CN112855155A - 一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，包括设计压裂钻孔参数、施工压裂钻孔和导向孔、高压射流切割径向弱面、高压射流切割轴向弱面、实施顶板径向水力压裂、实施顶板轴向水力压裂以及判断压裂效果与补充施工这些步骤，本发明将沿空留巷顶板的压裂钻孔分为径向压裂段和轴向压裂段，分段定向压裂来形成近水平和近垂直水力裂缝面，提高顶板垮落效果、减小厚硬顶板悬顶长度、降低巷道围岩承载；分段定向水力压裂较传统的聚能爆破和常规水力压裂技术，可以更好的切顶卸压、保护巷道。

Description

一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法

技术领域

本发明涉及巷道围岩控制领域，具体涉及一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法。

背景技术

沿空留巷指的是在工作面开采过后，通过构筑充填体或隔离体的方法保留巷道，继续为下个工作面开采服务。沿空留巷提高了煤炭回收率，避免大量资源浪费，改变通风方式后易于治理瓦斯，巷道直接保留也提高了采掘接替效率，可以实现工作面的安全高效开采。

在沿空留巷存在厚硬顶板时，由于岩层弯曲强度远大于薄和软弱顶板，容易造成巷道上方出现侧向长距离悬顶。巷道在长悬顶板作用下，围岩需要承担更多来自上覆岩层的载荷，造成巷道严重变形、支护体损坏、充填体失效等各种问题。针对这种情况，需要对沿空留巷上方的厚硬顶板进行治理。主流的治理方式是采用聚能爆破和水力压裂技术进行切顶卸压，将巷道上方的长臂梁顶板变为短臂梁顶板，改善巷道围岩的承载环境。然而，聚能爆破技术容易引起次生动载风险，多数矿区审批困难；水力压裂钻孔工程量小，施工效率高，但是往往切顶卸压效果难以保证，需要对施工方法进行改进。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，其能够提高切顶效果，减小巷道围岩承载，降低巷道和充填体的维护成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，具体包括以下步骤：

S1、设计压裂钻孔参数；施工压裂钻孔，根据压裂钻孔倾斜角度α、切顶高度H_c、单个封孔器长度L_P、封孔距离L_F来确定压裂钻孔长度L_b，计算公式为：L_b＝H_csin^-1α+L_P+L_F/2，压裂钻孔自巷道肩窝处以倾角α、长度L_b施工至指定位置；

S2、施工压裂钻孔和导向孔；根据单个压裂钻孔水力压裂试验测试得出压裂半径，以小于2倍压裂半径的施工间距L_h来布置压裂钻孔，在相邻的两个压裂钻孔中间施工导向孔，导向孔参数与压裂钻孔一致；

S3、高压射流切割径向弱面；选用侧向射流切割设备并将其射流端推送至压裂钻孔内垂直高度为H_c、孔深为L_c的位置后固定，使其无法沿轴向移动，开启侧向射流切割设备，当高压水到达射流端时缓慢旋转侧向射流切割设备使其喷射出的高压射流沿径向切割压裂钻孔，形成环状的径向弱面，然后关闭侧向射流切割设备；

S4、高压射流切割轴向弱面；使侧向射流切割设备后退一个封孔器长度L_P的距离，当侧向射流切割设备的射流端到达孔内垂直高度H_a所在位置后，转动侧向射流切割设备使两侧的射流方向连线与巷道走向一致后将其固定，使其无法沿径向旋转，开启侧向射流切割设备后沿压裂钻孔轴向缓慢后退射流喷嘴，使高压射流沿轴向切割压裂钻孔形成连续轴向弱面，当射流喷嘴退至孔内垂直高度为H_c、孔深为L_c处的位置时，关闭侧向射流切割设备并将其退出压裂钻孔，结束射流切割施工；

S5、实施顶板径向水力压裂；将前封孔器、后封孔器通过封孔器连接件连通后接入供水系统，将前封孔器、后封孔器送入压裂钻孔内垂直高度为H_c的径向弱面所在位置，然后开启供水系统，前封孔器和后封孔器受高压水作用膨胀体积变大，封堵钻孔，前封孔器和后封孔器之间形成的空间为封隔段，随着高压水的持续注入，封孔器连接件自身设置的阀门会自动开启，高压水从阀门涌出后充满两个封孔器之间的封隔段，然后高压水开始沿径向弱面致裂厚硬顶板，制造沿压裂钻孔径向的水力裂缝面，水力裂缝面扩展至导向孔时，会有水流从导向孔内涌出，此时结束水力压裂施工；

