CN111322048A - 一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，包括如下步骤：S10、获取坚硬顶板地应力参数；S20、设计定向长钻孔的布置方式和控向压裂技术的参数；S30、施工定向长钻孔；S40、向定向长钻孔内装设分段控向压裂装置；S50、分段控向压裂施工；S51、形成人工预制控向喷射裂缝；S52、形成压裂裂缝缝网；S53、停泵，排水，封隔器收缩，拖动至下一段压裂位置；S54、重复S51‑S53的步骤，完成整个定向长钻孔压裂施工；本发明提出的坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，精准控制坚硬顶板层位，逐段进行压裂，形成三维裂隙沟通网络，有效对坚硬顶板进行弱化，促使坚硬顶板能适时垮落。

Description

一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术

技术领域

本发明属于煤矿井下安全技术领域，尤其涉及煤层坚硬顶板造成的冲击地压灾害治理技术领域，具体为一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术。

背景技术

据统计，中国有近1/3的煤层为坚硬顶板，且分布广泛。煤层上覆坚硬顶板主要为厚度稳定、强度高、整体性较好且难垮落的岩层，其稳定的力学性质及工作面支护结构导致顶板悬顶面积较大。随着工作面不断推进，当顶板难以支撑时，悬顶突然垮落，使采场形成大面积来压，并在厚硬岩层的大垮落步距的作用下，大幅提高来压强度，进而造成采场中的工作面和两巷的支护结构大面积折损破坏，垮落过程形成的冲击矿压和强烈动载使巷道及围岩变形垮塌，同时造成邻近巷道、运输线路、管线造成严重破坏，形成广泛意义上的冲击地压灾害，极大威胁施工人员的安全，严重制约了煤矿安全高效生产。

目前针对坚硬顶板冲击地压灾害问题治理的方法主要分为被动防护和主动弱化两类方法，被动防护主要采取加大锚杆或锚索支护、特殊材料填充巷道或工作面支撑坚硬顶板岩层来避免坚硬顶板突然冒落，但不能从根本上治理坚硬顶板。主动弱化主要包括预裂爆破法、注水软化法和高压水力压裂法，爆破法可使顶板破断垮落，消除应力集中，但存在工程量大、成本高、火药用量大，危险系数高、爆破产生CO等有毒气体污染井下环境等问题，对于高瓦斯或瓦斯突出矿井，还存在安全隐患。注水软化法施工相对安全，可在井下平行作业，对生产影响小，但对于坚硬砂岩作用很不明显。高压水力压裂法通过在顶板目标岩层中预先形成多条压裂裂隙，使顶板沿裂隙方向强度降低，促使坚硬顶板易于垮落，减小坚硬顶板悬顶长度进而降低来压强度。但现有水力压裂技术对坚硬顶板的治理，人工预制控向喷射裂缝的方向难以控制，裂缝发育规模有限，弱化效果难以保证。且常规钻探施工过程中，钻孔施工精度偏低，易偏离治理目标层位，致使压裂弱化效果差，难以消除或降低坚硬顶板造成的强矿压问题；当钻孔施工精度低造成压裂弱化非目标层位顶板岩层，易造成顶板冒顶或漏顶现象，制约了矿井安全生产。常规压裂治理坚硬顶板技术整体施工工程量大，有效卸压面积小，存在盲点、盲段，难以形成三维有效裂隙网络系统，不能充分释放坚硬岩层和回采动压下能量，从而实现充分卸压放顶。

据此，申请人通过深入研究和设计，结合定向长钻孔轨迹精准控制技术，研究设计出一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，实现工作面回采前坚硬顶板的超前压裂弱化，解除大面积悬顶造成的冲击矿压危险，并克服上述技术缺陷。

发明内容

为克服现有坚硬顶板治理技术存在的问题，实现更为有效的坚硬顶板弱化治理技术，本发明提出一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，以实现精准控制坚硬顶板层位，逐段进行压裂，形成三维裂隙沟通网络，有效对坚硬顶板进行弱化，促使坚硬顶板能适时垮落，从而避免大面积悬顶导致顶板突然垮落，形成的冲击矿压和强烈动载使巷道及围岩变形垮塌。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，包括如下步骤：

