CN107313777A - 综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法及装置 - Google Patents

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冯彦军
吕华文
林健
张晓�
石垚
苏波
王志超
吴志刚
王洋
胡滨
刘超儒
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/25—Methods for stimulating production
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Abstract

本发明涉及煤矿开采技术领域，提供了一种综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法及装置。该方法包括以下步骤：确定综采工作面的顶板岩层的结构参数；分别计算第一压裂钻孔和第二压裂钻孔的基本参数；沿主回撤通道的长度方向、在顶板岩层朝向主回撤通道的一侧开设多个第一压裂钻孔和多个第二压裂钻孔，第一压裂钻孔和第二压裂钻孔交替设置；分别在每个第一压裂钻孔和第二压裂钻孔上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝。本发明通过该装置和方法，使得顶板岩层被分层次破坏，弱化了顶板岩层，减小了工作面的超前支撑压力及顶板岩层的活动对主回撤通道的巷道围岩稳定性的影响，提高了主回撤通道巷道围岩的稳定性。

Description

综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法及装置
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法及装置。
背景技术
综合机械化开采是国内外煤矿常用的开采工艺方式。随着综采工作面向设备重型化、工作面大型化方向的迅速发展，综采设备的数量开始不断增加，使用范围不断加大，工作面设备回撤频率也不断提高。因此，工作面设备的安全、快速回撤是能否实现高产、高效现代化大型矿井的主要瓶颈之一。
目前，通过预先在回采工作面停采线处掘出一条或多条平行于回采工作面的主回撤通道，就可实现快速搬家的目的。与现掘主回撤通道技术相比，采用预掘主回撤通道技术的突出优势在于：预掘主回撤通道的掘进可以和采煤平行作业，不需要单独占用时间创造回撤空间，大幅度的缩短了搬家时间；预掘主回撤通道的掘进与正常巷道类似，掘进支护施工条件优越，支护作业方便，时间充足，支护质量高。
但是，当工作面靠近预掘主回撤通道时，由于工作面的超前支撑压力及顶板岩层的活动的影响会导致预掘主回撤通道的巷道围岩稳定性较差，进而无法确保工作面设备的安全和快速回撤。
发明内容
本发明的目的是提供一种综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法及装置，以弱化顶板岩层，减小工作面的超前支撑压力及顶板岩层的活动对主回撤通道的巷道围岩稳定性的影响。
为达到上述目的，一方面，本发明提供了一种综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法，该方法包括以下步骤：
确定综采工作面的顶板岩层的结构参数；
根据顶板岩层的结构参数，分别计算第一压裂钻孔和第二压裂钻孔的基本参数，其中，所述第一压裂钻孔的仰角角度大于所述第二压裂钻孔的仰角角度，且所述第一压裂钻孔的深度小于所述第二压裂钻孔的深度；
根据计算结果，沿主回撤通道的长度方向、在顶板岩层朝向主回撤通道的一侧开设多个第一压裂钻孔和多个第二压裂钻孔，第一压裂钻孔和第二压裂钻孔交替设置；
分别在每个第一压裂钻孔和第二压裂钻孔上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，并沿切割裂缝切断顶板岩层。
其中，所述确定综采工作面的顶板岩层的结构参数，具体为：根据综采工作面的钻孔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直接顶和老顶的厚度、岩石的膨胀系数、工作面采高、周期来压步距、岩性、地应力场的大小、煤岩体强度、工作面回采工艺、支架参数和顶板周期来压中的至少一项。
其中，所述第一压裂钻孔和第二压裂钻孔的基本参数包括孔深、仰角角度、所述仰角的投影与所述主回撤通道之间的夹角、压裂次数以及相邻第一压裂钻孔和第二压裂钻孔之间的距离中的至少一项。
其中，所述孔深为20-50m。
其中，所述仰角角度为20-60°，所述仰角的投影与所述主回撤通道之间的夹角为20-90°。
其中，所述压裂次数为5-15次。
其中，所述相邻第一压裂钻孔和第二压裂钻孔之间的距离为10-15m。
其中，所述分别在每个第一压裂钻孔和第二压裂钻孔上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，并沿切割裂缝切断顶板岩层，具体为：
