CN114165232A - 一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，包括以下步骤：S1、确定顶板压裂的水平和垂直位置；S2、施工并冲洗钻孔；S3、将封孔器送入钻孔内指定位置，封孔器与注水钢管连接，注水钢管通过高压供水胶管与高压水泵连接；S4、封孔器加压实现封孔；观察封孔器压力，确保封孔器正常工作；S5、在致裂一次后，关闭高压水泵待压力恢复至0MPa，继续开启高压水泵使压力慢慢升高，将裂隙进一步扩展，同时记录高压水泵压力变化；循环压裂2‑3次；S6、撤出设备，清理现场。本发明达到减小或消除坚硬难垮顶板对采区准备巷道的影响，且不易造成煤炭资源的浪费，符合绿色开采的理念。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，属于矿井技术领域。
背景技术
在煤矿井下，回采工作面推进产生的剧烈采动应力会对工作面前方的开拓大巷或采盘区大巷产生扰动影响，如破坏大巷围岩稳定，影响矿井整体生产与安全。理论上停采线的设计位置距离大巷越远，则对大巷的影响越小，只有在超前支承压力小于煤岩体的抗压强度时，才能保证大巷保护煤柱的稳定性。
煤层上部的坚硬顶板容易形成长悬顶，是形成峰值大、传播距离远的高支承应力的主要原因，仅增大保护煤柱的宽度可以使大巷摆脱支承压力的影响，但容易造成煤炭资源的浪费，不符合绿色开采的理念。因此，人为主动对末采期切眼顶板进行切顶卸压处理，截断工作面超前支承应力的物理传播路径，能达到保护大巷围岩的目的。
水力压裂自提出以来，已应用于石油和天然气工业、水利水电工程、地热资源开发、核废料储存、地应力测量等领域，显示出广泛的工业应用价值。水力压裂作为经济、安全、高效的坚硬顶板控制技术，已在我国部分煤矿得到了验证，成为我国煤矿坚硬难跨顶板控制的有效手段。我国众多学者对其机理进行了研究，表明水力压裂可使顶板岩层定向压裂、破坏顶板岩层的完整性，进而削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距，达到减小或消除坚硬难垮顶板对工作面的回采危害。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，包括以下步骤：
S1、确定顶板压裂的水平和垂直位置；
S2、按照设计参数，使用坑道钻机施工并冲洗钻孔；
S3、将封孔器送入钻孔内指定位置，封孔器与注水钢管连接，注水钢管通过高压供水胶管与高压水泵连接；
S4、利用手动泵为封孔器加压实现封孔；通过高压水泵输出不同泵压控制注水钢管内水压力，缓慢提高高压水泵压力，同时观察封孔器压力，确保封孔器正常工作；
S5、在致裂一次后，关闭高压水泵待压力恢复至0MPa，继续开启高压水泵使压力慢慢升高，将裂隙进一步扩展，同时记录高压水泵压力变化；循环压裂2-3次；
S6、撤出设备，清理现场。
作为改进的，所述步骤S1中顶板压裂的水平位置根据煤层顶板的坚硬岩层位置确定。
作为改进的，所述步骤S1中顶板压裂的垂直位置由岩石的垮落高度h确定，垮落高度h为：
其中，M为开采高度，KZ为顶板的残余碎胀系数，取值范围1.1～1.3。
作为改进的，所述步骤S2中在工作面的皮带顺槽和轨道顺槽分别施工6个钻孔，总计12个钻孔。
作为改进的，所述步骤S2中开孔位置滞后距离停采线5m。
作为改进的，所述高压水泵的出口压力大于46MPa，流量60L/min。
作为改进的，注水钢管采用外径32mm、壁厚5mm、长度1.5m的高强度无缝钢管。
作为改进的，高压供水胶管的承压能力大于60MPa。
与现有技术相比，本发明可精准定位压裂位置，可定向压裂顶板岩层、破坏顶板坚硬岩层的完整性，进而削弱坚硬顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，缩短停采线位置坚硬顶板的悬顶长度，阻断末采期超前支承压力的传递路径并降低其影响范围，达到减小或消除坚硬难垮顶板对采区准备巷道的影响，且不易造成煤炭资源的浪费，符合绿色开采的理念。
