CN110295880B - 一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，包括以下步骤，步骤一：获取工作面地质条件和顶板岩层结构特征，计算工作面超前支承压力影响范围及影响强度；步骤二：在待压裂岩体处于工作面超前支承压力影响范围外时进行一次压裂，形成一系列水平方向水力裂纹；步骤三在待压裂岩体处于工作面超前支承压力影响范围内时进行二次压裂，形成一系列垂直方向水力裂纹，切断顶板岩层。该方法能够在工作面末采结束后，避免或削弱工作面超前支承压力对准备巷道的影响，达到优化停采线的目的，减少煤炭资源损失，有可控性强、安全可靠、操作简便、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿坚硬顶板管理，具体涉及在逆断层地应力条件下的一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法。
背景技术
煤矿地下开采时需在井下开掘大量巷道。其中，采区准备巷道服务于整个采区多个工作面的运煤、行人或通风，巷道的稳定性对煤矿高效、安全生产至关重要。工作面回采过程中产生超前支承压力，对工作面前方的采区准备巷道造成影响，因此需人为地设置一条停采线。若停采线与准备巷道之间距离过长，会导致过多的煤炭损失，降低资源采出率；若停采线与准备巷道之间距离过短，准备巷道容易受工作面前方支承压力影响产生较大变形、甚至破坏。
现有技术中，专利公开号为CN106321049A、名称为“利用水力压裂卸压优化停采线位置的方法及装置”的专利公开了一种利用水力压裂卸压优化煤矿工作面停采线的方法，通过由采区准备巷道向停采线附近顶板岩层沿准备巷道轴向方向开凿一系列间距为10~20m的水力压裂钻孔对工作面顶板进行压裂卸压，进而优化停采线位置。然而，该方法存在以下缺陷：1）现场条件下，与工作面相邻的采区巷道通常为运煤巷道，运煤皮带机的存在限制了钻孔和压裂施工的空间，因此该方法现场操作性有限；2）需沿准备巷道轴向方向开凿大量水力压裂钻孔，增加了人力、时间和经济成本；3）该方法虽然使用了特制刀具在水力压裂钻孔内部进行切槽处理，对水力裂纹的起裂过程进行定向，但是忽略了地应力对水力裂纹起裂后扩展轨迹的影响，在某些地应力条件下并不能如预期的在顶板岩层中制造出一系列垂直方向的水力裂纹，难以达到切断顶板岩层的目的。专利公开号为CN106150503A、名称为“一种水力压裂治理坚硬顶板的方法”的专利明确指出水力裂纹沿着垂直于最小地应力方向的平面扩展。在逆断层地应力条件下，常规的水力压裂技术只能制造出一系列水平方向的水力裂纹。
理想情况下，水力压裂切顶卸压的目的是在顶板岩层内制造出一系列垂直方向或倾斜方向的水力裂纹，从而破坏采空区顶板的“悬臂梁”结构，降低工作面支承压力对周边巷道的影响。专利公开号为CN102852522A、名称为“煤矿巷道卸压水力压裂方法及装置”的专利公开了一种通过水力压裂技术致裂卸压煤柱上方顶板的方法，该方法忽略了顶板岩体内应力状态对水力裂纹扩展轨迹的影响，难以针对不同地应力条件实现顶板岩体的有效压裂。专利公开号为CN103953343A、名称为“一种对煤层坚硬顶板控制放顶的方法”的专利提出利用一系列短间距布置的压裂孔，配合水力割缝技术在压裂孔内进行定向切割，实现对水力裂纹的定向控制。该方法的缺点是：1）水力割缝技术需要使用昂贵的压裂设备，包括压裂泵和割缝钻头；2）水力割缝工序和大量短间距布置的压裂孔增加了施工的经济成本、人力成本和时间成本；3）同样忽略了地应力对水力裂纹扩展轨迹的控制，缺乏实践证据表明该方法能够在不同地应力条件下对水力裂纹的扩展轨迹进行有效控制。专利公开号为CN106368701A、名称为“利用水力压裂卸压控制回采巷道留巷的方法及装置”的专利提出利用在水力压裂钻孔内预制人造切槽的方式对水力裂纹进行定向控制，达到有效致裂的目的。然而，大量实验室实验、数值模拟和现场观测结果表明预制切槽只能在大约两倍钻孔直径范围内对水力裂纹的起裂方向进行定向，水力裂纹起裂后持续扩展的轨迹受岩体内局部应力状态影响，沿着垂直于最小主应力方向的平面进行扩展。因此，水力压裂需考虑切顶位置局部应力条件。