S10、获取坚硬顶板地应力参数，地应力参数包括作业区域地质资料和地应力资料；

S20、设计定向长钻孔的布置方式和控向压裂技术的参数，定向长钻孔施工于煤层顶板坚硬难垮岩层中，且平行于工作面长度方向；控向压裂技术的参数包括人工预制控向喷射裂缝的方向、定向长钻孔间距r、压裂影响直径D、钻孔个数m、工作面长度S和工作面宽度L，其中m＝S/(D-1)，r＝L/(m+1)，人工预制控向喷射裂缝的方向为垂直最小主应力方向；

S30、施工定向长钻孔，所述定向长钻孔的轨迹平稳、光滑；

S40、向定向长钻孔内装设分段控向压裂装置，所述分段控向压裂装置包括浮斜、单向阀、封隔器A、高压油管短节A、高压喷射定向造缝器、投球球座、高压节流器、高压油管短节B和封隔器B，使用定向钻进设备将分段控向压裂装置推送至定向长钻孔的设计深度，其中高压压裂液达到设计压力后封隔器A、封隔器B实现完全坐封，即钻孔完全封孔；

S50、分段控向压裂施工，所述分段控向压裂施工包括如下步骤：

S51、高压压裂液通过高压油管短节B送入高压喷射定向造缝器端，通过喷嘴的节流作用，产生高速高压流体，作用于坚硬岩层孔壁，在高速流体喷射作用下，沿垂直最小主应力方向，形成长度为0.8～2m的人工预制控向喷射裂缝；

S52、清水冲洗孔内管路，投入与投球球座尺寸相匹配的低密度球，封堵投球球座前方液路，促使高压喷射定向造缝器停止出水喷射，加大压裂泵泵注流量，泵注压力持续升高，达到设定值后，高压节流器打开，高压压裂液开始作用于封隔器A3、封隔器B9封堵压裂段，，开始进行压裂施工；压裂过程中通过高压压裂泵组数据自动监测和记录系统，进行压裂压力及流量参数的储存，并通过外置电脑系统显示，通过压力和流量变化，判识人工预制控向喷射裂缝变化情况，当达到设定压裂规模后，停止压裂，形成压裂裂缝缝网；

S53、压裂完成后，停泵，排水，封隔器收缩至原始或近原始尺寸，通过钻机拖动至下一段压裂位置，并使低密度球从压裂管柱内排出；

S54、重复S51-S53的步骤，直至完成整个定向长钻孔压裂施工；

S55、通过钻机的抽拉，实现整套压裂装备的回收。

为更好的实现上述方案，进一步限定，在S10中，当地应力资料较少或无相关数据时，采用井下实地测试的方法进行参数获取。

进一步限定，在S20中，定向长钻孔的长度大于600米，在S54步骤中，顶板控向分段压裂的步骤重复至少为7次。

进一步限定，在S30中，结合S10中收集的资料分析获取钻孔区域范围内岩性平、剖面变化及优选钻孔轨迹层位结果。

进一步限定，在S30中，施工定向长钻孔时，利用随钻测量和孔底螺杆马达调整系统精确控制定向长钻孔轨迹于坚硬岩层中。

进一步限定，在S51中，所述高压压裂液中添加有磨料，磨料和高压压裂液形成固液混合物。

进一步限定，在S51中，高速高压流体以小排量的形式输出，小排量的流量为在30m³/h～40m³/h之间。

进一步限定，在S52步骤中，加大压裂泵泵注流量后的流量为在60m³/h～70m³/h之间。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术方法，实现了压裂主裂缝方向的精确控制，降低起裂难度，增大了裂缝延展规模，确保坚硬岩层的有效弱化治理。

2、人工控向成缝后，减小了封隔器承受坐封压力，提高了其使用寿命，降低了施工成本，控制了裂缝初始起裂位置，可实现人工预制控向喷射裂缝的均匀发育，避免了初始起裂裂缝靠近封隔器，导致裂缝跨过封隔器，出现孔内漏水卸压，保证压裂效果。

3、通过随钻测量和孔底马达调整系统，可将钻孔透明、精确控制于目标岩层中，规避钻孔位置偏差造成的压裂能量无效释放及破坏非目标层位影响后期采掘支护，造成压裂效果差或冒顶问题。

