CN106368701A - 利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法及装置。本发明的利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法包括如下步骤：获取工作面的地质状态，以确定工作面的顶板和煤柱的结构数据；结合上述数据，由内回采巷道向煤柱上方的顶板斜向钻孔，得到水力压裂卸压孔；沿内回采巷道的长度方向间隔预设距离多次钻孔，以得到多个顺次排列的水力压裂卸压孔；在每个水力压裂卸压孔上的多个预设位置处分别进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝；沿每个水力压裂卸压孔的各条切割裂缝切断顶板。该方法及装置能缓解超前和残余支承压力对外回采巷道稳定性的影响，达到回采巷道卸压、缓解片帮和底鼓的目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭采集技术领域，尤其涉及一种利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法及装置。
背景技术
我国煤矿以井工开采为主，需要在井下开掘大量的巷道，保持巷道畅通与围岩稳定对煤矿安全生产具有重要意义。回采巷道一般布置在煤层中，巷道围岩的强度一般较小，稳定性较差。我国在山西的潞安矿区、晋城矿区等高瓦斯矿区，很多矿井采煤工作面回采巷道采用两进两回的布置方式，俗称“大U套小U”，大U的巷道全部要留巷，供下一工作面使用。对于该类留巷的回采巷道，往往要经历多次掘进和回采影响，受到工作面的超前支承压力和相邻工作面侧向支承压力的重复作用的较大影响。
留巷巷道的变形具有变形速度快、变形量大、变形形式复杂、变形无法稳定等特点。针对此类巷道的维护，通常通过对留巷巷道围岩卸压以达到稳定性维护的目的。目前，现有的卸压方法包括：在巷道底板和两帮切缝，在卸压煤岩体中钻孔，在底板和两帮实施松动爆破，采用卸压煤柱等。上述方法可释放或转移巷道围岩附近岩体中的部分高应力，虽能在一定程度上缓解巷道的动压现象，但往往工程量较大，成本较高，使用爆破方法时，安全性较低，并且卸压效果难以人为控制。因此，并未形成有效并可推广应用的留巷巷道卸压方法。
鉴于上述背景技术的缺陷，本发明提供了一种利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法及装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供了一种利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法及装置，能够实现顶板的应力转移和围岩弱化，从而减轻采煤工作面回采时导致的悬臂顶板对外围留巷巷道的影响，释放侧向支撑压力，控制外围留巷巷道的大变形。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法，包括如下步骤：
获取工作面的地质状态，以确定所述工作面的顶板和煤柱的结构数据，其中，所述工作面的两端由内至外各设有一条内回采巷道和一条外回采巷道，所述煤柱设置在内回采巷道和外回采巷道之间；
结合所述顶板和煤柱的结构数据，由所述内回采巷道向煤柱上方的顶板斜向钻孔，得到水力压裂卸压孔；
沿所述内回采巷道的长度方向间隔预设距离多次钻孔，以得到多个顺次排列的所述水力压裂卸压孔；
在每个所述水力压裂卸压孔上的多个预设位置处分别进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝；
沿每个所述水力压裂卸压孔的各条切割裂缝切断顶板。
进一步的，所述获取工作面的地质状态，以确定所述工作面的顶板和煤柱的结构数据，进一步包括：
根据所述采煤工作面或掘进工作面的地质柱状图、或通过钻孔窥视，确定所述顶板的结构数据。
进一步的，所述顶板的结构数据包括所述顶板的层位、厚度、岩体强度和地应力数据中的一种或几种组合。
