CN108894784A - 一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，包括如下步骤：确定压裂目标层，具体包括确定压裂坚硬难垮顶板层位，根据坚硬难垮顶板层位及层间岩层性质，得到合理的压裂目标层；布置酸化压裂巷道；布置压裂孔、导向孔及锲形槽；连接酸化压裂系统和进行酸化压裂作业。本发明对坚硬顶板进行酸化压裂控顶，弱化了岩体的强度、降低了岩体的力学性能、破坏了坚硬顶板的完整性及有效解除了局部应力集中现象，采空区顶板能够分层分次及时垮落。本发明避免了由于工作面坚硬顶板大面积不及时垮落导致的煤柱高应力区强矿压显现及沿空巷道强矿压显现等一系列矿井动力灾害。本发明效果明显，具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及酸化压裂卸压技术领域，具体来说，涉及一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法。
背景技术
煤层坚硬难垮顶板岩体节理整体性强、裂隙不发育、分层厚度大，随着工作面向前推进，坚硬顶板会以采空区煤柱为支撑点形成一定长度的悬臂梁，采煤后不易冒落或者冒落后不能充填满采空区。由于坚硬顶板不易冒落的特点，特别是在深部特厚煤层及厚煤层开采中易受“三高一扰动”作用的影响。随着工作面周期来压，坚硬顶板以一定角度向采空区与煤层倾向具有一定夹角冒落后，煤柱集中应力增大，局部应力集中区范围增加，导致煤柱破坏，应力也会随之向深部转移，导致相邻工作面回采巷道顶板承受应力增加。在这个过程常常产生一些特有的动力现象，如易产生顶板大面积来压、冲击荷载、暴风；同时，坚硬顶板弯曲破断引起的应力扰动也易诱导冲击矿压、煤与瓦斯突出等动力灾害的发生。为解决这一问题，多采用以被动的加强支护和增加护巷煤柱宽度的方法来保证坚硬顶板的巷道围岩稳定，或者通过主动的强制爆破放顶、注水弱化及井下水力压裂的方法控制坚硬顶板的垮落，但加强支护和增加护巷煤柱宽度的方法并不能从根本上解决动力灾害的发生，同时也浪费了大量的煤炭资源；而主动的强制爆破放顶技术对于高瓦斯矿井有一定的安全隐患，坚硬顶板注水软化主要停留在吸水湿润软化的层次，常作为强制爆破放顶的辅助手段，井下水力压裂。
发明内容
本发明旨在提供一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压的方法，针对工程实际中特厚煤层及厚煤层采空区坚硬顶板不及时垮落引起的煤柱高应力区强矿压显现及沿空巷道强矿压显现影响工作面安全高效生产的问题，在确定压力目标层前提下，布置合理的压裂孔、导向孔及锲形槽，并注入高压低浓度酸溶液，实现压裂和软化坚硬顶板的目的，在避免坚硬顶板事故，充分保证工作面人员和设备安全的前提下，最大限度的提高工作面的生产效率。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，包括如下步骤：
S1：确定压裂目标层，具体包括：
S1.1：确定压裂坚硬难垮顶板层位；
S1.2：根据坚硬难垮顶板层位及层间岩层性质，得到合理的压裂目标层；
S2：布置酸化压裂巷道，具体包括：
对于特厚煤层，在工作面回采前，沿特厚煤层顶板布置酸化压裂巷道，且与回采巷道的水平错距为8m~11m，其中，特厚煤层是指厚度大于8m的煤层；
对于厚煤层，则直接选择合适区段的回采巷道作为酸化压裂巷道，其中，厚煤层是指厚度3.5m~8m的煤层；
S3：布置压裂孔、导向孔及锲形槽，具体包括：
若为特厚煤层，在酸化压裂巷道上方的压裂目标层内纵向布置若干个与煤层倾向具有一定夹角的压裂孔、导向孔及锲形槽；若为厚煤层，在酸化压裂巷道上方的煤层和压裂目标层内均纵向布置若干个与煤层倾向具有一定夹角的压裂孔、导向孔，并在压裂孔内施工朝向导向孔的径向槽；
S4：连接酸化压裂系统和进行酸化压裂作业，具体包括：
连接酸化压裂系统后开启系统，进行酸化压裂，压裂目标层在高压酸液的作用下结构遭到破坏而形成酸压裂缝。
