CN113898400B - 一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法，包括：S1：选取以煤矿工作面内小于等于距离煤层垂直距离H1，且坚硬顶板的单轴抗压强度和厚度分别超过σc和H2的坚硬顶板为压裂目标层；S2：在上个煤矿工作面开采前，在临空巷道垂直距离S1的位置，以倾斜角度α钻取斜井，直至斜井穿透全部所述压裂目标层；S3：确定垂直于斜井且沿着工作面推进方向，利用高能射孔枪依次对压裂目标层的两侧射孔等步骤；本发明可从源头上控制坚硬顶板大面突然垮落引发的临空巷道冲击地压。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，更具体的说是涉及一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法。
背景技术
目前，坚硬顶板是指煤层上覆厚度大，强度高，完整性好的岩层，通常为细砂岩、中粒砂岩等，而我国1/3的矿区普遍存在坚硬顶板；临空开采是煤矿工作面最为常见的一种开采状态，坚硬顶板临空巷道开采条件下，工作面上覆厚硬的顶板大面积悬顶后突然破断，回转挤压煤柱造成临空巷道瞬间变形，出现冲击地压现象。
但是，目前针对坚硬顶板临空巷道冲击地压的控制问题，主要分为主动卸压和被动支护两个方面，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，从而控制冲击矿压的强度；被动支护通常采用高强度锚杆锚索、防冲液压支架等方式加强临空巷道抵抗冲击地压的能力。两种方式虽然都能在一定程度上控制了临空巷道冲击地压，但也存在一定的缺陷，如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，而高强度锚杆锚索、防冲液压支架等被动方式不是在源头上降低、消除冲击地压，难以保证控制效果。
因此，如何提供一种控制范围广的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制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，本发明提供了一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法，该方法可以从源头上控制坚硬顶板大面突然垮落引发的临空巷道冲击地压，同时控制范围广，控制效果好。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法，包括：
S1：选取以煤矿工作面内小于等于距离煤层垂直距离H1，且单轴抗压强度和厚度分别超过σc和H2的坚硬顶板为压裂目标层；
S2：在临空巷道垂直距离S1的位置，以倾斜角度α钻取斜井，直至斜井全部穿透所述压裂目标层；
S3：确定垂直于斜井且沿着煤矿工作面推进方向，利用高能射孔枪依次对压裂目标层的两侧射孔；
S4、依次对各个射孔进行封孔、压裂；
S5、沿着煤矿工作面推进方向移动距离S2，在临空巷道垂直距离S1的位置，以倾斜角度α再次钻取斜井，直到斜井穿透全部所述压裂目标层；
S6、执行步骤S3和S4，完成斜井的压裂目标层的致裂；
S7、重复执行步骤S5和S6，直至完成煤矿工作面的压裂。
优选的，所述压裂目标层选取条件中，工作面内距离煤层垂直距离H1与煤层开采厚度h相关，当0<h≤4.5m时，H1＝50m；当4.5m<h≤8m时，H1＝80m；当h>8m时，H1＝150m。
优选的，坚硬顶板的单轴抗压强度σc和厚度H2，存在如下关系：当8m≤H2≤15m时，σc＝75MPa；当15m<H2≤30m时，σc＝65MPa；当H2>30m时，σc＝50MPa。
采用上述两种参数的有益效果为：目的在于确定潜在造成临空巷道冲击地压的岩层，上述参数的选取能够保证既不漏压裂岩层也不多压裂岩层，在保证临空巷道冲击地压控制效果的前提下，可有效降低压裂操作成本。
优选的，沿着煤矿工作面推进方向移动距离S2与基本顶的普氏系数f、泵站的压力P存在如下关系：当0<f≤7且P>80MPa时，S2＝250m；当0<f≤7且P≤80MPa，S2＝200m；当7<f≤10且P>80MPa时，S2＝150m；当7<f≤10且P≤80MPa时，S2＝100m；当f>10时，S2＝80m。
