CN112879011B - 一种含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开一种含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法，涉及煤炭开采技术领域，为便于提高煤炭资源的回收率而发明。所述方法，包括：获取工作面主采煤层与含水层之间覆岩的结构特征；根据所述覆岩的结构特征，确定所述覆岩的覆岩类型和控裂关键层分布位置；预测预裂前主采煤层的覆岩破坏高度；基于预测的所述覆岩破坏高度，结合主采煤层与含水层的空间关系，确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度；在导水裂缝带控制高度范围内，确定预裂弱化目标层位及预裂弱化范围；采用水力压裂方式，在确定的预裂弱化范围内，对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作。本申请实施例适用于预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作。

Description

一种含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法

技术领域

本申请涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法。

背景技术

煤炭在我国一次能源生产和消费结构中长期占比60％以上，我国煤矿地质采矿条件及水文地质条件千差万别、复杂多变，水体类型千奇百态，水体压煤现状错综复杂。据不完全统计，我国受水害威胁的煤炭储量约占探明储量的27％，水害防控问题目益突出，而覆岩破坏发育高度是进行水体安全煤(岩)柱留设、疏放水钻孔设计、保水采煤方案设计、防治水措施制定的关键参数，是解决煤炭资源开发与安全和灾害预防三者矛盾的重要基础，对于煤矿安全生产、地表建构筑物防护、水资源保护都具有极其重要的意义。因此，如何主动有效控制和降低覆岩破坏高度成为解决水害防治的关键。

目前对覆岩破坏的控制主要从采法、采厚、工作面设计等方面，采取限厚开采、条带开采、充填开采、缩小工作面长度等方法控制采动影响，以降低覆岩破坏高度，但是这些覆岩破坏控制方法以牺牲回采率、开采效率为代价，导致煤炭资源回收率较低。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法，便于提高煤炭资源的回收率。

本申请实施例的含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法，包括：获取工作面主采煤层与含水层之间覆岩的结构特征；根据所述覆岩的结构特征，确定所述覆岩的覆岩类型和控裂关键层分布位置；预测预裂前主采煤层的覆岩破坏高度；基于预测的所述覆岩破坏高度，结合主采煤层与含水层的空间关系，确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度；在所述导水裂缝带控制高度范围内，确定预裂弱化目标层位及预裂弱化范围；采用水力压裂方式，在确定的预裂弱化范围内，对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述根据所述覆岩的结构特征，确定所述覆岩的覆岩类型和控裂关键层分布位置，包括：根据所述覆岩的结构特征，确定所述覆岩的覆岩类型；如果确定的覆岩类型为中硬或者坚硬类型，则进一步确定单层硬质岩层厚度与分布位置，根据单层硬质岩层厚度与分布位置，确定控裂关键层分布位置。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述预测预裂前主采煤层的覆岩破坏高度，包括：根据确定的覆岩类型和主采煤层厚度，确定全煤厚开采垮落带和导水裂缝带发育高度。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，基于预测的所述覆岩破坏高度，结合主采煤层与含水层的空间关系，确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度，包括：按照如下公式确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度H_li新：

H_li新≤H_sh-H_b；

式中，H_b为在含水层底界往下预留的保护层厚度；H_sh为需留设的防水煤岩柱高度。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述在所述导水裂缝带控制高度范围内，确定预裂弱化目标层位，包括：在所述导水裂缝带控制高度和采动影响范围之内，结合所述控裂关键层分布位置，选定其中的一层或多层作为预裂弱化目标层位。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述在所述导水裂缝带控制高度范围内，确定预裂弱化范围，包括：在所述导水裂缝带控制高度范围内，结合采动影响范围，确定预裂弱化范围。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述采用水力压裂方式，在确定的预裂弱化范围内，对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作，包括：根据确定的所述预裂弱化目标层位，结合矿井采掘规划与布局，选择确定相应的压裂技术和工艺参数；根据确定的压裂技术和工艺参数，在确定的预裂弱化范围内，对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，在对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作过程中，所述方法还包括：通过钻孔窥视和微震监测技术，对目标层位水力压裂效果进行监测。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，通过钻孔冲洗液漏失量观测和微地震监测技术，对工作面回采后导水裂缝带高度和形态进行监测；根据所述导水裂缝带高度和形态，再结合含水层水位变化、涌水量及矿压数据，综合评价覆岩弱化止裂效果。

