CN111520146A - 基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法 - Google Patents

基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，通过第一、第二、第三三棱槽对高压水的流向进行引导，使得裂缝扩展方向沿着预设方向即放样轮廓线方向进行扩展，克服了现有技术当中裂缝扩展的随意性，而纵向的第一、第二、第三三棱槽引导高压水，使得裂缝扩展方向沿着纵向进行扩展，将两排预裂孔之间的岩体沿纵向方向进行切割。完成注射高压水之后，整个开挖面形成若干小块碎岩，能够轻易地将整个开挖面掏出成型。由于本方法采用的是高压水替代炸药爆破的方式，开挖面较炸药爆破更为光滑平整；避免煤矿岩石巷道掘进过程中存在的瓦斯或者煤尘爆炸，避免使用盾构机等隧道施工设备，降低施工成本和风险。

Description

基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法。
背景技术
煤矿岩石巷道掘进，一般采用钻眼爆破法、风镐法、机械或水力掘进法。由于煤矿岩石巷道受采动影响、地压大、维护困难、服务年限短，所以合理地选择支架形式也很重要。再者，煤层内多含有瓦斯、煤尘，在爆破器材和爆破方法上应慎重选择，以免引起瓦斯或者煤尘爆炸。
水力压裂技术是通过封隔器将钻孔待压裂段封隔起来，并向该孔段注入高压水，当水压超过一定值后，钻孔壁将发生开裂，孔壁发生初始开裂时所需水压可通过理论计算确定(参照文献：蔡美峰，2013.岩石力学与工程.北京：科学出版社，126-130.),钻孔壁发生初始开裂时水压为Pi＝3σmin-σmax+T式中σmin为垂直于钻孔平面内的最小主应力、σmax为垂直钻孔平面内的最大主应力、T为岩石抗拉强度。当钻孔方向为一个主应力方向时，基于岩石为连续、均质和各项同性的假设，初始开裂发生在钻孔壁切向最小的部位、平行于最大主应力方向，但如果孔壁有预制裂纹时，那么初始裂纹会沿着预制裂纹方向发生扩展。
有鉴于此，亟待设计出基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，将水力压裂技术同煤矿岩石巷道掘进结合起来，通过高压水替代装药爆破，可以避免煤矿岩石巷道掘进过程中存在的瓦斯或者煤尘爆炸，同时利用水力压裂技术可以达到致裂面光滑平整，从而替代光面爆破的巷道爆破方法。另一方面取缔了钻爆法中使用到的大型机械设备，避免使用隧道掘进机等隧道施工设备，降低施工成本和风险。
发明内容
为了解决以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，将水力压裂技术同煤矿岩石巷道掘进结合起来，通过高压水替代装药爆破，可以避免煤矿岩石巷道掘进过程中存在的瓦斯或者煤尘爆炸，同时利用水力压裂技术可以达到致裂面光滑平整，从而替代光面爆破的巷道爆破方法。另一方面取缔了钻爆法中使用到的大型机械设备，避免使用隧道掘进机等隧道施工设备，降低施工成本和风险。
为了实现上述目标，本发明的技术方案为：基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据地层条件选择质地均匀处放样洞脸轮廓线；
S2，根据地层条件选择岩石结构密度较大、孔隙度小的位置钻设第一预裂孔，以及确定压裂顺序；
S3，根据S2的钻孔位置逐次进行钻孔作业，直至完成所有第一预裂孔的钻设工作；
