CN113700483A - 一种地面钻井卸压的多煤层冲击矿压防治方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种地面钻井卸压的多煤层冲击矿压防治方法，首先通过施工地面掏煤定向钻孔进行最上部煤层的掏煤卸压，防止积聚弹性能，为巷道的掘进、工作面的回采皆形成有效的卸压。进一步的，通过地面水力压裂将整个覆岩内的厚硬岩层进行水平分层压裂，解决岩层诱导的冲击地压问题，同时切顶工作可以将运输巷道两侧的顶板岩层切断，即将要回采工作面与未回采的区域割离开，防止未回采的区域的上覆岩层力作用于要回采工作面。此外，通过人工施工水平致裂增涨层有效的增加碎涨量，增加对上覆岩层的支撑，减小上覆地层的下沉。而上部煤层的开采对下一煤层产生了开采保护层的卸压作用，为下一煤层的掘进、回采提供了基础。

Description

一种地面钻井卸压的多煤层冲击矿压防治方法
技术领域
本发明涉及煤矿冲击矿压领域，具体为一种地面钻井卸压的多煤层冲击矿压防治方法。
背景技术
冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围煤岩体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等，易造成煤矿人员伤害。一般而言，覆岩内存在厚硬岩层是产生冲击矿压的重要因素，由于厚硬岩层的存在，其难于断裂导致断裂间距大，使得其断裂时一次压力释放大，造成巨大冲击。对此现有技术多是通过单一的切顶卸压或者地面水力压裂手段治理，且具体的切顶方式与水力致裂方案多种多样；切顶卸压一般在工作面两巷进行施工，因此切顶高度有限，在更高处若存在厚硬岩层这种方法效果并不理想；水力压裂一般受施工层位以及压裂成横向、纵向裂缝不同效果差别较大，若卸压不理想后续采煤时难以找到快速的补救卸压方法，导致采煤中断。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种地面钻井卸压的多煤层冲击矿压防治方法，包括如下步骤：
S1，自地面施工掏煤定向钻孔，掏煤钻孔垂直段施工于上山煤柱上方，多个掏煤钻孔水平段施工于最上部的煤层内，且平行于工作面推进方向沿倾向间隔分布；
优选的，所述掏煤定向钻孔为一孔多底钻孔，即掏煤定向钻孔包括一个掏煤钻孔垂直段和多个间隔分布的掏煤钻孔水平段，掏煤钻孔水平段的长度略大于工作面推进长度。
优选的，运输巷道内施工有掏煤钻孔水平段。
S2，通过掏煤定向钻孔进行最上部煤层的掏煤卸压工作，依次采取机械扩孔掏煤、水力扩孔掏煤、空气动力返排掏煤；
优选的，机械扩孔掏煤为通过不同尺寸的机械扩孔钻头逐级扩大洞穴体积；水力扩孔掏煤为使用水力射流工具，进行掏煤施工，扩大洞穴体积；空气动力返排掏煤为采用气举方式将钻孔内的水、煤屑返排至地面。
S3，基于地层岩性与厚度确定自最下部煤层以上的覆岩内所有厚硬岩层位置；
优选的，所述厚硬岩层包括关键层以及其他明显的厚度较大岩性较强的岩层；对于关键层，在弯曲下沉带内，其为工作面回采后离层产生处上方的厚硬岩层，在导水裂隙带内，包括基本顶等厚硬岩层；
关键层可以基于地层钻孔柱状及各岩层力学参数，通过数值模拟、理论计算手段确定，所述离层位置可以是单个工作面回采后离层产生位置也可以是多个工作面回采后离层产生位置；其他明显的厚硬岩层为除关键层以外的其他厚度较大岩性较强的岩层，本领域技术人员可以基于经验进行判断。
S4，自地面施工水力压裂定向钻孔，定向钻孔垂直段施工于上山煤柱上方，定向钻孔水平段施工于厚硬岩层内，且平行于工作面推进方向；