S6、实施顶板轴向水力压裂；将前封孔器和后封孔器后退至压裂钻孔内垂直高度为H_a～H_s的连续轴向弱面区间内，根据压裂钻孔该段的长度重复步骤S5的水力压裂施工流程若干次，制造若干组沿压裂钻孔的轴向水力裂缝面，多组轴向水力裂缝面互相贯通形成连续轴向裂缝面；

S7、判断压裂效果与补充施工；通过钻孔窥视仪观测压裂钻孔相邻的导向孔内情况，判断压裂钻孔内垂直高度为H_c的径向压裂段是否存在径向水力裂缝面、孔内垂直高度为H_a～H_s的轴向压裂段是否存在轴向水力裂缝面；若径向水力裂缝面或轴向水力裂缝面存在，则判断水力压裂施工效果良好；若两者均不存在，则在导向孔内的相应分段，重复步骤S3和S5或重复步骤S4和S6，补充施工径向水力压裂和轴向水力压裂来提高压裂效果。

优选地，步骤S1中，压裂钻孔角度α应根据钻机设备情况，角度α＝90°；切顶高度H_c与煤层厚度和顶板碎胀系数有关，设为煤层厚度的3～5倍。

优选地，步骤S3和步骤S4中，径向弱面切割的垂直高度和切顶高度H_c一致，所在位置的孔深为：L_c＝H_csin^-1α；连续轴向弱面切割起始位置的垂直高度为：H_a＝(H_csin^-1α-L_P)sinα；连续轴向弱面切割结束于孔内垂直高度H_s的位置，此时孔深L_s＝H_ssin^-1α，垂直高度H_s为巷道高度的1～2倍，作为施工安全距离来保证巷道不受水力压裂施工影响。

优选地，步骤S5中，径向水力压裂施工能形成近水平水力裂缝面，使切顶高度以下的顶板充分垮落。

优选地，步骤S6中，轴向水力压裂施工能形成近垂直水力裂缝面，使巷道上方顶板沿侧向破断。

优选地，步骤S3中，侧向射流切割设备包括依次连接在一起的双向射流喷嘴、高压钢管、高压软管、高压泵以及水箱。

本发明的有益效果在于：

本发明将沿空留巷顶板的压裂钻孔分为径向压裂段和轴向压裂段，通过分段定向压裂来形成近水平和近垂直水力裂缝面，提高顶板垮落效果、减小厚硬顶板悬顶长度、降低巷道围岩承载；分段定向水力压裂较传统的聚能爆破和常规水力压裂技术，可以更好的切顶卸压、保护巷道。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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压裂钻孔施工位置示意图；

图2为本发明实施例提供的多组压裂钻孔和导向孔的位置关系示意图；

图3为本发明实施例提供的高压射流切割形成径向弱面的位置示意图；

图3a为本发明实施例提供的径向弱面的形状示意图；

图4为本发明实施例提供的高压射流切割形成轴向弱面示意图；

图4a为本发明实施例提供的轴向弱面的形状示意图；

图5为本发明实施例提供的径向与轴向分段定向水力压裂示意图；

图6为本发明实施例提供的分段定向水力裂缝切顶示意图。

附图标记说明：

1-压裂钻孔，2-导向孔，3-侧向射流切割设备，4-钻机，5-高压软管，6-高压钢管，7-高压射流，8-径向弱面，9-连续轴向弱面，10-前封孔器，11-后封孔器，12-径向水力裂缝面，13-轴向水力裂缝面，14-连续轴向裂缝面,15、高压泵，16、水箱。

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，都属于本发明保护的范围。

实施例，设煤层厚度3.5m，巷道为全煤巷沿顶底板掘进，巷道长宽为5.5m、3.5m，直接厚度1.8m，基本顶为18.5m的厚硬砂岩；拟采用沿空留巷方式进行Y型工作面通风来降低瓦斯浓度，实施前采用分段定向水力压裂方法来切顶卸压，钻孔施工采用直径50mm钻杆、直径65mm钻头，钻机最大施工倾角为75°；配套使用的封孔器直径为55mm，单个封孔器长度0.8m，封孔长度0.6m；