4、控向喷射裂缝形成后，通过封堵停止喷射，加大泵注流量，促使高压节流器出水端打开，可实现立体式压裂，促使坚硬岩层形成多级的裂缝网络，充分减弱岩石强度，减小采掘过程中悬顶面积，实现坚硬顶板岩层随垮随落，消除或减弱顶板破断能量，防止冲击地压的发生；

5、本发明的坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术方法，可实现超前采掘活动600m以上进行大于等于8段的顶板控向分段压裂弱化施工，覆盖面广，超前掩护距离大，保证采掘活动的安全有效进行；

6、坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术施工后，可实现工作面或掘进巷道来压强度的大幅降低，围岩变形和破坏程度也相应减小，避免工作面支架压死、飓风、矿震等冲击动力现象，有效治理坚硬顶板造成的冲击地压灾害消除或减小顶板悬顶面积，超前解除工作面回采强矿压危险。同时整个工作面坚硬顶板的有效垮落，降低了临近巷道岩层压力，可实现巷道支护方式简化，巷道返修或工作面起底的避免，生产维护成本的降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例提供一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术中的控向精确造缝施工图。

图2为本发明实施例提供一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术中的第一段压裂施工示意图。

图3为本发明实施例提供一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术中的多段控向压裂效果示意图。

附图标记：

1-浮斜，2-单向阀，3-封隔器A，4-高压油管短节A、高压油管短节B，5-高压喷射定向造缝器，6-投球球座，7-高压节流器，8-高压油管短节B，9-封隔器B，10-控向喷射裂缝，11-压裂裂缝缝网，12-定向长钻孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在对本实施例技术方案描述之前，需要对坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术进行名词解释。

坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，是指以定向钻进装备为基础，通过随钻测量和孔底马达调整系统的钻孔轨迹三维实时数据的反馈和调整，实时超长精确的定向钻孔，精准控制于治理目标层位，采用高压压裂液，利用高压喷射定向造缝器，在坚硬层位沿设定方向形成规模化裂缝，通过投球封堵停止喷射，加大泵注流量，促使高压节流器出水端打开，可实现立体式压裂，实现三维立体规模化缝网，并完成拖动式多段压裂施工，形成三维贯通裂隙，有效弱化煤层坚硬顶板促使坚硬顶板能适时垮落，从而避免大面积悬顶导致顶板突然垮落，形成的冲击矿压和强烈动载使巷道。

参阅图1至图3，本实施例提供一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，包括如下步骤：

S10、获取坚硬顶板地应力参数，地应力参数包括作业区域地质资料和地应力资料；

在S10中，收集作业区域范围内的相关地质地应力测试资料，从平面和剖面展示坚硬岩层分布情况，当地应力资料较少或无相关数据时，采用井下实地测试的方法进行参数获取，井下地应力的测试方法主要有应力解除法和水压致裂法，其中，水压致裂法相对可靠。

S20、设计定向长钻孔12的布置方式和控向压裂技术的参数，定向长钻孔12施工于煤层顶板坚硬难垮岩层中，且平行于工作面长度方向；控向压裂技术的参数包括人工预制控向喷射裂缝10的方向、定向长钻孔12间距r、压裂影响直径D、钻孔个数m、工作面长度S和工作面宽度L，其中m＝S/(D-1)，r＝L/(m+1)，人工预制控向喷射裂缝10的方向为垂直最小主应力方向；

在S20中，利用钻机将定向长钻孔12精准布置煤层顶板坚硬难垮岩层中，且平行于工作面长度方向，定向长钻孔12的设计长度为不少于600m，设计压裂分段8-12段。

S30、施工定向长钻孔12，所述定向长钻孔12的轨迹平稳、光滑，为压裂工具装备提供推送通道；

在S30中，利用超长钻孔定向施工钻机施工收集的资料，结合S10中收集的资料，分析获取钻孔区域范围内岩性平、剖面变化及优选钻孔轨迹层位结果；施工定向长钻孔12时，通过随钻测量系统，获取钻孔三维空间轨迹信息，通过孔底螺杆马达调整钻机工具面角度，精准控制定向长钻孔12位于坚硬顶板层位中。

