CN113847083A - 一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，属于采煤技术领域，包括：将垮裂带范围内普氏系数超过阀值且厚度超过阀值的顶板选为压裂目标层；将工作面和停采线分别投影到压裂目标层内；从地面钻取水平井，并保持水平井的水平段距压裂目标层上下面位置相同且与投影的停采线平行；距临空侧巷道第一距离以及第二距离位置对压裂目标层射孔，沿着工作面推进方向移动第三距离，并再次钻取水平井以及射孔；反复执行上一步直至水平井的水平段与投影的切眼距离小于第四距离，本发明能够实现不同层位、从源头上控制高位巨厚坚硬顶板诱发冲击地压。

Description

一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法
技术领域
本发明涉及采煤技术领域，更具体的说是涉及一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法。
背景技术
冲击地压是煤矿最为常见的动力灾害之一，巨厚坚硬顶板突然破断引发的动力显现是典型的重力型冲击地压，其影响范围涉及到多个工作面，并瞬间造成工作面液压支架损坏、巷道变形，虽然油气地面压裂技术也逐步在煤矿坚硬顶板控制方面进行了试验、推广和应用，但却没有涉及巨厚坚硬顶板冲击地压控制方面，更不能给出压裂工艺参数，为了控制巨厚坚硬顶板引发的工作面冲击地压问题，国内外学者提出多种控制手段，其中多采用主动卸压进行控制，主动卸压一般采用井下水压致裂和聚能爆破手段破坏坚硬顶板完整性，减小顶板来压步距，降低采场能量释放梯度，从而控制冲击矿压强度，但井下水压致裂和聚能爆破手段等主动卸压手段受到技术、装备和作业空间的限制，控制范围难以超过煤层上覆50m，因此，如何提供一种能够实现从源头上，控制范围大的高位巨厚坚硬顶板诱发冲击地压的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，结构简单，具体介绍了水平井位置的布置及关键参数确定方法，实现对不同层位、从源头上控制高位巨厚坚硬顶板型冲击地压的控制。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，包括：
步骤一，将垮裂带范围内超过普氏系数的阀值且超过厚度的阀值的顶板选为压裂目标层，基于煤层的开采厚度确定垮裂带厚度的阀值以及普氏系数的阀值；
步骤二，将工作面和停采线分别投影到压裂目标层内；
步骤三，从地面钻取水平井，并保持水平井的水平段距压裂目标层上下面位置相同，且水平段与投影的停采线平行，基于压裂目标层的初次破断步距确定水平井的水平段与投影的停采线之间的距离；
步骤四，在距临空侧巷道第一距离以及第二距离位置对压裂目标层射孔，基于煤层的开采厚度和压裂目标层的普氏系数确定水平井压裂距投影的临空侧巷道的第一距离，基于煤层的开采厚度和工作面面长确定水平井压裂距投影的临空侧巷道的第二距离，基于压裂目标层的单轴抗压强度确定射孔弹相位角；
步骤五，沿着工作面推进方向移动第三距离，并执行步骤三和步骤四，基于压裂目标层的单轴抗压强度确定工作面推进方向移动的第三距离；
步骤六，重复执行步骤五，直到水平井的水平段与投影的切眼距离小于第四距离，基于周期破断步距确定水平段与投影的切眼的第四距离。
进一步的，所述基于煤层的开采厚度确定垮裂带厚度的阀值以及普氏系数的阀值，包括：当煤层的开采厚度小于等于8m时，垮裂带厚度的阀值为50m，普氏系数的阀值为10；当煤层的开采厚度大于8m且小于等于14m时，垮裂带厚度的阀值为45m，普氏系数的阀值为8；当煤层的开采厚度大于14m时，垮裂带厚度的阀值为35m，普氏系数的阀值为7。
进一步的，所述基于压裂目标层的初次破断步距确定水平井的水平段与投影的停采线之间的距离，包括：压裂目标层的初次破断步距L1与水平井的水平段与投影的停采线之间的距离S1关系为：S1≤πL1/2。
