CN107152279A - 旺格维利回采工作面顶板水力压裂弱化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿开采领域，公开了一种旺格维利回采工作面顶板水力压裂弱化方法，包括：S1：确定所述回采工作面的顶板岩层和煤柱的结构参数；S2：根据所述顶板岩层和所述煤柱的结构参数，计算水力压裂钻孔的基本参数；S3：根据计算结果，由所述联巷或输运平巷或区段支巷向所述煤柱上方的顶板岩层斜向钻取水力压裂钻孔；S4：在所述水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂弱化处理。本发明所提供的方法能够保证回采过程中，难垮顶板岩层能够及时、安全垮落，避免在采空区形成大面积悬顶，导致一次性垮落产生飓风及强烈冲击，造成工作面设备损坏、人员伤亡等恶性事故。本发明还公开了一种旺格维利回采工作面顶板水力压裂弱化装置。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种旺格维利回采工作面顶板岩层水力压裂弱化方法及装置。
背景技术
我国具有国际先进水平的长壁综合机械化采煤方法。但我国仍有大量不适合布置长壁工作面的边角煤块段。比如，大型井田的边角煤块段和不适宜布置综采工作面的块段，工作面多为不规则块段，无法采用长壁综合机械化采煤法回采。据统计，仅神府东胜矿区的不规则边角煤块段及部分小型井田的可采储量为53219万吨，占矿区可采总量的17.24％。而旺格维利采煤法(简称旺采)，是一种短壁式开采方法，是回采不规则边角煤块段及小型井田煤炭资源的有效方法，该方法符合国家煤炭法规的要求，能够减少资源浪费，提高资源采出率，是我国煤炭开采方法的有益补充。
旺格维利采煤法的生产系统巷道，主要由盘区巷道(集中巷)、区段平巷、联巷、支巷和采硐组成。旺采工艺是采用连续采煤机割煤，连续运煤系统(运煤车或梭车)运煤，采用线形支架支护支巷顶板，采取全部跨落法管理顶板的一种采煤方法。该方法适用于井田边界的边角煤、不规则区域和不适宜布置综采的小型井田。
在旺格维利采煤法中，针对难垮顶板，通常采用爆破方法弱化采空区顶板岩层，促使难垮顶板及时垮落，避免大面积悬顶突然一次性垮落形成飓风和强烈冲击。但爆破方法使用大量火工品，安全性低，爆破产生的CO等有毒气体，污染井下空气，威胁工人安全。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种旺格维利回采工作面顶板岩层水力压裂弱化方法及装置，保证回采过程中，难垮顶板岩层能够及时、安全垮落，避免在采空区形成大面积悬顶，导致一次性垮落产生飓风及强烈冲击，造成工作面设备损坏、人员伤亡等恶性事故。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种旺格维利回采工作面顶板水力压裂弱化方法，所述回采工作面的两端分别设置有联巷和/或输运平巷，煤柱设置在两条相邻的联巷之间，或者设置在输运平巷和与所述输运平巷相邻的联巷之间，在相邻的煤柱之间设置有区段支巷；其中，所述方法包括如下步骤：
S1：确定所述回采工作面的顶板岩层和煤柱的结构参数；
S2：根据所述顶板岩层和所述煤柱的结构参数，计算水力压裂钻孔的基本参数；
S3：根据计算结果，由所述联巷或输运平巷或区段支巷向所述煤柱上方的顶板岩层斜向钻取水力压裂钻孔；
S4：在所述水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂弱化处理。
其中，所述确定所述回采工作面的顶板岩层的结构参数，具体为：根据所述回采工作面的地质柱状图或通过钻孔窥视，确定所述顶板岩层的结构参数。
其中，所述顶板岩层的结构参数包括所述顶板岩层的厚度、岩体强度、回采工作面采高、岩性、地应力场的大小、煤岩体强度、工作面回采工艺、支架参数中的至少一项。
