CN105545307A - 特大采场空间远近场井上下协同顶板控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿坚硬顶板控制方法，具体为特大采场空间远近场井上下协同顶板控制方法，解决目前缺乏特大采场空间近场和远场坚硬顶板综合协同控制方法的问题，技术方案为：包括井上垂直孔水力压裂法、井上L型孔水力压裂法、井上高聚能重复脉冲强冲击波法、井下注水法、井下分层爆破法、井下水力压裂法；优点：1、井上、井下协同控制远场与近场坚硬顶板，使得特大采场空间的强矿压问题得到了有效的控制；2、充分发挥各种方法的优势，利用多种方法互相弥补劣势，使得坚硬顶板弱化效果得到显著的提高；3、井上、井下所开各孔洞，即可独立使用，也可共用，大大缩减了开孔所需的时间、人力、物力、财力。

Description

特大采场空间远近场井上下协同顶板控制方法

技术领域

本发明涉及煤矿坚硬顶板控制方法，具体为特大采场空间远近场井上下协同顶板控制方法。

背景技术

近年来，随着煤炭工业的快速发展，高效集约化的生产模式已逐渐成为煤矿开采的常态，特别是大采高综放开采先进采煤技术的应用，使得工作面走向长度、工作面斜长、煤层厚度大幅增加，顶板垮落带高度也大幅增加，垮裂比异于寻常，从而形成了特大采场空间，生产过程中出现异乎寻常的剧烈来压，这种条件下，剧烈矿压的显现已经远远超出了坚硬基本顶的作用引起的矿压显现范围。高位坚硬顶板岩层的破断失稳引发的采场应力场、覆岩空间结构演化更加复杂，大规模高强度的开采扰动不仅导致垮落带范围覆岩剧烈运动，而且会使上覆采空区空间平衡结构进一步失稳，从而形成采空区顶板岩层大面积异常矿压剧烈显现，甚至诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害。如何有效地降低矿压，不仅要立足于近场30-80m范围的坚硬基本顶的控制，更要着眼于远场100-350m高位坚硬基本顶的控制。因此，研究一种针对特大采场的能够有效控制近场坚硬顶板和远场坚硬顶板的协同顶板控制方法是十分有必要的。

专利文件CN201510108115.7公开了一种《弱化距煤层100~350m高位坚硬顶板的方法及装置》其中包括使用垂直孔水力压裂坚硬顶板控制方法，以下称为“垂直孔水力压裂坚硬顶板控制方法”。

专利文件CN201510037487.5公开了一种《降低特厚煤层工作面远场坚硬顶板冲击性来压强度的方法》其中包括使用L型孔水力压裂坚硬顶板的控制方法，以下称为“L型孔水力压裂坚硬顶板控制方法”。

专利文件CN201210013370.X公开了一种《利用脉冲致裂实现治理冲击地压的方法》其中包括使用高聚能重复脉冲强冲击波坚硬顶板控制方法，以下称为“高聚能重复脉冲强冲击波坚硬顶板控制方法”。

专利文件CN201210144077.7公开了一种《煤矿坚硬顶板分层爆破方法》，其中包括使用分层爆破控制坚硬顶板的方法，以下称为“分层爆破坚硬顶板控制方法”。

专利文件CN201310483719.0公开了一种《提高综放工作面初采期间顶煤回收率的方法》，其中包括使用水力压裂控制坚硬顶板的方法，以下称为“水力压裂弱化坚硬顶板控制方法”。

发明内容

本发明解决目前缺乏特大采场空间近场和远场坚硬顶板综合协同控制方法的问题，提供一种特大采场空间远近场井上下协同顶板控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：特大采场空间远近场井上下协同顶板控制方法，包括特大采场空间远场井上垂直孔水力压裂坚硬顶板控制方法、特大采场空间远场井上L型孔水力压裂坚硬顶板控制方法、特大采场空间远场井上高聚能重复脉冲强冲击波坚硬顶板控制方法、特大采场空间近场井下注水坚硬顶板控制方法、特大采场空间近场井下分层爆破坚硬顶板控制方法、特大采场空间近场井下水力压裂弱化坚硬顶板控制方法；