本申请实施例提供的含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法，通过获取工作面主采煤层与含水层之间覆岩的结构特征，再根据覆岩的结构特征，确定覆岩的覆岩类型和控裂关键层分布位置，预测预裂前主采煤层的覆岩破坏高度，基于预测的所述覆岩破坏高度，结合主采煤层与含水层的空间关系，确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度，在导水裂缝带控制高度范围内，确定预裂弱化目标层位及预裂弱化范围，采用水力压裂方式，在确定的预裂弱化范围内，对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作，从而，控制采动裂隙向上发展，减少采动对覆岩含水层的扰动范围，通过本实施例的控制导水裂缝带高度的方法的实施，便于提高水体下压覆煤炭资源的回收率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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它的附图。

图1为本申请一实施例提供的含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法的流程示意图；

图2为本申请一实施例中，确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度的示意图；

图3为本申请一实施例中，顶板含水层即控裂关键层分布示意图；

图4为本申请一实施例中，低位岩层井下巷道定向水力压裂示意图；

图5为本申请一实施例中，中、高位岩层地面垂直井水力预裂示意图；

图6为本申请一实施例中，中、高位岩层地面L井水力预裂示意图；

图7为本申请又一实施例提供的含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

如背景技术所言，煤炭在我国一次能源生产和消费结构中长期占比60％以上，2019年共生产煤炭38.5亿吨，对我国经济发展具有重大作用。但是我国煤矿地质采矿条件及水文地质条件千差万别、复杂多变，水体类型千奇百态，水体压煤现状错综复杂。据不完全统计，我国受水害威胁的煤炭储量约占探明储量的27％，我国重点煤矿受水威胁的煤炭储量约250亿吨，其中水体下压煤储量近百亿吨。随着煤炭科学技术水平的不断进步、煤炭开采装备的不断发展、煤炭开采深度、厚度和规模的逐渐增大，大采高、快速推进及综放等高强度开采技术的发展，深部矿井、高强度开采、西部特殊地质条件等使得煤矿水害发生机理日趋复杂，尤其未来我国80％以上的煤炭生产将集中在晋、陕、蒙、新等黄河流域的大型矿井，该区域由于具有“埋深大、煤层厚、强动压、受巨厚含水层突水威胁大”的特点，使得水害防控问题日益突出，而且该区域属于生态环境脆弱地区，水资源保护尤为重要。覆岩破坏发育高度是进行水体安全煤(岩)柱留设、疏放水钻孔设计、保水采煤方案设计、防治水措施制定的关键参数，是解决煤炭资源开发与安全和灾害预防三者矛盾的重要基础，对于煤矿安全生产、地表建构筑物防护、水资源保护都具有极其重要的意义。因此，如何主动有效控制和降低覆岩破坏高度成为解决水害防治和水资源保护的关键。

目前采动覆岩破坏控制技术常用的主要有限厚开采、充填开采技术、部分开采(条带开采)技术、协调开采技术、分层间歇开采技术、覆岩离层注浆技术等。尤其限厚开采由于无法精准控制导水裂缝带发育高度，特别是在煤层厚度大、煤层距离上覆含水层较近时资源回收率低，一定程度上制约了矿井的高产高效发展，控水开采效果不佳。同时，限厚开采需要人为留设底煤，增加了深部矿井冲击地压的隐患。随着厚及特厚煤层大采高、快速推进及综放开采技术的发展，上述技术已不能完全满足高产高效矿井的控制覆岩和减沉的需要。