如图1-图6所示，一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，具体步骤如下：

S1、设计压裂钻孔1参数，压裂钻孔1角度确定为钻机最大施工倾角75°，切顶高度H_c根据工作面顶板碎胀特性，取为煤层厚度的4倍，即14.0m，长度

钻孔自巷道肩窝处以倾角75°，长度15.6m施工至指定位置；

S2、施工压裂钻孔1和导向孔2；根据单个压裂钻孔1水力压裂试验测试得出压裂半径为8.5m，以施工间距L_h＝15m来布置压裂钻孔1，在相邻的两个压裂钻孔1中间施工导向孔2，以倾角75°、长度15.6m施工导向孔2；

S3、高压射流切割径向弱面8；选用侧向射流切割设备3，侧向射流切割设备3包括依次连接在一起的双向射流喷嘴、高压钢管6、高压软管5、高压泵15以及水箱16，将双向射流喷嘴推送至压裂钻孔1内垂直高度为14m、孔深为14.5m位置后固定，使其无法沿轴向移动，开启侧向射流切割设备3，当高压水到达射流端时缓慢旋转侧向射流切割设备3使其喷射出的高压射流7沿径向切割压裂钻孔1，形成环状的径向弱面8，参见图3a，然后关闭高压泵15；

S4、高压射流切割轴向弱面；使侧向射流切割设备3后退0.8m，当双向射流喷嘴到达孔内垂直高度13.7m、孔深13.7m位置后，转动侧向射流切割设备3使双向射流喷嘴两侧的射流方向连线与巷道走向一致后，利用钻机4将其固定，使其无法沿径向旋转，开启侧向射流切割设备3后沿压裂钻孔1轴向缓慢后退射流喷嘴，使高压射流7沿轴向切割压裂钻孔1形成连续轴向弱面9，参见图4a，当射流喷嘴退至孔内垂直高度5.4m、孔深5.3m(巷道高度的1.5倍)处的位置时，关闭侧向射流切割设备3并将其退出压裂钻孔1，结束射流切割施工；

S5、实施顶板径向水力压裂；将前封孔器10、后封孔器11通过封孔器连接件连通后接入供水系统，供水系统采用与侧向射流切割设备3相同的高压钢管6、高压软管5连接高压泵15和水箱16；将前封孔器10、后封孔器11送入压裂钻孔1内垂直高度为H_c的径向弱面8所在位置，然后开启供水系统，前封孔器10和后封孔器11受高压水作用膨胀体积变大，封堵钻孔，前封孔器10和后封孔器11之间形成的空间为封隔段；继续注入高压水使泵压达到10MPa以上，此时封孔器连接件自身设置的阀门会自动开启，高压水从阀门涌出后充满两个封孔器之间的封隔段，然后高压水开始沿径向弱面8致裂厚硬顶板，制造沿压裂钻孔1径向的水力裂缝面12，水力裂缝面12扩展至导向孔2时，会有水流从导向孔2内涌出，此时结束水力压裂施工；

S6、实施顶板轴向水力压裂；将前封孔器10和后封孔器11后退至压裂钻孔1内垂直高度为13.2～5.3m的连续的连续轴向弱面9区间内，压裂钻孔1该段长度为8.3m，接近压裂半径长度，重复步骤S5的水力压裂施工流程2次，制造2组沿压裂钻孔1的轴向水力裂缝面13，多组轴向水力裂缝面13互相贯通形成连续轴向裂缝面14；

S7、判断压裂效果与补充施工；通过钻孔窥视仪观测压裂钻孔1相邻的导向孔2内情况，发现压裂钻孔1内垂直高度为14.5m的径向压裂段存在径向水力裂缝面12、孔内垂直高度为13.2-5.3m范围的轴向压裂段不存在轴向水力裂缝面13；因此在导向孔2内的13.2-5.3m范围内重复步骤S4和S6，补充施工径向水力压裂和轴向水力压裂来提高压裂效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、设计压裂钻孔(1)参数；施工压裂钻孔(1)，根据压裂钻孔(1)倾斜角度α、切顶高度H_c、单个封孔器长度L_P、封孔距离L_F来确定压裂钻孔(1)长度L_b，计算公式为：L_b＝H_csin^-1α+L_P+L_F/2，压裂钻孔(1)自巷道肩窝处以倾角α、长度L_b施工至指定位置；

S2、施工压裂钻孔(1)和导向孔(2)；根据单个压裂钻孔(1)水力压裂试验测试得出压裂半径，以小于2倍压裂半径的施工间距L_h来布置压裂钻孔(1)，在相邻的两个压裂钻孔(1)中间施工导向孔(2)，导向孔(2)参数与压裂钻孔(1)一致；

