CN110939404A - 煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置及卸压方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿山巷道工程稳定控制技术领域，公开了一种煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置及卸压方法，包括：钻孔结构，用于从巷道的顶板朝巷道上方的围岩斜向打孔以形成注浆压裂孔；注浆结构，设置在巷道内并通过所述注浆压裂孔向巷道上方的顶板裂隙发育区注入浆液，以使得裂隙发育区中的破碎围岩粘接为一体；以及水力压裂卸压结构，设置在所述巷道内并能伸入到所述注浆压裂孔内，沿所述注浆压裂孔的轴向进行压裂，以形成能切断所述巷道顶板岩层的裂缝。该煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置具有有效避免在进行水力压裂前发生钻孔坍塌的优点。

Description

煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置及卸压方法

技术领域

本发明涉及矿山巷道工程稳定控制技术领域，特别是涉及一种煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置及卸压方法。

背景技术

矿山巷道尤其是回采巷道是保障煤矿安全高效开采的地下通道，其围岩稳定与否与煤矿安全高效开采密切相关。

注浆用于巷道围岩可以对巷道围岩裂隙进行密集充填，起到加固破碎围岩的作用。巷道顶板水力预制裂缝可以将顶板岩层切断使其失去传递力的作用，进而卸掉顶板压力对其下部巷道围岩起到稳定控制的作用。

部分回采巷道除了本工作面开采使用以外，还会被保留下来作为下一个工作面的回采巷道。这样，回采巷道往往受工作面两次采动的影响，巷道煤柱与实体煤上方势必会形成高应力集中区，分别为AγH和BγH(A>1；B>1)，受高应力集中区AγH和BγH的影响巷道围岩往往会出现严重变形和破坏的现象，即出现严重的顶板下沉、片帮与底鼓，如图1所示。

由于回采巷道的严重变形和破坏，严重地制约了工作面的安全高效生产。这时人们往往会借助水力预制裂缝的方法，在工作面上方的顶板预制裂缝，从而使顶板失去传递力的作用，进而消减顶板的高应力区AγH和BγH为A’γH和B’γH(A’<A；B’<B)，使回采巷道围岩变形破坏得以大幅降低，如图2所示。

水力预制裂缝技术的一个关键步骤为：在回采巷道内向顶板打设水力压裂钻孔，且要保证钻孔完整不坍塌。由于回采巷道会先于工作面提前掘出，往往提前数月之久甚至更长。受围岩性质与高地应力影响，巷道围岩裂隙难免发育形成裂隙发育区。当水力压裂钻孔打设顶板岩层裂隙发育区后，往往还未来得及进行水力压裂预制裂缝就出现钻孔坍塌封堵的现象，如图3所示。

随着水力压裂钻孔的坍塌，就会导致水力预制裂缝工作中断，不得不补打钻孔，这不仅会严重影响施工进度与卸压质量，而且还会增大人力、物力与财力的投入，致使生产成本大幅增加。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置及卸压方法，以解决现有技术中受围岩性质与高地应力影响，巷道围岩裂隙难免发育形成裂隙发育区，当水力压裂钻孔打设顶板岩层裂隙发育区后，往往还未来得及进行水力压裂预制裂缝就出现了钻孔坍塌封堵的现象，从而严重影响施工进度与卸压质量的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置，包括：钻孔结构，用于从巷道的顶板朝巷道上方的围岩斜向打孔以形成注浆压裂孔；注浆结构，设置在巷道内并通过所述注浆压裂孔向巷道上方的顶板裂隙发育区注入浆液，以使得裂隙发育区中的破碎围岩粘接为一体；以及水力压裂卸压结构，设置在所述巷道内并能伸入到所述注浆压裂孔内，沿所述注浆压裂孔的轴向进行压裂，以形成能切断所述顶板的裂缝。

其中，所述注浆结构包括设置在所述巷道内的注浆泵和与所述注浆泵相连接并能伸入到所述注浆压裂孔内的注浆管。

其中，所述注浆结构还包括设置在所述注浆压裂孔内并靠近所述巷道的端部的注浆钻孔封堵器。

其中，所述注浆管包括与所述注浆泵的出口相连接的第一段注浆管和与所述第一段注浆管对接连通并能伸入到所述注浆压裂孔内的第二段注浆管，其中，所述第二段注浆管穿过所述注浆钻孔封堵器。