因此，减小煤炭开采对生态环境、水资源的损害，是今后煤炭资源开发面临的重大科学和技术难题，高采出率、高效率、低成本、智能精准的覆岩控制技术已成为新的研究方向。

有鉴于此，急需开发一种在保障煤炭资源高效开采的同时，既能控制采煤工作面水害的发生，又能实现对地下水资源保护的覆岩破坏控制技术，实现水体下压覆煤炭资源的安全、高效和绿色开采。

在研究过程中，发明人发现，可以通过人工干预的方式，对煤层上覆岩层导水裂缝带控制范围内的厚度大、强度高、赋存稳定的坚硬岩层(以下称为控裂关键层)采用主动规模化致裂弱化，将控裂关键层的完整岩层介质压裂成为裂缝密集发育的非连续性破裂岩层介质，从而阻断或弱化矿山压力的上向传递，缩短采后覆岩压实时间周期，以此来控制采动裂隙向上发展，从而减少采动裂缝对覆岩含水层的扰动范围和程度，可成为实现主动控制采动覆岩破坏高度及水害防控的有效途径。

为使本领域技术人员更好地理解本申请实施例的技术构思、实施方案和有益效果，下面通过具体实施例进行详细说明。

图1为本申请一实施例提供的含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法的流程示意图，如图1所示，本实施例的控制导水裂缝带高度的方法，适用于煤层顶板含水层发育的坚硬覆岩条件下，通过在回采前对工作面上覆主控关键坚硬岩层主动预裂弱化达到控制导水裂缝带发育高度，本实施例的方法，可以包括：

S101、获取工作面主采煤层与含水层之间覆岩的结构特征。

工作面可以指直接开采矿物或岩石的工作地点，随着采掘进度而移动。

含水层常指土壤通气层以下的饱和层，其介质孔隙完全充满水分，含水层不但具有对水的容纳能力，而且具有允许相当数量的水透过的性能。

可以根据工作面内部及附近钻孔柱状图，统计分析煤层厚度、煤层与含水层之间覆岩厚度、覆岩范围内砂岩类和泥岩类岩层厚度、层位以及所占比例，覆岩物理力学强度。

S102、根据所述覆岩的结构特征，确定所述覆岩的覆岩类型和控裂关键层分布位置。

覆岩类型可为中硬类型，也可为坚硬类型；控裂关键层可为对导水裂缝带发育高度有控制作用的覆岩层。

根据S101中的覆岩的结构特征，再依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，对照覆岩类型划分标准，定性确定主采煤层与含水层之间覆岩类型。

在一些例子中，根据所述覆岩的结构特征，确定所述覆岩的覆岩类型和控裂关键层分布位置(S102)，包括：

S102a、根据所述覆岩的结构特征，确定所述覆岩的覆岩类型。

S102b、如果确定的覆岩类型为中硬或者坚硬类型，则进一步确定单层硬质岩层厚度与分布位置，根据单层硬质岩层厚度与分布位置，确定控裂关键层分布位置

如果确定覆岩为中硬或者坚硬类型，则进一步分析单层硬质岩层厚度与分布位置，根据单层硬质岩层厚度与分布位置，找出厚度大、强度高、赋存稳定的一个以上的控裂关键层。

S103、预测预裂前主采煤层的覆岩破坏高度。

预裂前即在实施本实施例的预裂弱化操作前，需要预测主采煤层的覆岩破坏高度。

在一些例子中，可以根据确定的覆岩类型和主采煤层厚度，确定全煤厚开采垮落带和导水裂缝带发育高度。

垮落带和导水裂缝带高度确定主要依据本矿井已有实测数据进行新开采区域的预计。如果该矿井未进行过实测，则综合采用理论计算、数值模拟和相似模拟的方法，理论计算以经验公式和类比法为主。如果矿井煤层厚度或开采工艺满足薄、中厚以及厚煤层分层开采，则其覆岩破坏高度预计以《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》公式进行计算；如果矿井煤层厚度大于3m，开采工艺为一次采全高或者放顶煤，覆岩破坏高度预计则以类比法为主，通过类比周边类似矿井确定垮采比和裂采比(导水裂缝带高度与采厚的比值)，计算覆岩破坏高度。同时，可以配合数值模拟和相似模拟手段研究覆岩破坏规律。

