CN110067592B - 基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及坚硬顶板特厚煤层开采的顶板瓦斯一体化防治技术，具体为一种基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制方法。解决现有坚硬顶板特厚煤层在顶板及瓦斯控制存在的问题。该方法是依次由下列步骤实现的：a.确定压裂目标层；b.地面采用压裂井进行压裂；c.在地表，在压裂井水平段两侧布置多个微震检波器；d.微震检波器监测水压裂缝在水平方向扩展长度；e.布置瓦斯抽排装备；f.调节瓦斯抽排装备的抽排量，井下工作面两端头瓦斯传感器监测的瓦斯浓度在0.6%~1%之间。本发明解决了坚硬顶板破断步距大引发的强矿压难题，同时解决了因顶板大面积破断造成瓦斯不均衡涌出及瓦斯超限难题。

Description

基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制方法
技术领域
本发明涉及坚硬顶板特厚煤层开采的顶板瓦斯一体化防治技术，具体为一种基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制方法。
背景技术
岩层运动及控制是煤矿开采的核心。岩层的破断失稳对采场矿压显现有直接影响，另外，岩层裂隙发育及其结构特征与瓦斯富集运移息息相关，研究也表明顶板突然破断易造成瓦斯瞬时高涌出。坚硬顶板矿区占我国煤矿的三分之一，特厚煤层是我国高效开采的主体煤层，坚硬顶板特厚煤层开采时，因煤层一次开采厚度大，煤层开采后覆岩运移范围大，上覆多层坚硬顶板均发生破断，加之坚硬顶板强度高，破断步距大，多层坚硬顶板破断造成采场强矿压显现强烈，严重影响安全生产，研究表明，支架压死、巷道变形剧烈。另外，因煤层开采厚度大，煤层开采后瓦斯解析、涌出量较大，当坚硬顶板大面积破断，采空区瓦斯被瞬时挤压至工作面，造成瓦斯超限，采场瓦斯不均衡特征突出。坚硬顶板特厚煤层开采，高位100m以上坚硬顶板破断影响最为严重。目前对于采场强矿压的控制，从主动弱化顶板的角度，多采用从井下爆破或者水力压裂坚硬顶板的方法，但控制范围多局限于50m内，效果有限。目前对于采场瓦斯的控制，主要采用采前预抽的方法，无法防止顶板突然失稳破断造成的瓦斯瞬时涌出难题，且对于采空区遗留瓦斯无法抽排。因此，很有必要以岩层控制为核心，发明一种基于坚硬顶板压裂的顶板-瓦斯协同控制方法，对于坚硬顶板特厚煤层开采的矿压、瓦斯灾害控制具有重要的意义。
发明内容
本发明解决现有坚硬顶板特厚煤层在顶板及瓦斯控制存在的上述问题，提供一种基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制方法。该方法不仅解决了坚硬顶板破断步距大引发的强矿压难题，同时解决了因顶板大面积破断造成瓦斯不均衡涌出及瓦斯超限难题，有利于保证坚硬顶板条件煤矿的安全高效开采。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制方法，是依次由下列步骤实现的：
a.自工作面开采煤层上方地表，垂直向下打钻孔至煤层位置，对上覆各岩层进行取芯并测试其力学性能，依据测试结果判定煤层上覆各关键层位置，根据煤层开采厚度，选取距煤层一定距离范围内的关键层作为地面压裂目标层，其中所选取的压裂目标层距煤层的距离与煤层厚度的比值在3~7范围；
b.地面采用压裂井进行压裂，压裂井垂直段投影平齐于工作面停采线，压裂井水平段位于压裂目标层且延伸方向平行于工作面开采方向，当压裂井水平段延伸至距工作面采位一定水平距离时停止延伸；
c.在地表沿着压裂井水平段延伸方向，在压裂井水平段两侧布置多个微震检波器，布置完毕后工作面暂停开采，启动压裂泵，开始实施压裂；
d.当微震检波器监测显示至少一个水压裂缝在水平方向扩展长度达到或超过工作面长度时，关闭压裂泵，压裂结束；
