CN113153292A - 煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿井下开采技术领域，且公开了煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，包括以下步骤，步骤一：获取煤层中坚硬岩石断层的几何尺寸和力学属性，根据结果确定压裂孔的直径、数量、长度、间距等压裂孔布置参数；步骤二：根据步骤一中所确定的压裂孔布置参数，在回采巷道内开凿一系列压裂孔，并在每个压裂孔内使用特制工具进行切槽处理；步骤三：使用双封型封孔器对压裂孔内的切槽位置进行多段后退式压裂。本发明提出的一种煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法能够对煤矿井下采煤工作面坚硬岩石断层进行低成本、高效、安全破碎，辅助割煤机对断层岩体进行快速切割。

Description

煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下开采技术领域，具体为煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法。

背景技术

在煤矿井下开采领域，采煤工作面在推进过程中时常遇到坚硬岩石断层，导致割煤机难以正常运行，这一现象目前在我国陕北矿区尤为普遍，工作面底部岩体在构造应力作用下向采煤工作面方向凸起，当该岩体硬度过大时，割煤机破岩效率低、截齿损耗大，对煤矿安全高效开采造成阻碍。

现有技术通常采用钻孔爆破或静态致裂技术对采煤工作面坚硬岩石断层进行预裂，以此提升割煤机破岩效率，专利公开号为CN105387775A，名称为“一种处理综采工作面过断层的方法及装置”的专利提出了一种在采煤工作面位置通过钻孔爆破预裂坚硬岩石断层的方法，专利公开号为CN105587319A，名称为“一种大采高综采工作面快速破顶板岩层过断层方法”的专利和专利公开号为CN110186340A，名称为“综采工作面遇断层时顺利推进的方法”的专利提出了在预掘辅助巷道内对采煤工作面坚硬岩石断层通过钻孔爆破进行预裂的方法，使用钻孔爆破法预裂工作面坚硬岩石断层存在以下不足：1)在高瓦斯矿井进行爆破存在安全隐患；2)我国西北地区煤矿对火工品管控严格，缺少足够的炸药量对坚硬岩石断层进行爆破预裂；3)在采煤工作面位置实施爆破预裂时，产生的岩石碎块有可能在爆破冲击波的作用下对工作面设备，例如液压支架，造成损伤；4)在预掘辅助巷道内进行钻孔爆破时，增加了煤矿巷道掘进量，提升了吨煤采出成本，桂良玉发表的名称为“静态破碎技术在综采过断层中的应用”的论文提出了一种通过静态致裂技术处理工作面坚硬岩石断层的方法，该方法首先需在断层岩体中人为开凿一个大直径钻孔作为静态致裂的自由空间，并在其周边开凿若干装药孔；随后在装药孔内灌注静态致裂剂，药剂充分反应后使用风镐将破碎岩体剔除形成更大的自由空间；最后在装药孔周边再一次开凿若干崩落孔，灌注静态致裂剂进行二次破岩，辅助割煤机对坚硬岩石断层进行切割，该方法存在以下不足：1)整个致裂过程只能在围岩应力较低的采煤工作面位置进行，无法在围岩应力较高的超前工作面位置对断层岩体进行预裂，影响工作面正常生产；

2)钻孔工序复杂，需使用钻机开凿大直径钻孔和风钻(或锚索钻机)开凿装药孔和崩落孔；3)破岩工序繁琐，需完成两次静态破岩(分别在装药孔和崩落孔内进行静态致裂)；4)完成一次致裂需12个小时左右时间(致裂剂反应时间)，割煤机切割前，需使用风镐移除部分破碎岩体，增加了人力成本和时间成本；5)静态破碎剂属于不可回收的消耗品，增加了破岩经济成本，综上所述，在煤矿井下开采领域，亟需一种低成本、高效、安全的处理采煤工作面坚硬岩石断层的方法。

水力压裂技术起源于石油开采领域，通过在储层岩体中注入高压水的方式制造出人造裂隙，提高储层渗透性，目前，该技术在煤矿井下开采领域有着广泛应用，包括煤层瓦斯增透、工作面坚硬顶板冲击矿压防治、回采巷道巷旁切顶卸压，工作面三角区顶板治理和巷道快速掘进等，但针对采煤工作面过坚硬岩石断层的研究和应用尚处空白，针对现有技术在治理采煤工作面坚硬岩石断层中存在的上述问题，本发明提出一种煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，实现对煤矿井下采煤工作面坚硬岩石断层的安全、高效破碎，进而消除采煤工作面由坚硬岩石断层造成的开采困难题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，包括以下步骤，