优选的，所述水力压裂定向钻孔为一孔多底钻孔，即水力压裂定向钻孔包括一个垂直段和不同层位所对应的多个水平段；水平段的长度略大于工作面推进长度。
S5，通过水力压裂定向钻孔进行水力压裂，在厚硬岩层内形成水平裂缝，将厚硬岩层分成多层薄岩层；
优选的，所述水力压裂定向钻孔和掏煤定向钻孔可以共用垂直段，首先进行厚硬岩层的水力压裂分层工作，然后在进行最上部煤层的掏煤卸压工作。
优选的，厚硬岩层的水力压裂分层工作与最上部煤层的掏煤卸压工作可同步进行。
S6，以上一工作面运输巷道作为本工作面回风巷道，上一工作面运输巷道内施工有切顶钻孔，通过切顶钻孔进行切顶并施工本工作面水平致裂增涨层；
S7，掘进本工作面运输巷道，沿着本工作面运输巷道走向间隔施工切顶钻孔，切顶钻孔终孔施工至步骤S3确定的弯曲下沉带内最低位的厚硬岩层或施工至接近步骤S3确定的弯曲下沉带内最低位的厚硬岩层处，通过切顶钻孔进行水力压裂以将运输巷道两侧的顶板岩层切断，即将要回采工作面与未回采的区域割离开；
通过切顶钻孔向下一工作面方向进行水力压裂以在下一工作面的煤层顶板内施工水平致裂增涨层，水平致裂增涨层位于垮落带上部，选择在厚度较大的软岩内施工，水平致裂增涨层由水力压裂在岩层内形成的不规则沟通裂隙致成；
优选的，切顶钻孔在运输巷道内靠近工作面回采区域侧，切顶钻孔自本工作面运输巷道顶板向上竖直施工。
优选的，切顶钻孔将运输巷道两侧的顶板岩层不连续切断，即不同切顶钻孔水力压裂形成的纵向压裂面不连接，当工作面回采后，在自身重力以及上覆岩层作用力下，纵向压裂面连通，顶板完全切断。
优选的，步骤S6、S7中，水力压裂施工水平致裂增涨层的钻孔可以单独施工，有别于切顶钻孔，施工位置仍位于运输巷道内。
S8，进行本工作面的回采工作；
S9，如此循环直至采完整个最上部的煤层；
S10，按照常规回采方法自上而下依次开采下部煤层。
有益效果：1、首先，通过步骤S1-S2，本发明通过施工地面掏煤定向钻孔进行最上部煤层的掏煤卸压，掏煤工艺可以在回采区域内沿着煤层的走向间隔形成多个大孔径钻孔(直径达到1.5m以上)，从而在钻孔周围形成卸压区，使煤体卸压，防止积聚弹性能，其为巷道的掘进、工作面的回采皆形成有效的卸压。而现有的井下钻孔卸压多施工于巷道内，无法对掘进形成卸压，而若通过掘进岩巷对煤巷掘进进行卸压又会产生巨大的成本，此外地面水力压裂卸压由于未采出煤，其效果不如掏煤卸压。
2、进一步的，通过步骤S3-S5，本发明通过地面水力压裂将整个覆岩内的厚硬岩层进行水平分层压裂，解决岩层诱导的冲击地压问题，其卸压机理如下：煤层开采后覆岩内的厚硬岩层产生成梁效应，厚硬岩层上部的地层重力作用于梁(厚硬岩层)上，并通过梁(厚硬岩层)作用于工作面两侧煤柱或者工作面两边煤体(工作面两侧煤柱或者工作面两边煤体成为梁的支撑点)，进而在此处产生应力集中，回采或者掘进此处时易产生冲击矿压。将整个覆岩内的厚硬岩层分成多层薄岩层，对于远场(弯曲下沉带)，工作面回采后其会产生整体的弯曲下沉，不在出现成梁现象，不在产生离层；对于近场(导水裂隙带)，可以减小走向的厚硬岩层周期破断步距，避免因为周期破断步距大，造成一次卸压大，卸压集中而造成冲击矿压问题(减小走向悬顶大产生的应力)；即将整个覆岩内的厚硬岩层分成多层薄岩层，使得回采区域内煤体不在出现应力集中，不在承受其他区域的岩层重力，而基本上仅承受其正上方的岩层重力。同时切顶工作可以将运输巷道两侧的顶板岩层切断，即将要回采工作面与未回采的区域割离开，防止未回采的区域的上覆岩层力作用于要回采工作面(减小侧向悬顶产生的应力)。此外，设计有水平致裂增涨层，其目的是弥补垮落带碎涨量不足的问题，通过人工施工水平致裂增涨层有效的增加碎涨量，增加对上覆岩层的支撑，减小上覆地层的下沉，具体的，对于导水裂隙带，其断裂范围减小，断裂岩块基本密贴在一起，不会产生咬合关系而增加力的联系，对于弯曲下沉带，其内覆岩弯曲下沉量明显降低，采空区内对其支撑的区域增加，不在产生成梁成拱效应。