分别在所述第一压裂钻孔和所述第二压裂钻孔的孔道内开设至少一个切槽；
将封孔器推送到所述切槽处进行封孔；
向所述封孔器形成的封隔段内注入高压水，以使所述切槽的两侧开裂并形成切割裂缝；
沿切割裂缝切断顶板岩层。
另一方面，本发明还提供了一种综采工作面主回撤通道水力压裂卸压装置，该装置包括：
参数获取单元，用于确定综采工作面的顶板岩层的结构参数；
计算单元，用于根据顶板岩层的结构参数，分别计算第一压裂钻孔和第二压裂钻孔的基本参数，其中，所述第一压裂钻孔的仰角角度大于所述第二压裂钻孔的仰角角度，且所述第一压裂钻孔的深度小于所述第二压裂钻孔的深度；
钻孔单元，用于根据计算结果，沿主回撤通道的长度方向、在顶板岩层朝向主回撤通道的一侧开设多个第一压裂钻孔和多个第二压裂钻孔，第一压裂钻孔和第二压裂钻孔交替设置；
水力压裂卸压处理单元，用于分别在每个第一压裂钻孔和第二压裂钻孔上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，并沿切割裂缝切断顶板岩层。
本发明通过对间隔开设在顶板岩层上的多个第一压裂钻孔和第二压裂钻孔进行水力压裂卸压处理，使得顶板岩层被分层次破坏，从而弱化了顶板岩层，释放和转移了工作面超前支撑压力，减小了工作面的超前支撑压力及顶板岩层的活动对主回撤通道的巷道围岩稳定性的影响，提高了主回撤通道巷道围岩的稳定性，进而确保了工作面设备的安全和快速回撤。另外，由于第一压裂钻孔的仰角较大，而第二压裂钻孔较深，通过将第一压裂钻孔和第二压裂钻孔交替设置，不仅可以扩大破坏区域的覆盖范围，而且由于无需每个压裂钻孔都开设为深度和仰角均较大的孔，从而可大大降低工作强度，提高工作效率。
附图说明
图1是本发明实施例1中回撤通道的布置图；
图2是本发明实施例1中第一压裂钻孔的钻取结构示意图；
图3是本发明实施例1中第二压裂钻孔的钻取结构示意图。
附图标记：
1、第一压裂钻孔；2、第二压裂钻孔；3、主回撤通道；
4、工作面；5、煤柱；6、回风顺槽；7、运输顺槽；
8、切槽；9、切割裂缝。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
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”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法，包括以下步骤：
确定综采工作面4的顶板岩层的结构参数。具体为：根据综采工作面4的钻孔柱状图或通过钻孔窥视，确定顶板岩层的结构参数。其中，顶板岩层的结构参数包括直接顶和老顶的厚度、岩石的膨胀系数、工作面采高、周期来压步距、岩性、地应力场的大小、煤岩体强度、工作面回采工艺、支架参数和顶板周期来压中的至少一项。
根据顶板岩层的结构参数，分别计算第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2的基本参数，优选地，第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2的基本参数包括孔深、仰角角度、仰角的投影与主回撤通道3之间的夹角、压裂次数以及相邻第一压裂钻孔和第二压裂钻孔之间的距离中的至少一项。其中，第一压裂钻孔1的仰角角度大于第二压裂钻孔2的仰角角度，且第一压裂钻孔1的深度小于第二压裂钻孔2的深度。
例如，可通过顶板的岩性和地应力场的大小来计算相邻第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2之间的距离，优选地，相邻第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2之间的距离为10-15m；可通过直接顶和老顶的厚度、岩石的膨胀系数和工作面4采高来计算孔深、仰角角度和压裂次数，优选地，孔深为20-50m，仰角角度为20-60°，压裂次数为5-15次；可通过主回撤通道3的宽度和顶板的周期来压步距来计算压裂钻孔仰角的投影与主回撤通道3之间的夹角，优选地，仰角的投影与主回撤通道3之间的夹角为20-90°。
根据计算结果，沿主回撤通道3的长度方向、在顶板岩层朝向主回撤通道3的一侧开设多个第一压裂钻孔1和多个第二压裂钻孔2，第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2交替设置；