进一步的，所述基于煤层的开采厚度和压裂目标层的普氏系数确定水平井压裂距投影的临空侧巷道的第一距离，包括：水平井压裂距投影的临空侧巷道的第一距离S2与煤层的开采厚度h和压裂目标层的普氏系数f关系为：S2＝fh/9。
进一步的，所述基于煤层的开采厚度和工作面面长确定水平井压裂距投影的临空侧巷道的第二距离，包括：水平井压裂距投影的临空侧巷道的第二距离S3与煤层的开采厚度以及工作面面长P关系为：当煤层的开采厚度小于等于8m时，S3＝P/2，当煤层的开采厚度大于8m时，S3＝2P/3。
进一步的，所述基于压裂目标层的单轴抗压强度确定射孔弹相位角，包括：当压裂目标层的单轴抗压强度大于等于70MPa且小于等于85MPa时，射孔所需射孔弹相位角为120°，当压裂目标层的单轴抗压强度大于85MPa且小于等于100MPa时，射孔所需射孔弹相位角为90°，当压裂目标层的单轴抗压强度大于100MPa时，射孔所需射孔弹相位角为60°。
进一步的，射孔所需射孔弹间距为150mm～200mm。
进一步的，所述基于压裂目标层的单轴抗压强度确定工作面推进方向移动的第三距离，包括：当压裂目标层的单轴抗压强度大于等于70MPa且小于等于85MPa时，第三距离为150m，当压裂目标层的单轴抗压强度大于85MPa且小于等于100MPa时，第三距离为120m，当压裂目标层的单轴抗压强度大于100MPa时，第三距离为100m。
进一步的，所述基于周期破断步距确定水平段与投影的切眼的第四距离，包括：水平段与投影的切眼距离第四距离S6与周期破断步距L2具有如下关系：S6≤2.5L2。
本发明的有益效果在于：
本发明针对巨厚坚硬顶板区冲击地压问题，结合地面压裂的技术优点，在工作面上覆巨厚坚硬顶板的特定位置，采用地面水平井压裂，减小顶板的破断步距，选择合理的压裂位置，保证裂缝扩展范围，达到预期的压裂效果，从而控制高位巨厚坚硬顶板破断产生的冲击地压问题，控制范围广，能够超过煤层上覆100m，并给出了地面压裂巨厚坚硬顶板控制冲击矿压的工艺参数选取方法。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为图1的I-I剖面结构示意图。
图3为高能射孔枪结构示意图。
其中，图中：
1-煤层，2-K4岩层，3-工作面，4-停采线，5-地面，6-钻井平台，7-水平井，8-水平段，9-投影的停采线，10-投影的临空侧巷道，11-射孔弹，12-高能射孔枪，13-工作面推进方向，14-投影的切眼。
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。
参阅附图1-3，本发明提供了一种基于地面压裂的巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，包括如下步骤：
步骤一，将垮裂带范围内超过普氏系数的阀值且超过厚度的阀值的顶板选为压裂目标层，基于煤层的开采厚度确定垮裂带厚度的阀值以及普氏系数的阀值；此步骤确定了冲击矿压的潜在发生区域，避免了漏压顶板或者压裂过多顶板提高成本。
步骤二，将工作面和停采线分别投影到压裂目标层内，此步骤为水平井的位置的确定提供参考系。
步骤三，从地面钻取水平井，并保持水平井的水平段距压裂目标层上下面位置相同，且水平段与投影的停采线平行，基于压裂目标层的初次破断步距确定水平井的水平段与投影的停采线之间的距离；此步骤确保了水平井位置合理，保证了裂缝扩展能够覆盖到停采线位置。
步骤四，在距临空侧巷道第一距离以及第二距离位置对压裂目标层射孔，基于煤层的开采厚度和压裂目标层的普氏系数确定水平井压裂距投影的临空侧巷道的第一距离，基于煤层的开采厚度和工作面面长确定水平井压裂距投影的临空侧巷道的第二距离，基于压裂目标层的单轴抗压强度确定射孔弹相位角；此步骤保证了压裂裂缝能够在工作面方向完全覆盖，同时生成足够多的裂缝，能够完全贯穿顶板。
