CN114562267A - 一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，属于煤矿开采技术领域。包括以下步骤：S1.挖掘回撤通道：在采煤机进行割煤时，对煤壁进行支护，形成回撤通道；S2.确定综采工作面的顶板岩层的结构参数；S3.在回撤通道内朝向工作面侧施工钻孔；S4.获取钻孔参数：根据顶板岩层的结构参数，分别计算孔A孔和孔B的基本参数，孔A和孔B分别布置14组钻孔；S5.进行水力压裂：分别在每个孔A和孔B上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，并沿切割裂缝切断顶板岩层。通过本申请中的方法达到了出架作业的使用要求，有效缩短了工作面的出架时间，项目效果良好。

Description

一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法

技术领域

本申请涉及煤矿开采技术领域，具体而言，涉及一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法。

背景技术

工作面在推进的过程中，超前支承应力也会随之前移，顶板也会持续的断裂、下沉等。当超前支承应力到达出架通道时，会造成出架通道的围岩应力升高，变形增加，当工作面逼近出架通道时，老顶的断裂、旋转、下沉等扰动也会进一步加剧出架通道的变形，造成巷道难以维护。因此，实现动压影响下出架通道的围岩控制成为解决问题的关键。

目前国内外对于动压巷道的卸压支护方式主要有爆破卸压技术、水力压裂切顶卸压技术、钻孔卸压技术和留巷卸压技术等几种。

(1)爆破卸压技术：爆破卸压技术，通过炮眼的起爆，使巷道周围岩体形成可缩性空洞。从而降低巷道周边的应力、加速和控制非弹性变形区的形成。在治理巷道底鼓时采用松动爆破方法，指出若在底板支承压力区进行深部松动爆破，那么爆破所形成的围岩破碎区将在巷道轴向方向上形成一条连通的软化带，使底板的支承压力向围岩深部转移，降低其对底板的压力，从而达到减缓底鼓变形的目的。通过对巷道基脚松动爆破理论的研究，明确了爆破卸压支护技术效果的好坏，主要在于爆破参数的选择，主要包括：爆破卸压的深度，钻孔的角度，炸药的用量，钻孔的间排拒以及卸压的时间等，最后，其通过数值模拟和相似模拟实验验证了其理论的正确性。

(2)水力压裂卸压技术：通过水力压裂及时切顶及弱化顶板围岩卸压，减小工作面两侧孤形三角板的悬臂长度，切断采动应力向进风巷方向的传递，尽量使采空区顶板及时并且充分垮落，限制顶板覆岩大结构回转下沉，断开或转移工作面大结构回转变形对巷道的影响，缓解留巷的来压效应，从而减小应力集中，降低支护难度，控制应力。进行水压致裂技术较弱支承压力进行现场实践，实践结果表明，水压致裂技术可以大幅度降低支承压力并消除了支承压力峰值。通过数值模拟对比分析了水压致裂前后基本顶岩层的破坏形式，认为水压致裂之后基本顶由主要的压缩破坏转变为剪切破坏。在坚硬顶煤中运用水力致裂弱化技术，分析水力裂隙发展规律以及水力裂缝扩展形态控制技术，并给出水压致裂技术发展趋势。在煤矿中运用水压致裂控制技术，通过现场实践，提出预先水力割缝定向致裂技术。实验证明水压致裂技术可以弱化坚硬顶板、瓦斯煤层增透等，并有显著地成效。

(3)钻孔卸压技术：利用三维离散元分析软件3DEC，对不同孔径的卸压孔在深部巷道中的卸压支护效果进行了模拟分析。结果表明，在对巷道两帮钻进行了钻孔卸压之后，巷道围岩的应力集中区域由两帮附近转移到了围岩深部，并且主要集中在了钻孔的底端，从而有效减小了巷道两帮的变形。通过回归分析得出了钻孔半径与钻孔直径、垂压和煤层强度之间的关系。对不同钻孔深度的卸压效果进行了分析，得到：通过提前钻取卸压孔，将聚集的采动应力和地质构造应力释放出来，可以有效地减少冲击地压的发生，并且钻孔越大，深度越大，其卸压效果就越好。