进一步的，所述由内回采巷道向煤柱上方的顶板斜向钻孔，得到水力压裂卸压孔，沿所述内回采巷道的长度方向间隔预设距离多次钻孔，以得到多个顺次排列的所述水力压裂卸压孔，进一步包括：
在所述内回采巷道内，以预设间距多次向所述煤柱上方的顶板内斜向打孔，每次打孔均按照预设深度和预设角度进行，以得到沿所述内回采巷道长度方向顺次排列的多个水力压裂卸压孔。
进一步的，所述预设间距为10～20m，所述预设深度为15～50m；
所述预设角度包括预设仰角角度和预设投影角度，所述预设仰角角度为以水平面为基准仰角的角度为45°～60°，所述预设投影角度为所述预设仰角角度的投影与所述煤柱的侧壁夹角为40°～50°。
进一步的，所述预设间距为15m，所述预设深度为20m，所述预设仰角角度为以水平面为基准仰角的角度为53°，所述预设投影角度为所述预设仰角角度的投影与所述煤柱的侧壁夹角为45°。
进一步的，所述在每个水力压裂卸压孔上的多个预设位置处分别进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，进一步包括：
确定所述水力压裂卸压孔上的多个预设位置，在每个所述预设位置开槽，得到多个切槽；
在每个所述切槽的前后位置封孔；
分别向每个所述切槽内注入加压后的水，利用所述水的压力作用分别使每个所述切槽的两侧开裂，以形成多条所述切割裂缝。
进一步的，所述水力压裂卸压孔上的每个预设位置之间的间距为3～4m。
进一步的，所述沿每个水力压裂卸压孔的各条切割裂缝切断顶板，进一步包括：
通过各条切割裂缝将各个所述水力压裂卸压孔之间贯通。
本发明还提供了一种利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的装置，包括：
数据获取单元，用于获取工作面的地质状态，以确定所述工作面的顶板和煤柱的结构数据，其中，所述工作面的两端由内至外各设有一条内回采巷道和一条外回采巷道，所述煤柱设置在内回采巷道和外回采巷道之间；
钻孔单元，用于根据所述顶板和煤柱的结构数据，由所述内回采巷道向煤柱上方的顶板斜向钻孔，得到水力压裂卸压孔，沿所述内回采巷道的长度方向间隔预设距离多次钻孔，以得到多个顺次排列的所述水力压裂卸压孔；
水力压裂卸压处理单元，用于在每个所述水力压裂卸压孔上的多个预设位置处分别进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，沿每个所述水力压裂卸压孔的各条切割裂缝切断顶板。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法包括如下步骤：获取工作面的地质状态，以确定工作面的顶板和煤柱的结构数据；结合上述数据，由内回采巷道向煤柱上方的顶板斜向钻孔，得到水力压裂卸压孔；沿内回采巷道的长度方向间隔预设距离多次钻孔，以得到多个顺次排列的水力压裂卸压孔；在每个水力压裂卸压孔上的多个预设位置处分别进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝；沿每个水力压裂卸压孔的各条切割裂缝切断顶板。该方法及装置通过定向的水力压裂卸压处理，使得煤柱上方顶板的高应力岩层中形成一个弱化带，以削弱外回采巷道周围的高应力、或将高应力转移到远离外回采巷道的煤岩体中，有效释放侧向支撑压力，控制外回采巷道的变形量在可控范围内，从而缓解超前和残余支承压力对外回采巷道稳定性的影响，达到回采巷道卸压、缓解片帮和底鼓的目的。
附图说明
图1为本发明实施例的工作面的布置结构图；
图2为本发明实施例的水力压裂卸压孔的钻取结构示意图。
其中，1、煤柱；2、内回采巷道；3、外回采巷道；4、顶板；5、水力压裂卸压孔；6、切槽；7、切割裂缝。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、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。
我国在山西的潞安矿区、晋城矿区等高瓦斯矿区，很多矿井的采煤工作面的回采巷道采用两进两回的布置方式，俗称“大U套小U”，大U的巷道全部要留巷，供下一工作面使用。如图1所示，工作面为采煤工作面或掘进工作面，工作面的两侧各设有两条回采巷道，共计四条回采巷道，分别为两条内回采巷道2和两条外回采巷道3，其中，两条外回采巷道3为留巷巷道，不仅要为一个工作面服务，还要为下一工作面服务，因此外回采巷道3的维护极为困难。