采用上述参数的有益效果为：保证压裂扩展的裂缝能够在相邻的钻井之间相互贯穿，使坚硬顶板在工作面推进方向上能够完全被压裂，从而保证压裂坚硬顶板控制临空巷道的矿压控制效果。
优选的，钻井平台倾斜角度α与煤矿工作面的垮落角度β存在如下关系：α＝β。
优选的，斜井距离临空巷道垂直距离S1与煤矿工作面的垮落角度β、煤柱尺寸L存在如下关系：S1＝Lsinβ。
采用上述设置的有益效果为：工作面垮落角度是采空区垮落特征，可以通过现场实测得到，属于工作面固有的一个特征参数，保证坚硬顶板能够沿着工作面垮落特征进行自然运移，不会对巷道进行挤压，最大程度的避免冲击地压的发生。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法，通过在临空巷道侧合理位置，通过在地面上钻取斜井水力压裂工作面上覆坚硬顶板，破坏顶板完整性，能够从源头上控制坚硬顶板大面突然垮落引发的临空巷道冲击地压。
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为本发明实施例提供的煤矿坚硬顶板冲击地压控制过程原理图；
图2为本发明实施例提供的煤矿工作面的I-I剖面图；
图3为本发明实施例高能射孔枪打孔结构示意图；
在图1-3中：
1-煤矿工作面，2-煤层，3-顶板，4-K3岩层，5-K4岩层，6-钻井平台，7-斜井，8-临空巷道，9-工作面推进方向，10-高能射孔枪。
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1
本发明实施例公开了一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法，包括：
S1：选取以煤矿工作面内小于等于距离煤层垂直距离H1，且单轴抗压强度和厚度分别超过σc和H2的坚硬顶板为压裂目标层；
S2：在临空巷道垂直距离S1的位置，以倾斜角度α钻取斜井，直至斜井全部穿透所述压裂目标层；
S3：确定垂直于斜井且沿着煤矿工作面推进方向，利用高能射孔枪依次对压裂目标层的两侧射孔；
S4、依次对各个射孔进行封孔、压裂；
S5、沿着煤矿工作面推进方向移动距离S2，在临空巷道垂直距离S1的位置，以倾斜角度α再次钻取斜井，直到斜井穿透全部所述压裂目标层；
S6、执行步骤S3和S4，完成斜井的压裂目标层的致裂；
S7、重复执行步骤S5和S6，直至完成煤矿工作面的压裂。
在一个具体的实施例中，压裂目标层选取条件中，工作面内距离煤层垂直距离H1与煤层开采厚度h相关，当0<h≤4.5m时，H1＝50m；当4.5m<h≤8m时，H1＝80m；当h>8m时，H1＝150m。
在一个具体的实施例中，坚硬顶板的单轴抗压强度σc和厚度H2，存在如下关系：当8m≤H2≤15m时，σc＝75MPa；当15m<H2≤30m时，σc＝65MPa；当H2>30m时，σc＝50MPa。
在一个具体的实施例中，沿着煤矿工作面推进方向移动距离S2与基本顶的普氏系数f、泵站的压力P存在如下关系：当0<f≤7且P>80MPa时，S2＝250m；当0<f≤7且P≤80MPa，S2＝200m；当7<f≤10且P>80MPa时，S2＝150m；当7<f≤10且P≤80MPa时，S2＝100m；当f>10时，S2＝80m。
在一个具体的实施例中，钻井平台倾斜角度α与煤矿工作面的垮落角度β存在如下关系：
α＝β。
在一个具体的实施例中，斜井距离临空巷道垂直距离S1与煤矿工作面的垮落角度β、煤柱尺寸L存在如下关系：S1＝Lsinβ。
实施例2
具体应用本发明实施例1提供方法的过程如下：
本发明实施例提供了一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法，在临空巷道侧合理位置，采用地面垂直钻井水力压裂上覆坚硬顶板，破坏顶板完整性，从源头上控制坚硬顶板大面突然垮落引发的临空巷道冲击地压，具体过程如下：
