CN111677514B

CN111677514B - 顶板弱化方法

Info

Publication number: CN111677514B
Application number: CN202010373267.0A
Authority: CN
Inventors: 鞠文君; 郑建伟; 郑仰发; 孙晓冬; 褚晓威; 付玉凯; 孙刘伟
Original assignee: Tiandi Science and Technology Co Ltd; CCTEG Coal Mining Research Institute
Current assignee: Tiandi Science and Technology Co Ltd; CCTEG Coal Mining Research Institute
Priority date: 2020-05-06
Filing date: 2020-05-06
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2040-05-06
Also published as: CN111677514A

Abstract

本发明涉及煤矿矿山压力与岩层应力控制技术领域，尤其涉及一种顶板弱化方法，包括收集顶板地质条件；根据收集到的顶板地质条件确定弱化条带的结构参数，所述弱化条带的结构参数包括弱化条带的空间位置、宽度、厚度和弱化系数；在顶板内制出钻孔，并经由所述钻孔采用水力压裂措施在顶板内形成沿巷道轴向的弱化条带。本发明提供的顶板弱化方法通过水力压裂措施来预先处理坚硬顶板，对坚硬顶板进行改性弱化，促进条带弱化内部裂隙的发育，降低其整体的强度，从而维护坚硬顶板下位巷道的安全，防止冲击地压灾害的发生；本发明提供的顶板弱化方法可以有效减少巷道冲击地压灾害的出现。

Description

顶板弱化方法

技术领域

本发明涉及煤矿矿山压力与岩层应力控制技术领域，尤其涉及一种顶板弱化方法。

背景技术

煤矿井工开采过程中，坚硬顶板巷道易发生冲击地压事故，严重威胁着井下人员的人身安全，且会造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。我国目前是世界上遭受冲击地压威胁最严重的国家；据统计，截至2017年，全国冲击地压矿井数量已达到329个，分布于全国20多个省市自治区，冲击地压灾害危害程度高。

导致冲击地压的因素有多种，坚硬顶板的存在是关键因素之一；坚硬顶板是指赋存在煤层上方强度高、厚度大、整体性好的岩层，煤层回采后可以形成大面积悬露而不能及时自行垮落，直到达到其最大的悬露长度。在此过程中坚硬顶板集聚大量的能量，并在下位岩层中产生高度的应力集中，断裂时极易诱发一定范围内的巷道冲击地压事故。由于坚硬顶板会诱发冲击地压事故，因此对坚硬顶板的弱化就成为有效防治冲击地压的重要手段。弱化之后的顶板的强度降低、连续性变弱，可以随着下位煤层回采后而及时自行垮落，由此降低巷道周围岩层的应力集中程度和断裂冲击能量，从而削弱或解除冲击地压的危害。现有技术中对坚硬顶板的弱化措施多是在巷道掘进完成后或回采过程中进行，无法对巷道掘进过程中上方顶板的冲击地压事故进行有效预防。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本发明提供的顶板弱化方法，包括：

收集顶板地质条件；

根据收集到的顶板地质条件确定弱化条带的结构参数，所述弱化条带的结构参数包括弱化条带的空间位置、宽度、厚度和弱化系数；

在顶板内制出钻孔，并经由所述钻孔采用水力压裂措施在顶板内形成沿巷道轴向的弱化条带。

在一个实施例中，所述收集顶板地质条件包括收集巷道围岩的应力信息、收集巷道围岩的结构信息和收集巷道围岩的物源信息。

在一个实施例中，所述顶板弱化方法还包括在所述收集顶板地质条件之前在巷道内布置钻孔应力计、空心包体应力计以及液压支架应力监测设备中的一种或多种。

在一个实施例中，所述收集巷道围岩的结构信息包括：

统计并分析回采工作面的走向来压规律和倾向来压规律；

针对回采工作面的走向来压规律和倾向来压规律对顶板岩层受开采影响而形成的空间进行结构信息获取。

在一个实施例中，所述根据收集到的顶板地质条件确定弱化条带的结构参数还包括根据巷道围岩的应力信息、巷道围岩的结构信息、巷道围岩的物源信息确定弱化条带的致裂角度、距巷道表面深度和致裂孔径。