首先，采用特大采场空间远场井上垂直孔水力压裂坚硬顶板控制方法对远场坚硬顶板进行控制；

其次，采用特大采场空间远场井上L型孔水力压裂坚硬顶板控制方法对各个目的层的坚硬顶板进行控制；

然后，采用特大采场空间远场井上高聚能重复脉冲强冲击波坚硬顶板控制方法对已经弱化的各目的层坚硬顶板进行深度控制；

至此，完成特大采场空间远场坚硬顶板井上施工控制，同时或然后，进行特大采场空间近场坚硬顶板井下施工控制，首先，采用特大采场空间近场井下注水坚硬顶板控制方法对近场坚硬顶板进行初步控制；

然后，采用特大采场空间近场井下分层爆破坚硬顶板控制方法分别对近场坚硬顶板进行分层弱化控制；

最后，采用特大采场空间近场井下水力压裂弱化坚硬顶板控制方法对近场坚硬顶板进行控制。

依次采用井上垂直孔水力压裂法、井上L型孔水力压裂法、井上高聚能重复脉冲强冲击波法对远场坚硬顶板进行控制，由于上述三种方法的施工次序的安排，不仅充分发挥了各个方法的优势，而且彼此之间功效得到了加强，具体体现在：1、垂直孔水力压裂法先对局部远场坚硬顶板进行重点弱化，但是其缺点在于辐射范围有限，一半只能覆盖半径几十米范围，对于特大采场空间远场坚硬顶板，若只采用垂直孔水力压裂法，需在广大的开采面上方打众多垂直孔，耗费大量人力物力财力；2、L型孔水力压力法主要针对同一目的层的远场坚硬顶板进行弱化，L型孔的水平孔可在较大长度范围内对目的层的坚硬顶板进行弱化，弥补了垂直孔水力压裂法的不足；3、高聚能重复脉冲强冲击波法的弱化效果主要体现在各个目的层的坚硬顶板经垂直孔、L型孔水力压裂法初步弱化之后，对其进行进一步弱化，使得各层、各部位坚硬顶板彻底弱化。

同时，仅采用井上各种控制方法只能对远场坚硬顶板进行弱化，而近场坚硬顶板须在井下进行控制，依次使用井下注水法、井下分层爆破法、井下水力压裂法对近场坚硬顶板进行控制，同样的，由于上述三种方法的施工次序的安排，不仅充分发挥了各个方法的优势，而且彼此之间功效得到了加强，具体体现在：1、先采用井下注水法对近场坚硬顶板进行湿润，初步弱化，以便于后续控制方法能够起到更加显著的效果，此方法为本领域公知的常规技术手段。但井下注水法对近场坚硬顶板的弱化效果受限于注水后的湿润半径，同井上垂直孔水力压裂法相似的，若要在大面积的开采面范围内对近场坚硬顶板进行弱化，必须在多处分布注水孔，且在注水孔内充入大量的动静压水，在弱化近场坚硬顶板的同时，也增加了顶板承受的压力，带来一定的安全隐患；2、井下分层爆破法主要针对的是同一目的层的坚硬顶板进行弱化控制，其可以在爆破后使得楔形槽预裂缝向外辐射扩散，在近场坚硬顶板受到初步注水弱化后，预裂缝的扩散范围与未经注水弱化时的范围相比得到了大幅度提高；3、近场坚硬顶板在经过湿润初步弱化、爆破进一步弱化之后，采用井下水力压裂法可使得各目的层，各空间区域内的坚硬顶板彻底弱化，其效果与单纯使用时相比，弱化效果提升明显。由于井上远场坚硬顶板控制与井下近场坚硬顶板控制互不干涉，因此井上、井下控制可同步进行或先后进行。

