风巷内错20m。切眼10高为3.5m,放煤厚度为7.67m,顶板措施巷13长150m,附近有小断层。首先用钻机在顶板措施巷13顶板/顶煤I上施工三排致裂钻孔2:—排致裂钻孔2向切眼10方向倾斜30°布置,孔深28m,垂深14m ;—排致裂钻孔2向切眼10方向倾斜70°布置,孔深15m,垂深14m ;另一排致裂钻孔2向工作面推进方向倾斜40°布置,孔深20m,垂深14m。用钻机沿顶板措施巷13底板施工一排致裂钻孔2,向切眼10方向倾斜35°布置,如图6、图7所示。根据顶板物理力学性质和水力致裂裂缝扩展半径,上述顶板措施巷13中每排致裂钻孔2的孔间距为20m,顶板高抽巷14中每排致裂钻孔2的孔间距为15m ;上述在顶板措施巷13中沿顶板I向切眼10方向倾斜施工的两排致裂钻孔2单排在空间位置上相互错开IOm布置;上述施工的单排致裂钻孔2开槽数由顶板I物理力学性质所定,致裂钻孔2开槽数目为24个。用高压密封安装管4将封孔器3送至致裂钻孔2的设定位置处,并连接水力致裂管路9,水力致裂管路9连接致裂钻孔2孔口处设有泄压阀8和压力表7,水力致裂管路9另一端连接水力致裂泵6 ;开启水力致裂泵6,通过水力致裂管路9向致裂钻孔2内进行高压水力致裂;当压力表7监测到的水力致裂压力小于5MPa时或煤岩层“出汗”超过5〜7min时间时,关闭水力致裂泵6,停止高压水力致裂,并打开泄压阀8卸除孔内压力,完成一个钻孔的致裂;取出封孔器3,重复以上过程,对下一钻孔进行致裂,直至完成所有钻孔的致裂。

Claims (6)

1.一种切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法,其特征在于包括如下步骤: a.用钻机在开切眼(10)上方顶板/顶煤(I)内间隔施工两排致裂钻孔(2)至设定深度,其中一排致裂钻孔靠近开切眼正帮(5),另一排致裂钻孔靠近开切眼副帮,在开切眼(10)的左右两端头(12)分别向顶板/顶煤(I)施工一排锚索钻孔(11); 或在开切眼(10)上方的顶板措施巷(13)内不同方向施工多排致裂钻孔(2); b.对钻孔进行水力致裂: 首先将高压密封安装管(4)上连接封孔器(3),将封孔器(3)送至致裂钻孔(2)或锚索钻孔(11)内设定位置处,然后在高压密封安装管(4)上连接与水力致裂泵(6)相连的水力致裂管路(9 ),所述水力致裂管路(9 )在致裂钻孔(2 )或锚索钻孔(11)的孔口处设有泄压阀(8)和压力表(7); 开启水力致裂泵(6),通过水力致裂管路(9)向致裂钻孔(2)或锚索钻孔(11)内进行水力致裂; 当水力致裂管路(9)上的压力表(7)监测到致裂钻孔(2)或锚索钻孔(11)的水力致裂压力小于5MPa时或煤岩层“出汗”超过5〜7min时,关闭水力致裂泵(6),打开泄压阀(8),完成一个钻孔的致裂; c.取出封孔器(3),重复步骤b,对下一钻孔进行致裂,直至完成所有钻孔的致裂。
2.根据权利要求1所述的切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法,其特征在于:所述在开切眼(10)内顶板/顶煤(I)上施工的致裂钻孔(2)与顶板/顶煤(I)相垂直或倾斜,在开切眼(10)两个端头(12)施工的锚索钻孔(11)与顶板/顶煤(I)相垂直或倾斜;或在开切眼(10)上方的顶板措施巷(13)内不同方向施工的多排致裂钻孔(2)与顶板相倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法,其特征在于:所述致裂钻孔(2)或锚索钻孔(11)的深度为采高的3〜5倍。
4.根据权利要求1或2所述的切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法,其特征在于:所述致裂钻孔(2)或锚索钻孔(11)的孔间距为0.2〜35m。
5.根据权利要求1或2所述的切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法,其特征在于:所述两排或多排致裂钻孔(2)或锚索钻孔(11)在空间位置上相互错开布置或平行布置。
6.根据权利要求1或2所述的切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法,其特征在于:间隔或对每个致裂钻孔(2)内施工至少一个径向槽。
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