逆断层地应力条件常见于浅埋煤层，这种地应力条件下垂直地应力为最小地应力，水力裂纹在原岩应力状态下倾向于沿着水平面扩展，难以达到“切顶”的目的。另一方面，岩体内节理组的方向对岩体的可冒落性有着重要影响。岩体内拥有两组或两组以上不同方向的节理组时被认为是易于冒落的。然而，现有的常规水力压裂方法仅能在岩体内制造出一系列方向相同的水力裂纹，因此对提高岩体的可冒落性作用有限。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，进而优化工作面停采线位置，提高煤炭资源采出率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，包括以下步骤，
步骤一：获取工作面地质条件和顶板岩层结构特征，应用数值模拟技术计算工作面超前支承压力影响范围及影响强度；
步骤二：在停采线靠近采空区一侧，由工作面两侧回采巷道向顶板岩层斜向钻孔作为一次水力压裂钻孔，在待压裂岩体处于工作面超前支承压力影响范围外时进行一次压裂，形成一系列水平方向水力裂纹，增加顶板岩层分层数量;
步骤三：随着工作面推进，当停采线附近顶板岩体位于工作面超前支承压力影响范围内，在停采线靠近采区准备巷道一侧，由工作面两侧回采巷道向顶板岩层斜向钻孔作为二次水力压裂钻孔，在待压裂岩体处于工作面超前支承压力影响范围内时进行二次压裂，形成一系列垂直方向水力裂纹，切断顶板岩层。
进一步的，所述的步骤一中应用数值模拟技术计算工作面超前支承压力影响范围及影响强度，得到采煤的工作面距离停采线不同位置时，工作面前方应力分布状态，确定停采线附近顶板岩体内最小主应力方向。
进一步的，所述步骤二中由工作面两侧回采巷道向顶板岩层斜向钻孔作为一次水力压裂钻孔，由每条回采巷道向顶板岩层内仅开凿1个压裂钻孔。
进一步的，所述步骤三中由工作面两侧回采巷道向顶板岩层斜向钻孔作为二次水力压裂钻孔，由每条回采巷道向顶板岩层内开凿多个压裂钻孔。
进一步的，所述的步骤二中在待压裂岩体处于工作面超前支承压力影响范围外时进行一次压裂，使用割槽刀具沿压裂孔轴向在压裂孔内部切割出一系列径向切槽；使用膨胀型跨式封孔器进行封孔；在预先切割的径向切槽处进行后退式水力压裂。
进一步的，所述的步骤三中在待压裂岩体处于工作面超前支承压力影响范围内时进行二次压裂，形成一系列垂直方向水力裂纹使用割槽刀具沿压裂孔轴向在压裂孔内部切割出一系列径向切槽；使用膨胀型跨式封孔器进行封孔；在预先切割的径向切槽处进行后退式水力压裂。
进一步的，所述的一次水力压裂钻孔打孔按照预设长度、预设倾角、预设走向角和预设直径进行；所述一次水力压裂钻孔的端头位置与所述工作面的停采线间距为5~15m，预设长度为20~75m，预设倾角为5°~40°，预设走向角为以垂直于所述回采巷道帮部方向为基准的走向角为0°~5°，预设直径为45~98mm。
进一步的，所述的二次水力压裂钻孔端头位置与所述工作面停采线间距为5~10m，预设间距为0~0.5m，预设长度为10~75m，预设倾角为5°~75°，预设走向角为以垂直于所述回采巷道帮部方向为基准的走向角为0°~5°，预设直径为45~98mm。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种逆断层地应力条件下多维度水力压裂卸压煤矿顶板优化停采线的方法，应用数值模拟技术计算工作面超前支承压力影响范围及影响强度；在停采线靠近采空区一侧，由每条回采巷道向顶板斜向钻孔，作为一次压裂钻孔；在一次压裂钻孔上的多个预设位置处分别进行切槽处理，在工作面超前支承压力影响范围外，采用分段后退式压裂方式，在顶板岩层中形成多条水平方向的水力裂纹；在停采线靠近采区准备巷道一侧，由每条回采巷道向顶板斜向钻孔，作为二次水力压裂钻孔；在二次水力压裂钻孔上的多个预设位置处分别进行切槽处理，在工作面超前支承压力影响范围内，采用分段后退式压裂方式，在顶板岩层中形成多条垂直方向的水力裂纹，切断顶板岩层。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明针对逆断层地应力条件，利用工作面超前支承压力，在工作面停采线附近顶板岩层内制造出一系列不同方向的水力裂纹，对目标岩体进行多维度致裂卸压，有效提高顶板岩体可冒落性。一次压裂过程中，形成一系列水平方向水力裂纹，增加工作面顶板岩层分层数量，减小工作面顶板岩层分层厚度；二次压裂过程中，形成一系列垂直方向水力裂纹，在工作面停采线靠近工作面采区准备巷道一侧切断顶板岩层。两次压裂过程所形成的垂直方向水力裂纹与水平方向水力裂纹相互贯通，进一步降低所述工作面顶板岩层完整性，从而降低工作面超前支承压力对前方采区准备巷道的影响，达到优化工作面停采线位置、提高煤炭资源采出率的目的。