附图说明
图1为本发明实施例1的岩层柱状图；
图2为本发明实施例1的结构示意图；
图3为本发明实施例1的顶板预裂钻孔布置剖面示意图；
图4为本发明实施例1的顶板预裂钻孔布置平面示意图
图5为本发明实施例1的单侧顶板预裂钻孔布置放大剖面示意图；
图6为本发明实施例1的单侧顶板预裂钻孔放大平面示意图；
图中：1、静压水进水管路，2、高压水泵，3、水泵压力表，4、手动泵，5、手动泵压力表，6、高压供水胶管，7、连接头，8、注水钢管，9、封孔器注水软管，10、封孔器，11、压裂钢管，12、前段封孔器注水软管，13、预裂缝，14、水力压裂钻孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
以常村矿2106综放工作面为例，进行详细说明。
具体而言，2106工作面主采3#煤层，工作面宽度308m，工作面沿推进方向上被落差为10m的大断层隔断，2106内切眼至第一停采线的距离为412m，2106外切眼至第二停采线的距离为420m，第二停采线为工作面的最终停采线，受到地表村庄的影响位于村庄保护煤柱边界，距离470东翼1#回风巷223m。2106工作面东部与2107工作面相邻(未开采)，西部与2101采空区相邻，2106皮带顺槽距离采空区的距离为40m。2106底抽巷与2106皮带顺槽的水平距离为25m，巷道顶板距离3#煤层底板垂直距离为22m。
2106综放工作面开采的3#煤层厚度5.92m，埋深约为430m，煤层直接顶为泥岩，厚度2.8m，老顶为中粒砂岩，厚度6.6m，再向上延伸为泥岩与细砂岩的互层。直接底为泥岩，厚度1.2m，老底为细粒砂岩，厚度1.5m。其中老顶6.6m厚的中粒砂岩为厚度较大的坚硬岩层，在末采停采线位置容易形成长悬顶，造成强矿压显现，成为重点控制的对象。岩层柱状图如图1所示。
在进行水力压裂切顶工艺操作之前，需要先确定顶板压裂的位置：即确定顶板压裂的水平位置和垂直位置。
1、水平位置：具体地，压裂的水平位置根据煤层顶板的坚硬岩层位置确定，主要目的是中粒砂岩和细砂岩压裂坚硬顶板；
2、垂直位置：水力压裂后，直接顶和基本顶在垮落后应尽可能充满采空区，支承上覆岩层向下弯曲变形产生大范围传递的高支承压力。岩石的垮落体积与碎胀系数有关，垮落高度h为：
其中，M为开采高度，KZ为顶板的残余碎胀系数。
2106工作面开采高度为5.9m，KZ的取值范围为1.2，计算可得充满采空区的垮落高度h＝29.5m，位于1#煤煤线的位置。因此，切顶高度确定为30m。
顶板水力压裂包括封孔、高压水压裂、保压注水三项主要工序，如图2所示。
利用地质钻机进行钻孔作业。待钻孔完成后，钻孔队伍进行下一个钻孔作业，在完成的钻孔中安装封孔器，利用手动泵4封孔，最后连接高压水泵2实施压裂；
具体包括以下步骤：
一、施工钻孔：按照设计参数，使用坑道钻机施工水力压裂钻孔14；
二、冲洗钻孔：施工过程中很容易出现卡孔、钻杆偏转等问题，因此要充分清洗水力压裂钻孔14防止煤岩粉尘阻塞钻孔；
三、连接注水钢管与封孔器：提前连接好注水钢管8与封孔器10，能够有效减少推进注水钢管8的工时，极大提高施工效率；
四、放置封孔器：先固定2-3节无缝钢管作为注水钢管8，并将其与两节连接好的一套封孔器设备相连(两节封孔器间安装有压裂钢管11和前段封孔器注水软管12)，提前将封孔器10对准水力压裂钻孔14，缓慢将封孔器10送入钻孔内；在推送封孔器10过程中，每两节钢管为一组，每次推入两根钢管的长度(3m)，直至封孔器10到达指定位置为止；
五、固定钢管：在放置好封孔器10后，将孔口的钢管固定在锚网上防止高压水泄漏后冲出钻孔；