在一个实施例中，在巷道掘进之前实施所述在顶板内形成沿巷道轴向的弱化条带。

在一个实施例中，在超前回采工作面一定距离处实施所述在顶板内形成沿巷道轴向的弱化条带。

在一个实施例中，所述钻孔沿巷道轴向设置，包括依次连接的近孔口段、过渡段和主体段；所述过渡段用于爬坡和转向；所述主体段由所述过渡段开始向所述巷道倾斜设置。

在一个实施例中，所述水力压裂措施包括采用分段压裂工具串进行后退式分段压裂作业，所述分段压裂工具串包括封隔器和定压开启器。

在一个实施例中，在所述在顶板内形成沿巷道轴向的弱化条带之后还包括压裂效果监测，所述压裂效果监测包括：

借助微震监测技术对比布置弱化条带和未布置弱化条带的巷道在工作面推进过程中大能量事件的发生频次和级别的变化；

对比监测液压支架所反映的压力信息在顶板的弱化条带和未布置弱化条带区的变化，以此推断来压步距、来压强度的变化；

对比监测布置弱化条带和未布置弱化条带的巷道的锚杆、锚索受力的变化。

本发明的有益效果是：本发明提供的顶板弱化方法通过压裂措施来处理坚硬顶板，对一定范围的坚硬顶板进行改性弱化，促进弱化条带内部裂隙的发育，降低顶板整体的强度，从而维护顶板下巷道的安全，防止冲击地压灾害的发生。

附图说明

图1是本发明实施例的弱化条带的立体结构示意图；

图2是巷道及顶板的垂直于工作面推进方向的截面示意图；

图3是巷道的平行于工作面推进方向的截面示意图；

图4是本发明实施例的弱化条带的垂直于工作面推进方向的截面示意图；

图5是本发明实施例的弱化条带的平行于工作面推进方向的截面示意图；

图6是本发明实施例的分段压裂工具串的局部视图；

图7是本发明实施例的显示弱化条带对静载荷的弱化效果示意图；

图8是本发明实施例的显示弱化条带对动载荷的偏转效果示意图；

图9是本发明实施例的显示弱化条带对冲击能量源的偏转效果示意图；

附图标记说明：1、弱化条带；2、待弱化顶板；3、下位顶板；4、巷道；5、回采工作面；6、煤柱；7、围岩；8、锚杆、9、冲击能量源；10、弱偏转区；11、强偏转区；12、无偏转区；13、高应力区；14、中应力区；15、低应力区；16、分段压裂工具串；161、封隔器；162、定压开启器；17、弱化条带分界面；18、压裂泵；19、水箱；20、变频器；21、控制台；a、巷道的宽度；b、巷道的高度；c、巷道支护范围的高度；d、弱化条带和支护外边界的距离；e、弱化条带的高度；f、弱化条带的宽度；θ₁、弱化条带左边端部与巷道中心连线与水平线的夹角；θ₂、弱化条带右边端部与巷道中心连线与水平线的夹角。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，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实施例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。

为降低常规非综放开采工作面巷道的冲击地压灾害的危险性，提出一种针对巷道上方的顶板弱化方法，以保障具有冲击倾向性的巷道在开采期间的安全性。

本发明提供的巷道上方的顶板弱化方法，包括：

步骤一、收集顶板(包括煤层顶板、巷道顶板)周围的地质条件和生产技术条件，测试地质力学参数；该步骤的目的是为了确定需要被弱化的顶板的位置；特别是有两层及以上的坚硬顶板时。

步骤二、根据在步骤一中收集的顶板周围的地质条件确定弱化条带1的结构参数，弱化条带1的结构参数包括弱化条带1的空间位置、宽度、厚度和弱化系数。

步骤三、使用定向岩层钻机等设备在顶板中制出钻孔；经由钻孔，采用水力压裂措施在顶板内形成沿巷道4的轴向的弱化条带1。弱化条带1的结构参见图1至图3，图中还显示了待弱化顶板2、下位顶板3及煤柱6等以便说明弱化条带1的位置，图3中的箭头表示工作面推进方向。

