CN111058819B - 水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿矿山压力与岩层应力控制领域，公开了一种水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，包括根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径，获取水平向钻孔的钻孔个数N₁；根据工作面的走向长度，沿工作面的第一顺槽设置N₂个压裂硐室；从压裂硐室朝向工作面方向在拟压裂岩层施工N₁个水平向钻孔，N₁个水平向钻孔在倾向长度方向均匀分布；从压裂硐室朝向工作面推进方向在拟压裂岩层施工N₁个水平向钻孔，N₁个水平向钻孔在倾向长度方向均匀分布；对水平向钻孔进行压裂作业。采用本发明的方法，可以有效处理弱化深部煤层厚硬滞垮型顶板，减少工作面覆岩破断大能量事件，降低工作面来压强度和顺槽回采期间的动压显现强度。

Description

水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法

技术领域

本发明涉及煤矿矿山压力与岩层应力控制领域，特别是涉及一种水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法。

背景技术

近几年，水力压裂技术在煤矿行业得到了大量的应用，但规模均较小，多是在巷道或切眼中实施压裂作业，受作业空间限制，压裂设备输出压力和流量较油气行业地面压裂设备差距较大，泵站工作压力普遍小于50MPa，流量普遍小于0.4m³/min。

随着矿井开采强度和深度的不断加大，煤矿开采逐渐进入“大采深、高应力、多关键层”的复杂围岩环境，压裂难度急剧增加，灾害现象频发，现有的技术手段无法满足顶板控制要求。例如，国内大采高工作面覆岩破坏高度可达80m以上，顶板的大规模突然垮落，极易造成瓦斯超限和支架压架事故，现有压裂设备很难实现大采高工作面顶板的充分预裂。另外，由于工作面的倾向长度多大于200m，走向长度多大于1000m，小型水力压裂作业很难对顶板进行充分的预裂弱化，需要探索新的顶板控制方法。

发明内容

本发明实施例提供一种水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，用以解决现有的技术手段无法满足工作面上覆坚硬顶板控制要求的问题。

本发明实施例提供一种水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，包括：

根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径，获取水平向钻孔的钻孔个数N₁；

根据所述工作面的走向长度，沿所述工作面的第一顺槽设置N₂个压裂硐室；

从所述压裂硐室朝向所述工作面方向在拟压裂岩层施工N₁个所述水平向钻孔，N₁个所述水平向钻孔在所述倾向长度方向均匀分布；从所述压裂硐室朝向工作面推进方向在所述拟压裂岩层施工N₁个所述水平向钻孔，N₁个所述水平向钻孔在所述倾向长度方向均匀分布；

对所述水平向钻孔进行压裂作业。

其中，所述根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径，获取水平向钻孔的钻孔个数N₁，具体包括：

所述水平向钻孔的钻孔个数N₁由以下公式计算获取：L₁/2R-1≤N₁≤L₁/2R；

其中，L₁为所述倾向长度，R为所述压裂裂缝半径。

其中，所述压裂硐室的个数N₂满足以下条件：

L₂/N₂≤1200m，其中，L₂为所述走向长度。

其中，所述压裂硐室的个数N₂还满足以下条件：

L₂/N₂≥600m。

其中，所述从所述压裂硐室朝向所述工作面方向在拟压裂岩层施工N₁个所述水平向钻孔，N₁个所述水平向钻孔在所述倾向长度方向均匀分布；从所述压裂硐室朝向工作面推进方向在所述拟压裂岩层施工N₁个所述水平向钻孔，N₁个所述水平向钻孔在所述倾向长度方向均匀分布，还包括：

从所述压裂硐室朝向第二顺槽方向施工垂向钻孔，所述第一顺槽和所述第二顺槽之间的间隔距离为所述倾向长度；

所述对所述水平向钻孔进行压裂作业，还包括：对所述垂向钻孔进行压裂作业。

其中，所述根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径，获取水平向钻孔的钻孔个数N₁，之前还包括：

根据所述压裂泵组的流量获取所述压裂裂缝半径。

其中，所述根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径，获取水平向钻孔的钻孔个数N₁，之前还包括：

根据覆岩岩性和已开采工作面微震能量分布规律，获取所述拟压裂岩层的层位信息；

其中，所述层位信息包括所述拟压裂岩层距离所述工作面的垂直距离和岩层厚度。

其中，所述水平向钻孔包括依次连接的近孔口、过渡段和水平段；

所述过渡段用于爬坡和转向，所述过渡段的长度范围为120～200m；

所述水平段位于所述拟压裂岩层，沿所述工作面推进方向设置；

在工作面方向，所述水平段与所述第一顺槽的距离大于等于所述压裂裂缝半径，所述水平段与第二顺槽的距离大于等于所述压裂裂缝半径，当N₁≥2时，相邻两个所述水平段的间距为所述压裂裂缝半径的2倍。