S104、基于预测的所述覆岩破坏高度，结合主采煤层与含水层的空间关系，确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度。

根据S103预测的覆岩破坏高度，即导水裂缝带发育高度，结合主采煤层与含水层的空间关系，确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度，即导水裂缝带对上覆含水层的波及程度。如果预计的导水裂缝带发育高度不能导通上覆含水层，或者基岩柱厚度满足留设安全防水煤岩柱尺寸的要求，则不对覆岩进行预裂弱化；如果预计的导水裂缝带发育高度波及到了上覆含水层，或者基岩柱厚度不能满足留设安全防水煤岩柱尺寸的要求，则需对覆岩控裂关键层进行预裂处理弱化，以此来控制导水裂缝带发育高度。

顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度的确定，要综合考虑导水裂缝带发育高度以及与含水层的空间关系，既要满足预裂裂隙不能导通上覆含水层，又要满足预裂弱化后的导水裂缝带高度满足含水层下留设安全防水煤岩柱的要求。参见图2，在一些例子中，顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度确定方法可以为：

(1)首先在预保护含水层底界往下预留一定的保护层厚度H_b，厚度确定方法根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中水体下采煤防水安全煤柱保护层计算方法确定。

(2)按照如下公式确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度H_li新：

H_li新≤H_sh-H_b

式中，Hb为在含水层底界往下预留的保护层厚度；

H_sh为需留设的防水煤岩柱高度。

其中的需留设的防水煤岩柱高度，也即为煤层与含水层的间距。

S105、在所述导水裂缝带控制高度范围内，确定预裂弱化目标层位及预裂弱化范围。

在导水裂缝带控制高度(顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度)和采动影响范围之内，同时结合控裂关键层分布位置，最终选定其中的一层或多层作为预裂弱化目标层位(预裂弱化控裂关键层)，预裂弱化目标层位应至少具备以下三个条件：

(1)强度高。结构致密、完整性好、强度高的硬质地层是控裂关键层的基本属性，一般要求其岩石单轴抗压强度大于40MPa；

(2)厚度大。薄层硬质岩层对采动裂缝发育的影响较小，当覆岩中赋存的硬质地层厚度达到煤层采厚2倍以上时，其对导水裂缝带高度的影响作用显著，厚度越大，预裂弱化后对导水裂缝带高度的控制作用越好；

(3)赋存稳定。预裂弱化坚硬岩层是对单个工作面甚至采区导水裂缝带高度的全面控制，因此只有当顶板坚硬岩层在工作面或采区范围连续分布且厚度相对均匀时，方可作为备选的控裂关键层。

参见图3，在一些例子中，假定煤层开采厚度M，顶板含水层与煤层垂距L，控裂关键层C1、C2和C3位于顶板含水层与煤层之间，煤层与顶板控裂关键层的距离分别为D1、D2和D3。在正常情况下，下部煤层开采后的导水裂缝带将波及到上部含水层，通过优选预裂弱化层位、改变控裂关键层的完整性和整体强度，可以阻断和抑制导水裂缝向上传递，避免沟通上部含水层。预裂目标层位的选择至关重要，不仅要易形成裂缝网络，有效降低覆岩整体，而且要求压裂后的裂缝网络顶界要显著低于压裂前的导水裂缝带顶点，同时又能确保采动裂缝垂向发展不穿透压裂岩层，显著抑制采动裂隙发育程度，有利于隔离上覆含水层，提高隔离效果。根据控裂关键层的空间位置，控裂关键层具体可分为三类：

(1)低位预裂层位：该层位选择一般适用于顶板控裂关键层距煤层较近(D1≤5M，M为煤层开采厚度)，此时预裂层位位于垮落带内或者导水裂缝带下部严重破裂区，图中所示控裂关键层C1即为低位预裂层位。一般认为预裂弱化严重破裂区内的控裂关键层对导水裂缝带的抑制和阻断作用程度相对较弱，一般在中部C2控裂关键层缺失的情况下，优先预裂处理C1地层；