进一步的，步骤S3中，所述压裂孔、导向孔及锲形槽在酸化压裂巷道的上方，且靠近煤柱与回采巷道相邻的巷道帮的煤层顶板岩层内。
进一步的，步骤S3中，所述压裂孔、导向孔及锲形槽布置在压裂目标层同一平面内。
优选的，所述相邻两个压裂孔之间的间距为40~80m，且每个压裂孔的深度为30~100m。
优选的，所述每个压裂孔的轴线与煤层顶板平面之间的夹角均为28°~78°，压裂孔孔底至酸化压裂巷道顶板的垂直距离为顶煤距离目标岩层的距离，每个压裂孔的直径均为90mm~150mm 。
进一步的，所述的导向孔布置在相邻两压裂孔之间的中间位置，且导向孔的直径为90mm~150mm ；导向孔孔深均与压裂孔孔深相同。
进一步的，所述压裂孔的入口处高压酸液的压力范围为35~50MPa。
进一步的，每个压裂孔内施工至少一个朝向导向孔的径向槽，或者所有的压裂孔内间隔设置径向槽。
进一步的，所用酸液为低浓度配比的酸液，其中清水与酸溶液的配比为9:1，酸溶液为12%HCL与5%HF的混合溶液。
进一步的，所述的压裂巷道布置有微震监测探头，用于监测井下坚硬顶板定向酸化压裂情况。
本发明的有益效果：本发明对坚硬顶板进行酸化压裂控顶，弱化了岩体的强度、降低了岩体的力学性能、破坏了坚硬顶板的完整性及有效解除了局部应力集中现象，采空区顶板能够分层分次及时垮落。具体作用体现在以下方面，一方面，随着采煤的进行，坚硬顶板能够沿酸化裂缝破断，导致工作面侧向坚硬顶板悬臂梁结构被破坏，使解除了煤柱周围局部应力集中现象，增加了煤柱稳定性；另一方面，相邻工作面回采巷道的围岩局部应力集中现象也减弱， 巷道破坏程度及变形量也减小，降低了巷道的翻修次数。本发明避免了由于工作面坚硬顶板大面积不及时垮落导致的煤柱高应力区强矿压显现及沿空巷道强矿压显现等一系列矿井动力灾害。本发明效果明显，具有广泛的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的特厚煤层煤岩断面结构示意图；
图2为本发明的特厚煤层煤岩断面结构示意图；
图3为图2剖视图；
图4为采用本发明的厚煤层煤岩断面结构示意图；
图5为图4的剖视图；
图中：1、压裂目标层；2、顶板；3、酸化压裂巷道； 4、压裂孔；5、导向孔；6、锲形槽；7、酸化压裂系统；8、煤柱；9、回采巷道；10、煤层；11、微震监测探头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，根据本发明实施例所述的一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，包括如下步骤：
S1：确定压裂目标层，具体包括：
S1.1：确定压裂坚硬难垮顶板层位；
S1.2：根据坚硬难垮顶板层位及层间岩层性质，得到合理的压裂目标层；
S2：布置酸化压裂巷道，具体包括：
对于特厚煤层，在工作面回采前，沿特厚煤层顶板布置酸化压裂巷道，且与回采巷道的水平错距为8m~11m，其中，特厚煤层是指厚度大于8m的煤层；
对于厚煤层，则直接选择合适区段的回采巷道作为酸化压裂巷道，其中，厚煤层是指厚度3.5m~8m的煤层；
S3：布置压裂孔、导向孔及锲形槽
若为特厚煤层，在酸化压裂巷道上方的压裂目标层内纵向布置若干个与煤层倾向具有一定夹角的压裂孔、导向孔及锲形槽；若为厚煤层，在酸化压裂巷道上方的煤层和压裂目标层内均纵向布置若干个与煤层倾向具有一定夹角的压裂孔、导向孔，并在压裂孔内施工朝向导向孔的径向槽；
S4：连接酸化压裂系统和进行酸化压裂作业
连接酸化压裂系统后开启系统，进行酸化压裂，压裂目标层在高压酸液的作用下结构遭到破坏而形成酸压裂缝。
进一步的，步骤S3中，所述压裂孔、导向孔及锲形槽在酸化压裂巷道的上方，且靠近煤柱与回采巷道相邻的巷道帮的煤层顶板岩层内。
进一步的，步骤S3中，所述压裂孔、导向孔及锲形槽布置在压裂目标层同一平面内。
优选的，所述相邻两个压裂孔之间的间距为40~80m，且每个压裂孔的深度为30~100m。
