CN109736805A - 一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，其步骤包括确定目标岩层，确定压裂范围，确定水平井位置，钻井，高压水力定向致裂及巷道布局优化等过程。本发明提供的一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，能够显著降低煤层开采期间的应力集中程度，使煤体应力始终处于冲击地压发生的临界应力之下，从根本上消除大面积顶板突然断裂造成的严重冲击地压隐患。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全开采技术领域，特别涉及一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法。
背景技术
据统计，2006年-2018年，我国80％以上的冲击地压事故都发生在具有厚层坚硬顶板的煤层巷道内。尤其在我国西北的神东、陕北和黄陇基地，煤层上方60m以上大都存在50-100m的厚层坚硬顶板。该地区为我国重要的煤炭生产与储备战略基地，目前探明储量近4452亿t，约占全国已探明储量的31％；到2020年，预计三大基地产量共计13.2亿吨，占全国煤炭产量的33.8％。无论资源储量还是开采强度都是全国最大的地区。由于存在厚层坚硬顶板，开采过程中悬顶面积大，造成局部应力集中，其突然断裂更是瞬间释放强烈动载，极易造成群死群伤的恶性冲击地压事故，甚至波及地表，引起地表强烈震动，危害极大。但是，由于坚硬顶板距离煤层远、厚度大，处理难度极大，投入成本高，目前采用的卸压措施，如顶板爆破和水力压裂，施工场所都是位于煤矿井下的巷道及硐室内，只能对小范围内的低位顶板岩层进行局部预裂，对于高位厚层坚硬顶板，上述方法还难以实现大范围处理，这是造成冲击地压事故频繁发生的重要原因之一。因此，如何改变厚层坚硬顶板的物理力学性质，降低其强度和完整性，从根本上消除开采过程中厚层坚硬顶板突然断裂诱发严重冲击地压灾害的威胁，是该条件下冲击地压治理的战略性措施，也是当前煤矿安全生产亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，以有效降低煤层开采期间的悬顶面积和来压强度，从根本上消除下方煤层开采期间面临的严重冲击地压隐患。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，包括如下步骤：
确定目标岩层：根据矿井地质资料计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带的高度，对照典型钻孔柱状图在裂隙带高度范围内确定需要进行改性卸压的目标岩层；
确定压裂范围：根据本矿井或邻近矿井冲击地压发生历史、矿井地质条件、当前开采情况及近期规划确定存在冲击地压隐患的区域，将所述区域上方的目标岩层作为改性卸压的范围；
确定水平井位置：根据所述冲击地压隐患区域确定水平井位置，使水平井的平面投影位于冲击地压隐患区域内，使水平井的垂直投影位于所述目标岩层的中部，并使水平井的延伸方向与最小水平主应力方向保持一致；
钻井：先钻立井至所述目标岩层底部，然后向上抬升钻头至需要施工造斜井的起点位置开始钻造斜井至所述目标岩层中部，再在造斜井的终止点沿最小水平主应力方向钻水平井至目标长度，最后固井完成钻井工序；
高压水力定向致裂：将射孔与压裂设备送至水平井井底，引爆射流器，在水平井井壁上形成垂直于井壁的裂缝，然后坐封，由地面高压泵车向裂缝内注入压裂液，使裂缝向岩层内部扩展，然后关闭高压泵，完成第一次压裂，最后解封，移动压裂管路至其他待压裂位置，重复坐封与压裂至完成一个水平井的压裂施工，再重复高压水力定向致裂工序完成其他水平井的压裂施工，使目标岩层内形成相互贯通的网状裂隙；
巷道布局优化：根据水平井的位置布置巷道，使冲击隐患区的巷道布置在靠近水平井正下方的区域，且使巷道走向尽可能与水平井方向平行。
进一步地，所述目标岩层为一层或多层，所有位于所述裂隙带高度范围的、单层厚度大于30m且单轴抗压强度大于60MPa的岩层均为目标岩层。
进一步地，所述的用于计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带高度的矿井地质资料可以是现场探测值或理论计算值。
进一步地，所述立井、造斜井和水平井的直径不超过300mm。
进一步地，所述立井在施工过程中遇到承压含水层或松软破碎岩层时，需抽出钻头及钻杆，下套管到井底位置，并加压注入水泥浆，使套管和立井井壁形成一个整体。
进一步地，所述水平井的目标长度是根据需要压裂处理的长度和压裂设备的压裂能力预先计算设定。