如图1、图2所示，本实施例的利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法及装置通过定向的水力压裂卸压处理，使得煤柱1上方顶板4的高应力岩层中形成一个弱化带，以削弱外回采巷道3周围的高应力、或将高应力转移到远离外回采巷道3的煤岩体中，有效释放侧向支撑压力，控制外回采巷道3的变形量在可控范围内，从而缓解超前和残余支承压力对外回采巷道3稳定性的影响，达到回采巷道卸压、缓解片帮和底鼓的目的。
本实施例的方法包括如下步骤：
S1、获取工作面的地质状态，以确定工作面的顶板4和煤柱1的结构数据，其中，工作面的两端由内至外各设有一条内回采巷道2和一条外回采巷道3，煤柱1设置在内回采巷道2和外回采巷道3之间。
为了保证煤柱1上方的顶板4的结构数据的合理及准确确定，步骤S1还进一步包括：
S101、根据工作面的地质柱状图、或通过钻孔窥视，确定顶板4的结构数据。
其中，确定的顶板4的结构数据包括顶板4的层位、厚度、岩体强度和地应力数据中的一种或几种组合。
S2、结合顶板4和煤柱1的结构数据，由内回采巷道2向煤柱1上方的顶板4斜向钻孔，得到水力压裂卸压孔5。
S3、沿内回采巷道2的长度方向间隔预设距离多次钻孔，以得到多个顺次排列的水力压裂卸压孔5。
为了保证每个水力压裂卸压孔5的定位准确，优选步骤S2和步骤S3中包括以下步骤：
S301、在内回采巷道2内，以预设间距多次向煤柱1上方的顶板4内斜向打孔，每次打孔均按照预设深度和预设角度进行，以得到沿内回采巷道2长度方向顺次排列的多个水力压裂卸压孔5。
其中，优选预设间距为10～20m，进一步优选预设间距为15m；优选预设深度为15～50m，进一步优选预设深度为20m；优选预设角度包括预设仰角角度和预设投影角度，预设仰角角度为以水平面为基准仰角的角度为45°～60°，进一步优选预设仰角角度为以水平面为基准仰角的角度为53°，预设投影角度为预设仰角角度的投影与煤柱1的侧壁夹角为40°～50°，进一步优选预设投影角度为预设仰角角度的投影与煤柱1的侧壁夹角为45°。
S4、在每个水力压裂卸压孔5上的多个预设位置处分别进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝7；
为了保证水力压裂卸压处理的准确性，以确保实现顶板4应力的转移和围岩弱化，从而释放内回采巷道2和外回采巷道3的侧向支撑压力，进而避免外回采巷道3的变形过大，步骤S4中进一步包括：
S401、确定水力压裂卸压孔5上的多个预设位置，在每个预设位置开槽，得到多个切槽6，其中，水力压裂卸压孔5上的每个预设位置之间的间距为3～4m。
S402、在每个切槽6的前后位置封孔；
S403、分别向每个切槽6内注入加压后的水，利用水的压力作用分别使每个切槽6的两侧开裂，以形成多条切割裂缝7。
S5、沿每个水力压裂卸压孔5的各条切割裂缝7切断顶板4。
为了进一步切断工作面和煤柱1的顶板4在开采后悬顶，而对外回采巷道3留巷的影响，进一步实现顶板4应力的转移和围岩弱化，从而释放内回采巷道2和外回采巷道3的侧向支撑压力，步骤S5中进一步包括：
S501、通过各条切割裂缝7将各个水力压裂卸压孔5之间贯通。
本实施例的方法在具体操作时，首先根据采煤工作面或掘进工作面的地质柱状图、或根据现场钻孔窥视结果，确定顶板4和煤柱1的结构数据，包括顶板4的岩层层位、厚度、顶板4煤岩体强度及地应力数据。
然后根据顶板4煤岩体强度和地应力数据，结合煤柱1尺寸，由内回采巷道2向煤柱1上方的顶板4斜向钻孔，以得到水力压裂卸压孔5，钻孔间距为10～20m。