本发明用于逆断层地应力条件下工作面末采时坚硬顶板切顶卸压，具有可控性强、安全可靠、操作简便、成本低的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的一次压裂工序平面图；
图2为本发明实施例的一次压裂工序剖面图；
图3为本发明实施例的二次压裂工序平面图；
图4为本发明实施例的二次压裂工序剖面图。
其中，1、准备巷道；2、工作面；3、煤柱；4、停采线；5、回采巷道；6、一次水力压裂钻孔；7、水平方向水力裂纹；8、顶板岩层；9、径向切槽；10、二次水力压裂钻孔；11、垂直方向水力裂纹。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤一：获取工作面2地质条件和顶板岩层结构特征，多个工作面2之间间隔煤柱3；应用数值模拟技术计算工作面2超前支承压力影响范围及影响强度；
步骤二：在停采线4靠近采空区一侧，由工作面2两侧回采巷道5向顶板岩层8斜向钻孔作为一次水力压裂钻孔6，在待压裂岩体处于工作面2超前支承压力影响范围外时进行一次压裂，形成一系列水平方向水力裂纹7，增加顶板岩层8分层数量;
步骤三：随着工作面2推进，当停采线4附近顶板岩层8位于工作面2超前支承压力影响范围内，在停采线4靠近采区准备巷道1一侧，由工作面2两侧回采巷道5向顶板岩层8斜向钻孔作为二次水力压裂钻孔10，在待压裂岩体处于工作面2超前支承压力影响范围内时进行二次压裂，形成一系列垂直方向水力裂纹11，切断顶板岩层8。
所述的步骤一中应用数值模拟技术计算工作面2超前支承压力影响范围及影响强度，得到采煤的工作面2距离停采线4不同位置时，工作面2前方应力分布状态，确定停采线4附近顶板岩层8内最小主应力方向。
所述步骤二中由工作面2两侧回采巷道5向顶板岩层8斜向钻孔作为一次水力压裂钻孔6，由每条回采巷道5向顶板岩层8内仅开凿1个压裂钻孔。
所述步骤三中由工作面2两侧回采巷道5向顶板岩层8斜向钻孔作为二次水力压裂钻孔10，由每条回采巷道5向顶板岩层8内开凿多个压裂钻孔。
所述的步骤二中在待压裂岩体处于工作面2超前支承压力影响范围外时进行一次压裂，使用割槽刀具沿压裂孔轴向在压裂孔内部切割出一系列径向切槽9；使用膨胀型跨式封孔器进行封孔；在预先切割的径向切槽9处进行后退式水力压裂。
所述的步骤三中在待压裂岩体处于工作面2超前支承压力影响范围内时进行二次压裂，形成一系列垂直方向水力裂纹11使用割槽刀具沿压裂孔轴向在压裂孔内部切割出一系列径向切槽9；使用膨胀型跨式封孔器进行封孔；在预先切割的径向切槽9处进行后退式水力压裂。
所述的一次水力压裂钻孔6打孔按照预设长度、预设倾角、预设走向角和预设直径进行；所述一次水力压裂钻孔6的端头位置与所述工作面2的停采线4间距为5~15m，预设长度为20~75m，预设倾角为5°~40°，预设走向角为以垂直于所述回采巷道5帮部方向为基准的走向角为0°~5°，预设直径为45~98mm。
所述的二次水力压裂钻孔10端头位置与所述工作面2停采线4间距为5~10m，预设间距为0~0.5m，预设长度为10~75m，预设倾角为5°~75°，预设走向角为以垂直于所述回采巷道5帮部方向为基准的走向角为0°~5°，预设直径为45~98mm。
煤矿的采区准备巷道1为整个采区中的多个工作面2服务，多个工作面2之间间隔煤柱3。工作面2回采过程中，在采空区周边产生支承压力。工作面2由于采区地质条件、矿井巷道布置情况等原因，不可能无限制向前推进。因此，需在准备巷道1和采空区之间人为设置一个停采线4。当工作面推进至停采线4时，停止本工作面2采煤工序。若停采线4过于靠近准备巷道1，准备巷道1受工作面2超前支承压力影响，导致巷道维护困难；若停采线过于远离准备巷道1，则准备巷道1与停采线4之间留设过宽的保护煤柱，造成了煤炭资源的浪费，降低了采出率。