本发明提供的一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，将施工场所布置在地面，采用大功率、高流量水力压裂设备，对目标顶板井下大范围改性卸压，同时将坚硬顶板改性卸压和巷道优化布置相结合，从根本上改善了冲击危险煤层的开采应力环境，使开采煤层冲击危险性显著降低甚至完全消除，且不影响正常采掘作业。并且，本发明提供的一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，属于冲击地压战略性治理措施，对我国冲击地压防治技术及理念的进步具有重要意义，社会经济效益显著。
附图说明
图1为本发明实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中选井选层方法示意图；
图3为本发明实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中的压裂井结构示意图；
图4为本发明实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中分段压裂的效果示意图；
图5为本发明实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中卸压区内冲击危险巷道布置示意图；
图6为本发明实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中顶板未弱化时对巷道冲击地压的影响示意图；
图7为本发明实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中顶板弱化后对巷道冲击地压的影响示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例提供的一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，包括如下步骤：
确定目标岩层：根据矿井地质资料计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带的高度，对照典型钻孔柱状图在裂隙带高度范围内确定需要进行改性卸压的目标岩层；
确定压裂范围：根据本矿井或邻近矿井冲击地压发生历史、矿井地质条件、当前开采情况及近期规划确定存在冲击地压隐患的区域，将所述区域上方的目标岩层作为改性卸压的范围；
确定水平井位置：根据所述冲击地压隐患区域确定水平井位置，使水平井的平面投影位于冲击地压隐患区域内，使水平井的垂直投影位于所述目标岩层的中部，并使水平井的延伸方向与最小水平主应力方向保持一致；
钻井：先钻立井至所述目标岩层底部，然后向上抬升钻头至需要施工造斜井的起点位置开始钻造斜井至所述目标岩层中部，再在造斜井的终止点沿最小水平主应力方向钻水平井至目标长度，最后固井完成钻井工序；
高压水力定向致裂：将射孔与压裂设备送至水平井井底，引爆射流器，在水平井井壁上形成垂直于井壁的裂缝，然后坐封，由地面高压泵车向裂缝内注入压裂液，使裂缝向岩层内部扩展，然后关闭高压泵，完成第一次压裂，最后解封，移动压裂管路至其他待压裂位置，重复坐封与压裂至完成一个水平井的压裂施工，再重复高压水力定向致裂工序完成其他水平井的压裂施工，使目标岩层内形成相互贯通的网状裂隙；
巷道布局优化：根据水平井的位置布置巷道，使冲击隐患区的巷道布置在靠近水平井正下方的区域，且使巷道走向尽可能与水平井方向平行。
其中，所述目标岩层为一层或多层，所有位于所述裂隙带高度范围的、单层厚度大于30m且单轴抗压强度大于60MPa的岩层均为目标岩层。
其中，所述的用于计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带高度的矿井地质资料可以是现场探测值或理论计算值。
其中，所述立井、造斜井和水平井的直径不超过300mm。
其中，所述立井在施工过程中遇到承压含水层或松软破碎岩层时，需抽出钻头及钻杆，下套管到井底位置，并加压注入水泥浆，使套管和立井井壁形成一个整体。
其中，所述水平井的目标长度是根据需要压裂处理的长度和压裂设备的压裂能力预先计算设定。
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面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详细描述。