其中，所述水力压裂钻孔的基本参数包括孔的数量、预设位置、孔深、仰角角度、竖直高度、非压裂段长度、压裂段长度以及压裂次数中的至少一项。
其中，所述水力压裂钻孔包括第一水力压裂钻孔和/或第二水力压裂钻孔，所述第一水力压裂钻孔与所述煤柱的水平中心线相对应，所述第二水力压裂钻孔布置在所述煤柱的水平中心线的两侧。
其中，当所述水力压裂钻孔包括第一水力压裂钻孔和第二水力压裂钻孔时，所述第一水力压裂钻孔的仰角角度小于所述第二水力压裂钻孔的仰角角度，且所述第一水力压裂钻孔的深度大于所述第二水力压裂钻孔的深度。
其中，所述第一水力压裂钻孔的仰角为15°至35°，所述第二水力压裂钻孔的仰角为45°至60°。
其中，所述水力压裂钻孔的竖直高度为采高的4-6倍。
其中，所述在所述水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂弱化处理，具体为：在所述第一水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂之后，再对所述第二水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂弱化处理。
本发明还公开了一种旺格维利回采工作面顶板水力压裂弱化装置，所述回采工作面的两端分别设置有联巷和/或输运平巷，煤柱设置在两条相邻的联巷之间，或者设置在输运平巷和与所述输运平巷相邻的联巷之间，其包括：
参数获取单元，用于确定回采工作面的顶板岩层和煤柱的结构参数；
计算单元，用于根据顶板岩层和煤柱的结构参数，计算水力压裂钻孔的基本参数；
钻孔单元，用于根据所述计算单元的计算结果，由所述输运平巷或所述联巷或所述区段支巷向所述煤柱上方的顶板岩层斜向钻取水力压裂钻孔；
水力压裂弱化处理单元，用于分别在水力压裂钻孔的预设位置处进行水力压裂弱化处理。
(三)有益效果
本发明通过联巷和/或输运平巷，向工作面支行的煤柱上方的顶板岩层9钻取水力压裂钻孔，通过该水力压裂钻孔对顶板岩层进行水力压裂弱化处理，通过水力压裂弱化煤柱上方的顶板岩层，促使采空区顶板及时垮落，避免在采空区形成大面积悬顶。此外，由于工作面回采前实施水力压裂弱化顶板岩层作业，因而不影响工作面正常回采。该方法能够从根本上解决旺采工作面难垮顶板无法及时垮落难题，大幅提升顶板管理的安全性。
附图说明
图1示出了根据本发明的水力压裂钻孔的布置的一个优选实施例的示意图；
图2示出了根据本发明的第一水力压裂钻孔的结构示意图；
图3示出了根据本发明的第二水力压裂钻孔的结构示意图。
图中，1、第一水力压裂钻孔；2、第二水力压裂钻孔；3、联巷；4、保安煤柱；5、煤柱；6、区段支巷；7、运输平巷；8、输运平巷；9、顶板岩层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不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。
实施例1
结合图1至图3所示，本发明实施例提供的一种旺格维利回采工作面顶板水力压裂弱化方法，回采工作面的两端分别设置有联巷3和/或输运平巷8，煤柱5设置在两条相邻的联巷3之间或者设置在输运平巷8和与该输运平巷8相邻的联巷3之间，在相邻的煤柱5之间设置有区段支巷6，在输运平巷8的左侧还设有运输平巷7(如图1所示)，该方法包括以下步骤：
S1：确定回采工作面的顶板岩层9和煤柱5的结构参数。具体为：根据旺格维利回采工作面的钻孔柱状图或通过钻孔窥视，确定顶板岩层9的结构参数。其中，顶板岩层9的结构参数包括顶板岩层9的厚度、岩体强度、岩石的膨胀系数、回采工作面采高、岩性、地应力场的大小、煤岩体强度、工作面回采工艺、支架参数中的至少一项。而煤柱5的结构参数包括煤柱的宽度和长度等。