本发明方法具有以下优点：1、井上、井下协同控制远场与近场坚硬顶板，使得特大采场空间的强矿压问题得到了有效的控制；2、充分发挥各种方法的优势，利用多种方法互相弥补劣势，使得坚硬顶板弱化效果得到显著的提高；3、井上、井下所开各孔洞，即可独立使用，也可共用，大大缩减了开孔所需的时间、人力、物力、财力。

附图说明

图1为特大采场空间远场井上垂直孔水力压裂坚硬顶板控制方法和特大采场空间远场井上L型孔水力压裂坚硬顶板控制方法施工示意图。

图2为爆破孔和水力压裂孔结构示意图；

图中：1-L型水力压裂孔，2-垂直水力压裂孔，3-射孔割缝，4-地面，5-远场坚硬顶板，6-近场坚硬顶板，7-工作面，8-爆破孔，9-水力压裂孔，10-楔形槽预裂缝。

具体实施方式

特大采场空间远近场井上下协同顶板控制方法，包括特大采场空间远场井上垂直孔水力压裂坚硬顶板控制方法、特大采场空间远场井上L型孔水力压裂坚硬顶板控制方法、特大采场空间远场井上高聚能重复脉冲强冲击波坚硬顶板控制方法、特大采场空间近场井下注水坚硬顶板控制方法、特大采场空间近场井下分层爆破坚硬顶板控制方法、特大采场空间近场井下水力压裂弱化坚硬顶板控制方法；

首先，采用特大采场空间远场井上垂直孔水力压裂坚硬顶板控制方法对远场坚硬顶板进行控制，具体包括以下操作步骤：

a、在地面4向工作面7上覆远场坚硬顶板5钻一垂直水力压裂孔2，压裂孔端部距工作面100-350m；

b、通过高压水射孔与压裂装置从压裂管柱中向垂直水力压裂孔2和导向压裂孔中注入压裂液，经射孔枪对远场坚硬顶板5岩层进行射孔割缝；

c、对目的层进行射孔产生射孔割缝3后，从压裂管中继续注入压裂液，同时从压裂管柱与套管的环空中注入支撑剂，完成对垂直水力压裂孔2的水力压裂施工，施工完成后，通过花管与逆止阀进行反循环清洗，然后上提压裂管柱进行下一目的层施工；完成所有目的层施工后，将压裂管柱从套管内提出压裂孔口；

其次，采用特大采场空间远场井上L型孔水力压裂坚硬顶板控制方法对各个目的层的坚硬顶板进行控制，具体包括以下操作步骤：

d、在地面4向工作面7上覆远场坚硬顶板5钻一L型水力压裂孔1，水平孔距工作面7垂直距离100-350m；

e、通过高压水射孔与压裂装置从压裂管柱中向L型水力压裂孔1中注入压裂液，经射孔枪对高位坚硬顶板岩层进行射孔割缝；

f、对目的层进行分段射孔产生射孔割缝3后，从压裂管中继续注入压裂液，同时从压裂管柱与套管的环空中注入支撑剂，完成L型水力压裂孔对水平孔目的层多段水力压裂的施工，施工完成后，将压裂管柱从套管内提出压裂孔口；

然后，采用特大采场空间远场井上高聚能重复脉冲强冲击波坚硬顶板控制方法对已经弱化的各目的层坚硬顶板进行深度控制，具体包括以下操作步骤：

g、在地面4向工作面7上覆远场坚硬顶板5钻一垂直冲击孔，垂直冲击孔端部距工作面垂直距离100-350m；

h、向垂直冲击孔中注入清水，使垂直冲击孔饱和水；

i、将高聚能重复脉冲强冲击波探头深入垂直冲击孔中，并使其浸没在孔内的清水中，向高聚能重复脉冲强冲击波探头通电，高聚能重复脉冲强冲击波探头对高位坚硬顶板岩层目的层进行高压脉冲放电，从而形成裂缝并扩展，完成对垂直孔目的层高聚能重复脉冲冲击弱化的施工，施工完成后，将高聚能重复脉冲强冲击波探头从垂直孔内提出冲击孔口；