(2)中位预裂层位：该层位选择一般适用于顶板控裂关键层位于含水层与煤层中部(15M≥D1≥5M)的，此时预裂层位应位于导水裂缝带中部的一般破裂区，图中所示控裂关键层C2即为中位预裂层位。中位预裂适用范围较为广泛，是弱化控制导水裂缝带的理想层位，弱化预裂中部的控裂关键层C2通常可以起到较好的效果。在开采煤层与上部含水层距离较近、中部赋存有多层控裂关键层时，还可以通过多次复合压裂中部控裂关键层，实现大幅度降低导水裂缝带的目标。

(3)高位预裂层位：该层位选择一般适用于顶板控裂关键层距煤层较远(D1≥15M)的，此时预裂层位应位于导水裂缝带上部的微小破裂区，图中所示控裂关键层C3即为高位预裂层位。需要注意的是，当控裂关键层与上部含水层间距L-D3≤30m时，预裂半径控制的技术要求较高，预裂弱化的效果相对较差。该情况仅适用于煤层采厚大且含水层位于导水裂缝带顶点附近的情况。

参见图2，预裂弱化范围可以在导水裂缝带控制高度范围内，结合采动影响范围确定，即通过走向移动角、上山移动角和下山移动角三个角量和覆岩破坏高度来确定覆岩采动影响范围，一般取走向移动角δ＝65°，下山移动角β＝60°，上山移动角γ＝69°。

采动影响范围在图2中处于上山移动角γ＝69°的左侧。

S106、采用水力压裂方式，在确定的预裂弱化范围内，对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作。

在一些例子中，步骤S106包括：

S106a、根据确定的预裂弱化目标层位，结合矿井采掘规划与布局，选择确定相应的压裂技术和工艺参数。

S106b、根据确定的压裂技术和工艺参数，在确定的预裂弱化范围内，对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作。

具体地：

(1)对于低位目标层位预裂，从经济性及技术合理性角度考虑采用井下巷道定向水力压裂技术，依据确定的预裂高度对上覆目标岩层实施水力预裂。参见图4，具体步骤如下：a)根据预裂层位高度、采高与采煤方法、上覆岩层物性、力学参数以及地应力场确定钻孔与压裂的参数，钻孔间距一般取10～20m，钻孔参数包括钻孔角度和钻孔孔深，压裂参数包括压裂间隔与压裂时长，钻孔和压裂参数随着矿井地质条件变化进行相应调整；b)根据步骤a)确定的钻孔参数顺次通过巷道向预裂目标岩层施工压裂钻孔。c)水力压裂钻孔施工完成后开始进行压裂作业，从钻孔底部采用后退式方法拖动压裂管柱进行分层或分段压裂作业。

(2)对于步中位和高位目标岩层预裂，采用地面定向井水力压裂技术，通过地面向下施工定向井或分支定向井，依据确定的上覆目标岩层的钻孔与压裂预裂参数，对工作面顶板目标岩层进行水力压裂。若目标岩层的主应力状态为水平主应力占主导，则采用垂直钻孔水力喷射分层压裂的方法将压裂目标层分为多层进行压裂，参见图5；若目标岩层的主应力状态为垂直主应力占主导，则采用L型定向井水力喷砂射孔分段压裂方法对目标层进行压裂，参见图6。

地面施工压裂井和水力压裂的参数随着矿井地质条件变化而有所差异。

在对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作过程中，所述方法还包括：

通过钻孔窥视和微震监测技术，对目标层位水力压裂效果进行监测。

通过钻孔窥视和微震监测技术，可以实时监测目标层位水力压裂效果。针对井下压裂，通过在压裂孔周围布置水力裂缝扩展监测钻孔和微地震监测孔相结合的方法水力裂缝监测钻孔用于评价裂缝扩展方向及范围，微地震监测通过在监测孔内布置拾震器，实时监测压裂过程中微地震事件，获取水力压裂钻孔周围的微震信息，从而判断水力压裂作业过程中的微震事件的分布规律，进而获得压裂裂缝扩展规律，评价顶板目标岩层水力压裂效果的有效性。若水力压裂效果无法满足预期要求，则需实时优化水力压裂工艺和参数。