本发明提供的顶板弱化方法通过压裂措施来处理顶板，对待弱化顶板2进行改性弱化，促进弱化条带1内部裂隙的发育，降低顶板整体的强度，从而维护顶板下巷道4的安全，防止冲击地压灾害的发生。具体有以下几点：

(1)本发明提供的顶板弱化方法可以超前于巷道4应力集中范围对巷道4上方的顶板支护体外一定区域采取致裂措施形成弱化条带1，可以预先破坏掉巷道4上方的顶板深部围岩7岩层的连续性，降低岩层的整体性，使其强度劣化，即可以降低后续开采过程中应力集中程度；

(2)本发明提供的顶板弱化方法可以降低后续开采过程中的静载荷等级，也可以说是降低了冲击地压发生的基础载荷，等同于提高冲击地压发生的动载阈值；

(3)本发明提供的顶板弱化方法可以改变巷道4上方的顶板岩层的局部刚度，降低顶板的强度，从而改变巷道4冲击地压发生的夹持效应，降低冲击地压的发生；

(4)本发明提供的顶板弱化方法实施之后对于巷道4一定范围的工程应力已经造成一定的影响，从而可以降低巷道4所承受的静载荷的大小和改变静载荷传递作用的方向；

(5)本发明提供的顶板弱化方法可以在降低应力集中程度的等级的同时有利于维护巷道4的围岩支护系统，使其整体处于相对较低的受力环境，保持其完整性，便于支护系统发挥完整的支护能力；

(6)本发明提供的顶板弱化方法在巷道4的顶板局部形成了弱化条带1，当来自于上方的致灾应力波携带能量穿越弱化区时会发生一定的耗散，降低致灾能量的等级；

(7)在巷道4的坚硬顶板采用条带弱化法形成弱化条带1，该弱化条带1在矿山压力和时间的作用下可以有一定程度的增长，增加了有效防护的范围，从一定程度上起到了利用矿压的作用，实现了变害为利；

(8)在巷道4坚硬顶板采用条带弱化法，在矿压的作用下可以实现采场端部的有效可控垮落，从一定程度上再次起到了利用矿压的作用，从而有效改变巷道4的覆岩空间结构，相应地可以改善巷道4整体的应力环境；

(9)弱化条带1对上层坚硬顶板传来的能量起到缓冲作用；当弱化条带1的下层顶板垮落时，弱化条带1还能实现一起垮落；

(10)由于在顶板内形成沿巷道4的轴向的钻孔，本发明提供的顶板弱化方法操作简单、费时少，不需要多次搬移钻机、接管、连接电缆，从而劳动强度低、安全性可靠、费用低；钻孔的利用率高，且更具有针对性；通过合理地确定弱化带的参数，可以避免过度压裂；

(11)由于弱化条带1与巷道走向平行，可以实现先裂后注，在时间的作用下实现水+力+岩的耦合作用，可以长期地起到弱化作用，防治效果更好。

在一个实施例中，步骤一的收集巷道4地质条件包括收集巷道4的围岩7的应力信息(采动应力、原岩应力)、结构信息(覆岩空间形态)、物源信息(围岩真实力学行为)；对工作面回采过程中预计出现的集中应力的来源进行分析。

该方法还可以包括在步骤一之前在巷道4内布置应力监测设备，具体包括：

设置地应力测量站，以便收集巷道4周边所处的应力状态；

在巷道4内布置如钻孔应力计、空心包体应力计以及液压支架应力监测设备中的一种或多种，以便收集巷道4受采动影响而得到的围岩7应力信息、回采工作面5的周期来压信息。

步骤一还可以包括统计并分析回采工作面5的走向来压规律和倾向来压规律；针对回采工作面5的走向来压规律和倾向来压规律对巷道4上方的顶板岩层受开采影响而形成的空间进行结构信息获取；对巷道4周边的围岩7的岩性及其力学参数进行收集或者获取。优选地，可以对巷道4周边的10倍半径的围岩7的岩性及其力学参数进行收集。