参见图2，最下一层为有冲击危险性的煤层，煤层上方的岩层称之为顶板，煤层采空完后，上方的顶板在重力作用下会发生破坏，依次形成顶板“三带”，从下到上分别为“冒落带”、“裂隙带”和“弯曲下沉带”。首先，需要确定顶板“裂隙带”的高度范围，可以使用本矿已采区域的现场探测值，也可以采用公式推导的理论值确定“裂隙带”的高度范围。然后，对照典型钻孔柱状图，找出位于“裂隙带”高度范围内的、单层厚度大于30m且单轴抗压强度大于60MPa的岩层，作为改性卸压的目标岩层。
根据本矿井或邻近矿井冲击地压发生历史、矿井地质条件、当前开采情况及近期规划确定存在冲击地压隐患的区域，将所述区域上方的目标岩层作为改性卸压的范围。
根据冲击地压隐患区域确定水平井位置，在平面投影上，使水平井位于冲击隐患区内，在垂直投影上，使水平井布置在目标岩层的中部，并使水平井的延伸方向与最小水平主应力方向保持一致。
参见图3，整个钻井包括在目标岩层和改性卸压范围内的不同位置钻多个井，每个钻井又包括钻立井、造斜井和水平井，钻井的直径一般不超过300mm。其中水平井是用来实施顶板压裂作业的，水平井的延伸方向对降低区域冲击危险性非常重要，设计时主要考虑两点：其一，水平井压裂后形成的裂纹扩展区应尽量覆盖到潜在的冲击隐患区域；其二，延伸方向与最小水平主应力方向须尽量保持一致，以尽可能多的形成垂直于水平井的垂直裂缝。因此，根据冲击地压隐患区域确定水平井位置，在平面投影上，使水平井位于冲击隐患区内，在垂直投影上，使水平井布置在目标岩层的中部，并使水平井的延伸方向与最小水平主应力方向保持一致。另外，从立井到水平井之间必须一个造斜井进行过渡，为了保证钻井及压裂工序的顺利进行，造斜井应该满足一定的弧度，这个弧度是提前确定，同时，还需要提前设计好造斜井的起始点和终止点。
首先从地面向下施工立井，立井施工过程中可能会遇到承压含水层或松软破碎岩层，此时需要固井，固井的目的是为了让钻井与外部介质隔开，同时防止钻井发生坍塌变形。固井时，将套管下至井底位置，向套管内持续压入水泥浆，水泥浆被压入套管和井壁之间的环形空间，直至井口，使套管和井壁形成一个整体，起到对井壁密封加固的作用，这样完成了从下往上的固井工艺。
固井工作完成后，采用小一号的钻具继续向下施工立井，直至目标岩层底部，然后拖动钻具向上提至需要钻造斜井的起点位置，按设计角度施工弧形造斜井，造斜井施工至目标岩层厚度中部时，再施工水平井，水平井的长度根据需要压裂处理的长度及压裂设备的压裂能力等因素提前进行设计确定。当水平井施工至设计位置后，再次下套管进行固井后完成钻井工序。
按设计安装与调试完成压裂系统，对水平井进行高压水力定向致裂施工。参见图4，将射孔及压裂专用设备推送至水平井井底位置，在专用设备内安装有能产生爆炸性气体的射流器，射流器通过电缆引爆，能瞬间产生高温高压的致密气体，从射流器中的喷嘴射出，其压力远远超过井壁(包括套管、水泥和岩体)的抗剪强度和最大水平应力之和，这样便在井壁喷嘴位置形成了垂直于水平井的裂缝。然后向两端坐封器内加压使其膨胀并挤压井壁，完成坐封，这样可以使射孔段形成一个封闭的空间。再开启地面高压泵，持续向射孔段注入压裂液，压裂液由水、砂和化学药剂按一定比例配成，在高压液体的作用下，射孔形成的裂缝会向深部扩展，并且在主裂缝周边形成方位、宽度和长短不等的网状裂隙，当达到设计压裂时间或压力降低至一定数值后，关闭高压泵，完成第一次压裂。卸压，使坐封器与井壁脱离，完成解封，解封后，拖动压裂管路退至下一压裂位置。重复上述压裂过程，依次完成整个水平井的压裂工序。
按照上述方法完成其他井的钻井和压裂施工过程。
在开采煤层潜在冲击隐患区域的上方顶板的改性卸压完成后，再进行巷道布局优化施工，这样，在煤层顶板尚未形成采动裂隙，改性效果好，否则，如果先进行巷道施工，在实施改性卸压时，压裂液会顺着采动裂隙流失至挖空区域，水的压力上不去，不利于目标岩层内部裂纹的扩展，无法形成大面积的网状裂缝。
参见图5，煤层开采前，需要用巷道将开采区域圈出来，有了这些巷道就可以满足煤炭开采期间的行人、通风、运输等需求。巷道包围的区域称之为工作面，每个工作面作为一个独立的开采单元。图5中的运输顺槽是主要用来运输煤炭和进风的巷道，回风顺槽是主要用来运料和回风的巷道。作为本发明实施例的一种具体实施方式，需要保护的巷道为101运输顺槽、102运输顺槽、102回风顺槽、103回风顺槽，这些巷道均具有潜在冲击地压危险，在巷道设计施工时，应根据水平井的位置布置上述受保护巷道，使上述受保护巷道尽可能靠近水平井正下方的区域，且使巷道走向与水平井方向保持平行，以使巷道处于最有效的卸压保护范围内。
参见图6和图7，通过大面积顶板的改性卸压，目标岩层内已经形成大量相互贯通的网状裂隙，岩层的整体强度将大大降低，其上方岩层的应力向下传递时，将由改性前的”硬传递”转化为”软传递”，从而降低了下方煤层的整体应力水平。