六、连接高压水管：将注水钢管8通过高压供水胶管6与高压水泵2连接，高压水泵2与静压水进水管路1连接，高压水泵2上安装有水泵压力表3，注水钢管8与高压供水胶管6间安装有连接头7；
七、封孔和压裂：利用手动泵4为封孔器10加压使胶筒膨胀，达到封孔目的，其中，手动泵4上安装有手动泵压力表5，手动泵4通过封孔器注水软管9与封孔器10连接；
操作完毕后，人员撤离至距水力压裂钻孔14约30m范围以外；在高压水泵2旁通过输出不同泵压控制注水钢管8内水压力，缓慢提高高压水泵2压力；同时观察封孔器10的压力，若在高压水泵2加压时封孔器10的压力同步缓慢提高，则说明封孔效果良好，若钻孔中有水流出或压力下降明显，说明封孔失效，检查封孔器10各个连接处及封孔器本身，找出并解决问题，确保封孔器正常工作；
八、循环压裂：通过在致裂一次过后，关闭高压水泵2待压力恢复至0MPa；继续开启高压水泵2使压力慢慢升高，通过水压使得裂隙进一步扩展，同时记录下泵站压力变化，一般来说第一次致裂压力最高，随着压裂次数增加压力逐渐降低；循环压裂次数为2-3次即可；
九、撤出设备，清理现场。
其中，需要说明的是，封孔时需要按照：手动泵4通过三通分别与手动泵压力表5和封孔器注水软管9的方式连接管路，进而保证连接处密封完好，当试压达到要求后可投入使用。试压时加压到2～5MPa检查密封情况。
加压压裂工艺的压裂时间根据泵压确定，泵压上升到一定高度、稳定一段时间再降低后停止压裂。
具体地，2106工作面停采线水力压裂钻孔布置如图3-图6所示。在2106皮带顺槽和2106轨道顺槽施工钻孔，在两个顺槽分别布置6个钻孔，总计12个钻孔。轨道顺槽：A1-A6，皮带顺槽：B1-B6。开孔位置滞后距离停采线5m，其中A1(B1)→A4(B4)孔间距1m，A5(B5)→A6(B6)孔间距2m。
其中，钻孔布置参数：
A1-A6孔在2106轨道顺槽施工，B1-B6孔在2106皮带顺槽施工。
A1孔、B1孔：开孔位置在滞后停采线5m，在巷道顶板以仰角50°，垂直于巷帮向工作面侧施工钻孔，钻孔直径为Φ65mm，钻杆直径为50mm，钻孔深度设计为41m，致裂6次，致裂点与孔底的距离分别为2m、8m、13.5m、21m、31m和35m；
A2孔、B2孔：开孔位置在滞后停采线6m，在巷道顶板以仰角22°，垂直于巷帮向工作面侧施工钻孔，钻孔直径为Φ65mm，钻杆直径为50mm，钻孔深度设计为82m，致裂7次，致裂点与孔底的距离分别为2m、14m、26m、38m、44m、62m和68m；
A3孔、B3孔：开孔位置在滞后停采线7m，在巷道顶板以仰角17°，垂直于巷帮向工作面侧施工钻孔，钻孔直径为Φ65mm，钻杆直径为50mm，钻孔深度设计为105m，致裂7次，致裂点与孔底的距离分别为2m、17m、32m、48m、55m、78.5m和87m；
A4孔、B4孔：开孔位置在滞后停采线8m，在巷道顶板以仰角31°，垂直于巷帮向工作面侧施工钻孔，钻孔直径为Φ65mm，钻杆直径为50mm，钻孔深度设计为60.3m，致裂6次，致裂点与孔底的距离分别为2m、11m、39m、30m、45m和50m；
A5孔、B5孔：开孔位置在滞后停采线5m，在巷道顶板以仰角65°、水平转角25°，垂直于巷帮向工作面采空区方向施工钻孔，钻孔直径为Φ65mm，钻杆直径为50mm，钻孔深度设计为35m，致裂5次，致裂点与孔底的距离分别为2m、7m、12m、18m和26.6m；
A6孔、B6孔：开孔位置在滞后停采线7m，在巷道顶板以仰角65°、水平转角25°，垂直于巷帮向工作面采空区方向施工钻孔，钻孔直径为Φ65mm，钻杆直径为50mm，钻孔深度设计为35m，致裂5次，致裂点与孔底的距离分别为2m、7m、12m、18m和26.6m；
钻孔工程量：
设计钻孔直径为Φ65mm，总计施工钻孔12个，总工程量为：
Q＝(41+82+105+60.3+35+35)×2＝716.6m；