在一个实施例中，步骤二还包括根据巷道4的围岩7的应力信息、结构信息、物源信息确定弱化条带1的致裂角度、距巷道4表面深度和致裂孔径。

如图4所示，可以根据巷道的宽度a、巷道的高度b、巷道支护范围的高度c等巷道4的围岩7的结构信息，确定弱化条带1和支护外边界的距离d弱化条带的高度e、弱化条带的宽度f、弱化条带左边端部与巷道中心连线与水平线的夹角θ₁和弱化条带右边端部与巷道中心连线与水平线的夹角θ₂。

在一个实施例中，步骤三在巷道4掘进之前实施。如此，可以较好地维护坚硬顶板下方巷道4的掘进和回采过程。

或者，在一个实施例中，步骤三在超前回采工作面5一定距离处实施。

在一个实施例中，在步骤三中，钻孔沿巷道4轴向设置，包括依次连接的近孔口段、过渡段和主体段；过渡段用于爬坡和转向；主体段位于顶板内的拟压裂岩层，并由过渡段开始向巷道4倾斜设置。具体地，过渡段用于爬坡和转向，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。由于将主体段设置为向巷道的方向倾斜，水力压裂设备退出钻孔后，水分可以较多地在钻孔内留存，从而对岩层产生持续弱化作用，进一步提升了弱化效果。

参见图5和图6，在一个实施例中，步骤三的水力压裂措施包括：采用分段压裂工具串16对巷道4上方的顶板进行分段压裂作业，分段压裂工具串16包括封隔器161和定压开启器162，作业方式为后退式分段压裂作业。具体地，分段压裂工具串16连接压裂泵18，压裂泵18连接水箱19；压裂泵18具有变频器20，变频器20与控制台21电性连接；弱化条带1内的裂隙发育，可以形成弱化条带分界面17；弱化条带分界面17的形状和数量不限于图5中所示的情况。

在一个实施例中，水力压裂措施包括压裂前准备，压裂前准备包括：压裂场地布置、压裂用电器设备配备、井下供水、供电、通风、压裂设备进场组装、压裂设备试车等。

在一个实施例中，水力压裂措施的工艺流程为“钻机启动进场→调整主轴方位角→固定钻机→钻孔→冲洗孔壁→连接分段压裂工具串→开动压裂泵18→管路测压→封隔压裂→稳压注水→停泵放水与检测→退管柱→下分段压裂作业”。具体地，先采用井下千米钻机将钻孔施工到设计的位置和长度，利用钻机打孔时自带的水流完成冲孔作业；退出钻孔管柱并更换压裂管柱，且在压裂管柱一端安置分段压裂工具串，一端连接压裂泵18，将安装有分段压裂工具串的管柱伸入钻孔，当分段压裂工具串伸入到设计位置，启动压裂泵18，使压裂介质(水)以预定的流速进入压裂管柱和分段压裂工具串(包括间隔设置的橡胶封隔器161和定压开启器162)，当注入的介质达到一定的压力时，压裂工具串中的橡胶封隔器161首先膨胀，继续注入压裂介质，橡胶封隔器161完成封孔作业，两端封隔器161中间的定压开启器162在注入量增加的情况下达到一定的压力而开启，水流在封孔范围内积聚，持续注入压裂介质(水)，封孔范围内的压力增加，持续注入压裂介质达到设计的压裂时间，从而达到致裂岩体的目的完成压裂作业。单次压裂完成后压裂泵18停止供液，封隔器161体积缩小，压裂介质自钻孔中溢出，因钻孔设计有一定角度的倾斜，因此有部分压裂介质可以留在钻孔下端以及压裂所形成的裂隙内，继续进行水岩作用软化岩体。接下来，退出压裂管柱直到压裂工具串到达设计好的下一压裂位置，重复进行“开动压裂泵18→管路测压→封隔压裂→稳压注水→停泵放水与检测→退管柱”，从而完成后退式分段压裂作业。

在一个实施例中，在步骤三之后还包括步骤四，步骤四为压裂效果监测，压裂效果监测具体包括：借助微震监测技术对比布置弱化条带1和未布置弱化条带1的巷道4在工作面推进过程中大能量事件的发生频次和级别的变化；对比监测液压支架所反映的压力信息在弱化条带1和未布置弱化条带区的变化，以此推断来压步距、来压强度的变化；对比监测弱化条带1和未布置弱化条带区的巷道4锚杆8、锚索受力的变化。

