CN109779634B - 煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用地面垂直井对坚硬顶板进行压裂时的压裂位置选取方法，具体为煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板位置确定方法，解决目前缺乏地面压裂井位置的合理选取方法。主要根据煤层开采情况进行选取，当煤层未开采时，根据压裂需求进行选取；当煤层已经开采，则建立数值模拟模型分析压裂层位内三向应力分布规律，结合观测钻孔对压裂层位内裂隙发育进行探测，综合确定地面压裂位置。本方法可靠性高，研究手段多样，灵活性强，选取流程简单，应用前景广阔。

Description

煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板位置确定方法

技术领域

本发明属于坚硬顶板矿区煤层开采条件下，采用垂直井地面压裂的方法对煤层上覆坚硬顶板进行压裂时压裂位置的选取方法，具体是一种煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板位置确定方法。

背景技术

煤层地下开采，岩层控制是核心，尤其对于坚硬顶板，因其强度大，破断步距广，坚硬顶板大面积破断易造成采场强矿压显现，甚至带来暴风灾害，是顶板控制的一大难点。目前对于坚硬顶板的控制，常在井下采用水力压裂或爆破等控制技术手段，但受井下施工环境及钻孔长度等施工条件的制约，一般仅是在工作面两侧巷道内对顶板实施弱化，弱化范围局限于煤层上方50m，控制效果有限。为此，针对目前控制技术的局限性，可以创新采用地面压裂的方法，即通过地面压裂装备，自地表向下打压裂钻孔对顶板实施压裂。根据压裂井的布置方法，地面压裂坚硬顶板可以采用垂直井、水平井压裂两种方式，其中采用垂直井压裂成本相对较低，工艺流程相对简单，操作方便。地面压裂坚硬顶板时，受煤层采动影响，压裂岩层所处三向应力场为一个动态应力场，因此对压裂裂缝的扩展效果和形态有直接影响；同时，若覆岩裂隙发育至压裂岩层，水压裂缝与裂隙沟通将会对裂缝扩展造成直接影响，甚至造成压裂液的严重漏失，无法继续实施地面压裂。因此，煤矿地面压裂坚硬顶板，其位置选取十分关键，但目前尚无地面压裂位置选取的合理方法。

发明内容

本发明为了解决坚硬顶板矿区煤层开采时，地面垂直井压裂坚硬顶板压裂位置选取的问题，提供一种煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板位置确定方法。

本发明采取以下技术方案：一种煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板位置确定方法，包括以下步骤，

a.若煤层未开采，则地面垂直井压裂位置根据压裂需求在工作面煤层对应地表范围内选取，地面垂直井压裂位置与工作面推进方向中轴线保持一定的垂直距离L；若工作面已开采一定距离，根据煤层及覆岩物理力学参数，采用FLAC^3D模拟软件建立数值模拟模型，在FLAC^3D模拟模型中煤层模拟开挖与实际开挖同样的距离。

b.记录FLAC^3D模拟模型中地面压裂层位中最大主应力和最小主应力不受采动影响，即大小方向均未发生变化的区域距工作面的水平距离S₁。

c. 现场自工作面开采位置起，沿工作面开采方向自地表垂直向下每隔距离D打观测钻孔至压裂层位底界面，观测压裂层位内采动裂隙发育特征，记压裂岩层内部无采动裂隙发育的位置距工作面的水平距离为S₂。

d. 选取S=Max（S₁，S₂）作为地面垂直井压裂位置与工作面在水平方向的最小安全距离，地面垂直井压裂位置在此最小安全距离至工作面停采线范围内选取，同样，地面垂直井压裂位置与工作面推进方向中轴线保持一定的垂直距离L

所述的步骤a中，垂直距离L与工作面长度的比值在0~0.2范围内。

所述的步骤c中，距离D在20~30m范围之内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）综合采用模拟研究和现场实测相结合的方法对压裂位置选取进行确定，可靠性高。

2）依据工作面开采距离，通过数值模拟模型对压裂岩层三向应力分布进行确定，灵活性强；

3）采用的研究手段科学可靠，地面压裂位置选取流程简单，具有广泛的推广应用前景。

附图说明

图1为地面垂直井压裂位置选取示意图；

图中：1-煤层，2-地面垂直井，3-地表，4-工作面，5-工作面推进方向中轴线，6-压裂层位，7-观测钻孔，8-工作面停采线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1所示是本发明煤矿地面压裂坚硬顶板位置确定方法的示意图，其具体步骤为：

a.工作面4长200m，已开采100m，根据煤层1及覆岩物理力学参数，采用FLAC^3D模拟软件建立数值模拟模型，在FLAC^3D模拟模型中煤层1模拟开挖100m。

b. 记录FLAC^3D模拟模型中地面压裂层位6中最大主应力和最小主应力不受采动影响，即大小方向均未发生变化的区域距工作面4的水平距离S₁，模拟结果表明S₁为150m。

c.现场自工作面4开采位置起，沿工作面4开采方向自地表3垂直向下每隔30m打观测钻孔7至压裂层位6底界面，观测压裂层位6内采动裂隙发育特征，记压裂岩层6内部无采动裂隙发育的位置距工作面4的水平距离为S₂，观测结果表明S₂为125m。

d. 选取S=Max（S₁，S₂）作为地面垂直井2压裂位置与工作面4在水平方向的最小安全距离，地面垂直井2压裂位置在此最小安全距离至工作面4停采线8范围内选取，依据模拟结果和压裂层位内裂隙观测结果，S取值150m，地面垂直井2压裂位置与工作面4推进方向中轴线5垂直距离为20m。

现场监测结果表明，经地面压裂后，坚硬顶板内裂缝扩展覆盖了工作面水平范围，压裂裂缝扩展并未受到采动发育裂隙影响，亦验证了地面压裂位置选取的正确性。通过采用上述煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板位置确定方法，对于高效控制坚硬顶板，减弱采场强矿压灾害，保证坚硬顶板矿区煤层的安全高效开采具有重要的意义。

Claims (1)

1.一种煤矿地面垂直井压裂坚硬顶板位置确定方法，其特征在于：包括以下步骤，

a.若煤层（1）未开采，则地面垂直井（2）压裂位置根据压裂需求在工作面（4）煤层对应地表（3）范围内选取，地面垂直井（2）压裂位置与工作面（4）推进方向中轴线（5）保持一定的垂直距离L；若工作面（4）已开采一定距离，根据煤层（1）及覆岩物理力学参数，采用FLAC^3D模拟软件建立数值模拟模型，在FLAC^3D模拟模型中煤层（1）模拟开挖与实际开挖同样的距离，垂直距离L与工作面（4）长度的比值在0~0.2范围内；

b.记录FLAC^3D模拟模型中地面压裂层位（6）中最大主应力和最小主应力不受采动影响，即大小方向均未发生变化的区域距工作面（4）的水平距离S₁；

c. 现场自工作面（4）开采位置起，沿工作面（4）开采方向自地表（3）垂直向下每隔距离D打观测钻孔（7）至压裂层位（6）底界面，观测压裂层位（6）内采动裂隙发育特征，记压裂层位（6）内部无采动裂隙发育的位置距工作面（4）的水平距离为S₂，距离D在20~30m范围之内；

d. 选取S=Max（S₁，S₂）作为地面垂直井（2）压裂位置与工作面（4）在水平方向的最小安全距离，地面垂直井（2）压裂位置在此最小安全距离至工作面（4）停采线（8）范围内选取，同样，地面垂直井（2）压裂位置与工作面（4）推进方向中轴线（5）保持一定的垂直距离L。

Images