参见附图1-3所示，以晋能控股集团某工作面为例，工作面的地质条件如下：煤层开采厚度7m；工作面上覆存在4层厚度超过8m的坚硬岩层，分别为12m的基本顶、20m的K3岩层、18m的K4岩层和18m的K5岩层，对应的单轴抗压强度分别为80MPa、70MPa、67MPa和56MPa，对应的普氏系数分别为8.0、7.0、6.7和5.6；对应距离煤层垂直距离分别为25m、45m、65m和95m；煤矿工作面的垮落角度为82°；工作面临空巷道煤柱尺寸为8m。采用的泵站压力60MPa，具体的压裂过程如下：
a、工作面1内距离煤层2垂直距离80m以内的基本顶3、K3岩层4和K4岩层5选为压裂目标层；
b、在上个工作面1开采前，距离临空巷道8垂直离7.92m，利用钻井平台6以倾斜角度82°钻取斜井7，直到斜井7穿透基本顶3、K3岩层4和K4岩层5；
c、垂直与斜井7，并沿着工作面推进方向9，利用高能射孔枪10向两侧依次对基本顶3、K3岩层4和K4岩层5射孔；
d、依次对基本顶3、K3岩层4和K4岩层5进行封孔、压裂；
e、沿着工作面推进方向移动距离100m，距离临空巷道8垂直离7.92m，利用钻井平台6以倾斜角度82°钻取斜井7，直到斜井7穿透基本顶3、K3岩层4和K4岩层5；
f、执行步骤c和d，完成下个斜井7的压裂目标层的致裂；
g、反复执行步骤e和f，直到完成上个工作面1的压裂。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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 (5)
1.一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法，其特征在于，包括：
S1：选取以煤矿工作面内小于等于距离煤层垂直距离H1，且单轴抗压强度和厚度分别超过σc和H2的坚硬顶板为压裂目标层；
S2：在临空巷道垂直距离S1的位置，以倾斜角度α钻取斜井，直至斜井全部穿透所述压裂目标层；
S3：确定垂直于斜井且沿着煤矿工作面推进方向，利用高能射孔枪依次对压裂目标层的两侧射孔；
S4：依次对各个射孔进行封孔、压裂；
S5：沿着煤矿工作面推进方向移动距离S2，在临空巷道垂直距离S1的位置，以倾斜角度α再次钻取斜井，直到斜井穿透全部所述压裂目标层；
S6：执行步骤S3和S4，完成斜井的压裂目标层的致裂；
S7：重复执行步骤S5和S6，直至完成煤矿工作面的压裂；
沿着煤矿工作面推进方向移动距离S2与基本顶的普氏系数f、泵站的压力P存在如下关系：当0<f≤7且P>80MPa时，S2＝250m；当0<f≤7且P≤80MPa，S2＝200m；当7<f≤10且P>80MPa时，S2＝150m；当7<f≤10且P≤80MPa时，S2＝100m；当f>10时，S2＝80m。
2.根据权利要求1所述的一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法，其特征在于，所述压裂目标层选取条件中，工作面内距离煤层垂直距离H1与煤层开采厚度h相关，当0<h≤4.5m时，H1＝50m；当4.5m<h≤8m时，H1＝80m；当h>8m时，H1＝150m。
3.根据权利要求2所述的一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法，其特征在于，坚硬顶板的单轴抗压强度σc和厚度H2，存在如下关系：当8m≤H2≤15m时，σc＝75MPa；当15m<H2≤30m时，σc＝65MPa；当H2>30m时，σc＝50MPa。
4.根据权利要求1所述的一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法，其特征在于，钻井平台倾斜角度α与煤矿工作面的垮落角度β存在如下关系：
α＝β。
5.根据权利要求4所述的一种基于地面压裂的坚硬顶板临空巷道冲击地压控制方法，其特征在于，斜井距离临空巷道垂直距离S1与煤矿工作面的垮落角度β、煤柱尺寸L存在如下关系：
S1＝Lsinβ。
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