S40、向定向长钻孔12内装设分段控向压裂装置，所述分段控向压裂装置包括浮斜1、单向阀2、封隔器A3、高压油管短节A4、高压喷射定向造缝器5、投球球座6、高压节流器7、高压油管短节B8和封隔器B9，使用定向钻进设备将分段控向压裂装置推送至定向长钻孔12的设计深度，其中高压压裂液达到设计压力后封隔器A、封隔器B实现完全坐封，即钻孔完全封孔；

在S40中，利用定向钻进将分段控向压裂装置按照浮斜1、单向阀2、封隔器A3、高压油管短节A4、高压喷射定向造缝器5、投球球座6、高压节流器7、高压油管短节B8、封隔器B9的顺序压推送至孔内设计深度。

S50、分段控向压裂施工，所述分段控向压裂施工包括如下步骤：

S51、高压压裂液通过高压油管短节B8送入高压喷射定向造缝器5端，通过喷嘴的节流作用，产生高速高压流体，作用于坚硬岩层孔壁，在高速流体喷射作用下，沿垂直最小主应力方向，形成长度为0.8～2m的人工预制控向喷射裂缝10；

在S51中，高压压裂液中添加有磨料，磨料和高压压裂液形成固液混合物，磨料优选石英砂、刚玉、核桃壳，人工预制控向裂缝10主要通过高压喷射定向造缝器5在高压携带磨料的高压流体作用下对孔壁进行高压高速冲击，其中，高压流体作用方向可通过高压喷射定向造缝器5中喷孔方向进行控制。当携带磨料的高压流体压力超过地层破裂压力时，沿设定方向可快速形成一定规模的人工预制控向裂缝10，规模可达0.8～2m。

在S51中，高速高压流体以小排量的形式输出，小排量的流量为在30m³/h～40m³/h之间。

S52、清水冲洗孔内管路，投入与投球球座6尺寸相匹配的低密度球，封堵投球球座6前方液路，促使高压喷射定向造缝器5停止出水喷射，加大压裂泵泵注流量，泵注压力持续升高，达到设定值后，高压节流器7打开，高压压裂液开始作用于封隔器A3、封隔器B9封堵压裂段，开始进行压裂施工；压裂过程中通过高压压裂泵组数据自动监测和记录系统，进行压裂压力及流量参数的储存，并通过外置电脑系统显示，通过压力和流量变化，判识人工预制控向喷射裂缝10变化情况，当达到设定压裂规模后，停止压裂，形成压裂裂缝缝网11；

在S52步骤中，加大压裂泵泵注流量后的流量为在60m³/h～70m³/h之间。

S53、压裂完成后，停泵，排水，封隔器收缩至原始或近原始尺寸，通过钻机拖动至下一段压裂位置，利用孔口的反洗装置进行孔内反洗，促使低密度球从压裂管柱内排出；

S54、重复S51-S53的步骤，直至完成整个定向长钻孔压裂施工；

具体地，在S54中，继续进行封隔器膨胀坐封和喷射造缝及压裂施工，直至完成整个定向长钻孔压裂施工，形成三维立体规模化网状裂缝缝网。

S55、通过钻机的抽拉，实现整套压裂装备的回收。

1、本发明的坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术方法，实现了压裂主裂缝方向的精确控制，降低起裂难度，增大了裂缝延展规模，确保坚硬岩层的有效弱化治理。

2、人工控向成缝后，减小了封隔器承受坐封压力，提高了其使用寿命，降低了施工成本，控制了裂缝初始起裂位置，可实现人工预制控向喷射裂缝10的均匀发育，避免了初始起裂裂缝靠近封隔器，导致裂缝跨过封隔器，出现孔内漏水卸压，保证压裂效果。

3、通过随钻测量和孔底马达调整系统，可将钻孔透明、精确控制于目标岩层中，规避钻孔位置偏差造成的压裂能量无效释放及破坏非目标层位影响后期采掘支护，造成压裂效果差或冒顶问题。

4、控向喷射裂缝10形成后，通过封堵停止喷射，加大泵注流量，促使高压节流器出水端打开，可实现立体式压裂，促使坚硬岩层形成多级的裂缝网络，充分减弱岩石强度，减小采掘过程中悬顶面积，实现坚硬顶板岩层随垮随落，消除或减弱顶板破断能量，防止冲击地压的发生；

5、本发明的坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术方法，可实现超前采掘活动600m以上进行大于等于8段的顶板控向分段压裂弱化施工，覆盖面广，超前掩护距离大，保证采掘活动的安全有效进行；