(4)留巷卸压技术：通过在鲍店煤矿峒室顶部开掘卸压巷，有效地降低了峒室区域围岩中的高应力，使其向围岩的深部转移，减缓了硐室围岩的变形，维持了硐室的长期稳定。分析了巷道掘巷卸压法的机理和参数，并通过工业性试验，验证了顶部巷道卸压方法的有效性，并将其推广运用到了受动压强烈影响的松软巷道或硐室围岩控制加固方面。对新集煤矿综放开采的地质条件进行实际考察和研究，通过在回风巷道顶部进行开掘平巷卸压和松动爆破，有效降低了回风巷道围岩高应力状况，很好的维护了巷道的稳定性。

水力卸压、钻孔卸压、卸压槽/卸压巷道和爆破卸压是目前矿山采用的主要卸压方式，在对这些卸压方式的卸压原理、裂纹扩展机理、卸压效果等方向进行了研究，取得了一些成果。但目前卸压技术理论研究发展较为缓慢，还不能通过理论或经验公式确定卸压参数，没有相关规范指导实践，仍需进行进一步的研究。

发明内容

为了弥补以上不足，本申请提供了一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法。

本申请实施例提供了一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，包括以下步骤：

S1.挖掘回撤通道：在采煤机进行割煤时，对煤壁进行支护，形成回撤通道；

S2.确定综采工作面的顶板岩层的结构参数；

S3.在回撤通道内朝向工作面侧施工钻孔；

S4.获取钻孔参数：根据顶板岩层的结构参数，分别计算孔A孔和孔B的基本参数，孔A和孔B分别布置14组钻孔；

S5.进行水力压裂：分别在每个孔A和孔B上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，并沿切割裂缝切断顶板岩层。

在上述实现过程中，通过本申请中的方法达到了出架作业的使用要求，有效缩短了工作面的出架时间，项目效果良好。

在一种具体的实施方案中，所述S1中挖掘回撤通道的方法具有包括以下步骤：

S101.将综采工作面推进到煤壁与预定停采线距离，且煤壁与预定停采线距离为预定回撤巷道宽度，停止割煤，将液压支架与刮板输送机之间的连接断开；

S102.启动采煤机继续割煤，将煤层分成顶煤和底煤两层先后割采，按预定步距割完顶煤后，立即安排工作人员站到底煤形成的台阶上，对顶板进行及时支护；

S103.顶板支护完成后，继续割采底煤，割完底煤后，用单体支柱前端顶住刮板输送机、后部顶住支架底座，利用单体支柱推移所述刮板输送机前移至煤壁，由此完成一个循环；

S104.重复S102和S103，直到所述采煤机割到所述预定停采线位置，对煤壁进行支护，形成回撤通道。

在一种具体的实施方案中，所述S101前还包括以下步骤：在与所述预定停采线距离小于所述液压支架顶梁长度和所述预定回撤通道宽度之和的区域内，对顶板进行注浆加固。

在一种具体的实施方案中，所述S2中确定综采工作面的顶板岩层的结构参数，具体为：根据综采工作面的钻孔柱状图或通过钻孔窥视，确定所述顶板岩层的结构参数。

在一种具体的实施方案中，所述顶板岩层的结构参数包括直接顶和老顶的厚度、岩石的膨胀系数、工作面采高、周期来压步距、岩性、地应力场的大小、煤岩体强度、工作面回采工艺、支架参数和顶板周期来压中的至少一项。

在一种具体的实施方案中，所述S4中孔A在钻孔时垂直巷帮迎着工作面斜向顶板岩层施工，仰角设置为30-50°，钻孔长度为20-30m，所述S4中孔B在钻孔时与回撤通道方向呈夹角施工，方位角设置为10-30°，仰角为30-50°，钻孔长度为10-30m。