优选的，所述每个压裂孔的轴线与煤层顶板平面之间的夹角均为28°~78°，压裂孔孔底至酸化压裂巷道顶板的垂直距离为顶煤距离目标岩层的距离，每个压裂孔的直径均为90mm~150mm 。
进一步的，所述的导向孔布置在相邻两压裂孔之间的中间位置，且导向孔的直径为90mm~150mm ；导向孔孔深均与压裂孔孔深相同。
进一步的，所述压裂孔的入口处高压酸液的压力范围为35~50MPa。
进一步的，每个压裂孔内施工至少一个朝向导向孔的径向槽，或者所有的压裂孔内间隔设置径向槽。
进一步的，所用酸液为低浓度配比的酸液，其中清水与酸溶液的配比为9:1，酸溶液为12%HCL与5%HF的混合溶液。
进一步的，所述的压裂巷道布置有微震监测探头，用于监测井下坚硬顶板定向酸化压裂情况。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
根据本发明所述的一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，包括特厚煤层的步骤和厚煤层的步骤，分别如下：
实施例一：
如图1-图3所示，本实施例煤层10厚度M为18m，具体包括以下步骤：
步骤一：确定压裂目标层1：
在掌握煤层上覆坚硬顶板层位及层间岩层性质的前提下，按照关键层理论，得到合理的压裂目标层1；
步骤二：布置酸化压裂巷道3：
所述的煤层10为特厚煤层，故在工作面回采前，在煤柱8内沿煤层10的顶板施工酸化压裂巷道3，且酸化压裂巷道与回采巷道之间的水平错距S为9m ；
步骤三 ：布置压裂孔4、导向孔5及锲形槽6：
酸化压裂巷道3上方的压裂目标层1内纵向布置与煤层倾向具有一定夹角的压裂孔4和导向孔5，导向孔5布置在相邻压裂孔4之间的中间位置；压裂孔4和导向孔5孔口与酸化压裂巷道3靠近工作面 6的巷道帮距离为1.5m，孔底布置在回采巷道9靠近煤柱8的巷道帮所在竖直平面内，压裂孔4和导向孔5在同一平面内平行布置，压裂孔4（导向孔5）与煤层顶板夹角为45°，相邻压裂孔之间的距离为10m，压裂孔4（导向孔5）孔底至酸化压裂巷道3顶板2的垂直距离H为70m，压裂孔4直径是105mm，导向孔5直径是95mm，压裂孔4（导向孔5）孔深为100m；
步骤四：连接酸化压裂系统和进行酸化压裂作业：
开启酸化压裂系统，压裂目标层1岩层在高压酸液的作用下结构遭到破坏而形成酸压裂缝。
实施例二 ：
如图4-图5所示，本实施例煤层厚度M为6.5m，具体包括以下步骤：
步骤一：确定压裂目标层1：
在掌握煤层上覆坚硬顶板层位及层间岩层性质的前提下，按照关键层理论，得到合理的压裂目标层1；
步骤二：布置酸化压裂巷道3：
所述煤层10为厚煤层，将所述回采巷道9作为酸化压裂巷道3；
步骤三 ：布置压裂孔4、导向孔5及锲形槽6：
整条酸化压裂巷道3上方的煤层10和顶板岩层8内纵向布置有与煤层倾向具有一定夹角的压裂孔4和导向孔5，导向孔5布置在相邻压裂孔4之间的中间位置；压裂孔4和导向孔5与靠近煤柱8的 酸化压裂巷道3巷道帮的距离为3.1m，压裂孔4和导向孔5在同一竖直平面内平行布置，压裂孔4（导向孔5）与煤层顶板夹角为44°，相邻压裂孔之间的距离D为10m，压裂孔（导向孔）孔底至酸化压裂巷道顶板的垂直距离H为50m，压裂孔直径为105mm，导向孔直径为95mm， 压裂孔4（导向孔5）孔深为70m ；
步骤四：连接酸化压裂系统7和进行酸化压裂作业：
开启酸化压裂系统7，压裂目标层1在高压酸液的作用下结构遭到破坏而形成酸压裂缝。
综上所述，本发明对坚硬顶板进行酸化压裂控顶，弱化了岩体的强度、降低了岩体的力学性能、破坏了坚硬顶板的完整性及有效解除了局部应力集中现象，采空区顶板能够分层分次及时垮落。具体作用体现在以下方面，一方面，随着采煤的进行，坚硬顶板能够沿酸化裂缝破断，导致工作面侧向坚硬顶板悬臂梁结构被破坏，使解除了煤柱周围局部应力集中现象，增加了煤柱稳定性；另一方面，相邻工作面回采巷道的围岩局部应力集中现象也减弱， 巷道破坏程度及变形量也减小，降低了巷道的翻修次数。本发明避免了由于工作面坚硬顶板大面积不及时垮落导致的煤柱高应力区强矿压显现及沿空巷道强矿压显现等一系列矿井动力灾害。本发明效果明显，具有广泛的实用性。