其中，所述对所述水平向钻孔进行压裂作业，具体包括：

采用分段压裂工具串和所述压裂泵组对工作面上覆坚硬顶板进行分段压力作业，所述分段压裂工具串包括压裂管柱和封隔总成；作业方式为后退式压裂作业，单孔分段数不少于15，分段距离不大于25m。

其中，所述对所述水平向钻孔进行压裂作业，之后还包括：

基于声-光-波-力多元多参量信号的收集、反演，对压裂区域顶板活动规律、裂隙扩展程度和应力调整程度进行监测。

本发明实施例提供的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，在工作面任一顺槽开掘压裂硐室，用于放置定向岩层钻机并进行压裂施工作业；从压裂硐室朝向工作面方向和工作面推进方向利用定向岩层钻机钻取多个水平向钻孔，以通过水力压裂作业对工作面上覆坚硬顶板进行充分的预裂弱化。水平向钻孔的转孔个数根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径确定。采用本发明实施例提供的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，可以有效处理弱化深部煤层厚硬滞垮型顶板，减少工作面覆岩破断大能量事件，降低工作面来压强度和顺槽回采期间的动压显现强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法压裂硐室及压裂钻孔布置示意图；

图中：1、工作面；2、倾向长度；3、走向长度；4、水平向钻孔；5、垂向钻孔；6、压裂泵组；7、压裂硐室；8、工作面推进方向。

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。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例提供了一种水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，包括：

步骤210：根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径，获取水平向钻孔的钻孔个数N₁；

步骤220：根据工作面的走向长度，沿工作面的第一顺槽设置N₂个压裂硐室；

步骤230：从压裂硐室朝向工作面方向在拟压裂岩层施工N₁个水平向钻孔，N₁个水平向钻孔在倾向长度方向均匀分布；从压裂硐室朝向工作面推进方向在拟压裂岩层施工N₁个水平向钻孔，N₁个水平向钻孔在倾向长度方向均匀分布；

步骤240：对水平向钻孔进行压裂作业。

本发明实施例提供的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，在工作面任一顺槽开掘压裂硐室，用于放置定向岩层钻机并进行压裂施工作业；从压裂硐室朝向工作面方向和工作面推进方向利用定向岩层钻机钻取多个水平向钻孔，以通过水力压裂作业对工作面上覆坚硬顶板进行充分的预裂弱化。水平向钻孔的转孔个数根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径确定。采用本发明实施例提供的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，可以有效处理弱化深部煤层厚硬滞垮型顶板，减少工作面覆岩破断大能量事件，降低工作面来压强度和顺槽回采期间的动压显现强度。

基于上述实施例，该方法中，步骤210具体包括：

水平向钻孔的钻孔个数N₁由以下公式计算获取：L₁/2R-1≤N₁≤L₁/2R；其中，L₁为倾向长度，R为压裂裂缝半径。

本发明实施例提供的方法，能够将钻孔的效能充分发挥，在保证压裂效果的前提下，尽量控制水平向钻孔的钻孔个数，减少不必要的重复钻孔。

基于上述任一实施例，该方法中，压裂硐室的个数N₂满足以下条件：L₂/N₂≤1200m，其中，L₂为走向长度。

通过限定压裂硐室的最低个数，保证从每一个压裂硐室施工钻取的水平向钻孔不必过长，降低压裂作业的要求和难度。本发明实施例提供的方法，在1200m的走向长度上，至少应设置一个压裂硐室，即压裂硐室在走向长度上的最大作用距离1200m。当在1200m的走向长度上设置一个压裂硐室时，将此压裂硐室设置于1200m的中间位置，则从压裂硐室相两侧钻取的水平向钻孔在走向长度方向的作用范围为600m。

进一步地，基于上述实施例，该方法中，压裂硐室的个数N₂还满足以下条件：L₂/N₂≥600m。

通过限定设置压裂硐室的最大个数，以减少压裂硐室的不必要开挖。需要指出，当走向长度L₂不足600m时，由于走向长度较短，水平向钻孔施工方便，可以设置一个压裂硐室，也可以无需设置压裂硐室。

基于上述任一实施例，该方法中，步骤S230还包括：从压裂硐室朝向第二顺槽方向施工垂向钻孔，第一顺槽和第二顺槽之间的间隔距离为倾向长度；步骤S240还包括：对垂向钻孔进行压裂作业。