其中，所述水力压裂卸压结构包括设置在所述巷道内的加压水泵以及与所述加压水泵相连接并能伸入到所述注浆压裂孔内的水管组。

其中，所述水力压裂卸压结构还包括设置在所述注浆压裂孔内的上水力压裂封孔器和下水力压裂封孔器，其中，所述上水力压裂封孔器与所述下水力压裂封孔器沿所述注浆压裂孔的轴向呈间隔式设置。

其中，所述水管组包括设置在所述注浆压裂孔内并呈间隔式设置的第一水管和第二水管，其中，所述第一水管的第一端与所述加压水泵相连接，所述第一水管的第二端穿过所述下水力压裂封孔器并伸入到所述上水力压裂封孔器内，在所述第一水管对应所述上水力压裂封孔器的端部构造有出水孔；所述第二水管的第一端与所述加压水泵相连接，所述第二水管的第二端穿过所述下水力压裂封孔器并位于所述下水力压裂封孔器和所述上水力压裂封孔器之间。

其中，所述注浆压裂孔包括注浆孔和水力压裂孔，其中，所述注浆孔与所述水力压裂孔的中心线相重合。

根据本发明的第二方面，还提供一种煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压方法，包括：在巷道上方的顶板裂隙发育区进行钻注浆孔；对注浆孔靠近巷道的端部进行封堵并向所述注浆孔内进行注浆；待裂隙发育区内的破碎围岩间注满浆液并粘结为一体后，在巷道上方的顶板对应所述注浆孔的部位进行钻水力压裂孔；沿水力压裂孔的轴向对水力压裂孔进行压裂以形成切断巷道上方的顶板的裂缝。

其中，所述注浆孔的深度与裂隙发育区中的破碎围岩的裂隙发育深度相适配。

(三)有益效果

本发明提供的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置，与现有技术相比，具有如下优点：

本申请通过先构造注浆压裂孔，通过该注浆压裂孔向巷道上方的顶板的裂隙发育区注入浆液，以使得裂隙发育区中的破碎围岩粘接为一体，沿该注浆压裂孔的轴向进行压裂，以形成能切断该顶板的裂缝。可见，本申请通过采用先注浆加固巷道的上方的裂隙发育区内的破碎围岩，然后通过注浆压裂孔继续施工压裂，克服了传统水力压裂顶板装置在压裂顶板岩层时压裂钻孔大规模坍塌的缺陷。本申请可大幅提高水力压裂钻孔的稳定度，使水力预制裂缝成功率大幅增加。这样，即保证了切顶卸压效果，又大幅降低了补打钻孔的投入。

附图说明

图1为现有技术中的高应力作用下回采巷道变形破坏示意图；

图2为现有技术中的顶板预制裂缝后回采巷道变形降低示意图；

图3为现有技术中的裂隙发育区水力压裂钻孔坍塌示意图；

图4为本发明的实施例的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置进行注浆的结构示意图；

图5为本发明的实施例的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置进行水力压裂并形成裂缝的结构示意图；

图6为本发明的实施例的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压方法的步骤流程示意图。

附图标记：

1：钻孔结构；200：巷道；201：顶壁；202：顶板；20：注浆压裂孔；20a：注浆孔；20b：水力压裂孔；2：注浆结构；21：注浆泵；22：注浆管；221：第一段注浆管；222：第二段注浆管；23：注浆钻孔封堵器；203：破碎围岩；3：水力压裂卸压结构；31：加压水泵；32：水管组；321：第一水管；322：第二水管；33：上水力压裂封孔器；34：下水力压裂封孔器；4：裂缝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述图1至图3均为现有技术中的附图，该部分附图以及图示内容均已经在本发明的背景技术中有相应的描述，为避免赘述此处不做详述。

如图4至图5所示，图中示意性地显示了该煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置包括钻孔结构1、注浆结构2以及水力压裂卸压结构3。