S4，在第一预裂孔孔口处外径端开设若干第一三棱槽，第一三棱槽截面为三角形，第一三棱槽的三角形截面角沿着洞脸轮廓线依次延伸，且任两个第一预裂孔之间均有两个第一三棱槽的三角形截面角沿着洞脸轮廓线相对应。
S5，根据S4的第一预裂孔和第一三棱槽排布方式完成整个洞脸上台阶的第一预裂孔钻设作业，其中任意两排第一预裂孔之间采用错孔排布方式，任一第一预裂孔均开设有指向上一排第一预裂孔圆心连线中点处的第三三棱槽；
S6，在洞脸下台阶开设第二预裂孔，第二预裂孔等间排距钻设，第二预裂孔孔口处外径端开设有若干第二三棱槽，第二三棱槽截面为三角形，任意两个第二预裂孔之间，在水平方向和竖直方向均有两个第二三棱槽的三角形截面角在一条直线上相对应；
S7，通过封隔器将第一预裂孔和第二预裂孔压裂段密封；
S8，向待压裂段预裂孔内泵送高压水，随着水压不断增大，第一预裂孔和第二预裂孔孔壁开裂，并且裂纹沿着第一三棱槽和第二三棱槽的三角形截面角处不断扩展；
S9，第一三棱槽和第二三棱槽的三角形截面角处裂纹扩展以至于，预裂孔之间裂纹连通，而第三三棱槽三角形截面角处裂纹扩展至上一排预裂孔裂纹处，此时停止加压，将封隔器从预裂孔中取出；
S10，完成S2至S10之后，洞脸处岩层形成小型块状岩，沿着裂纹凿碎取出；
S11，利用槽钢和钢筋网对掘进段进行支护作业；
S12，在掌子面上循环S2至S11，循环推进。
进一步的，所述第一预裂孔孔口处外径端开设的所述第一三棱槽和所述第三三棱槽均为两组，所述洞脸轮廓线上的所述第一预裂孔孔口处外径端仅开设有指向下一排所述第一预裂孔的第三三棱槽。
进一步的，所述第二预裂孔孔口处外径端开设的所述第二三棱槽在水平方向和竖直方向均为两组，所述洞脸下台阶轮廓线上的第二预裂孔孔口处外径端仅开设有指向所述下台阶中心处的第二三棱槽。
进一步的，位于轮廓线上的所述第一预裂孔起始孔和终止孔均开设于拱脚水平线上并与所述第二预裂孔等间距排布。
进一步的，在所述第一预裂孔和第二预裂孔钻设过程当中，在岩体完整无结构面时，钻孔位置选择在水平应力或竖直应力最小主应力方向线上排布；在岩体中出现软弱结构面时，所述第一预裂孔和第二预裂孔钻孔圆心选择在距离软弱结构较近两侧布置，同时保证所述第一预裂孔和第二预裂孔的基本排布方式不变。
进一步的，S8中泵送高压水采用高压导流管和高压水泵站。
进一步的，所述封隔器固定安装在所述第一预裂孔和第二预裂孔中，所述封隔器将所述第一预裂孔和第二预裂孔内部封闭为密封腔体，同时采用封孔装置将所述第一三棱槽、所述第二三棱槽和所述第三三棱槽密封；所述高压导流管一端与所述封隔器内的所述密封腔体连通，另一端与所述高压水泵站连通，通过所述高压水泵站将高压水泵送到所述密封腔体中。
进一步的，所述封隔器内径与所述第一预裂孔、第二预裂孔内径相等。
进一步的，所述S11中对掘进段支护作业时，于巷道内壁松软破碎处加设锚杆，并灌浆固定，并且位于巷道内加设钢筋网覆盖的钢支架作为支撑，喷射混凝土进行支护。
本发明的有益效果：
本发明提出的基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，将水力压裂技术同煤矿岩石巷道掘进结合起来，通过高压水替代装药爆破，可以避免煤矿岩石巷道掘进过程中存在的瓦斯或者煤尘爆炸，同时利用水力压裂技术可以达到致裂面光滑平整，从而替代光面爆破的巷道爆破方法。另一方面取缔了钻爆法中使用到的大型机械设备，避免使用隧道掘进机等隧道施工设备，降低施工成本和风险。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法预裂孔布置图；