本发明提供的顶板弱化方法，在巷道4回采过程中采取压裂措施超前于集中应力的聚集和显现而预先处理巷道4上方的顶板深部的岩层，对巷道4开采扰动范围内深部的较为完整的岩体进行物理力学性能的弱化，促进岩体内部裂隙的发育，通过人为的致裂措施在巷道4上方的顶板支护范围以外形成一定的弱化预裂区域；致裂措施的实施在巷道4支护前破坏了巷道4深部岩层的连续性，而形成一定范围的弱化条带1，在后续的工作面回采过程中，可以有效地降低巷道4上覆岩层悬顶结构的规模，从而在降低围岩7应力集中程度的同时也保护了巷道4支护系统的支护能力。

如图7所示，弱化条带1可以降低巷道4所承受的静载荷的大小，改变静载荷传递作用的方向；图中箭头表示静载荷，被改变方向的静载荷分布于高应力区13、中应力区14和低应力区15；巷道4附近可以为低应力区；角度β为静载荷偏转角度。

图8是显示弱化条带1对动载荷的偏转效果示意图，图中的箭头表示动载荷，图中的箭头表示动载荷，图中的角度γ表示动载荷偏转角度；在巷道4上方的顶板一定范围内形成的弱化条带1，其内部裂隙发育，强度和完整性降低；当应力波传播至巷道4上方的围岩7时，弱化条带1的内部裂隙进一步发育，完整性和强度进一步降低，可以有效地消耗应力波所携带的能量，起到缓冲效应，因此应力波穿过该弱化条带1后作用在巷道4的支护体的动载的等级会降低，作用角度会发生偏转，分布于弱偏转区10、强偏转区11及无偏转区12。

如图9所示，弱化条带1可以显著地降低巷道4在受到来自冲击能量源9的冲击能量后的变形程度；从而一定程度地降低冲击地压灾害的显现程度；图中的箭头表示冲击能量偏转方向。

虽然上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种顶板弱化方法，其特征在于，包括：

收集顶板地质条件；

在巷道上方的顶板内制出钻孔，并经由所述钻孔采用水力压裂措施在顶板内形成沿巷道轴向的弱化条带；

所述钻孔沿巷道轴向设置，包括依次连接的近孔口段、过渡段和主体段；所述过渡段用于爬坡和转向；所述主体段由所述过渡段开始向所述巷道倾斜设置；

借助微震监测技术对比布置弱化条带和未布置弱化条带的巷道在工作面推进过程中大能量事件的发生频次和级别的变化；对比监测液压支架所反映的压力信息在顶板的弱化条带和未布置弱化条带区的变化，以此推断来压步距、来压强度的变化；对比监测布置弱化条带和未布置弱化条带的巷道的锚杆、锚索受力的变化；

其中，所述收集顶板地质条件包括收集巷道围岩的应力信息、收集巷道围岩的结构信息和收集巷道围岩的物源信息；

所述根据收集到的顶板地质条件确定弱化条带的结构参数还包括根据巷道围岩的应力信息、巷道围岩的结构信息、巷道围岩的物源信息确定弱化条带的致裂角度、距巷道表面深度和致裂孔径。

2.根据权利要求1所述的顶板弱化方法，其特征在于，所述顶板弱化方法还包括在所述收集顶板地质条件之前在巷道内布置钻孔应力计、空心包体应力计以及液压支架应力监测设备中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的顶板弱化方法，其特征在于，所述收集巷道围岩的结构信息包括：

统计并分析回采工作面的走向来压规律和倾向来压规律；

4.根据权利要求1至3中任一项所述的顶板弱化方法，其特征在于，在巷道掘进之前实施所述在顶板内形成沿巷道轴向的弱化条带。

5.根据权利要求1所述的顶板弱化方法，其特征在于，在超前回采工作面一定距离处实施所述在顶板内形成沿巷道轴向的弱化条带。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的顶板弱化方法，其特征在于，所述水力压裂措施包括采用分段压裂工具串进行后退式分段压裂作业，所述分段压裂工具串包括封隔器和定压开启器。