在一种具体的实施方案中，所述S4中孔A在钻孔时垂直巷帮迎着工作面斜向顶板岩层施工，仰角设置为40°，钻孔长度为22m，所述S4中孔B在钻孔时与回撤通道方向呈夹角施工，方位角设置为20°，仰角为45°，钻孔长度为20m。

在一种具体的实施方案中，所述S4中孔A和孔B的钻孔直径均为90-100mm，且钻孔间距均为10-20m。

在一种具体的实施方案中，所述S4中孔A和孔B的钻孔直径均为94mm，且钻孔间距均为12m。

在一种具体的实施方案中，所述S5中在进行水力压裂时从孔顶部开始，每后退2-3m压裂一次，直至压裂至距离孔口7m位置，不能达到锚索的岩石层位，每个孔共计压裂5-6段，每段的压裂时间控制在25-30min。

有益效果：

通过本申请中的方法，能够根据顶板条件的变化，改变钻孔长度、间距等参数，在现场能够根据钻孔施工情况和水力压裂情况进行适当调整，从而达到出架作业的使用要求，有效缩短了工作面的出架时间，项目效果良好。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本申请实施方式提供的流程图；

图2为本申请实施方式提供的回撤通道的平面结构示意图；

图3为本申请实施方式提供的图2中A-A处剖面结构示意图；

图4为本申请实施方式提供的图2中B-B处剖面结构示意图；

图5为本申请实施方式提供的图2中C-C处剖面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

为使本申请实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1-5，本申请提供一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，包括以下步骤：

S1.挖掘回撤通道：在采煤机进行割煤时，对煤壁进行支护，形成回撤通道；

S2.确定综采工作面的顶板岩层的结构参数；

S3.在回撤通道内朝向工作面侧施工钻孔；

S4.获取钻孔参数：根据顶板岩层的结构参数，分别计算孔A孔和孔B的基本参数，孔A和孔B分别布置14组钻孔；

S5.进行水力压裂：分别在每个孔A和孔B上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，并沿切割裂缝切断顶板岩层。

在本申请方案中，所述S1中挖掘回撤通道的方法具有包括以下步骤：

S101.将综采工作面推进到煤壁与预定停采线距离，且煤壁与预定停采线距离为预定回撤巷道宽度，停止割煤，将液压支架与刮板输送机之间的连接断开；

S102.启动采煤机继续割煤，将煤层分成顶煤和底煤两层先后割采，按预定步距割完顶煤后，立即安排工作人员站到底煤形成的台阶上，对顶板进行及时支护；

S103.顶板支护完成后，继续割采底煤，割完底煤后，用单体支柱前端顶住刮板输送机、后部顶住支架底座，利用单体支柱推移所述刮板输送机前移至煤壁，由此完成一个循环；

S104.重复S102和S103，直到所述采煤机割到所述预定停采线位置，对煤壁进行支护，形成回撤通道。

在本申请方案中，所述S101前还包括以下步骤：在与所述预定停采线距离小于所述液压支架顶梁长度和所述预定回撤通道宽度之和的区域内，对顶板进行注浆加固。

在本申请方案中，所述S2中确定综采工作面的顶板岩层的结构参数，具体为：根据综采工作面的钻孔柱状图或通过钻孔窥视，确定所述顶板岩层的结构参数。

在本申请方案中，所述顶板岩层的结构参数包括直接顶和老顶的厚度、岩石的膨胀系数、工作面采高、周期来压步距、岩性、地应力场的大小、煤岩体强度、工作面回采工艺、支架参数和顶板周期来压中的至少一项。

在本申请方案中，所述S4中孔A在钻孔时垂直巷帮迎着工作面斜向顶板岩层施工，仰角设置为30-50°，钻孔长度为20-30m，所述S4中孔B在钻孔时与回撤通道方向呈夹角施工，方位角设置为10-30°，仰角为30-50°，钻孔长度为10-30m。