本实施例提供的针对逆断层地应力条件利用水力压裂多维度致裂卸压煤矿顶板优化停采线的方法通过在工作面2不同回采时期，在停采线4靠近采空区一侧由回采巷道5向顶板岩层8内开凿水力压裂钻孔6进行一次压裂以及在停采线4靠近准备巷道1一侧由回采巷道5向顶板岩层8内开凿水力压裂钻孔10进行二次压裂，分别制造出一系列沿水平方向扩展的水平方向水力裂纹7和一系列沿垂直方向扩展的垂直方向水力裂纹11，实现对顶板岩层8的多维度致裂卸压。该方法能够在工作面2末采结束后，避免或削弱工作面2超前支承压力对准备巷道1的影响，达到优化停采线4的目的，减少煤炭资源损失，有可控性强、安全可靠、操作简便、成本低的优点。
本实施例的方法包括如下步骤：
首先获取工作面2地质信息，确定顶板岩层8结构；为保证顶板岩层8的结构数据的合理确定， 用钻孔窥视仪等设备，确定工作面2顶板岩层8结构，包括顶板岩层8的岩石强度、岩层层位、岩层厚度和地应力数据。
其次在得到工作面2距离停采线4不同位置时，工作面2前方应力分布状态，确定停采线4附近顶板岩层8内最小主应力方向；根据顶板岩层8的结构，在停采线4靠近采空区一侧由工作面2两侧回采巷道5向顶板岩层8斜向钻孔，作为一次水力压裂钻孔6；
为保证每个一次水力压裂钻孔6定位准确， 在每条所述工作面2回采巷道5内，向工作面2顶板岩层8开凿1个水力压裂钻孔6，打孔按照预设长度、预设倾角、预设走向角和预设直径进行；
其中，优选一次水力压裂钻孔6端头位置与工作面2停采线4间距为5~15m，进一步优选间距为5m；优选预设长度为20~75m，进一步优选预设长度为50m；优选预设倾角为5°~40°，进一步优选预设倾角为25°；优选预设走向角为以垂直于所述回采巷道5帮部方向为基准的走向角为0°~5°，进一步优选预设走向角为0°；优选预设直径为45~98mm，进一步优选预设直径为56mm。
在一次压裂钻孔6上的多个预设位置处分别进行切槽处理，在工作面2超前支承压力影响范围外，采用分段后退式压裂方式，在顶板岩层8中形成多条水平方向的水平方向水力裂纹7。
为保证一次水力压裂的准确性，以确保在顶板岩层8制造出一系列水平方向水平方向水力裂纹7，增加顶板岩层8分层数量，减少顶板岩层8分层厚度，
首先，确定一次水力压裂钻孔6内的多个预设位置，在每个预设位置利用特制径向切槽工具进行切槽处理，得到多个径向切槽9；在每个径向切槽9前后位置用跨式胶囊封孔器进行封孔。在一次水力压裂孔6处于工作面2超前支承压力影响范围外时，在预定位置处采用分段后退式压裂方式进行水力压裂。
一次水力压裂钻孔压裂孔6内的优选预设位置之间间距为2~4m。
根据顶板岩层8的结构，在停采线4靠近准备巷道1一侧由工作面2两侧回采巷道5向顶板岩层8斜向钻孔，作为二次压裂钻孔10。
为保证每个二次水力压裂钻孔10定位准确， 在每条工作面2回采巷道5内，向工作面2顶板岩层8开凿多个二次水力压裂钻孔10，打孔按照预设间距、预设长度、预设倾角、预设走向角和预设直径进行。
其中，优选二次水力压裂钻孔10端头位置与工作面（2）2停采线4间距为5~10m，进一步优选间距为5m；优选预设间距为0~0.5m，进一步优选预设间距为0m；优选预设长度为10~75m，进一步优选预设长度为60m；优选预设倾角为5°~75°，进一步优选预设角度为45°；优选预设走向角为以垂直于所述回采巷道帮部方向为基准的走向角为0°~5°，进一步优选预设走向角为0°；优选预设直径为45~98mm，进一步优选预设直径为56mm；
在二次压裂钻孔10上的多个预设位置处分别进行切槽处理，在工作面超前支承压力影响范围内，采用分段后退式压裂方式，在顶板岩层8中形成多条垂直方向的垂直水力裂纹11，切断顶板岩层8；
为保证二次水力压裂的准确性，以确保在顶板岩层8制造出一系列水平方向水力裂纹11，切断顶板岩层8，进一步包括：确定所述压裂孔10内的多个预设位置，在每个所述预设位置利用特制径向切槽工具进行切槽处理，得到多个径向切槽9；在每个径向切槽9前后位置用跨式胶囊封孔器进行封孔；在压裂孔10处于工作面2超前支承压力影响范围内时，在预定位置处采用分段后退式压裂方式进行水力压裂。
二次水力压裂钻孔压裂孔10内的优选预设位置之间间距为2~4m。
通过二次压裂产生的一系列的垂直方向水力裂纹11与一次压裂过程中产生的一系列的水平方向水力裂纹7之间贯通，对停采线4附近工作面2顶板岩层8进行多维度卸压致裂，提高顶板岩层8可冒落性。