S2：根据顶板岩层9和煤柱5的结构参数，确定水力压裂钻孔的基本参数。其中，水力压裂钻孔的基本参数包括孔的数量、预设位置、孔深、仰角角度、竖直高度、非压裂段长度、压裂段长度以及压裂次数中的至少一项。
例如，可通过顶板岩层9的岩性和地应力场的大小、煤柱5的宽度和长度来计算回采工作面一侧压裂钻孔的数量；可通过岩石的膨胀系数和工作面采高来计算孔深、竖直高度、仰角角度和压裂次数，优选地，水力压裂钻孔的竖直高度为采高的4-6倍。
优选地，为了保证难跨顶板岩层9充分弱化，水力压裂钻孔包括第一水力压裂钻孔1和第二水力压裂钻孔2，该第一水力压裂钻孔1与煤柱5的水平中心线相对应，该第二水力压裂钻孔2布置在煤柱5的水平中心线的两侧。优选地第一水力压裂钻孔1的仰角角度小于所述第二水力压裂钻孔2的仰角角度，且第一水力压裂钻孔1的深度大于所述第二水力压裂钻孔2的深度。此外，优选第一水力压裂钻孔1的仰角β'为15°-35°，所述第二水力压裂钻孔2的仰角β为45°-60°。所述第一水力压裂钻孔1的深度L'为25-50m，所述第二水力裂钻孔2的深度L为20-40m。压裂次数为5-15次。
需要说明的是，本领域的技术人员应当理解，当煤柱5的宽度和长度较小时，也可仅设置1个第一水力压裂钻孔1或者仅设置2个第二水力压裂钻孔2，此外，水力压裂钻孔的具体位置和数量可根据具体情况具体设计。
S3：根据步骤S2的计算结果，由所述联巷3或输运平巷8或区段支巷6向所述煤柱5上方的顶板岩层9斜向钻取水力压裂钻孔；
S4：在所述水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂弱化处理。具体地：在水力压裂钻孔的孔道内开设至少一个切槽，其中，切槽的数量与压裂次数相同；将封孔器推送到切槽处进行封孔；向封孔器形成的封隔段内注入高压水，以使切槽的两侧开裂并形成裂缝，即随着封隔段中水压和水量的不断增大，切槽处将产生应力集中的现象，当该应力大于起裂压力时，切槽两侧的楔形槽尖端会发生破裂，并形成裂缝。通过对每个水力压裂钻孔的孔道内所有切槽依次进行水力压裂，可使各个切槽产生的切槽裂缝相互贯通，最终在顶板岩层9形成一个的破坏区域，从而可破坏顶板岩层9的完整性，在旺采工作面回采煤柱时，促使采空区顶板及时垮落，避免在采空区形成大面积悬顶。工作面回采前实施水力压裂弱化顶板岩层9作业，不影响工作面正常回采。该方法能够从根本上解决旺采工作面难垮顶板无法及时垮落难题，大幅提升顶板管理的安全性。
下面通过采用旺格维利采煤法进行采煤的工作面为例，对本实施例的水力压裂弱化方法进行说明：
S1、确定回采工作面的顶板岩层9和煤柱5的结构参数：在该实施例中，顶板岩层9包括由下至上分布的中粒砂岩、粉砂岩、细粒砂岩和粉砂岩，其厚度分别为2.7m、8.8m、8.4m和10.5m。工作面支行中煤柱的宽度为10m，左工作面支行中煤柱的长度为30～80m，中工作面支行中煤柱的长度为30～100m，右工作面支行中煤柱的长度为30～80m。
S2、根据所述顶板岩层9和所述煤柱5的结构参数，计算水力压裂钻孔的基本参数：通过计算得知需要在左工作面支行的两侧分别开设3个水力压裂钻孔，这3个水力压裂钻孔包括1个第一水力压裂钻孔1和2个第二水力压裂钻孔2，在中工作面支行的左侧开设1个第一水力压裂钻孔1，在中工作面支行的右侧开设2个第二水力压裂钻孔2，同样地，在右工作面支行的左侧开设1个第一水力压裂钻孔1，在右工作面支行的右侧开设2个第二水力压裂钻孔2。其中，第一水力压裂钻孔1的深度L'为33.2m、仰角角度β'为25°、压裂次数为9次；第二水力压裂钻孔2的深度L为26.8m、仰角角度β为48°、压裂次数为6次。