本发明实施例提供的方法，通过设置垂向钻孔，增大水力压裂覆盖区域，使压裂钻孔布置满足压裂弱化区域覆盖工作面90％以上顶板，以对拟压裂岩层进行更为充分的预裂弱化。

基于上述任一实施例，该方法中，步骤S210之前还包括：根据压裂泵组的流量获取压裂裂缝半径。

基于上述任一实施例，该方法中，步骤S210之前还包括：根据覆岩岩性和已开采工作面微震能量分布规律，获取拟压裂岩层的层位信息；其中，层位信息包括拟压裂岩层距离工作面的垂直距离和岩层厚度。

基于上述任一实施例，该方法中，水平向钻孔包括依次连接的近孔口、过渡段和水平段。过渡段用于爬坡和转向，过渡段的长度范围为120～200m；在钻孔时，定向岩层钻机从压裂硐室向拟压裂岩层钻动，在过渡段完成水平方向的方向转向调整和高度方向的爬坡。水平段位于拟压裂岩层，沿工作面推进方向设置；在工作面方向，水平段与第一顺槽的距离大于等于压裂裂缝半径，水平段与第二顺槽的距离大于等于压裂裂缝半径；当N₁＝1时，水平段可以设置在中部，与工作面两侧的第一顺槽和第二顺槽距离相等。当N₁≥2时，相邻两个水平段的间距为压裂裂缝半径的2倍。

基于上述任一实施例，该方法中，步骤S240具体包括：采用分段压裂工具串和压裂泵组对工作面上覆坚硬顶板进行分段压力作业，分段压裂工具串包括压裂管柱和封隔总成；作业方式为后退式压裂作业，单孔分段数不少于15，分段距离不大于25m。

基于上述任一实施例，该方法中，步骤S240之后还压裂效果监测。具体包括：基于声-光-波-力多元多参量信号的收集、反演，对压裂区域顶板活动规律、裂隙扩展程度和应力调整程度进行监测。

如图1所示，在本发明提供的一个具体实施例中，工作面1的倾向长度2为250m、走向长度3为2000m，拟压裂岩层为煤层上方35m岩层，煤层厚度5m，详细施工包括以下步骤：

S1、钻孔设计：根据压裂泵组6的1.5m³/min流量计算，压裂裂缝半径为35m左右，设计工作面1倾向方向上采用三个水平向钻孔4，相邻孔间距为70m，外侧水平向钻孔4距相邻顺槽距离为55m，一个压裂硐室7内可施工双向六个水平向钻孔4，设计水平向钻孔4的水平段约为500m。同时，施工一个朝向另一侧顺槽的垂向钻孔5，孔深约250m，位于你压裂岩层的水平方向段约200m。钻孔的朝向考虑压裂岩层原位地应力方向，应与最大和最小主应力方向耦合布置，以利于水平裂缝的延伸扩展。

S2、压裂硐室7设计：压裂硐室7尺寸为长宽高＝10m×4.5m×3.5m，设置两个压裂硐室7，沿工作面推进方向8，第一个压裂硐室7距工作面1为500m，第二个压裂硐室7距工作面1为1500m。

S3、定向压裂钻孔施工：

S301：将岩层专用定向钻机布置在压裂硐室7内，以避免对顺槽内运输和作业造成影响。根据顺时针方向，按序施工包括水平向钻孔4和垂向钻孔5在内的压裂钻孔，选择合适的转向角度，控制过渡段爬坡和转向长度在120-200m范围内。

S302：压裂钻孔采用裸孔布置，在近孔口50m范围内下放PVC套管并注浆固管，孔径为120mm。

S303：每施工完一个压裂钻孔后，立即进行压裂作业。

S4、长孔规模压裂作业施工：

S401：将专用的长孔压裂工具串由钻机送入孔底，工具串包括钻杆式管柱和连续拖动压裂工具，拖动压裂工具包括安全接手、扶正装置、可选压力开启阀、水力喷砂射孔短节、封隔器锚定总成、定向阀和导向丝堵。长孔压裂工具串可实现定压开启、加砂射孔和后退式分段大流量压裂。

S402：工具串送入指定位置后，开启加砂泵，实施水平定向射孔作业，射孔作业不低于15min，压力不低于50MPa；射孔作业后，开启大流量的压裂泵组6，坐封封隔器，而后以1.5m³/min的流量进行注入压裂作业(最大压力70MPa)，压裂液为清洁压裂液，剪切粘度无下降时间大于2小时。