因此，水力压裂钻孔的工程量约为720m。
高压水泵的出口压力应满足大于46MPa，流量60L/min。长距离钻孔适合采用封压一体的封孔器，以降低注水软管磨损破坏的风险。注水钢管采用外径32mm，壁厚5mm，长度1.5m的高强度无缝钢管，推送封孔器时需要使钻机的卡瓦能够夹紧钢管。孔口到水泵之间的高压供水胶管应满足承压能力大于60MPa。详细的压裂设备如表1所示。
表1水压致裂设备清单
| 序号 | 产品 | 数量 | 单位 |
| 1 | 液压钻机(钻杆Φ50mm，钻头Φ65mm) | 1 | 台 |
| 2 | 高压水泵(压力46MPa，60L/min) | 1 | 台 |
| 3 | 外径55mm双塞封孔器(加强型) | 10 | 套 |
| 4 | 高压水管(≥60MPa) | 100 | 米 |
| 5 | 外径32mm*5mm*1.5m注水钢管 | 120 | 根 |
| 6 | 钢管密封圈 | 100 | 个 |
| 7 | 管路中间的快插接头 | 若干 | |
| 8 | 压力表 | 若干 | |
| 9 | 密封胶，防水胶布、捆扎带等 | 若干 |
需要说明的是，在施工过程中需要按照以下要求来进行：
(1)施工前检查作业点附近有害气体浓度，确保安全后方可施工。
(2)施工期间，施工单位必须严格按照设计参数进行施工。所有工程施工期间，若遇到顶板、帮部条件不好或有异常状况，必须及时采取加强支护措施。
(3)施工期间的积水、碎渣必须及时排放至规定地点，钻孔和压裂积水由排水泵通过排水管路排走，不得在井下随意排放。
(4)钻孔施工要求钻孔尽可能平直，避免大幅拐弯导致无法实施压裂。
(5)钻孔前必须由跟班队干、质量员共同标出钻孔位置并编号，严格控制打眼方位、角度。
(6)压裂前拉警戒线，检查接头部位密封情况，确保无误后方可开始压裂；压裂过程中，严禁人员从压裂钻孔前通过，以防注水管从钻孔中穿出伤人。
(7)高压水泵需调试正反转，运转时总是先通水后通电，停止运转时总是先断电后停水；高压泵首次运转30小时后需更换润滑油，以后每工作约200小时换油一次；使用前检查水泵各部位上的螺栓、螺母，确保拧紧。
(8)压裂过程中，安排专人观测压裂钻孔附近顶板情况，出现漏水、声响或煤体突出时立即停止致裂，观测人员应远离致裂处20m以外。
(9)根据现场压裂情况调整压裂位置和压裂次数，压裂时观察压裂处巷道及锚杆、锚索情况，出现变形或锚杆(索)断裂的情况时立即停止压裂，并远离断裂点，等待致裂稳定后设置临时支护并上报生产技术部，补打支护，同时调整压裂方式。
(10)压裂过程中，在没有出现大量漏水的情况下，压裂时间不少7分钟。
(11)工程质量严格按照质量标准化要求，作业前严格执行制度，及时将破碎顶板用专用工具处理掉，确保安全。
(12)高压泵作业地点和压裂作业地点设置信号铃等通讯设备，用于实时交流。
(13)压裂结束后，首先通过注水管进行钻孔放水，钻孔放水时间为压裂时间的1.5-2倍，待放水彻底后方可为封孔器卸压，严禁在放水彻底前进行封孔器卸压。
(14)压裂完成后，在工作面临近压裂段时派专人监测巷道变形情况，巷道如有异常立即向矿方汇报，采取临时支护措施
(15)施工完毕后及时清理现场，做到文明生产。
从而可知，根据本发明实施例的煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，具体的施工工序为：进入工作面进行瓦斯检查→施工前保护原有管、缆线→钻孔布置→钻孔→窥视→封孔→压裂→竣工验收。
具体的钻孔布置方式为：钻孔采用全液压ZDY1200S钻机及配套钻机平台，钻杆为长度1.0m的Φ50mm钻杆，采用Φ65mm钻头。
具体的压裂时机为：压裂在超前工作面80-100m左右。
具体的压裂工艺为：
①安装、调试工作结束后，连接注水钢管将封孔器推送至预定位置；
③距离压裂孔20m处拉警戒，试验期间除作业人员外禁止人员通行，操作人员以及作业设备应位于支护条件良好的位置；