S3、高压射流切割径向弱面(8)；选用侧向射流切割设备(3)并将其射流端推送至压裂钻孔(1)内垂直高度为H_c、孔深为L_c的位置后固定，使其无法沿轴向移动，开启侧向射流切割设备(3)，当高压水到达射流端时缓慢旋转侧向射流切割设备(3)使其喷射出的高压射流(7)沿径向切割压裂钻孔(1)，形成环状的径向弱面(8)，然后关闭侧向射流切割设备(3)；

S4、高压射流切割轴向弱面；使侧向射流切割设备(3)后退一个封孔器长度L_P的距离，当侧向射流切割设备(3)的射流端到达孔内垂直高度H_a所在位置后，转动侧向射流切割设备(3)使两侧的射流方向连线与巷道走向一致后将其固定，使其无法沿径向旋转，开启侧向射流切割设备(3)后沿压裂钻孔(1)轴向缓慢后退，使高压射流(7)沿轴向切割压裂钻孔(1)形成连续轴向弱面(9)，当射流喷嘴退至孔内垂直高度为H_c、孔深为L_c处的位置时，关闭侧向射流切割设备(3)并将其退出压裂钻孔(1)，结束射流切割施工；

S5、实施顶板径向水力压裂；将前封孔器(10)、后封孔器(11)通过封孔器连接件连通后接入供水系统，将前封孔器(10)、后封孔器(11)送入压裂钻孔(1)内垂直高度为H_c的径向弱面(8)所在位置，然后开启供水系统，前封孔器(10)和后封孔器(11)受高压水作用膨胀体积变大，封堵钻孔，前封孔器(10)和后封孔器(11)之间形成的空间为封隔段，随着高压水的持续注入，封孔器连接件自身设置的阀门会自动开启，高压水从阀门涌出后充满前封孔器(10)和后封孔器(11)之间的封隔段，然后高压水开始沿径向弱面(8)致裂厚硬顶板，制造沿压裂钻孔(1)径向的水力裂缝面(12)，水力裂缝面(12)扩展至导向孔(2)时，会有水流从导向孔(2)内涌出，此时结束水力压裂施工；

S6、将前封孔器(10)和后封孔器(11)后退至压裂钻孔(1)内垂直高度为H_a～H_s的连续轴向弱面(9)区间内，根据压裂钻孔(1)该段的长度重复步骤S5的水力压裂施工流程若干次，制造若干组沿压裂钻孔(1)的轴向水力裂缝面(13)，多组轴向水力裂缝面(13)互相贯通形成连续轴向裂缝面(14)；

S7、判断压裂效果与补充施工；通过钻孔窥视仪观测压裂钻孔(1)相邻的导向孔(2)内情况，判断压裂钻孔(1)内垂直高度为H_c的径向压裂段是否存在径向水力裂缝面(12)、孔内垂直高度为H_a～H_s的轴向压裂段是否存在轴向水力裂缝面(13)；若径向水力裂缝面(12)或轴向水力裂缝面(13)存在，则判断水力压裂施工效果良好；若两者均不存在，则在导向孔(2)内的相应分段，重复步骤S3和S5或重复步骤S4和S6，补充施工径向水力压裂和轴向水力压裂来提高压裂效果。

2.如权利要求1所述的一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，其特征在于，步骤S1中，压裂钻孔(1)角度α应根据钻机(4)设备情况，角度α＝90°；切顶高度H_c与煤层厚度和顶板碎胀系数有关，设为煤层厚度的3～5倍。

3.如权利要求1所述的一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，其特征在于，步骤S3和步骤S4中，径向弱面(8)切割的垂直高度和切顶高度H_c一致，所在位置的孔深为：L_c＝H_csin^-1α；连续轴向弱面(9)切割起始位置的垂直高度为：H_a＝(H_csin^-1α-L_P)sinα；连续轴向弱面(9)切割结束于孔内垂直高度H_s的位置，此时孔深L_s＝H_ssin^-1α，垂直高度H_s为巷道高度的1～2倍，作为施工安全距离来保证巷道不受水力压裂施工影响。

4.如权利要求1所述的一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，其特征在于，步骤S5中，径向水力压裂施工能形成近水平水力裂缝面，使切顶高度以下的顶板充分垮落。

5.如权利要求1所述的一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，其特征在于，步骤S6中，轴向水力压裂施工能形成近垂直水力裂缝面，使巷道上方顶板沿侧向破断。

6.如权利要求1所述的一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，其特征在于，步骤S3中，侧向射流切割设备(3)包括依次连接在一起的双向射流喷嘴、高压钢管(6)、高压软管(5)、高压泵(15)以及水箱(16)。

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