即通过步骤S1-S5对煤体和岩体皆采取了针对性的卸压。
此外，本发明将切顶工序前移，回风巷道侧回采前顶板弯全切断，运输巷道侧回采前不连续切断，降低强度防止冲击的同时保证运输巷道支护需求，回采后完全切断做好下一工作面(回风巷道侧)的防冲工作。
3、本发明具体为一种多煤层冲击矿压防治方法，水力压裂将整个覆岩内的厚硬岩层进行水平分层压裂，即对所有的岩层采取了针对性的卸压；地面掏煤定向钻孔进行最上部煤层的掏煤卸压，为最上部煤层的掘进、回采提供了基础，即对最上部的煤层采取了针对性的卸压；之后最上部煤层的开采对下一煤层产生了卸压作用(开采保护层作用)，为下一煤层的掘进、回采提供了基础，如此自上而下开采。
附图说明
图1是本发明走向/工作面推进方向剖面图。
图2是本发明倾向/平行于切眼方向剖面图。
图中：松散层1、地面11、厚硬岩层2、基本顶21、水力压裂定向钻孔3、定向钻孔垂直段31、定向钻孔水平段32、上一工作面运输巷道41、本工作面回风巷道41、本工作面运输巷道42、煤层43、采空区44、水平致裂增涨层45、切顶钻孔46、掏煤定向钻孔5、掏煤钻孔垂直段51、掏煤钻孔水平段52。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行更为详细的描述。
一种地面钻井卸压的多煤层冲击矿压防治方法，包括如下步骤：
S1，自地面施工掏煤定向钻孔5，掏煤钻孔垂直段51施工于上山煤柱上方，多个掏煤钻孔水平段52施工于最上部的煤层43内，且平行于工作面推进方向沿倾向间隔分布；
优选的，所述掏煤定向钻孔5为一孔多底钻孔，即掏煤定向钻孔5包括一个掏煤钻孔垂直段51和多个间隔分布的掏煤钻孔水平段52，掏煤钻孔水平段52的长度略大于工作面推进长度。
优选的，运输巷道内施工有掏煤钻孔水平段52；以本工作面为例，在掘进本工作面运输巷道42之前，其内施工有掏煤钻孔水平段52进行掏煤卸压，以进一步防止掘进时出现冲击矿压。
S2，通过掏煤定向钻孔5进行最上部煤层的掏煤卸压工作，依次采取机械扩孔掏煤、水力扩孔掏煤、空气动力返排掏煤；
优选的，机械扩孔掏煤为通过不同尺寸的机械扩孔钻头逐级扩大洞穴体积；水力扩孔掏煤为使用水力射流工具，进行掏煤施工，扩大洞穴体积；空气动力返排掏煤为采用气举方式将钻孔内的水、煤屑返排至地面。
S3，基于地层岩性与厚度确定自最下部煤层以上的覆岩内所有厚硬岩层2位置；
优选的，所述厚硬岩层2包括关键层以及其他明显的厚度较大岩性较强的岩层；对于关键层，在弯曲下沉带内，其为工作面回采后离层产生处上方的厚硬岩层，在导水裂隙带内，包括基本顶21等厚硬岩层；如图1-2所示意，自上而下包括7层厚硬岩层；
关键层可以基于地层钻孔柱状及各岩层力学参数，通过数值模拟、理论计算手段确定，所述离层位置可以是单个工作面回采后离层产生位置也可以是多个工作面回采后离层产生位置；其他明显的厚硬岩层为除关键层以外的其他厚度较大岩性较强的岩层，本领域技术人员可以基于经验进行判断。
S4，覆岩上方为松散层1，松散层最上方为地面11；自地面施工水力压裂定向钻孔3，定向钻孔垂直段31施工于上山煤柱上方，定向钻孔水平段32施工于厚硬岩层2内，且平行于工作面推进方向；