e.工作面继续开采，当工作面采位达到压裂井水平段延伸位置时，在地表压裂井井口处布置瓦斯抽排装备，开始抽排瓦斯，同时井下工作面两端头布置瓦斯传感器实时监测瓦斯浓度；
f.调节瓦斯抽排装备的抽排量，井下工作面两端头瓦斯传感器监测的瓦斯浓度在0.6%~1%之间；
g.当工作面开采至停采线位置，地面压裂井处关停瓦斯抽排装备，停止作业。
本发明所述方法有以下优点：1）地面采用压裂井进行压裂，对生产干扰小，压裂控制范围大，解决了传统井下压裂控制范围小的不足；2）采用地面压裂的方法可以对煤层上覆多层坚硬顶板进行压裂，可自由选择压裂目标层，压裂灵活；对煤层上覆不同层位坚硬顶板进行压裂，降低坚硬顶板强度，减弱顶板破断的矿压作用3）地面压裂井可同时作为地面瓦斯抽排井，实现了一井两用，节约了成本，提高了效率；4）地面压裂后裂缝扩展范围大，空间分布范围广，采用压裂井直接进行瓦斯抽排可显著提高瓦斯抽排效率，可实现对工作面及采空区不同区域瓦斯的同时抽排控制，效率显著。所述的控制方法可对坚硬顶板矿区煤层开采的强矿压和瓦斯超限难题实现同时控制，效率显著，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述控制方法的原理示意图；
图2为图1的俯视图。
图中：1-工作面，2-煤层，3-压裂目标层，4-压裂井垂直段，5-停采线，6-压裂井水平段，7-微震检波器，8-工作面回风巷。
具体实施方式
基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制方法，是依次由下列步骤实现的：
a.自工作面1开采煤层2上方地表，垂直向下打钻孔至煤层2位置，对上覆各岩层进行取芯并测试其力学性能，依据测试结果判定煤层2上覆各关键层位置，根据煤层2开采厚度，选取距煤层2一定距离范围内的关键层作为地面压裂目标层3，其中所选取的压裂目标层3距煤层2的距离与煤层厚度的比值在3~7范围（如，选用3、3.5、4、5、6.5、7）；
b.地面采用压裂井进行压裂，压裂井垂直段4投影平齐于工作面停采线5，压裂井水平段6位于压裂目标层3且延伸方向平行于工作面1开采方向，当压裂井水平段6延伸至距工作面1采位一定水平距离时停止延伸；
c.在地表沿着压裂井水平段6延伸方向，在压裂井水平段6两侧布置多个微震检波器7，布置完毕后工作面暂停开采，启动压裂泵，开始实施压裂；
d. 当微震检波器监测显示至少一个水压裂缝在水平方向扩展长度达到或超过工作面长度时，关闭压裂泵，压裂结束；
e.工作面1继续开采，当工作面1采位达到压裂井水平段6延伸位置时，在地表压裂井井口处布置瓦斯抽排装备，开始抽排瓦斯，同时井下工作面两端头布置瓦斯传感器实时监测瓦斯浓度；
f. 调节瓦斯抽排装备的抽排量，使井下工作面两端头瓦斯传感器监测的瓦斯浓度在0.6%~1%之间；
g.当工作面1开采至停采线5位置，地面压裂井处关停瓦斯抽排装备，停止作业。
具体实施时，当压裂井水平段6延伸至距工作面采位30~40m时停止延伸；压裂井水平段6投影距工作面回风巷8的距离与工作面长度的比值在0.4~0.5范围内；以此进一步完善控制方法。
下面以大同矿区坚硬顶板特厚煤层开采条件的顶板瓦斯协同控制为例，结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1所示是本发明一种基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制方法原理图，其步骤为：
a.工作面1开采煤层2厚度20m，自工作面1开采煤层2上方地表，垂直向下打钻孔至煤层位置，对上覆各岩层进行取芯并测试其力学性能，依据测试结果判定煤层2上覆各关键层位置，根据煤层2开采厚度，选取距煤层2距离100m的关键层作为地面压裂目标层3；
b.地面采用压裂井进行压裂，设计压裂井水平段6投影距工作面回风巷8的距离与工作面1长度的比值为0.4，压裂井垂直段4投影平齐于工作面停采线5，水平段6延伸方向平行于工作面1开采方向，当压裂井水平段6延伸至距工作面1采位35m时停止延伸；