具体为：在内回采巷道2内，向煤柱1上方的顶板4中按预设角度和预设深度钻取水力压裂钻孔，水力压裂钻孔在钻取过程中，采用切槽钻头在水力压裂钻孔内的预设位置进行开槽，以得到切槽6；在切槽6位置前后进行封孔，通过高压泵向切槽6中注入加压后的高压水，高压水沿切槽6的两侧扩散并形成切割裂缝7，继续注水从而利用水压将顶板4沿切割裂缝7切断；然后对于不同位置的水力压裂钻孔，在每个水力压裂钻孔内均可设置多个切槽6并分别进行水力压裂，进而将顶板4中多处位置切断。通过将多个水力压裂钻孔压裂后的裂缝相互贯通，以切断工作面顶板4开采后悬顶对外回采巷道3的影响，实现顶板4应力的转移和围岩弱化，从而释放内回采巷道2和外回采巷道3的侧向支撑压力，进而避免外回采巷道3的变形过大。
本实施例还提供了一种利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷包括：
数据获取单元，用于获取工作面的地质状态，以确定工作面的顶板4和煤柱1的结构数据，其中，工作面的两端由内至外各设有一条内回采巷道2和一条外回采巷道3，煤柱1设置在内回采巷道2和外回采巷道3之间；
钻孔单元，用于根据顶板4和煤柱1的结构数据，由内回采巷道2向煤柱1上方的顶板4斜向钻孔，得到水力压裂卸压孔5，沿内回采巷道2的长度方向间隔预设距离多次钻孔，以得到多个顺次排列的水力压裂卸压孔5；
水力压裂卸压处理单元，用于在每个水力压裂卸压孔5上的多个预设位置处分别进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝7，沿每个水力压裂卸压孔5的各条切割裂缝7切断顶板4。
以下以一个具体实施例来详细说明下该利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法及装置。
首先确定顶板4位置后，结合上述的顶板4和煤柱1的结构数据，在内回采巷道2内布置钻孔，钻取的每个水力压裂卸压孔5之间的预设间距为15mm，每个水力压裂卸压孔5的预设深度为20m，预设角度的仰角为53°，其投影与煤柱1的侧壁之间的夹角为45°。
每个水力压裂卸压孔5在钻取过程中，采用切槽钻头在每个水力压裂卸压孔5内的直接顶位置4.2m、和老顶位置8.0m、和11.3m共三处进行切槽，以得到三个切槽6，在每个切槽6的前后进行封孔，通过高压泵向每个水力压裂卸压孔5中的各个切槽6中分别注入高压水，高压水沿切槽6的两侧扩散，将预设位置的顶板4沿切割裂缝7切断。
然后对于不同位置的水力压裂钻孔，在每个水力压裂钻孔内均可设置多个切槽6并分别进行水力压裂，在顶板4中形成三处切断位置，其中，第一处切断位置与第二处切断位置之间的间距为3.8m左右，第二处切断位置和第三处切断位置之间的间距为3.3m左右。
最后通过将多个水力压裂钻孔上的各个切槽6压裂后的裂缝相互贯通，以实现切断采煤工作面顶板4在开采后悬顶而对外回采巷道3的不良影响，从而实现煤柱1上方顶板4应力的转移和围岩弱化，进而释放内回采巷道2和外回采巷道3的侧向支撑压力，避免外回采巷道3的变形过大。
综上，本实施例的利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法包括如下步骤：获取工作面的地质状态，以确定工作面的顶板4和煤柱1的结构数据；结合上述数据，由内回采巷道2向煤柱1上方的顶板4斜向钻孔，得到水力压裂卸压孔5；沿内回采巷道2的长度方向间隔预设距离多次钻孔，以得到多个顺次排列的水力压裂卸压孔5；在每个水力压裂卸压孔5上的多个预设位置处分别进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝7；沿每个水力压裂卸压孔5的各条切割裂缝7切断顶板4。该方法及装置通过定向的水力压裂卸压处理，使得煤柱1上方顶板4的高应力岩层中形成一个弱化带，以削弱外回采巷道3周围的高应力、或将高应力转移到远离外回采巷道3的煤岩体中，有效释放侧向支撑压力，控制外回采巷道3的变形量在可控范围内，从而缓解超前和残余支承压力对外回采巷道3稳定性的影响，达到回采巷道卸压、缓解片帮和底鼓的目的。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取工作面的地质状态，以确定所述工作面的顶板和煤柱的结构数据，其中，所述工作面的两端由内至外各设有一条内回采巷道和一条外回采巷道，所述煤柱设置在内回采巷道和外回采巷道之间；