优选的，所述水力压裂定向钻孔3为一孔多底钻孔，即水力压裂定向钻孔包括一个垂直段31和不同层位所对应的多个水平段32；水平段32的长度略大于工作面推进长度。
S5，通过水力压裂定向钻孔3进行水力压裂，在厚硬岩层2内形成水平裂缝，将厚硬岩层2分成多层薄岩层；分层情况可参考图2；
优选的，所述水力压裂定向钻孔3和掏煤定向钻孔5可以共用垂直段，首先进行厚硬岩层的水力压裂分层工作，然后在进行最上部煤层的掏煤卸压工作，以节约施工成本。
优选的，厚硬岩层的水力压裂分层工作与最上部煤层的掏煤卸压工作可同步进行以提高施工速度。
S6，以上一工作面运输巷道41作为本工作面回风巷道41，上一工作面运输巷道41内施工有切顶钻孔46，通过切顶钻孔46进行切顶并施工本工作面水平致裂增涨层45；
S7，掘进本工作面运输巷道42，沿着本工作面运输巷道走向间隔施工切顶钻孔46，切顶钻孔终孔施工至步骤S3确定的弯曲下沉带内最低位的厚硬岩层或施工至接近步骤S3确定的弯曲下沉带内最低位的厚硬岩层处(留设有一定距离)，通过切顶钻孔46进行水力压裂以将运输巷道两侧的顶板岩层切断，即将要回采工作面与未回采的区域割离开；
通过切顶钻孔46向下一工作面方向进行水力压裂以在下一工作面的煤层顶板内施工水平致裂增涨层45，水平致裂增涨层45位于垮落带上部，选择在厚度较大的软岩(如泥岩)内施工，水平致裂增涨层由水力压裂在岩层内形成的不规则沟通裂隙致成；
优选的，切顶钻孔在运输巷道内靠近工作面回采区域侧，切顶钻孔46自本工作面运输巷道顶板向上竖直施工。
优选的，切顶钻孔将运输巷道两侧的顶板岩层不连续切断，即不同切顶钻孔水力压裂形成的纵向压裂面不连接，当工作面回采后，在自身重力以及上覆岩层作用力下，纵向压裂面连通，顶板完全切断。
优选的，步骤S6、S7中，水力压裂施工水平致裂增涨层45的钻孔可以单独施工，有别于切顶钻孔，施工位置仍位于运输巷道内。
S8，进行本工作面的回采工作；
S9，如此循环直至采完整个最上部的煤层；
S10，按照常规回采方法(无需再进行卸压工作)自上而下依次开采下部煤层。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例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 (10)

1.一种地面钻井卸压的多煤层冲击矿压防治方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，自地面施工掏煤定向钻孔，掏煤钻孔垂直段施工于上山煤柱上方，多个掏煤钻孔水平段施工于最上部的煤层内，且平行于工作面推进方向沿倾向间隔分布；
S2，通过掏煤定向钻孔进行最上部煤层的掏煤卸压工作，依次采取机械扩孔掏煤、水力扩孔掏煤、空气动力返排掏煤；
S3，基于地层岩性与厚度确定自最下部煤层以上的覆岩内所有厚硬岩层位置；
S4，自地面施工水力压裂定向钻孔，定向钻孔垂直段施工于上山煤柱上方，定向钻孔水平段施工于厚硬岩层内，且平行于工作面推进方向；
S5，通过水力压裂定向钻孔进行水力压裂，在厚硬岩层内形成水平裂缝，将厚硬岩层分成多层薄岩层；
S6，以上一工作面运输巷道作为本工作面回风巷道，上一工作面运输巷道内施工有切顶钻孔，通过切顶钻孔进行切顶并施工本工作面水平致裂增涨层；
S7，掘进本工作面运输巷道，沿着本工作面运输巷道走向间隔施工切顶钻孔，切顶钻孔终孔施工至步骤S3确定的弯曲下沉带内最低位的厚硬岩层或施工至接近步骤S3确定的弯曲下沉带内最低位的厚硬岩层处，通过切顶钻孔进行水力压裂以将运输巷道两侧的顶板岩层切断，将要回采工作面与未回采的区域割离开；