④开泵注入高压水，观察钻孔并监测压力表，确保封孔器正常工作，注高压水直至顶板开裂；
⑤在致裂完成后，将封孔器向后撤退到下一致裂点继续致裂，直至完成多次致裂的全部工序。
本发明可使顶板岩层定向压裂、破坏顶板坚硬岩层的完整性，进而削弱坚硬顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，缩短停采线位置坚硬顶板的悬顶长度，阻断末采期超前支承压力的传递路径并降低其影响范围，达到减小或消除坚硬难垮顶板对采区准备巷道的影响，且不易造成煤炭资源的浪费，符合绿色开采的理念。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定顶板压裂的水平和垂直位置；
S2、按照设计参数，使用坑道钻机施工并冲洗钻孔；
S3、将封孔器送入钻孔内指定位置，封孔器与注水钢管连接，注水钢管通过高压供水胶管与高压水泵连接；
S4、利用手动泵为封孔器加压实现封孔；通过高压水泵输出不同泵压控制注水钢管内水压力，缓慢提高高压水泵压力，同时观察封孔器压力，确保封孔器正常工作；
S5、在致裂一次后，关闭高压水泵待压力恢复至0MPa，继续开启高压水泵使压力慢慢升高，将裂隙进一步扩展，同时记录高压水泵压力变化；循环压裂2-3次；
S6、撤出设备，清理现场。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于，所述步骤S1中顶板压裂的水平位置根据煤层顶板的坚硬岩层位置确定。
3.根据权利要求1或2所述的一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于，所述步骤S1中顶板压裂的垂直位置由岩石的垮落高度h确定，垮落高度h为：
其中，M为开采高度，KZ为顶板的残余碎胀系数，取值范围1.1～1.3。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于，所述步骤S2中在工作面的皮带顺槽和轨道顺槽分别施工6个钻孔，总计12个钻孔。
5.根据权利要求4所述的一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于，所述步骤S2中开孔位置滞后距离停采线5m。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于，所述高压水泵的出口压力大于46MPa，流量60L/min。
7.根据权利要求1所述的一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于，注水钢管采用外径32mm、壁厚5mm、长度1.5m的高强度无缝钢管。
8.根据权利要求1所述的一种煤矿井下末采顶板水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于，高压供水胶管的承压能力大于60MPa。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115288685A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-11-04 | 黑龙江龙煤矿业控股集团有限责任公司 | 一种坚硬顶板下回采巷道水力压裂切顶卸压的技术方法 |
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2021
- 2021-12-15 CN CN202111530947.XA patent/CN114165232A/zh active Pending
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