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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤一：获取工作面（2）地质条件和顶板岩层结构特征，多个工作面（2）之间间隔煤柱（3）；应用数值模拟技术计算工作面（2）超前支承压力影响范围及影响强度；
步骤二：在停采线（4）靠近采空区一侧，由工作面（2）两侧回采巷道（5）向顶板岩层（8）斜向钻孔作为一次水力压裂钻孔（6），在待压裂岩体处于工作面（2）超前支承压力影响范围外时进行一次压裂，形成一系列水平方向水力裂纹（7），增加顶板岩层（8）分层数量;
步骤三：随着工作面（2）推进，当停采线（4）附近顶板岩层（8）位于工作面（2）超前支承压力影响范围内，在停采线（4）靠近采区准备巷道（1）一侧，由工作面（2）两侧回采巷道（5）向顶板岩层（8）斜向钻孔作为二次水力压裂钻孔（10），在待压裂岩体处于工作面（2）超前支承压力影响范围内时进行二次压裂，形成一系列垂直方向水力裂纹（11），切断顶板岩层（8）。
2.根据权利要求1所述的一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，其特征在于，所述的步骤一中应用数值模拟技术计算工作面（2）超前支承压力影响范围及影响强度，得到采煤的工作面（2）距离停采线（4）不同位置时，工作面（2）前方应力分布状态，确定停采线（4）附近顶板岩层（8）内最小主应力方向。
3.根据权利要求1所述的一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，其特征在于，所述步骤二中由工作面（2）两侧回采巷道（5）向顶板岩层（8）斜向钻孔作为一次水力压裂钻孔（6），由每条回采巷道（5）向顶板岩层（8）内仅开凿1个压裂钻孔。
4.根据权利要求1所述的一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，其特征在于，所述步骤三中由工作面（2）两侧回采巷道（5）向顶板岩层（8）斜向钻孔作为二次水力压裂钻孔（10），由每条回采巷道（5）向顶板岩层（8）内开凿多个压裂钻孔。
5.根据权利要求1所述的一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，其特征在于，所述的步骤二中在待压裂岩体处于工作面（2）超前支承压力影响范围外时进行一次压裂，使用割槽刀具沿压裂孔轴向在压裂孔内部切割出一系列径向切槽（9）；使用膨胀型跨式封孔器进行封孔；在预先切割的径向切槽（9）处进行后退式水力压裂。
6.根据权利要求1所述的一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，其特征在于，所述的步骤三中在待压裂岩体处于工作面（2）超前支承压力影响范围内时进行二次压裂，形成一系列垂直方向水力裂纹（11）使用割槽刀具沿压裂孔轴向在压裂孔内部切割出一系列径向切槽（9）；使用膨胀型跨式封孔器进行封孔；在预先切割的径向切槽（9）处进行后退式水力压裂。
7.根据权利要求1或3所述的一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，其特征在于，所述的一次水力压裂钻孔（6）打孔按照预设长度、预设倾角、预设走向角和预设直径进行；所述一次水力压裂钻孔（6）的端头位置与所述工作面（2）的停采线（4）间距为5~15m，预设长度为20~75m，预设倾角为5°~40°，预设走向角为以垂直于所述回采巷道（5）帮部方向为基准的走向角为0°~5°，预设直径为45~98mm。
8.根据权利要求1或4所述的一种多维度水力压裂煤层顶板优化停采线的方法，其特征在于，所述的二次水力压裂钻孔（10）端头位置与所述工作面（2）停采线（4）间距为5~10m，预设间距为0~0.5m，预设长度为10~75m，预设倾角为5°~75°，预设走向角为以垂直于所述回采巷道（5）帮部方向为基准的走向角为0°~5°，预设直径为45~98mm。
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