c.在地表沿着压裂井水平段6延伸方向，向压裂井水平段6两侧不同方向布置微震检波器7，布置完毕后工作面1暂停开采，启动压裂泵，开始实施压裂；
d. 当微震检波器监测显示至少一个水压裂缝在水平方向扩展长度达到或超过工作面长度时，关闭压裂泵，压裂结束；
e.工作面1继续开采，当工作面1采位达到压裂井水平段6延伸位置时，在地表压裂井井口处布置瓦斯抽排装备，开始抽排瓦斯，同时井下工作面1两端头布置瓦斯传感器实时监测瓦斯浓度；
f. 调节瓦斯抽排装备的抽排量，使井下工作面两端头瓦斯传感器监测的瓦斯浓度在0.6%~1%之间；即瓦斯浓度高于1%加大抽排量，瓦斯浓度低于0.6%减小抽排量。
g.当工作面开采至停采线位置，地面压裂井处关停瓦斯抽排装备，停止作业。
现场应用结果表明，基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制技术手段对于强矿压和瓦斯灾害的控制效果显著。以往对于坚硬顶板弱化改性的控制一般仅能从井下自下而上实施压裂或爆破弱化，控制范围局限于50m，且工艺实施场所一般是在工作面巷道，控制范围有限且对生产有一定影响；目前对于瓦斯的抽采一般采用高抽巷、地面钻孔抽采等方法，采用高抽巷的方法造价高，且无法对采空区深部瓦斯进行抽采，地面钻孔抽采的方法则需要在地表打连续的抽采钻孔，成本高，效率低。现场应用研究发现，坚硬顶板地面压裂后，覆岩裂隙发育，顶板垮断步距大大降低，杜绝了采场强矿压现象；同时压裂井作为瓦斯抽排井，大大提高了瓦斯抽排效率，再无发生工作面瓦斯超限事故。通过采用上述坚硬顶板地面压裂并将压裂井作瓦斯抽排井的方法，对于控制坚硬顶板矿区煤层的安全高效开采具有重要的意义。

Claims (3)

1.一种基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制方法，其特征在于，是依次由下列步骤实现的：
a.自工作面(1)开采煤层(2)上方地表，垂直向下打钻孔至煤层(2)位置，对上覆各岩层进行取芯并测试其力学性能，依据测试结果判定煤层(2)上覆各关键层位置，根据煤层(2)开采厚度，选取距煤层(2)一定距离范围内的关键层作为地面压裂目标层(3)，其中所选取的压裂目标层(3)距煤层(2)的距离与煤层厚度的比值在3~7范围；
b.地面采用压裂井进行压裂，压裂井垂直段(4)投影平齐于工作面停采线(5)，压裂井水平段(6)位于压裂目标层(3)且延伸方向平行于工作面(1)开采方向，当压裂井水平段(6)延伸至距工作面(1)采位一定水平距离时停止延伸；
c.在地表沿着压裂井水平段(6)延伸方向，在压裂井水平段(6)两侧布置多个微震检波器(7)，布置完毕后工作面暂停开采，启动压裂泵，开始实施压裂；
d. 当微震检波器监测显示至少一个水压裂缝在水平方向扩展长度达到或超过工作面长度时，关闭压裂泵，压裂结束；
e.工作面(1)继续开采，当工作面(1)采位达到压裂井水平段(6)延伸位置时，在地表压裂井井口处布置瓦斯抽排装备，开始抽排瓦斯，同时井下工作面两端头布置瓦斯传感器实时监测瓦斯浓度；
f. 调节瓦斯抽排装备的抽排量，使井下工作面两端头瓦斯传感器监测的瓦斯浓度在0.6%~1%之间；
g.当工作面(1)开采至停采线(5)位置，地面压裂井处关停瓦斯抽排装备，停止作业。
2.根据权利要求1所述的基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制方法，其特征在于，当压裂井水平段（6）延伸至距工作面采位30~40m时停止延伸。
3.根据权利要求1或2所述的基于坚硬顶板地面压裂的顶板瓦斯协同控制方法，其特征在于，压裂井水平段6投影距工作面回风巷8的距离与工作面长度的比值在0.4~0.5范围内。
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