在本申请的实施例中，钻孔结构1用于从巷道200的顶壁201朝巷道200上方的顶板202斜向打孔以形成注浆压裂孔20。

注浆结构2设置在巷道200内并通过该注浆压裂孔20向巷道200上方的顶板202的裂隙发育区注入浆液，以使得裂隙发育区中的破碎围岩203粘接为一体。

水力压裂卸压结构3设置在该巷道200内并能伸入到该注浆压裂孔20内，沿该注浆压裂孔20的轴向进行压裂，以形成能切断该顶板202的裂缝4。具体地，本申请通过先构造注浆压裂孔20，通过该注浆压裂孔20向巷道200上方的顶板202的裂隙发育区注入浆液，以使得裂隙发育区中的破碎围岩203粘接为一体，沿该注浆压裂孔20的轴向进行压裂，以形成能切断该顶板202的裂缝4。可见，本申请通过采用先注浆加固巷道200的上方的裂隙发育区内的破碎围岩203，然后通过注浆压裂孔20继续施工压裂，克服了传统水力压裂顶板装置在压裂顶板岩层时压裂钻孔大规模坍塌的缺陷。本申请可大幅提高水力压裂钻孔的稳定度，使水力预制裂缝成功率大幅增加。这样，即保证了切顶卸压效果，又大幅降低了补打钻孔的投入。

在本申请的一个实施例中，该钻孔结构1可为围岩钻孔机或其它具有钻孔功能的结构。

在本申请的一个实施例中，该注浆结构2包括设置在该巷道200内的注浆泵21和与该注浆泵21相连接并能伸入到该注浆压裂孔20内的注浆管22。其中，在注浆泵21提供的动力作用下，通过该注浆管22经该注浆压裂孔20向裂隙发育区内的破碎围岩203中注入浆液，浆液注满裂隙发育区内的破碎围岩203之间的间隙后，会使得裂隙发育区内的破碎围岩203粘接为一体。

在本申请的一个优选的实施例中，该注浆结构2还包括设置在该注浆压裂孔20内并靠近该巷道200的端部的注浆钻孔封堵器23。具体地，该注浆钻孔封堵器23设置的目的在于，可以有效地将注浆压裂孔20靠近巷道200的端部进行封堵，避免在向该注浆压裂孔20内注入浆液时，在液体的重力作用下，使得浆液流淌到巷道200内，进一步地，避免浆液封堵巷道200。

如图4所示，在本申请的一个优选的实施例中，该注浆管22包括与该注浆泵21的出口相连接的第一段注浆管221和与该第一段注浆管221对接连通并能伸入到该注浆压裂孔20内的第二段注浆管222，其中，该第二段注浆管222穿过该注浆钻孔封堵器23。具体地，该第一段注浆管221设置在巷道200内并位于该注浆压裂孔20的外部，该第二段注浆管222设置在该注浆压裂孔20内，待注浆完成后，该第二段注浆管222与第一段注浆管221相互分离，该第二段注浆管222伴随浆液埋设在该注浆压裂孔20内。

需要说明的是，为确保该第一段注浆管221与第二段注浆管222相连接部位的密封性，则该第二段注浆管222靠近该第一段注浆管221的端部可插入到该第一段注浆管221的内部一定长度，这样，就可以避免浆液发生泄露的情况。

在本申请的一个实施例中，该注浆钻孔封堵器23类似为中空的胶塞，其整体呈楔形嵌设在该注浆压裂孔20内，以起到防止浆液泄露的作用。

如图5所示，在本申请的一个实施例中，该水力压裂卸压结构3包括设置在该巷道200内的加压水泵31以及与该加压水泵31相连接并能伸入到该注浆压裂孔20内的水管组32。具体地，在加压水泵31的作用下，为水管组32内的水提供流动的动力，以使得水管组32内带有一定压力的水可以顺利地流入到该注浆压裂孔20内，以完成对该注浆压裂孔20的压裂，从而在巷道200的上方的顶板上产生能切断该顶板202的裂缝4。