通过切顶钻孔向下一工作面方向进行水力压裂以在下一工作面的煤层顶板内施工水平致裂增涨层，水平致裂增涨层位于垮落带上部，选择在厚度较大的软岩内施工，水平致裂增涨层由水力压裂在岩层内形成的不规则沟通裂隙致成；
S8，进行本工作面的回采工作；
S9，如此循环直至采完整个最上部的煤层；
S10，按照常规回采方法自上而下依次开采下部煤层。
2.根据权利要求1所述的多煤层冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S1中，所述掏煤定向钻孔为一孔多底钻孔，即掏煤定向钻孔包括一个掏煤钻孔垂直段和多个间隔分布的掏煤钻孔水平段，掏煤钻孔水平段的长度略大于工作面推进长度。
3.根据权利要求1或2所述的多煤层冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S1中，运输巷道内施工有掏煤钻孔水平段。
4.根据权利要求1所述的多煤层冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S2中，机械扩孔掏煤为通过不同尺寸的机械扩孔钻头逐级扩大洞穴体积；水力扩孔掏煤为使用水力射流工具，进行掏煤施工，扩大洞穴体积；空气动力返排掏煤为采用气举方式将钻孔内的水、煤屑返排至地面。
5.根据权利要求1所述的多煤层冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S3中，所述厚硬岩层包括关键层以及其他明显的厚度较大岩性较强的岩层；关键层可以基于地层钻孔柱状及各岩层力学参数，通过数值模拟、理论计算手段确定，其他明显的厚硬岩层可以基于经验进行判断。
6.根据权利要求1所述的多煤层冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S4中，所述水力压裂定向钻孔为一孔多底钻孔，即水力压裂定向钻孔包括一个垂直段和不同层位所对应的多个水平段；水平段的长度略大于工作面推进长度。
7.根据权利要求1所述的多煤层冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S5中，所述水力压裂定向钻孔和掏煤定向钻孔共用垂直段，首先进行厚硬岩层的水力压裂分层工作，然后在进行最上部煤层的掏煤卸压工作。
8.根据权利要求1所述的多煤层冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S5中，厚硬岩层的水力压裂分层工作与最上部煤层的掏煤卸压工作同步进行。
9.根据权利要求1所述的多煤层冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S7中，切顶钻孔在运输巷道内靠近工作面回采区域侧，和/或切顶钻孔自本工作面运输巷道顶板向上竖直施工，和/或切顶钻孔将运输巷道两侧的顶板岩层不连续切断，即不同切顶钻孔水力压裂形成的纵向压裂面不连接。
10.根据权利要求1所述的多煤层冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S6、S7中，水力压裂施工水平致裂增涨层的钻孔单独施工，有别于切顶钻孔，施工位置仍位于运输巷道内。
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