分别在每个第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝9，并沿切割裂缝9切断顶板岩层。具体地：分别在第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2的孔道内开设至少一个切槽8，其中，切槽8的数量与压裂次数相同；将封孔器推送到切槽8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8的两侧开裂并形成切割裂缝9，即随着封隔段中水压和水量的不断增大，切槽8处将产生应力集中的现象，当该应力大于起裂压力时，切槽8两侧的楔形槽尖端会发生破裂，并形成切割裂缝9。通过对每个第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2的孔道内所有切槽8依次进行水力压裂，可使各个切槽8产生的切槽8裂缝相互贯通，最终在顶板岩层形成一个的破坏区域，从而可破坏顶板岩层的完整性，进而可释放和转移工作面超前支撑压力，减小工作面超前支撑压力及顶板岩层的活动对主回撤通道3的巷道围岩稳定性的影响，提高主回撤通道3的巷道围岩的稳定性，调节末采期间的顶板来压步距，进而可确保工作面4设备的安全和快速回撤。另外，由于第一压裂钻孔1的仰角较大，而第二压裂钻孔2较深，通过将第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2交替设置，不仅可以扩大破坏区域的覆盖范围，而且由于无需每个压裂钻孔都开设为深度和仰角均较大的孔，从而可大大降低工作强度，提高工作效率。
下面通过采用走向长壁后退式综合机械化采煤法进行采煤的工作面4为例，对本实施例的水力压裂卸压方法进行说明：
S1、确定综采工作面4的顶板岩层的结构参数：煤层平均厚度为7.5m，硬度系数为1.5-3，煤层倾角为0-2°，埋深为120-155m，工作面4采高为6.3m；顶板管理方法为全部垮落法，顶板岩层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。
S2、计算第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2的基本参数：第一压裂钻孔1的深度为28.8m、仰角角度为56°、仰角的投影与主回撤通道3之间的夹角为24°、压裂次数为9次；第二压裂钻孔2的深度为30.8m、仰角角度为30°、仰角的投影与主回撤通道3之间的夹角为24°、压裂次数为6次；相邻第一压裂钻孔和第二压裂钻孔之间的距离为15m。
S3、按照第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2的基本参数，沿主回撤通道3的长度方向、在顶板岩层朝向主回撤通道3的一侧开设多个第一压裂钻孔1和多个第二压裂钻孔2，第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2交替设置。具体地，首先在距离回风顺槽20m处开设第一个第一压裂钻孔1，接着在距离第一个第一压裂钻孔15m处开设第一个第二压裂钻孔2，然后在距离第一个第二压裂钻孔15m处开设第二个第一压裂钻孔1，接下来可按照上述方式开设剩余的第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2。另外，还可在顶板岩层的两侧即分别朝向回风顺槽6和运输顺槽7的一侧分别开设5个压裂钻孔即开设3个第一压裂钻孔1和2个第二压裂钻孔2，且第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2交替设置，第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2之间的距离为10m，其中，第一个第一压裂钻孔1开设在距离主回撤通道12m处。
S4、首先，采用切槽钻头，沿着由孔底至孔口的方向每隔2m在第一压裂钻孔1的孔道内开设9个切槽8，也就是说每个第一压裂钻孔1的压裂次数为9次，压裂段长度为16.8m；同样，采用切槽钻头，沿着由孔底至孔口的方向每隔2m在第二压裂钻孔2的孔道内开设6个切槽8，也就是说每个第二压裂钻孔2的压裂次数为6次，压裂段长度为10.8m；然后，待每个第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2中均开设指定数量的切槽8后，将封孔器推送到每个切槽8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8处将产生应力集中的现象，当该应力大于起裂压力时，切槽8两侧的楔形槽尖端会发生破裂，形成切割裂缝9；最后，各个切槽8裂缝相互贯通，在顶板岩层形成一个破坏区域，可将顶板岩层切断，从而可破坏顶板岩层的完整性，进而可释放和转移工作面超前支撑压力，减小工作面超前支撑压力及顶板岩层的活动对主回撤通道3的巷道围岩稳定性的影响，提高主回撤通道3的巷道围岩的稳定性，调节末采期间的顶板来压步距，进而可确保工作面4设备的安全和快速回撤。
实施例2
本发明还提供了一种综采工作面4主回撤通道3水力压裂卸压装置，该装置包括：
参数获取单元，用于确定综采工作面4的顶板岩层的结构参数；