如图5所示，在本申请的一个实施例中，该水力压裂卸压结构3还包括设置在该注浆压裂孔20内的上水力压裂封孔器33和下水力压裂封孔器34，其中，该上水力压裂封孔器33与该下水力压裂封孔器34沿该注浆压裂孔20的轴向呈间隔式设置。具体地，注浆完成后，待裂隙发育区内的破碎围岩203间的缝隙被注满浆液后，待裂隙发育区内的破碎围岩203粘接为一体后，可对注浆压裂孔20进行压裂，压裂前，需要借助该上水力压裂封孔器33和下水力压裂封孔器34来事先将注浆压裂孔20远离巷道200的部位进行封堵，然后向封堵段内进行注水，从而实现压裂。然后，再逐渐朝靠近巷道200的方向移动上水力压裂封孔器33和下水力压裂封孔器34，以在合适的位置再次进行压裂，依次重复，直至实现对该注浆压裂孔20靠近巷道200的端部进行压裂完成后，停止压裂。

可以理解的是，为实现压裂，则需要在注浆压裂孔20的孔壁上构造有多个小孔，以便在内部水压的作用下，实现对注浆压裂孔20上的待压裂部位的压裂。

如图5所示，在本申请的一个优选的实施例中，该水管组32包括设置在该注浆压裂孔20内并呈间隔式设置的第一水管321和第二水管322，其中，该第一水管321的第一端与该加压水泵31相连接，该第一水管321的第二端穿过该下水力压裂封孔器34并伸入到该上水力压裂封孔器33内，在该第一水管321对应所述上水力压裂封孔器33的端部构造有出水孔。

该第二水管322的第一端与该加压水泵31相连接，该第二水管322的第二端穿过该下水力压裂封孔器34并位于该下水力压裂封孔器34和该上水力压裂封孔器33之间。具体地，在该第一水管321对应上水力压裂封孔器33的端部构造有出水孔(图中未示出)。水在一定压力的作用下，会经该出水孔喷到该上水力压裂封孔器33的内部，从而在水压的作用下，使得该上水力压裂封孔器33沿径向发生膨胀，从而达到封堵该注浆压裂孔20的目的。

需要说明的是，该加压水泵31可提供不低于30MPa(兆帕)的高压水，所需供电电压为660/1140V(伏特)与井下供电高压保持一致。

该出水孔的数量可以为多个并沿该第一水管321对应该上水力压裂封孔器33的端部的周向呈间隔式设置。

通过使得该第二水管322位于该上水力压裂封孔器33和下水力压裂封孔器34之间的端部连续出水，随着水压的积聚，可以实现对该注浆压裂孔20的压裂。

在本申请的一个实施例中，该注浆压裂孔20包括注浆孔20a和水力压裂孔20b，其中，该注浆孔20a与该水力压裂孔20b的中心线相重合。具体地，注浆完成后，注浆孔20a会被封堵，当需要进行水力压裂时，则可以在该注浆孔20a的位置再次钻水力压裂孔20b，这样，可以大大降低钻孔的工程量，减少施工工序、提高钻孔效率。

如图6所示，根据本发明的第二方面，还提供一种煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压方法，包括：

步骤S1，在巷道200上方的顶板202裂隙发育区进行钻注浆孔20a。

步骤S2，对注浆孔20a靠近巷道200的端部进行封堵并向该注浆孔20a内进行注浆。具体地，将混合浆料倒入到注浆泵21内并对其进行充分搅拌，然后，经该注浆泵21将浆液注入到破碎围岩203的间隙中，直至将破碎围岩203内的所有间隙均注满后，停止注浆操作。

步骤S3，待裂隙发育区内的破碎围岩203间注满浆液并粘结为一体后，在巷道200上方的顶板202对应该注浆孔20a的部位进行钻水力压裂孔20b。其中，该注浆孔20a的中心线与水力压裂孔20b的中心线相重合。

步骤S4，沿水力压裂孔20b的轴向对水力压裂孔20b进行压裂以形成切断巷道200上方的顶板202的裂缝4。其中，待破碎围岩203被注浆加固后，上水力压裂封孔器33和下水力压裂封孔器34将水力压裂孔20b分割出压裂空间，之后启动加压水泵31，将高压水通过第一水管321和第二水管322形成点射，以对孔壁预制上述所述的裂缝4。