本实施例的含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法，在回采前改变煤层覆岩结构及类型这一影响导水裂缝带发育高度的关键因素，从而实现采动破坏范围和程度的控制，即通过人工干预的方式，对煤层覆岩导水裂缝带控制范围内的控裂关键层采用主动规模化致裂弱化，改变坚硬岩层的完整性，将原连续性好的坚硬岩层介质压裂成为裂缝密集发育的非连续性破裂岩层介质，从而阻断或弱化矿山压力的上向传递，缩短采后覆岩压实时间周期，以此来控制采动裂隙向上发展，减少采动对覆岩含水层的扰动范围。

本实施例，通过获取工作面主采煤层与含水层之间覆岩的结构特征，再根据覆岩的结构特征，确定覆岩的覆岩类型和控裂关键层分布位置，预测预裂前主采煤层的覆岩破坏高度，基于预测的所述覆岩破坏高度，结合主采煤层与含水层的空间关系，确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度，在导水裂缝带控制高度范围内，确定预裂弱化目标层位及预裂弱化范围，采用水力压裂方式，在确定的预裂弱化范围内，对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作，从而，控制采动裂隙向上发展，减少采动对覆岩含水层的扰动范围，通过本实施例的控制导水裂缝带高度的方法的实施，便于提高水体下压覆煤炭资源的回收率，既能控制采煤工作面水害的发生，又能实现对地下水资源的保护，是实现水体下压覆煤炭资源的安全、高效和绿色开采的有效途径，避免了传统的限厚开采、部分开采等覆岩破坏控制方法带来的资源回收率低、控水开采效果不佳、增加深部矿井冲击地压隐患的问题，并且，避免了高强度开采剧烈覆岩破坏带来的地下水位大幅度下降，使矿区生态环境遭到严重破坏等问题，既能控制采煤工作面水害的发生，又能实现对地下水资源的保护。

在本申请一实施例中，所述方法，还包括：

通过钻孔冲洗液漏失量观测和微地震监测技术，对工作面回采后导水裂缝带高度和形态进行监测。

可通过传统的钻孔冲洗液漏失量观测和微地震监测技术相结合的方法，监测覆岩预裂弱化前后导水裂缝带发育高度与形态。

根据所述导水裂缝带高度和形态，再结合含水层水位变化、涌水量及矿压数据，综合评价覆岩弱化止裂效果。

对工作面回采后导水裂缝带高度和形态进行监测，同时结合采动前、后目标含水层水位变化、矿井涌水量以及矿压显现等监测数据对比分析，综合评价覆岩弱化止裂效果。

本申请实施例的控制导水裂缝带高度方法，在煤层顶板含水层发育的坚硬覆岩条件下，通过采用对控裂关键层主动化致裂弱化的方式，控制导水裂缝带发育高度，减少采动裂缝对覆岩含水层的扰动范围和程度，实现主动控制采动覆岩破坏高度及水害防控。

参见图7，在本申请一实施例中，控制导水裂缝带高度方法具体可以包括：获取工作面主采煤层与含水层间覆岩结构特征的基础上确定控裂关键层分布位置；通过预裂前精准预测主采煤层覆岩破坏高度；基于预裂前的覆岩破坏高度，并结合与含水层之间的空间距离，确定顶板预裂弱化后导水裂缝带预控制高度；在导水裂缝带控制高度范围内，结合控裂关键层分布位置，确定预裂弱化范围及目标层位；根据不同预裂层位，结合矿井采掘规划与布局选择确定相应的的压裂技术和工艺；对采前覆岩目标岩层水力压裂效果和覆岩预裂止裂效果综合监测。

需要说明的是，在本文中，各个实施例之间描述的方案的侧重点不同，但是各个实施例又存在某种相互关联的关系，在理解本申请方案时，各个实施例之间可相互参照；另外，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种含水层下坚硬覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度方法，其特征在于，包括：