步骤一：获取煤层中坚硬岩石断层的几何尺寸和力学属性，根据结果确定压裂孔的直径、数量、长度、间距等压裂孔布置参数；

步骤二：根据步骤一中所确定的压裂孔布置参数，在回采巷道内穿过煤层使用钻机向坚硬岩石断层垂直于工作面推进方向开凿一系列压裂孔，并在每个压裂孔内设计压裂位置使用特制工具进行切槽处理，切割出径向的适合水力裂纹起裂的人造弱面；

步骤三：使用双封型封孔器在步骤二中所开凿的每个压裂孔内的每个切槽位置进行多段后退式压裂，对坚硬岩石断层进行预裂，辅助割煤机完成对坚硬岩石断层的切割；

步骤四：当坚硬岩石断层局部过于坚硬时，在采煤工作面使用风钻或锚索钻机向坚硬岩石断层沿工作面推进方向开凿一系列压裂孔，使用单封型封孔器在每个压裂孔内完成一次压裂，辅助割煤机完成对坚硬岩石断层的切割。

优选的，所述步骤二中在回采巷道开凿钻孔时压裂孔成排布置，预设直径为56～96mm，预设间距约10m，预设倾角为5～15°。

优选的，所述步骤三中每次压裂时观察相邻压裂孔的出水情况，当相邻压裂孔大量出水时，停泵，完成该次压裂。

优选的，所述步骤四中压裂孔在采煤工作面开凿钻孔时压裂孔成梅花状布置，预设直径约35mm，预设长度约5m，预设间距约5m，靠近采煤工作面底板的压裂孔水平布置，靠近工作面顶板岩层的压裂孔预设倾角为10～35°。

优选的，所述步骤四中可使用为液压支架提供乳化液的乳化液泵对压裂孔进行单封式水力压裂。

优选的，所述步骤四中每次压裂时观察相邻压裂孔和坚硬岩石断层的出水情况，当相邻压裂孔或坚硬岩石断层大量出水时，停泵，完成该次压裂。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，具备以下有益效果：

1)可在围岩应力较高的超前工作面区域对断层岩体进行预裂，不影响工作面正常生产；

2)当断层岩体局部过于坚硬时，能够快速便捷的对目标岩体进行高效致裂；

3)整个水力压裂过程只有水是消耗品，破岩成本低廉；

4)整个水力压裂过程不产生类似爆破过程中的冲击，无安全隐患。

本发明提出的一种煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法能够对煤矿井下采煤工作面坚硬岩石断层进行低成本、高效、安全破碎，辅助割煤机对断层岩体进行快速切割。

附图说明

图1为本发明工作面坚硬岩石断层超前水力压裂平面图；

图2为本发明工作面坚硬岩石断层超前水力压裂剖面图(剖面垂直于工作面推进方向)；

图3为本发明工作面坚硬岩石断层超前水力压裂剖面图(剖面平行于工作面推进方向)；

图4为本发明工作面处水力压裂平面图；

图5为本发明工作面处水力压裂剖面图(剖面垂直于工作面推进方向)；

图6为本发明工作面处水力压裂剖面图(剖面平行于工作面推进方向)。

图中：1—回采巷道；2—护巷煤柱；3—煤层；4—坚硬岩石断层；5—水力裂纹；6—压裂孔；7—采煤工作面；8—工作面顶板岩层。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，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。

如图1-6所示，一种煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，包括以下步骤：

步骤一：获取煤层3中坚硬岩石断层4的几何尺寸和力学属性，根据结果确定压裂孔6的直径、数量、长度、间距等压裂孔布置参数；

步骤二：根据步骤一中所确定的压裂孔布置参数，在回采巷道1内穿过煤层3使用钻机向坚硬岩石断层4垂直于工作面推进方向开凿一系列压裂孔6，并在每个压裂孔6内设计压裂位置使用特制工具进行切槽处理，切割出径向的适合水力裂纹5起裂的人造弱面；

步骤三：使用双封型封孔器在步骤二中所开凿的每个压裂孔6内的每个切槽位置进行多段后退式压裂，对坚硬岩石断层4进行预裂，辅助割煤机完成对坚硬岩石断层4的切割；

步骤四：当坚硬岩石断层4局部过于坚硬时，在采煤工作面7使用风钻或锚索钻机向坚硬岩石断层4沿工作面推进方向开凿一系列压裂孔6，使用单封型封孔器在每个压裂孔6内完成一次压裂，辅助割煤机完成对坚硬岩石断层4的切割。