需要说明的是，在对水力压裂孔20b进行压裂时，通入高压水的时间不低于30分钟。

重复上述步骤S1至步骤S4，对水力压裂孔20b进行分段压裂，直至沿水力压裂孔20b的轴向全部压裂完成后，停止对水力压裂孔20b的压裂。

在本申请的一个实施例中，该注浆孔20a的深度与裂隙发育区中的破碎围岩203的裂隙发育深度相适配。这样，可以保证注浆的浆液能够在注浆孔20a内进行均匀的扩散。

综上所述，本申请通过先构造注浆压裂孔20，通过该注浆压裂孔20向巷道200上方的顶板202的裂隙发育区注入浆液，以使得裂隙发育区中的破碎围岩203粘接为一体，沿该注浆压裂孔20的轴向进行压裂，以形成能切断该顶板202的裂缝4。可见，本申请通过采用先注浆加固巷道200的上方的裂隙发育区内的破碎围岩203，然后通过注浆压裂孔20继续施工压裂，克服了传统水力压裂顶板装置在压裂顶板岩层时压裂钻孔大规模坍塌的缺陷。本申请可大幅提高水力压裂钻孔的稳定度，使水力预制裂缝成功率大幅增加。这样，即保证了切顶卸压效果，又大幅降低了补打钻孔的投入。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置，其特征在于，包括：

钻孔结构，用于从巷道的顶板朝巷道上方的围岩斜向打孔以形成注浆压裂孔；

注浆结构，设置在巷道内并通过所述注浆压裂孔向巷道上方的顶板裂隙发育区注入浆液，以使得裂隙发育区中的破碎围岩粘接为一体；以及

水力压裂卸压结构，设置在所述巷道内并能伸入到所述注浆压裂孔内，沿所述注浆压裂孔的轴向进行压裂，以形成能切断所述顶板岩层的裂缝。

2.根据权利要求1所述的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置，其特征在于，所述注浆结构包括设置在所述巷道内的注浆泵和与所述注浆泵相连接并能伸入到所述注浆压裂孔内的注浆管。

3.根据权利要求2所述的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置，其特征在于，所述注浆结构还包括设置在所述注浆压裂孔内并靠近所述巷道的端部的注浆钻孔封堵器。

4.根据权利要求3所述的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置，其特征在于，所述注浆管包括与所述注浆泵的出口相连接的第一段注浆管和与所述第一段注浆管对接连通并能伸入到所述注浆压裂孔内的第二段注浆管，其中，所述第二段注浆管穿过所述注浆钻孔封堵器。

5.根据权利要求1所述的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置，其特征在于，所述水力压裂卸压结构包括设置在所述巷道内的加压水泵以及与所述加压水泵相连接并能伸入到所述注浆压裂孔内的水管组。

6.根据权利要求5所述的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置，其特征在于，所述水力压裂卸压结构还包括设置在所述注浆压裂孔内的上水力压裂封孔器和下水力压裂封孔器，其中，所述上水力压裂封孔器与所述下水力压裂封孔器沿所述注浆压裂孔的轴向呈间隔式设置。

7.根据权利要求6所述的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置，其特征在于，所述水管组包括设置在所述注浆压裂孔内并呈间隔式设置的第一水管和第二水管，其中，所述第一水管的第一端与所述加压水泵相连接，所述第一水管的第二端穿过所述下水力压裂封孔器并伸入到所述上水力压裂封孔器内，在所述第一水管对应所述上水力压裂封孔器的端部构造有出水孔；

所述第二水管的第一端与所述加压水泵相连接，所述第二水管的第二端穿过所述下水力压裂封孔器并位于所述下水力压裂封孔器和所述上水力压裂封孔器之间。

8.根据权利要求1所述的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压装置，其特征在于，所述注浆压裂孔包括注浆孔和水力压裂孔，其中，所述注浆孔与所述水力压裂孔的中心线相重合。

9.一种煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压方法，其特征在于，包括：

在巷道上方的顶板裂隙发育区进行钻注浆孔；

对注浆孔靠近巷道的端部进行封堵并向所述注浆孔内进行注浆；

待裂隙发育区内的破碎围岩间注满浆液并粘结为一体后，在巷道上方的顶板对应所述注浆孔的部位进行钻水力压裂孔；

沿水力压裂孔的轴向对水力压裂孔进行压裂以形成切断巷道上方的顶板的裂缝。

10.根据权利要求9所述的煤矿巷道破碎围岩顶板水力切缝卸压方法，其特征在于，所述注浆孔的深度与裂隙发育区中的破碎围岩的裂隙发育深度相适配。

Images