图2为本发明基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法预裂孔和三棱槽布置图；
图3为本发明基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法预裂孔立体示意图；
图中标记：1-洞脸轮廓线，2-第一预裂孔，3-第一三棱槽，4-洞脸上台阶，5-第三三棱槽，6-第二三棱槽，7-洞脸下台阶，8-第二预裂孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参考附图1-3，基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据地层条件选择质地均匀处放样洞脸轮廓线1；
S2，根据地层条件选择岩石结构密度较大、孔隙度小的位置钻设第一预裂孔2，以及确定压裂顺序；
S3，根据S2的钻孔位置逐次进行钻孔作业，直至完成所有第一预裂孔2的钻设工作；
S4，在第一预裂孔2孔口处外径端开设若干第一三棱槽3，第一三棱槽3截面为三角形，第一三棱槽3的三角形截面角沿着洞脸轮廓线1依次延伸，且任两个第一预裂孔2之间均有两个第一三棱槽3的三角形截面角沿着洞脸轮廓线1相对应。
S5，根据S4的第一预裂孔2和第一三棱槽3排布方式完成整个洞脸上台阶的第一预裂孔2钻设作业，其中任意两排第一预裂孔2之间采用错孔排布方式，任一第一预裂孔2均开设有指向上一排第一预裂孔2圆心连线中点处的第三三棱槽5；
S6，在洞脸下台阶7开设第二预裂孔8，第二预裂孔8等间排距钻设，第二预裂孔8孔口处外径端开设有若干第二三棱槽6，第二三棱槽6截面为三角形，任意两个第二预裂孔8之间，在水平方向和竖直方向均有两个第二三棱槽6的三角形截面角在一条直线上相对应；
S7，通过封隔器将第一预裂孔2和第二预裂孔8压裂段密封；
S8，向待压裂段预裂孔内泵送高压水，随着水压不断增大，第一预裂孔2和第二预裂孔8孔壁开裂，并且裂纹沿着第一三棱槽3和第二三棱槽6的三角形截面角处不断扩展；
S9，第一三棱槽3和第二三棱槽6的三角形截面角处裂纹扩展以至于，预裂孔之间裂纹连通，而第三三棱槽5三角形截面角处裂纹扩展至上一排预裂孔裂纹处，此时停止加压，将封隔器从预裂孔中取出；
S10，完成S2至S10之后，洞脸处岩层形成小型块状岩，沿着裂纹凿碎取出；
S11，利用槽钢和钢筋网对掘进段进行支护作业；
S12，在掌子面上循环S2至S11，循环推进。
本实施例中，所述第一预裂孔2孔口处外径端开设的所述第一三棱槽3和所述第三三棱槽5均为两组，所述洞脸轮廓线1上的所述第一预裂孔2孔口处外径端仅开设有指向下一排所述第一预裂孔2的第三三棱槽5。
本实施例中，所述第二预裂孔8孔口处外径端开设的所述第二三棱槽6在水平方向和竖直方向均为两组，所述洞脸下台阶7轮廓线上的第二预裂孔8孔口处外径端仅开设有指向所述下台阶中心处的第二三棱槽6。
本实施例中，位于轮廓线上的所述第一预裂孔2起始孔和终止孔均开设于拱脚水平线上并与所述第二预裂孔8等间距排布。
本实施例中，在所述第一预裂孔2和第二预裂孔8钻设过程当中，在岩体完整无结构面时，钻孔位置选择在水平应力或竖直应力最小主应力方向线上排布；在岩体中出现软弱结构面时，所述第一预裂孔2和第二预裂孔8钻孔圆心选择在距离软弱结构较近两侧布置，同时保证所述第一预裂孔2和第二预裂孔8的基本排布方式不变。
本实施例中，S8中泵送高压水采用高压导流管和高压水泵站。
本实施例中，所述封隔器固定安装在所述第一预裂孔2和第二预裂孔8中，封隔器将所述第一预裂孔2和第二预裂孔8内部封闭为密封腔体，同时采用封孔装置将所述第一三棱槽3、所述第二三棱槽6和所述第三三棱槽5密封；所述高压导流管一端与所述封隔器内的所述密封腔体连通，另一端与所述高压水泵站连通，通过所述高压水泵站将高压水泵送到所述密封腔体中。