步骤五，沿着工作面推进方向移动第三距离，并执行步骤三和步骤四，基于压裂目标层的单轴抗压强度确定工作面推进方向移动的第三距离；此步骤沿着工作面推进方向能够保证裂缝扩展完全覆盖。
步骤六，重复执行步骤五，直到水平井的水平段与投影的切眼距离小于第四距离，基于周期破断步距确定水平段与投影的切眼的第四距离；此步骤保证了裂缝扩展能够覆盖到切眼位置。
压裂目标层的选取所需普氏系数的阀值f、厚度的阀值H均与煤层的开采厚度h相关，当0<h≤8m时，H＝50m、f＝10，当8m<h≤14m时，H＝45m、f＝8，当h>14m时，H＝35m、f＝7；
水平井的水平段与投影的停采线之间的距离S1和压裂目标层的初次破断步距L1存在如下关系：S1≤πL1/2；
水平井距投影的临空侧巷道的第一距离S2与煤层的开采厚度h和压裂目标层的普氏系数f存在如下关系：S2＝fh/9，水平井距投影的临空侧巷道的第二距离S3与煤层的开采厚度h、工作面面长P相关，0<h≤8m时，S3＝P/2，h>8m时，S3＝2P/3；
射孔弹相位角为α与压裂目标层的单轴抗压强度σ相关，当70MPa≤σ≤85MPa时，α＝120°，当85MPa<σ≤100MPa时，α＝90°，当σ>100MPa时，α＝60°，射孔弹间距S4在150mm～200mm之间；
沿着工作面推进方向移动距离S5与压裂目标层单轴抗压强度σ相关，当70MPa≤σ≤85MPa时，S5＝150m，当85MPa<σ≤100MPa时，S5＝120m，当σ>100MPa时，S5＝100m；
水平段与投影的切眼距离第四距离S6与周期破断步距L2具有如下关系：S6≤2.5L2。
具体案例实施如下：
以晋能控股集团某工作面为例，工作面的地质条件如下：煤层的开采厚度为20m，工作面面长为220m，垮落裂隙带高度为150m，初次垮落步距为70m，周期垮落步距为45m；工作面上覆存在2层厚度超过35m的坚硬岩层，分别为38m的K3岩层和42m的K4岩层，对应的单轴抗压强度分别为65MPa和83MPa，对应的普氏系数分别为6.5和8.3；对应距离煤层垂直距离分别为65m和95m。根据权利要求，具体的压裂过程如下：
步骤一、根据煤层1开采厚度20m，将垮裂带范围内普氏系数和厚度分别超过7和35m的K4岩层2选为压裂目标层；
步骤二、将工作面3和停采线4分别投影到K4岩层2内；
步骤三、从地面5利用钻井平台6钻取水平井7，并保持水平井7的水平段8位于K4岩层2的中间位置且与投影的停采线9平行，间距为110.0m；
步骤四、在距投影的临空侧巷道10距离18.9m以及146.7m位置，采用射孔弹11相位角为120°，射孔弹11间距为200mm的高能射孔枪12逐次对K4岩层2射孔；
步骤五、沿着工作面推进方向13移动距离150m，并执行步骤三和步骤四；
步骤六、反复执行步骤五，直到水平井7的水平段8距投影的切眼14距离小于87.5m。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，其特征在于，包括：
步骤一，将垮裂带范围内超过普氏系数的阀值且超过厚度的阀值的顶板选为压裂目标层，基于煤层的开采厚度确定垮裂带厚度的阀值以及普氏系数的阀值；
步骤二，将工作面和停采线分别投影到压裂目标层内；
步骤三，从地面钻取水平井，并保持水平井的水平段距压裂目标层上下面位置相同，且水平段与投影的停采线平行，基于压裂目标层的初次破断步距确定水平井的水平段与投影的停采线之间的距离；
步骤四，在距临空侧巷道第一距离以及第二距离位置对压裂目标层射孔，基于煤层的开采厚度和压裂目标层的普氏系数确定水平井压裂距投影的临空侧巷道的第一距离，基于煤层的开采厚度和工作面面长确定水平井压裂距投影的临空侧巷道的第二距离，基于压裂目标层的单轴抗压强度确定射孔弹相位角；