结合所述顶板和煤柱的结构数据，由所述内回采巷道向煤柱上方的顶板斜向钻孔，得到水力压裂卸压孔；
沿所述内回采巷道的长度方向间隔预设距离多次钻孔，以得到多个顺次排列的所述水力压裂卸压孔；
在每个所述水力压裂卸压孔上的多个预设位置处分别进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝；
沿每个所述水力压裂卸压孔的各条切割裂缝切断顶板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取工作面的地质状态，以确定所述工作面的顶板和煤柱的结构数据，进一步包括：
根据所述采煤工作面或掘进工作面的地质柱状图、或通过钻孔窥视，确定所述顶板的结构数据。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述顶板的结构数据包括所述顶板的层位、厚度、岩体强度和地应力数据中的一种或几种组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述由内回采巷道向煤柱上方的顶板斜向钻孔，得到水力压裂卸压孔，沿所述内回采巷道的长度方向间隔预设距离多次钻孔，以得到多个顺次排列的所述水力压裂卸压孔，进一步包括：
在所述内回采巷道内，以预设间距多次向所述煤柱上方的顶板内斜向打孔，每次打孔均按照预设深度和预设角度进行，以得到沿所述内回采巷道长度方向顺次排列的多个水力压裂卸压孔。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设间距为10～20m，所述预设深度为15～50m；
所述预设角度包括预设仰角角度和预设投影角度，所述预设仰角角度为以水平面为基准仰角的角度为45°～60°，所述预设投影角度为所述预设仰角角度的投影与所述煤柱的侧壁夹角为40°～50°。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设间距为15m，所述预设深度为20m，所述预设仰角角度为以水平面为基准仰角的角度为53°，所述预设投影角度为所述预设仰角角度的投影与所述煤柱的侧壁夹角为45°。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在每个水力压裂卸压孔上的多个预设位置处分别进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，进一步包括：
确定所述水力压裂卸压孔上的多个预设位置，在每个所述预设位置开槽，得到多个切槽；
在每个所述切槽的前后位置封孔；
分别向每个所述切槽内注入加压后的水，利用所述水的压力作用分别使每个所述切槽的两侧开裂，以形成多条所述切割裂缝。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述水力压裂卸压孔上的每个预设位置之间的间距为3～4m。
9.根据权利要求1～8任一项所述的方法，其特征在于，所述沿每个水力压裂卸压孔的各条切割裂缝切断顶板，进一步包括：
通过各条切割裂缝将各个所述水力压裂卸压孔之间贯通。
10.一种利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的装置，其特征在于，包括：
数据获取单元，用于获取工作面的地质状态，以确定所述工作面的顶板和煤柱的结构数据，其中，所述工作面的两端由内至外各设有一条内回采巷道和一条外回采巷道，所述煤柱设置在内回采巷道和外回采巷道之间；
钻孔单元，用于根据所述顶板和煤柱的结构数据，由所述内回采巷道向煤柱上方的顶板斜向钻孔，得到水力压裂卸压孔，沿所述内回采巷道的长度方向间隔预设距离多次钻孔，以得到多个顺次排列的所述水力压裂卸压孔；
水力压裂卸压处理单元，用于在每个所述水力压裂卸压孔上的多个预设位置处分别进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，沿每个所述水力压裂卸压孔的各条切割裂缝切断顶板。
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