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)
1.一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：确定压裂目标层，具体包括：
S1.1：确定压裂坚硬难垮顶板层位；
S1.2：根据坚硬难垮顶板层位及层间岩层性质，得到合理的压裂目标层；
S2：布置酸化压裂巷道，具体包括：
对于特厚煤层，在工作面回采前，沿特厚煤层顶板布置酸化压裂巷道，且与回采巷道的水平错距为8m~11m，其中，特厚煤层是指厚度大于8m的煤层；
对于厚煤层，则直接选择合适区段的回采巷道作为酸化压裂巷道，其中，厚煤层是指厚度3.5m~8m的煤层；
S3：布置压裂孔、导向孔及锲形槽，具体包括：
若为特厚煤层，在酸化压裂巷道上方的压裂目标层内纵向布置若干个与煤层倾向具有一定夹角的压裂孔、导向孔及锲形槽；若为厚煤层，在酸化压裂巷道上方的煤层和压裂目标层内均纵向布置若干个与煤层倾向具有一定夹角的压裂孔、导向孔，并在压裂孔内施工朝向导向孔的径向槽；
S4：连接酸化压裂系统和进行酸化压裂作业，具体包括：
连接酸化压裂系统后开启系统，进行酸化压裂，压裂目标层在高压酸液的作用下结构遭到破坏而形成酸压裂缝。
2.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，其特征在于，步骤S3中，所述压裂孔、导向孔及锲形槽在酸化压裂巷道的上方，且靠近煤柱与回采巷道相邻的巷道帮的煤层顶板岩层内。
3.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，其特征在于，步骤S3中，所述压裂孔、导向孔及锲形槽布置在压裂目标层同一平面内。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，其特征在于，所述相邻两个压裂孔之间的间距为40~80m，且每个压裂孔的深度为30~100m。
5.根据权利要求4所述的一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，其特征在于，所述每个压裂孔的轴线与煤层顶板平面之间的夹角均为28°~78°，压裂孔孔底至酸化压裂巷道顶板的垂直距离为顶煤距离目标岩层的距离，每个压裂孔的直径均为90mm~150mm 。
6.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，其特征在于，所述的导向孔布置在相邻两压裂孔之间的中间位置，且导向孔的直径为90mm~150mm ；导向孔孔深均与压裂孔孔深相同。
7.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，其特征在于，所述压裂孔的入口处高压酸液的压力范围为35~50MPa。
8.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，其特征在于，每个压裂孔内施工至少一个朝向导向孔的径向槽，或者所有的压裂孔内间隔设置径向槽。
9.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，其特征在于，所用酸液为低浓度配比的酸液，其中清水与酸溶液的配比为9:1，酸溶液为12%HCL与5%HF的混合溶液。
10.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板定向酸化压裂控顶卸压方法，其特征在于，所述的压裂巷道布置有微震监测探头，用于监测井下坚硬顶板定向酸化压裂情况。
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