6、坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术施工后，可实现工作面或掘进巷道来压强度的大幅降低，围岩变形和破坏程度也相应减小，避免工作面支架压死、飓风、矿震等冲击动力现象，有效治理坚硬顶板造成的冲击地压灾害消除或减小顶板悬顶面积，超前解除工作面回采强矿压危险。同时整个工作面坚硬顶板的有效垮落，降低了临近巷道岩层压力，可实现巷道支护方式简化，巷道返修或工作面起底的避免，生产维护成本的降低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，其特征在于，包括如下步骤：

S10、获取坚硬顶板地应力参数，地应力参数包括作业区域地质资料和地应力资料；

S20、设计定向长钻孔的布置方式和控向压裂技术的参数，定向长钻孔施工于煤层顶板坚硬难垮岩层中，且平行于工作面长度方向；控向压裂技术的参数包括人工预制控向喷射裂缝的方向、定向长钻孔间距r、压裂影响直径D、钻孔个数m、工作面长度S和工作面宽度L，其中m＝S/(D-1)，r＝L/(m+1),人工预制控向喷射裂缝的方向为垂直最小主应力方向；

S30、施工定向长钻孔，所述定向长钻孔的轨迹平稳、光滑；

S40、向定向长钻孔内装设分段控向压裂装置，所述分段控向压裂装置包括浮斜、单向阀、封隔器A、高压油管短节A、高压喷射定向造缝器、投球球座、高压节流器、高压油管短节B和封隔器B，使用定向钻进设备将分段控向压裂装置推送至定向长钻孔的设计深度，其中高压压裂液达到设计压力后封隔器A、封隔器B实现完全坐封，即钻孔完全封孔；

S50、分段控向压裂施工，所述分段控向压裂施工包括如下步骤：

S51、高压压裂液通过高压油管短节B送入高压喷射定向造缝器端，通过喷嘴的节流作用，产生高速高压流体，作用于坚硬岩层孔壁，在高速流体喷射作用下，沿垂直最小主应力方向，形成长度为0.8～2m的人工预制控向喷射裂缝；

S52、清水冲洗孔内管路，投入与投球球座尺寸相匹配的低密度球，封堵投球球座前方液路，促使高压喷射定向造缝器停止出水喷射，加大压裂泵泵注流量，泵注压力持续升高，达到设定值后，高压节流器打开，高压压裂液开始作用于封隔器A3、封隔器B9封堵压裂段；压裂过程中通过高压压裂泵组数据自动监测和记录系统，进行压裂压力及流量参数的储存，并通过外置电脑系统显示，通过压力和流量变化，判识人工预制控向喷射裂缝变化情况，当达到设定压裂规模后，停止压裂，形成压裂裂缝缝网；

S53、压裂完成后，停泵，排水，封隔器收缩至原始或近原始尺寸，通过钻机拖动至下一段压裂位置，并使低密度球从压裂管柱内排出；

S54、重复S51-S53的步骤，直至完成整个定向长钻孔压裂施工；

S55、通过钻机的抽拉，实现整套压裂装备的回收。

2.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，其特征在于：在S10中，当地应力资料较少或无相关数据时，采用井下实地测试的方法进行参数获取。

3.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，其特征在于：在S20中，定向长钻孔的长度大于600米，在S54步骤中，顶板控向分段压裂的步骤重复至少为7次。

4.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，其特征在于：在S30中，结合S10中收集的资料分析获取钻孔区域范围内岩性平、剖面变化及优选钻孔轨迹层位结果。

5.根据权利要求4所述的的一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，其特征在于：在S30中，施工定向长钻孔时，利用随钻测量和孔底螺杆马达调整系统精确控制定向长钻孔轨迹于坚硬岩层中。

6.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，其特征在于：在S51中，所述高压压裂液中添加有磨料，磨料和高压压裂液形成固液混合物。

7.根据权利要求1所述的一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，其特征在于：在S51中，高速高压流体以小排量的形式输出，小排量的流量为在30m³/h～40m³/h之间。

8.根据权利要求7所述的一种坚硬顶板冲击地压分段控向压裂治理技术，其特征在于：在S52步骤中，加大压裂泵泵注流量后的流量为在60m³/h～70m³/h之间。

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