S403：单孔分段数不少于15段，分段距离不大于25m。

S5、压裂效果监测：

S501：基于声-光-波-力多元多参量信号的收集、反演，采用高精度仪器系统，实现对超长孔水力压裂效果从压裂阶段开始直至回采阶段的全过程耦合一体化监测。

S502：分别针对压裂区域顶板活动规律、裂隙扩展程度和应力调整程度三部分进行监测。

由以上实施例可以看出，本发明提供的水力压裂治理工作面1上覆坚硬顶板的方法，在工作面1任一顺槽开掘压裂硐室7，用于放置定向岩层钻机并进行压裂施工作业；从压裂硐室7朝向工作面1方向和工作面推进方向8利用定向岩层钻机钻取多个水平向钻孔4，以通过水力压裂作业对工作面1上覆坚硬顶板进行充分的预裂弱化。水平向钻孔4的转孔个数根据工作面1的倾向长度2和压裂泵组6的压裂裂缝半径确定。采用本发明实施例提供的水力压裂治理工作面1上覆坚硬顶板的方法，可以有效处理弱化深部煤层厚硬滞垮型顶板，减少工作面1覆岩破断大能量事件，降低工作面1来压强度和顺槽回采期间的动压显现强度。

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 (9)

1.一种水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，其特征在于，包括：

根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径，获取水平向钻孔的钻孔个数N₁；

根据所述工作面的走向长度，沿所述工作面的第一顺槽设置N₂个压裂硐室；

从所述压裂硐室朝向所述工作面方向在拟压裂岩层施工N₁个所述水平向钻孔，N₁个所述水平向钻孔在所述倾向长度方向均匀分布；从所述压裂硐室朝向工作面推进方向在所述拟压裂岩层施工N₁个所述水平向钻孔，N₁个所述水平向钻孔在所述倾向长度方向均匀分布；

从所述压裂硐室朝向第二顺槽方向施工垂向钻孔，所述第一顺槽和所述第二顺槽之间的间隔距离为所述倾向长度；

对所述水平向钻孔进行压裂作业，对所述垂向钻孔进行压裂作业；

根据顺时针方向，按序施工包括所述水平向钻孔和所述垂向钻孔在内的压裂钻孔；每施工完一个压裂钻孔后，立即进行压裂作业。

2.根据权利要求1所述的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，其特征在于，所述根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径，获取水平向钻孔的钻孔个数N₁，具体包括：

所述水平向钻孔的钻孔个数N₁由以下公式计算获取：L₁/2R-1≤N₁≤L₁/2R；

其中，L₁为所述倾向长度，R为所述压裂裂缝半径。

3.根据权利要求1所述的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，其特征在于，所述压裂硐室的个数N₂满足以下条件：

L₂/N₂≤1200m，其中，L₂为所述走向长度。

4.根据权利要求3所述的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，其特征在于，所述压裂硐室的个数N₂还满足以下条件：

L₂/N₂≥600m。

5.根据权利要求1所述的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，其特征在于，所述根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径，获取水平向钻孔的钻孔个数N₁，之前还包括：

根据所述压裂泵组的流量获取所述压裂裂缝半径。

6.根据权利要求1所述的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，其特征在于，所述根据工作面的倾向长度和压裂泵组的压裂裂缝半径，获取水平向钻孔的钻孔个数N₁，之前还包括：

根据覆岩岩性和已开采工作面微震能量分布规律，获取所述拟压裂岩层的层位信息；

其中，所述层位信息包括所述拟压裂岩层距离所述工作面的垂直距离和岩层厚度。

7.根据权利要求1所述的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，其特征在于，所述水平向钻孔包括依次连接的近孔口、过渡段和水平段；

所述过渡段用于爬坡和转向，所述过渡段的长度范围为120～200m；

所述水平段位于所述拟压裂岩层，沿所述工作面推进方向设置；

在工作面方向，所述水平段与所述第一顺槽的距离大于等于所述压裂裂缝半径，所述水平段与第二顺槽的距离大于等于所述压裂裂缝半径，当N₁≥2时，相邻两个所述水平段的间距为所述压裂裂缝半径的2倍。

8.根据权利要求1所述的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，其特征在于，所述对所述水平向钻孔进行压裂作业，具体包括：

采用分段压裂工具串和所述压裂泵组对工作面上覆坚硬顶板进行分段压力作业，所述分段压裂工具串包括压裂管柱和封隔总成；作业方式为后退式压裂作业，单孔分段数不少于15，分段距离不大于25m。

9.根据权利要求1所述的水力压裂治理工作面上覆坚硬顶板的方法，其特征在于，所述对所述水平向钻孔进行压裂作业，之后还包括：

基于声-光-波-力多元多参量信号的收集、反演，对压裂区域顶板活动规律、裂隙扩展程度和应力调整程度进行监测。

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