获取工作面主采煤层与含水层之间覆岩的结构特征；

根据所述覆岩的结构特征，确定所述覆岩的覆岩类型和控裂关键层分布位置；

预测预裂前主采煤层的覆岩破坏高度；

基于预测的所述覆岩破坏高度，结合主采煤层与含水层的空间关系，确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度；

在所述导水裂缝带控制高度范围内，确定预裂弱化目标层位及预裂弱化范围；

采用水力压裂方式，在确定的预裂弱化范围内，对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作；所述采用水力压裂方式，在确定的预裂弱化范围内，对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作，包括：根据确定的所述预裂弱化目标层位，结合矿井采掘规划与布局，选择确定相应的压裂技术和工艺参数；根据确定的压裂技术和工艺参数，在确定的预裂弱化范围内，对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作；其中，对于低位目标层位预裂，采用井下巷道定向水力压裂技术，依据确定的预裂高度对上覆目标岩层实施水力预裂；具体步骤如下：a)根据预裂层位高度、采高与采煤方法、上覆岩层物性、力学参数以及地应力场确定钻孔与压裂的参数，钻孔间距一般取10～20m，钻孔参数包括钻孔角度和钻孔孔深，压裂参数包括压裂间隔与压裂时长，钻孔和压裂参数随着矿井地质条件变化进行相应调整；b)根据步骤a)确定的钻孔参数顺次通过巷道向预裂目标岩层施工压裂钻孔；c)水力压裂钻孔施工完成后开始进行压裂作业，从钻孔底部采用后退式方法拖动压裂管柱进行分层或分段压裂作业；对于中位和高位目标岩层预裂，采用地面定向井水力压裂技术，通过地面向下施工定向井或分支定向井，依据确定的上覆目标岩层的钻孔与压裂预裂参数，对工作面顶板目标岩层进行水力压裂；若目标岩层的主应力状态为水平主应力占主导，则采用垂直钻孔水力喷射分层压裂的方法将压裂目标层分为多层进行压裂；若目标岩层的主应力状态为垂直主应力占主导，则采用L型定向井水力喷砂射孔分段压裂方法对目标层进行压裂。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述覆岩的结构特征，确定所述覆岩的覆岩类型和控裂关键层分布位置，包括：

根据所述覆岩的结构特征，确定所述覆岩的覆岩类型；

如果确定的覆岩类型为中硬或者坚硬类型，则进一步确定单层硬质岩层厚度与分布位置，根据单层硬质岩层厚度与分布位置，确定控裂关键层分布位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预测预裂前主采煤层的覆岩破坏高度，包括：

根据确定的覆岩类型和主采煤层厚度，确定全煤厚开采垮落带和导水裂缝带发育高度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于预测的所述覆岩破坏高度，结合主采煤层与含水层的空间关系，确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度，包括：

按照如下公式确定顶板预裂弱化后导水裂缝带控制高度H_li新：

H_li新≤H_sh-H_b；

式中，H_b为在含水层底界往下预留的保护层厚度；

H_sh为需留设的防水煤岩柱高度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述导水裂缝带控制高度范围内，确定预裂弱化目标层位，包括：

在所述导水裂缝带控制高度和采动影响范围之内，结合所述控裂关键层分布位置，选定其中的一层或多层作为预裂弱化目标层位。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述导水裂缝带控制高度范围内，确定预裂弱化范围，包括：

在所述导水裂缝带控制高度范围内，结合采动影响范围，确定预裂弱化范围。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对确定的所述预裂弱化目标层位进行预裂弱化操作过程中，所述方法还包括：

通过钻孔窥视和微震监测技术，对目标层位水力压裂效果进行监测。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

通过钻孔冲洗液漏失量观测和微地震监测技术，对工作面回采后导水裂缝带高度和形态进行监测；

根据所述导水裂缝带高度和形态，再结合含水层水位变化、涌水量及矿压数据，综合评价覆岩弱化止裂效果。

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