CN109855966A - 煤矿地面压裂坚硬顶板层位选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用地面压裂的方法对坚硬顶板进行压裂弱化实现对采场矿压的控制，具体为煤矿地面压裂坚硬顶板层位选择方法，填补目前缺乏地面压裂目标层选取方法的空白。具体步骤为：一、确定煤岩层物理力学特性及煤体破坏临界应力σ₀；二、判定覆岩关键层分布特征，自下而上记为KS1、KS2、KS3……KSn；三、建立数值模拟模型；四、记录各关键层临界破断之前工作面超前煤体支承应力峰值大小σ_i（i=1,2,3……n）；五、记录各关键层破断回转时工作面处的应力σ_j（j=1,2,3……n）；六、比较分析煤体破坏的临界应力σ₀与各关键层破断前后煤体承受应力的大小σ_i、σ_j，并据此确定压裂目标层。优点：1、模型参数正确可靠；2、模型灵活实用；3、避免了地面压裂的盲目性。

Description

煤矿地面压裂坚硬顶板层位选择方法

技术领域

本发明涉及采用地面压裂技术对坚硬顶板进行压裂弱化控制技术领域，具体是一种煤矿地面压裂坚硬顶板层位选择方法。

背景技术

对于地下煤层开采，岩层运动是诱发煤矿灾害的根源，尤其对于坚硬顶板条件，因坚硬顶板强度高，不易发生破断，其破断步距一般较大，顶板大面积破断失稳易造成采场强矿压灾害。目前对于坚硬顶板的控制主要采用井下水力压裂或爆破的技术手段，受施工条件和钻孔长度的限制，井下控制范围有限，一般局限于50m范围内，效果较差。为此，发明一种地面压裂坚硬顶板的方法，即从地面施工钻孔至压裂目标层，采用地面压裂装置等对顶板进行压裂弱化。该技术手段控制范围大，对生产影响小，但从地面压裂，具体压裂哪一层是核心和关键；根据关键层理论，如果压裂目标层不是煤层上覆对采场矿压起主要作用的关键层，压裂后反而可能增加采场矿压显现强度，因此，对于压裂目标层的选择尤为重要，是地面压裂的关键环节。

发明内容

本发明为了解决煤层上覆坚硬顶板条件下，采用地面压裂技术对坚硬顶板进行弱化控制时的压裂目标层的确定，解决煤矿地面压裂坚硬顶板的核心技术难题，提高地面压裂效果，提供一种煤矿地面压裂坚硬顶板层位选择方法。

本发明采取以下技术方案：一种煤矿地面压裂坚硬顶板层位选择方法，包括以下步骤，

a.在工作面开采煤层对应地表处，垂直向下打钻孔对各煤岩层取芯，测试煤岩体的容重、抗压强度、抗拉强度、泊松比、弹性模量，采用单轴压缩试验，对50×100mm标准圆柱试件进行抗压试验，确定煤体受压破坏时的临界应力σ₀；

b.根据上覆岩层分布，结合各岩层所测物理力学参数，判定覆岩关键层分布，假定覆岩共分布岩层层数为m层，若，其中n<s<m，同时满足l _n+1 ＞l ₁ ，则认为第n层岩层为关键层，以此类推至s层直至地表，判定的关键层自下而上分别记为KS1、KS2、KS3……KSn；

c.采用UDEC数值模拟软件，依据煤岩层参数，建立数值模拟模型，依据现场煤层单次开挖的距离，设定模型中煤层每步开挖的距离及开挖步数；

d.根据模型设定对煤层进行开挖，记录各关键层临界破断之前工作面超前煤体应力峰值大小σ_i，其中i=1,2,3……n；

e.记录各关键层破断回转时，工作面处围岩的应力大小σ_j，其中，j=1,2,3……n；

f.比较分析各关键层破断前后煤体承受的应力σ_i、σ_j与实验得到的煤体破坏的临界应力σ₀的大小关系；若σ₀<σ_i或σ₀<σ_j，则定KSi和KSj为压裂目标层；若σ₀>σ_i或σ₀>σ_j，则选取σ_i中最大应力对应的关键层KSi和σ_j中最大应力对应的关键层KSj作为压裂目标层；

g.压裂目标层选取结束，根据选取的压裂目标层，地面实施压裂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1）以煤岩层实验室测得的参数为依据构建数值模拟模型，保证了模型的正确性和可靠性；2）所建立的数值模拟模型可根据工作面的地质条件的变化而变化，保证了预测模型的灵活性和实用性；3）预先采用模拟研究的方法给定压裂目标层，避免了现场施工过程中的盲目性，保证了地面压裂技术的实施效率和压裂效果，应用前景广阔。