本实施例中，所述封隔器内径与所述第一预裂孔2、第二预裂孔8内径相等。
本实施例中，所述S11中对掘进段支护作业时，于巷道内壁松软破碎处加设锚杆，并灌浆固定，并且位于巷道内加设钢筋网覆盖的钢支架作为支撑，喷射混凝土进行支护。
实施例1
采用如图1所示的预裂孔布置图进行钻孔施工，通过第一三棱槽3、第二三棱槽6和第三三棱槽5对高压水的流向进行引导，使得裂缝扩展方向沿着预设方向即放样轮廓线方向进行扩展，克服了现有技术当中裂缝扩展的随意性，而纵向的第一三棱槽3、第二三棱槽6和第三三棱槽5引导高压水，使得裂缝扩展方向沿着纵向预设方向进行扩展，将两排预裂孔之间的岩体沿纵向方向进行切割。完成注射高压水之后，整个开挖面形成若干小块碎岩，满足机械开采条件，能够轻易地将整个开挖面掏出成型，并且由于本方法采用的是高压水替代炸药爆破的方式，整个开挖面由于高压水的切应力，开挖面较炸药爆破的方式更为光滑平整。
根据《GB50511-2010煤矿井巷工程施工规范》在预裂孔钻设过程当中应根据岩性、作业方式等加以确定，通常情况下，短段作业的孔深应为3.5～5m，单行作业或平行作业的孔深可为3.5～4.5m或更深；浅孔多循环作业的孔深应为1.2～2.0m；孔距控制在0.4～0.6m。
根据水力压裂原理，预裂孔内壁近视为二维应力状态，水力压裂所产生的裂缝应沿着最大主应力方向进行扩展，因此在预裂孔布置当中应该选择在水平应力或竖直应力最小主应力方向线上排布，压裂顺序应当设定为从拱脚到拱顶的压裂顺序顺次进行，每个预裂孔的高压水注射时间控制在300s内，压力峰值控制在50Mpa。对此在压裂过程中应当设置相应的压力检测仪器对水压进行实时监控。若遇软弱结构面可适当缩短压裂时间。
完成洞脸开挖之后，应当在开挖面处设置永久支护，采用喷锚支护与钢支架结合的方式，根据《GB50511-2010煤矿井巷工程施工规范》安装锚杆。在安装锚杆时，当围岩为块状或破碎岩石时，锚杆轴线与巷道的轮廓面的夹角应大于75°。当围岩为层状岩石时，锚杆轴线与岩体主结构面或滑移面的夹角应大于75°。锚杆体露出岩面的长度不应大于喷射混凝土的厚度，并且在锚杆孔内用纯水泥砂浆或水泥砂浆对锚固段灌浆支护，并且对围岩进行封水处理。紧接着利用槽钢弯曲制作与开挖面相配合的钢支架进行支撑，并且覆盖钢筋网，再对钢筋网进行喷射混凝土。
完成洞脸开挖及支护后，对掌子面循环S2至S11的方法循序掘进。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据地层条件选择质地均匀处放样洞脸轮廓线；
S2，根据地层条件选择岩石结构密度较大、孔隙度小的位置钻设第一预裂孔，以及确定压裂顺序；
S3，根据S2的钻孔位置逐次进行钻孔作业，直至完成所有第一预裂孔的钻设工作；
S4，在第一预裂孔孔口处外径端开设若干第一三棱槽，第一三棱槽截面为三角形，第一三棱槽的三角形截面角沿着洞脸轮廓线依次延伸，且任两个第一预裂孔之间均有两个第一三棱槽的三角形截面角沿着洞脸轮廓线相对应；
S5，根据S4的第一预裂孔和第一三棱槽排布方式完成整个洞脸上台阶的第一预裂孔钻设作业，其中任意两排第一预裂孔之间采用错孔排布方式，任一第一预裂孔均开设有指向上一排第一预裂孔圆心连线中点处的第三三棱槽；
S6，在洞脸下台阶开设第二预裂孔，第二预裂孔等间排距钻设，第二预裂孔孔口处外径端开设有若干第二三棱槽，第二三棱槽截面为三角形，任意两个第二预裂孔之间，在水平方向和竖直方向均有两个第二三棱槽的三角形截面角在一条直线上相对应；