至此，完成特大采场空间远场坚硬顶板井上施工控制，同时或然后，进行特大采场空间近场坚硬顶板井下施工控制，首先，采用特大采场空间近场井下注水坚硬顶板控制方法对近场坚硬顶板进行初步控制，具体包括以下操作步骤：

j、在井下采场向工作面7上覆近场坚硬顶板6施工多个注水孔，并在各注水孔孔口进行水泥注浆封孔；

k、通过高压注水泵向注水孔注入动静压水，以经验湿润半径确定钻孔注水量；

l、重复上述步骤进行各注水孔注水，完成对近场坚硬顶板6初步软化的施工；

然后，采用特大采场空间近场井下分层爆破坚硬顶板控制方法分别对近场坚硬顶板进行分层弱化控制，具体包括以下操作步骤：

m、在井下采场向工作面7上覆近场坚硬顶板6施工多个爆破孔8，并沿各爆破孔8在各爆破段钻出楔形槽预裂缝10；

n、把起爆药、炮土和木楔依次放入爆破孔8的爆破段中，并将木楔卡紧，完成爆破孔8内第一爆破段的装药，然后重复上述步骤完成各爆破段的装药；

o、重复上述步骤，完成各爆破孔的装药，并用炮土对各爆破孔进行封孔，然后连接雷管到导爆索、封泥，最后连接爆破网络进行起爆；

最后，采用特大采场空间近场井下水力压裂弱化坚硬顶板控制方法对近场坚硬顶板进行控制，具体包括以下操作步骤：

p、在井下采场向工作面7上覆近场坚硬顶板6施工若干水力压裂孔9，并沿钻孔在各压裂段钻出楔形槽预裂缝10；

q、将带有水力压裂安装杆的封孔器推进至水力压裂段，并将封孔器加压对水力压裂段进行封孔；

r、通过压裂泵向水力压裂孔注入高压水，对水力压裂段实施压裂；

s、同一水力压裂孔有多段水力压裂段，重复上述步骤进行分段压裂，完成对水力压裂孔各水力压裂段的施工。

Claims (1)

1.一种特大采场空间远近场井上下协同顶板控制方法，包括特大采场空间远场井上垂直孔水力压裂坚硬顶板控制方法、特大采场空间远场井上L型孔水力压裂坚硬顶板控制方法、特大采场空间远场井上高聚能重复脉冲强冲击波坚硬顶板控制方法、特大采场空间近场井下注水坚硬顶板控制方法、特大采场空间近场井下分层爆破坚硬顶板控制方法、特大采场空间近场井下水力压裂弱化坚硬顶板控制方法；其特征在于是通过以下操作步骤实现的：

首先，采用特大采场空间远场井上垂直孔水力压裂坚硬顶板控制方法对远场坚硬顶板进行控制；

其次，采用特大采场空间远场井上L型孔水力压裂坚硬顶板控制方法对各个目的层的坚硬顶板进行控制；

然后，采用特大采场空间远场井上高聚能重复脉冲强冲击波坚硬顶板控制方法对已经弱化的各目的层坚硬顶板进行深度控制；

至此，完成特大采场空间远场坚硬顶板井上施工控制，同时或然后，进行特大采场空间近场坚硬顶板井下施工控制，首先，采用特大采场空间近场井下注水坚硬顶板控制方法对近场坚硬顶板进行初步控制；

然后，采用特大采场空间近场井下分层爆破坚硬顶板控制方法分别对近场坚硬顶板进行分层弱化控制；

最后，采用特大采场空间近场井下水力压裂弱化坚硬顶板控制方法对近场坚硬顶板进行控制。