步骤二中在回采巷道1开凿钻孔时压裂孔6成排布置，预设直径为56～96mm，预设间距约10m，预设倾角为5～15°。

步骤二中每个压裂孔6内的切槽位置间距约3m，相邻压裂孔6内切槽位置成间隔布置，空间上沿压裂孔6轴线方向间隔约1.5m。

步骤三中每次压裂时观察相邻压裂孔6的出水情况，当相邻压裂孔6大量出水时，停泵，完成该次压裂。

步骤四中压裂孔6在采煤工作面7开凿钻孔时压裂孔6成梅花状布置，预设直径约35mm，预设长度约5m，预设间距约5m，靠近采煤工作面7底板的压裂孔6水平布置，靠近工作面顶板岩层8的压裂孔6预设倾角为10～35°。

步骤四中可使用为液压支架提供乳化液的乳化液泵对压裂孔6进行单封式水力压裂。

步骤四中每次压裂时观察相邻压裂孔6和坚硬岩石断层4的出水情况，当相邻压裂孔6或坚硬岩石断层4大量出水时，停泵，完成该次压裂。

本实施例提供的煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法通过获取煤层3中坚硬岩石断层4的几何尺寸和力学属性，根据结果确定压裂孔6的直径、数量、长度、间距等压裂孔6布置参数，并根据所确定的压裂孔6布置参数在回采巷道1内穿过煤层3使用钻机向坚硬岩石断层4垂直于工作面推进方向开凿一系列压裂孔6，并在每个压裂孔6内设计压裂位置使用特制工具进行切槽处理，切割出径向的适合水力裂纹5起裂的人造弱面；然后使用双封型封孔器在所开凿的每个压裂孔6内的每个切槽位置进行多段后退式压裂，对坚硬岩石断层4进行预裂，辅助割煤机完成对坚硬岩石断层4的切割；当坚硬岩石断层4局部过于坚硬时，在采煤工作面7使用风钻或锚索钻机向坚硬岩石断层4沿工作面推进方向开凿一系列压裂孔6，使用单封型封孔器在每个压裂孔6内完成一次压裂，辅助割煤机完成对坚硬岩石断层4的切割，实现对煤矿井下采煤工作面坚硬岩石断层的低成本、高效、安全破碎。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取煤层(3)中坚硬岩石断层(4)的几何尺寸和力学属性，根据结果确定压裂孔(6)的直径、数量、长度、间距等压裂孔布置参数；

步骤二：根据步骤一中所确定的压裂孔布置参数，在回采巷道(1)内穿过煤层(3)使用钻机向坚硬岩石断层(4)垂直于工作面推进方向开凿一系列压裂孔(6)，并在每个压裂孔(6)内设计压裂位置使用特制工具进行切槽处理，切割出径向的适合水力裂纹(5)起裂的人造弱面；

步骤三：使用双封型封孔器在步骤二中所开凿的每个压裂孔(6)内的每个切槽位置进行多段后退式压裂，对坚硬岩石断层(4)进行预裂，辅助割煤机完成对坚硬岩石断层(4)的切割；

步骤四：当坚硬岩石断层(4)局部过于坚硬时，在采煤工作面(7)使用风钻或锚索钻机向坚硬岩石断层(4)沿工作面推进方向开凿一系列压裂孔(6)，使用单封型封孔器在每个压裂孔(6)内完成一次压裂，辅助割煤机完成对坚硬岩石断层(4)的切割。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，其特征在于，所述步骤二中在回采巷道(1)开凿钻孔时压裂孔(6)成排布置，预设直径为56～96mm，预设间距约10m，预设倾角为5～15°。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，其特征在于，所述步骤二中每个压裂孔(6)内的切槽位置间距约3m，相邻压裂孔(6)内切槽位置成间隔布置，空间上沿压裂孔(6)轴线方向间隔约1.5m。

4.根据权利要求1所述的煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，其特征在于，所述步骤三中每次压裂时观察相邻压裂孔(6)的出水情况，当相邻压裂孔(6)大量出水时，停泵，完成该次压裂。

5.根据权利要求1所述的煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，其特征在于，所述步骤四中压裂孔(6)在采煤工作面(7)开凿钻孔时压裂孔(6)成梅花状布置，预设直径约35mm，预设长度约5m，预设间距约5m，靠近采煤工作面(7)底板的压裂孔(6)水平布置，靠近工作面顶板岩层(8)的压裂孔(6)预设倾角为10～35°。

6.据权利要求1所述的煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，其特征在于，所述步骤四中可使用为液压支架提供乳化液的乳化液泵对压裂孔(6)进行单封式水力压裂。

7.据权利要求1所述的煤矿井下采煤工作面水力压裂快速过坚硬岩石断层的方法，其特征在于，所述步骤四中每次压裂时观察相邻压裂孔(6)和坚硬岩石断层(4)的出水情况，当相邻压裂孔(6)或坚硬岩石断层(4)大量出水时，停泵，完成该次压裂。

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