S7，通过封隔器将第一预裂孔和第二预裂孔压裂段密封；
S8，向待压裂段预裂孔内泵送高压水，随着水压不断增大，第一预裂孔和第二预裂孔孔壁开裂，并且裂纹沿着第一三棱槽和第二三棱槽的三角形截面角处不断扩展；
S9，第一三棱槽和第二三棱槽的三角形截面角处裂纹扩展以至于，预裂孔之间裂纹连通，而第三三棱槽三角形截面角处裂纹扩展至上一排预裂孔裂纹处，此时停止加压，将封隔器从预裂孔中取出；
S10，完成S2至S10之后，洞脸处岩层形成小型块状岩，沿着裂纹凿碎取出；
S11，利用槽钢和钢筋网对掘进段进行支护作业；
S12，在掌子面上循环S2至S11，循环推进。
2.根据权利要求1所述的基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，其特征在于，所述第一预裂孔孔口处外径端开设的所述第一三棱槽和所述第三三棱槽均为两组，所述洞脸轮廓线上的所述第一预裂孔孔口处外径端仅开设有指向下一排所述第一预裂孔的第三三棱槽。
3.根据权利要求1所述的基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，其特征在于，所述第二预裂孔孔口处外径端开设的所述第二三棱槽在水平方向和竖直方向均为两组，所述洞脸下台阶轮廓线上的第二预裂孔孔口处外径端仅开设有指向所述下台阶中心处的第二三棱槽。
4.根据权利要求1所述的基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，其特征在于，位于轮廓线上的所述第一预裂孔起始孔和终止孔均开设于拱脚水平线上并与所述第二预裂孔等间距排布。
5.根据权利要求1所述的基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，其特征在于，在所述第一预裂孔和第二预裂孔钻设过程当中，在岩体完整无结构面时，钻孔位置选择在水平应力或竖直应力最小主应力方向线上排布；在岩体中出现软弱结构面时，所述第一预裂孔和第二预裂孔钻孔圆心选择在距离软弱结构较近两侧布置，同时保证所述第一预裂孔和第二预裂孔的基本排布方式不变。
6.根据权利要求1所述的基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，其特征在于，S8中泵送高压水采用高压导流管和高压水泵站。
7.根据权利要求1或6所述的基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，其特征在于，所述封隔器固定安装在所述第一预裂孔和第二预裂孔中，所述封隔器将所述第一预裂孔和第二预裂孔内部封闭为密封腔体，同时采用封孔装置将所述第一三棱槽、所述第二三棱槽和所述第三三棱槽密封；所述高压导流管一端与所述封隔器内的所述密封腔体连通，另一端与所述高压水泵站连通，通过所述高压水泵站将高压水泵送到所述密封腔体中。
8.根据权利要求7所述的基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，其特征在于，所述封隔器内径与所述第一预裂孔、第二预裂孔内径相等。
9.根据权利要求1所述的基于水力压裂技术的煤矿岩石巷道掘进方法，其特征在于，所述S11中对掘进段支护作业时，于巷道内壁松软破碎处加设锚杆，并灌浆固定，并且位于巷道内加设钢筋网覆盖的钢支架作为支撑，喷射混凝土进行支护。
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