计算单元，用于根据顶板岩层的结构参数，分别计算第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2的基本参数，其中，第一压裂钻孔1的仰角角度大于第二压裂钻孔2的仰角角度，且第一压裂钻孔1的深度小于第二压裂钻孔2的深度；
钻孔单元，用于根据计算结果，沿主回撤通道3的长度方向、在顶板岩层朝向主回撤通道3的一侧开设多个第一压裂钻孔1和多个第二压裂钻孔2，第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2交替设置；
水力压裂卸压处理单元，用于分别在每个第一压裂钻孔1和第二压裂钻孔2上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝9，并沿切割裂缝9切断顶板岩层。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定综采工作面的顶板岩层的结构参数；
根据顶板岩层的结构参数，分别计算第一压裂钻孔和第二压裂钻孔的基本参数，其中，所述第一压裂钻孔的仰角角度大于所述第二压裂钻孔的仰角角度，且所述第一压裂钻孔的深度小于所述第二压裂钻孔的深度；
根据计算结果，沿主回撤通道的长度方向、在顶板岩层朝向主回撤通道的一侧开设多个第一压裂钻孔和多个第二压裂钻孔，第一压裂钻孔和第二压裂钻孔交替设置；
分别在每个第一压裂钻孔和第二压裂钻孔上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，并沿切割裂缝切断顶板岩层。
2.根据权利要求1所述的综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法，其特征在于，所述确定综采工作面的顶板岩层的结构参数，具体为：根据综采工作面的钻孔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所述的综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法，其特征在于，所述顶板岩层的结构参数包括直接顶和老顶的厚度、岩石的膨胀系数、工作面采高、周期来压步距、岩性、地应力场的大小、煤岩体强度、工作面回采工艺、支架参数和顶板周期来压中的至少一项。
4.根据权利要求1所述的综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法，其特征在于，所述第一压裂钻孔和第二压裂钻孔的基本参数包括孔深、仰角角度、所述仰角的投影与所述主回撤通道之间的夹角、压裂次数以及相邻第一压裂钻孔和第二压裂钻孔之间的距离中的至少一项。
5.根据权利要求4所述的综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法，其特征在于，所述孔深为20-50m。
6.根据权利要求4所述的综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法，其特征在于，所述仰角角度为20-60°，所述仰角的投影与所述主回撤通道之间的夹角为20-90°。
7.根据权利要求4所述的综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法，其特征在于，所述压裂次数为5-15次。
8.根据权利要求4所述的综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法，其特征在于，所述相邻第一压裂钻孔和第二压裂钻孔之间的距离为10-15m。
9.根据权利要求1所述的综采工作面主回撤通道水力压裂卸压方法，其特征在于，所述分别在每个第一压裂钻孔和第二压裂钻孔上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，并沿切割裂缝切断顶板岩层，具体为：
分别在所述第一压裂钻孔和所述第二压裂钻孔的孔道内开设至少一个切槽；
将封孔器推送到所述切槽处进行封孔；
向所述封孔器形成的封隔段内注入高压水，以使所述切槽的两侧开裂并形成切割裂缝；
沿切割裂缝切断顶板岩层。
10.一种综采工作面主回撤通道水力压裂卸压装置，其特征在于，包括：
参数获取单元，用于确定综采工作面的顶板岩层的结构参数；
计算单元，用于根据顶板岩层的结构参数，分别计算第一压裂钻孔和第二压裂钻孔的基本参数，其中，所述第一压裂钻孔的仰角角度大于所述第二压裂钻孔的仰角角度，且所述第一压裂钻孔的深度小于所述第二压裂钻孔的深度；
钻孔单元，用于根据计算结果，沿主回撤通道的长度方向、在顶板岩层朝向主回撤通道的一侧开设多个第一压裂钻孔和多个第二压裂钻孔，第一压裂钻孔和第二压裂钻孔交替设置；
水力压裂卸压处理单元，用于分别在每个第一压裂钻孔和第二压裂钻孔上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，并沿切割裂缝切断顶板岩层。
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