步骤五，沿着工作面推进方向移动第三距离，并执行步骤三和步骤四，基于压裂目标层的单轴抗压强度确定工作面推进方向移动的第三距离；
步骤六，重复执行步骤五，直到水平井的水平段与投影的切眼距离小于第四距离，基于周期破断步距确定水平段与投影的切眼的第四距离。
2.根据权利要求1所述的一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，其特征在于：所述基于煤层的开采厚度确定垮裂带厚度的阀值以及普氏系数的阀值，包括：当煤层的开采厚度小于等于8m时，垮裂带厚度的阀值为50m，普氏系数的阀值为10；当煤层的开采厚度大于8m且小于等于14m时，垮裂带厚度的阀值为45m，普氏系数的阀值为8；当煤层的开采厚度大于14m时，垮裂带厚度的阀值为35m，普氏系数的阀值为7。
3.根据权利要求1所述的一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，其特征在于：所述基于压裂目标层的初次破断步距确定水平井的水平段与投影的停采线之间的距离，包括：压裂目标层的初次破断步距L1与水平井的水平段与投影的停采线之间的距离S1关系为：S1≤πL1/2。
4.根据权利要求1所述的一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，其特征在于：所述基于煤层的开采厚度和压裂目标层的普氏系数确定水平井压裂距投影的临空侧巷道的第一距离，包括：水平井压裂距投影的临空侧巷道的第一距离S2与煤层的开采厚度h和压裂目标层的普氏系数f关系为：S2＝fh/9。
5.根据权利要求1所述的一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，其特征在于：所述基于煤层的开采厚度和工作面面长确定水平井压裂距投影的临空侧巷道的第二距离，包括：水平井压裂距投影的临空侧巷道的第二距离S3与煤层的开采厚度以及工作面面长P关系为：当煤层的开采厚度小于等于8m时，S3＝P/2，当煤层的开采厚度大于8m时，S3＝2P/3。
6.根据权利要求1所述的一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，其特征在于：所述基于压裂目标层的单轴抗压强度确定射孔弹相位角，包括：当压裂目标层的单轴抗压强度大于等于70MPa且小于等于85MPa时，射孔所需射孔弹相位角为120°，当压裂目标层的单轴抗压强度大于85MPa且小于等于100MPa时，射孔所需射孔弹相位角为90°，当压裂目标层的单轴抗压强度大于100MPa时，射孔所需射孔弹相位角为60°。
7.根据权利要求1所述的一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，其特征在于：射孔所需射孔弹间距为150mm～200mm。
8.根据权利要求1所述的一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，其特征在于：所述基于压裂目标层的单轴抗压强度确定工作面推进方向移动的第三距离，包括：当压裂目标层的单轴抗压强度大于等于70MPa且小于等于85MPa时，第三距离为150m，当压裂目标层的单轴抗压强度大于85MPa且小于等于100MPa时，第三距离为120m，当压裂目标层的单轴抗压强度大于100MPa时，第三距离为100m。
9.根据权利要求1所述的一种高位巨厚坚硬顶板区冲击地压控制方法，其特征在于：所述基于周期破断步距确定水平段与投影的切眼的第四距离，包括：水平段与投影的切眼距离第四距离S6与周期破断步距L2具有如下关系：S6≤2.5L2。
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