S3、按照第一水力压裂钻孔1和第二水力压裂钻孔2的基本参数，在相邻的保安煤柱4之间的区段1内沿联巷3或输运平巷8的长度方向、在顶板岩层9朝向联巷3或输运平巷8的一侧钻取第一水力压裂钻孔1和/或第二水力压裂钻孔2。具体地，首先在第一工作面支行的左工作面支行的右端和联巷处钻取第一个第一水力压裂钻孔1，接着在第二工作面支行的左工作面支行的右端和联巷处钻取第二个第一水力压裂钻孔1，直至将区段一的第五个工作面支行的左工作面支行右端全部钻取第五个第一水力压裂钻孔1，然后在第五个工作面支行的中工作面支行的左端和联巷处钻取第一水力压裂钻孔1，在第四个工作面支行的中工作面支行的左端和联巷处钻取第一水力压裂钻孔1，依次开设剩余的第一水力压裂钻孔1。然后，第一工作面支行的左工作面支行的右端从区段支巷6钻取两个第二水力压裂钻孔2，接着在第二工作面支行的左工作面支行的右端从区段支巷6钻取两个第二水力压裂钻孔2，直至将区段一的第五工作面支行的左工作面支行右端从区段支巷6钻取两个第二水力压裂钻孔2，然后在第五个工作面支行的中工作面支行的右端从区段支巷6钻取第二水力压裂钻孔2，在第四个工作面支行的中工作面支行的右端从区段支巷6钻取第二水力压裂钻孔2，依次开设剩余的第二水力压裂钻孔2。
S4、在所述水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂弱化处理首先，采用切槽钻头，沿着由孔底至孔口的方向每隔2m在第一水力压裂钻孔1的孔道内开设9个切槽，也就是说每个第一水力压裂钻孔1的压裂次数为9次，压裂段长度L2'为26.5m，非压裂段长度L1'为6.7m；然后，将封孔器推送到每个切槽处进行封孔；接着，通过高压泵向各个封孔器形成的封隔段中注入高压水，随着封隔段中水压和水量的不断增大，切槽处将产生应力集中的现象，当该应力大于起裂压力时，切槽两侧的楔形槽尖端会发生破裂，形成裂缝；然后，同样地，采用切槽钻头，沿着由孔底至孔口的方向每隔2m在第二水力压裂钻孔2的孔道内开设6个切槽，也就是说每个第二水力压裂钻孔2的压裂次数为6次，压裂段长度L2为21.3m，非压裂段长度L1为5.5m；然后，将封孔器推送到每个切槽处进行封孔；接着，通过高压泵向各个封孔器形成的封隔段中注入高压水，随着封隔段中水压和水量的不断增大，切槽处将产生应力集中的现象，当该应力大于起裂压力时，切槽两侧的楔形槽尖端会发生破裂，形成裂缝；最后，各个裂缝相互贯通，在顶板岩层9形成一个破坏区域，可将顶板岩层9弱化，从而可破坏顶板岩层9的完整性，在旺采工作面回采煤柱时，促使采空区顶板及时垮落，避免在采空区形成大面积悬顶。工作面回采前实施水力压裂弱化顶板岩层9作业，不影响工作面正常回采。该方法能够从根本上解决旺采工作面难垮顶板无法及时垮落难题，大幅提升顶板管理的安全性。
需要说明的是，钻取第一水力压裂钻孔1、钻取第二水力压裂钻孔2以及对第一水力压裂钻孔1进行压裂、对第二水力压裂钻孔2进行压裂的顺序可根据具体情况进行调整。优选地，先钻取第一水力压裂钻孔1，在钻取其它第一水力压裂钻孔1时可同时对已经钻取完成的第一水力压裂钻孔1进行压裂，完成单孔多次压裂之后，逐步对剩余的第一水力压裂钻孔1进行压裂，直至将第一水力压裂钻孔全部压裂，然后钻取第二水力压裂钻孔2，在钻取其它第二水力压裂钻孔2时可同时对已经钻取完成的第二水力压裂钻孔2进行压裂，完成单孔多次压裂之后，逐步对剩余的第二水力压裂钻孔2进行压裂，直至将第二水力压裂钻孔2全部压裂。
实施例2
本发明还提供了一种旺格维利回采工作面顶板水力压裂弱化装置，该装置包括：
参数获取单元，用于确定回采工作面的顶板岩层9和煤柱5的结构参数；
计算单元，用于根据顶板岩层9和煤柱5的结构参数，计算水力压裂钻孔的基本参数；
钻孔单元，用于根据所述计算单元的计算结果，由所述输运平巷或联巷向煤柱5上方的顶板岩层9斜向钻取水力压裂钻孔；