具体实施方式

下面以大同矿区坚硬顶板特厚煤层开采条件的地面压裂目标层选取为例，对本发明作进一步的描述：

煤矿地面压裂坚硬顶板层位选择方法，包括以下步骤：

a.工作面开采煤层厚度20m，在工作面开采煤层对应地表处，垂直向下打钻孔对各煤岩层取芯，测试煤岩体的容重、抗压强度、抗拉强度、泊松比、弹性模量，采用单轴压缩试验，对50×100mm标准圆柱试件进行抗压试验，确定煤体受压破坏时的临界应力σ₀为45MPa；

b.根据上覆岩层分布，结合各岩层所测物理力学参数，判定覆岩关键层分布，假定覆岩共分布岩层层数为m层，若，其中n<s<m，同时满足l _n+1 ＞l ₁ ，则认为第n层岩层为关键层，以此类推至s层直至地表，判定的关键层自下而上分别记为KS1、KS2、KS3、KS4、KS5，距离煤层距离分别为20m、60m、95m、110m、150m；

c.采用UDEC数值模拟软件，依据煤岩层参数，建立数值模拟模型，模型建立至地表，模型两侧留设200m保护煤柱，依据现场煤层单次开挖的距离5m，设定模型中煤层每步开挖的距离为5m，直至开挖至模型边界；

d.根据模型设定对煤层进行开挖，记录各关键层临界破断之前工作面超前煤体应力峰值大小σ_i，分别为σ_i:1=20MPa，σ_i:2=25MPa，σ_i:3=32MPa，σ_i:4=40MPa，σ_i:5=45MPa；

e.记录各关键层破断回转时，工作面处围岩的应力大小σ_j，得到σ_j:1=24MPa，σ_j:2=29MPa，σ_j:3=37MPa，σ_j:4=47MPa，σ_j:5=53MPa；

f.比较分析各关键层破断前后煤体承受的应力σ_i、σ_j与实验得到的煤体破坏的临界应力σ₀的大小关系；比较发现σ₀<σ_i:5，σ₀<σ_j:4，σ₀<σ_j:5，则确定KS4和KS5为压裂目标层；

g.压裂目标层选取结束，根据选取的压裂目标层，地面实施压裂。

现场实施地面压裂后，工作面超前巷道平均变形量仅为0.54m，相比同条件未压裂工作面，巷道变形量降低了50%，工作面未发生强矿压显现，支架来压得到明显改善，支架阻力降低15%，保证了工作面的安全高效开采，表明了地面压裂目标层选择的正确性。

Claims (1)

1.一种煤矿地面压裂坚硬顶板层位选择方法，其特征在于：包括以下步骤，

a.在工作面开采煤层对应地表处，垂直向下打钻孔对各煤岩层取芯，测试其物理力学特性，根据实验数据，确定开采煤层破坏的临界应力σ₀；

a.在工作面开采煤层对应地表处，垂直向下打钻孔对各煤岩层取芯，测试煤岩体的容重、抗压强度、抗拉强度、泊松比、弹性模量，采用单轴压缩试验，对50×100mm标准圆柱试件进行抗压试验，确定煤体受压破坏时的临界应力σ₀；

b.根据上覆岩层分布，结合各岩层所测物理力学参数，判定覆岩关键层分布，假定覆岩共分布岩层层数为m层，若，其中n<s<m，同时满足l _n+1 ＞l ₁ ，则认为第n层岩层为关键层，以此类推至s层直至地表，判定的关键层自下而上分别记为KS1、KS2、KS3……KSn；

c.采用UDEC数值模拟软件，依据煤岩层参数，建立数值模拟模型，依据现场煤层单次开挖的距离，设定模型中煤层每步开挖的距离及开挖步数；

d.根据模型设定对煤层进行开挖，记录各关键层临界破断之前工作面超前煤体应力峰值大小σ_i，其中i=1,2,3……n；

e.记录各关键层破断回转时，工作面处围岩的应力大小σ_j，其中，j=1,2,3……n；

f.比较分析各关键层破断前后煤体承受的应力σ_i、σ_j与实验得到的煤体破坏的临界应力σ₀的大小关系；若σ₀<σ_i或σ₀<σ_j，则定KSi和KSj为压裂目标层；若σ₀>σ_i或σ₀>σ_j，则选取σ_i中最大应力对应的关键层KSi和σ_j中最大应力对应的关键层KSj作为压裂目标层；

g.压裂目标层选取结束，根据选取的压裂目标层，地面实施压裂。