在煤层开采过程中，煤层开采顺序应该为：先开采101工作面，再开采103工作面，最后开采102工作面，以102工作面开采时的冲击危险性为例，分析顶板改性卸压对巷道冲击地压的影响。
101工作面采空后，其上方的顶板压力一部分会作用在102回风顺槽上，103工作面采空后，其上方的顶板压力一部分会作用在102运输顺槽上，这样分别在102回风顺槽和运输顺槽附近形成侧向应力集中区；同时，102工作面正在开采，受煤层不断采出的影响，其后方采空区的顶板压力一部分会作用在采空区前方的煤体中，这样在两顺槽靠近102采空的区域就形成走向应力集中区。应力集中程度越高，冲击地压发生的概率越大，冲击地压释放的能量也越高。
参见图6，由于没有对厚层坚硬顶板进行改性卸压，顶板强度高、完整性好，这样煤炭采出后，顶板不易垮落，形成大面积悬顶，悬顶面积越大，作用在102两顺槽附近煤体的应力越高，同时大面积悬顶突然断裂也会产生强烈动压作用，使巷道附近的煤体应力陡然增加，当煤体应力超过触发冲击地压的临界应力后就会导致煤体内积聚的弹性能突然释放，严重时造成巷道破坏、设备损坏及人员伤亡。
参见图7，由于提前对厚层坚硬顶板进行了改性卸压，岩层强度和完整性大大降低，顶板可随着煤炭采出及时垮落充填采空区，从而对上方岩层起到支撑作用，分担了巷道周边煤体的部分应力，使煤体应力始终处于冲击地压的临界应力以下，这样就从根本上消除了冲击地压对安全生产的严重威胁。
本发明提供的一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，采用地面水力压裂对厚层坚硬顶板进行改性卸压的方法，使完整性好的岩层内形成数量众多，方位和长度不一的网状裂缝，大大降低岩层的整体强度，从而减小岩层下方强冲击危险性煤层的应力分布，从根本上消除煤层开采期间的严重冲击致灾风险。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定目标岩层：根据矿井地质资料计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带的高度，对照典型钻孔柱状图在裂隙带高度范围内确定需要进行改性卸压的目标岩层；
确定压裂范围：根据本矿井或邻近矿井冲击地压发生历史、矿井地质条件、当前开采情况及近期规划确定存在冲击地压隐患的区域，将所述区域上方的目标岩层作为改性卸压的范围；
确定水平井位置：根据所述冲击地压隐患区域确定水平井位置，使水平井的平面投影位于冲击地压隐患区域内，使水平井的垂直投影位于所述目标岩层的中部，并使水平井的延伸方向与最小水平主应力方向保持一致；
钻井：先钻立井至所述目标岩层底部，然后向上抬升钻头至需要施工造斜井的起点位置开始钻造斜井至所述目标岩层中部，再在造斜井的终止点沿最小水平主应力方向钻水平井至目标长度，最后固井完成钻井工序；
高压水力定向致裂：将射孔与压裂设备送至水平井井底，引爆射流器，在水平井井壁上形成垂直于井壁的裂缝，然后坐封，由地面高压泵车向裂缝内注入压裂液，使裂缝向岩层内部扩展，然后关闭高压泵，完成第一次压裂，最后解封，移动压裂管路至其他待压裂位置，重复坐封与压裂至完成一个水平井的压裂施工，再重复高压水力定向致裂工序完成其他水平井的压裂施工，使目标岩层内形成相互贯通的网状裂隙；
巷道布局优化：根据水平井的位置布置巷道，使巷道布置在靠近水平井正下方的区域，且使巷道走向与水平井方向平行。
2.根据权利要求1所述的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，其特征在于：将地面水力压裂技术应用于冲击危险煤层厚层坚硬顶板的改性卸压。
3.根据权利要求1所述的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，其特征在于：所述目标岩层为一层或多层，所有位于所述裂隙带高度范围的、单层厚度大于30m且单轴抗压强度大于60MPa的岩层均为目标岩层。
4.根据权利要求1所述的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，其特征在于：在平面投影上，水平井位于冲击隐患区内，在垂直投影上，布置在目标岩层的中部，井的延伸方向与最小水平主应力方向须尽量保持一致，以尽可能多的形成垂直于水平井的垂直裂隙。
5.根据权利要求1所述的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，其特征在于：顶板改性卸压后，下方冲击危险煤层巷道应尽可能布置在靠近水平井正下方的区域，走向方向与水平井平行，以使巷道处于最有效的卸压保护范围内。
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