水力压裂弱化处理单元，用于在水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂弱化处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种旺格维利回采工作面顶板水力压裂弱化方法，所述回采工作面的两端分别设置有联巷和/或输运平巷，煤柱设置在两条相邻的联巷之间，或者设置在输运平巷和与所述输运平巷相邻的联巷之间，在相邻的煤柱之间设置有区段支巷；其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：确定所述回采工作面的顶板岩层和煤柱的结构参数；
S2：根据所述顶板岩层和所述煤柱的结构参数，计算水力压裂钻孔的基本参数；
S3：根据计算结果，由所述联巷或输运平巷或区段支巷向所述煤柱上方的顶板岩层斜向钻取水力压裂钻孔；
S4：在所述水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂弱化处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述回采工作面的顶板岩层的结构参数，具体为：根据所述回采工作面的地质柱状图或通过钻孔窥视，确定所述顶板岩层的结构参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述顶板岩层的结构参数包括所述顶板岩层的厚度、岩体强度、回采工作面采高、岩性、地应力场的大小、煤岩体强度、工作面回采工艺、支架参数中的至少一项。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水力压裂钻孔的基本参数包括孔的数量、预设位置、孔深、仰角角度、竖直高度、非压裂段长度、压裂段长度以及压裂次数中的至少一项。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水力压裂钻孔包括第一水力压裂钻孔和/或第二水力压裂钻孔，所述第一水力压裂钻孔与所述煤柱的水平中心线相对应，所述第二水力压裂钻孔布置在所述煤柱的水平中心线的两侧。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述水力压裂钻孔包括第一水力压裂钻孔和第二水力压裂钻孔时，所述第一水力压裂钻孔的仰角角度小于所述第二水力压裂钻孔的仰角角度，且所述第一水力压裂钻孔的深度大于所述第二水力压裂钻孔的深度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一水力压裂钻孔的仰角为15°至35°，所述第二水力压裂钻孔的仰角为45°至60°。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述水力压裂钻孔的竖直高度为采高的4-6倍。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在所述水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂弱化处理，具体为：在所述第一水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂之后，再对所述第二水力压裂钻孔上的预设位置处进行水力压裂弱化处理。
10.一种旺格维利回采工作面顶板水力压裂弱化装置，所述回采工作面的两端分别设置有联巷和/或输运平巷，煤柱设置在两条相邻的联巷之间，或者设置在输运平巷和与所述输运平巷相邻的联巷之间，在相邻的煤柱之间设置有区段支巷，其特征在于，包括：
参数获取单元，用于确定回采工作面的顶板岩层和煤柱的结构参数；
计算单元，用于根据顶板岩层和煤柱的结构参数，计算水力压裂钻孔的基本参数；
钻孔单元，用于根据所述计算单元的计算结果，由所述输运平巷或所述联巷或所述区段支巷向所述煤柱上方的顶板岩层斜向钻取水力压裂钻孔；
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