在具体设置时，所述S4中孔A在钻孔时垂直巷帮迎着工作面斜向顶板岩层施工，仰角设置为40°，钻孔长度为22m，所述S4中孔B在钻孔时与回撤通道方向呈夹角施工，方位角设置为20°，仰角为45°，钻孔长度为20m。

在本申请方案中，所述S4中孔A和孔B的钻孔直径均为90-100mm，且钻孔间距均为10-20m。

在具体设置时，所述S4中孔A和孔B的钻孔直径均为94mm，且钻孔间距均为12m。

在本申请方案中，所述S5中在进行水力压裂时从孔顶部开始，每后退2-3m压裂一次，直至压裂至距离孔口7m位置，不能达到锚索的岩石层位，每个孔共计压裂5-6段，每段的压裂时间控制在25-30min。

该一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法的原理及优点：通过本申请中的方法，能够根据顶板条件的变化，改变钻孔长度、间距等参数，在现场能够根据钻孔施工情况和水力压裂情况进行适当调整，从而达到出架作业的使用要求，有效缩短了工作面的出架时间，项目效果良好。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.挖掘回撤通道：在采煤机进行割煤时，对煤壁进行支护，形成回撤通道；

S2.确定综采工作面的顶板岩层的结构参数；

S3.在回撤通道内朝向工作面侧施工钻孔；

S4.获取钻孔参数：根据顶板岩层的结构参数，分别计算孔A孔和孔B的基本参数，孔A和孔B分别布置14组钻孔；

S5.进行水力压裂：分别在每个孔A和孔B上的多个预设位置处进行水力压裂卸压处理，以形成多条切割裂缝，并沿切割裂缝切断顶板岩层。

2.根据权利要求1所述的一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，其特征在于，所述S1中挖掘回撤通道的方法具有包括以下步骤：

S101.将综采工作面推进到煤壁与预定停采线距离，且煤壁与预定停采线距离为预定回撤巷道宽度，停止割煤，将液压支架与刮板输送机之间的连接断开；

S102.启动采煤机继续割煤，将煤层分成顶煤和底煤两层先后割采，按预定步距割完顶煤后，立即安排工作人员站到底煤形成的台阶上，对顶板进行及时支护；

S103.顶板支护完成后，继续割采底煤，割完底煤后，用单体支柱前端顶住刮板输送机、后部顶住支架底座，利用单体支柱推移所述刮板输送机前移至煤壁，由此完成一个循环；

S104.重复S102和S103，直到所述采煤机割到所述预定停采线位置，对煤壁进行支护，形成回撤通道。

3.根据权利要求2所述的一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，其特征在于，所述S101前还包括以下步骤：在与所述预定停采线距离小于所述液压支架顶梁长度和所述预定回撤通道宽度之和的区域内，对顶板进行注浆加固。

4.根据权利要求1所述的一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，其特征在于，所述S2中确定综采工作面的顶板岩层的结构参数，具体为：根据综采工作面的钻孔柱状图或通过钻孔窥视，确定所述顶板岩层的结构参数。

5.根据权利要求4所述的一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，其特征在于，所述顶板岩层的结构参数包括直接顶和老顶的厚度、岩石的膨胀系数、工作面采高、周期来压步距、岩性、地应力场的大小、煤岩体强度、工作面回采工艺、支架参数和顶板周期来压中的至少一项。

6.根据权利要求1所述的一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，其特征在于，所述S4中孔A在钻孔时垂直巷帮迎着工作面斜向顶板岩层施工，仰角设置为30-50°，钻孔长度为20-30m，所述S4中孔B在钻孔时与回撤通道方向呈夹角施工，方位角设置为10-30°，仰角为30-50°，钻孔长度为10-30m。

7.根据权利要求6所述的一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，其特征在于，所述S4中孔A在钻孔时垂直巷帮迎着工作面斜向顶板岩层施工，仰角设置为40°，钻孔长度为22m，所述S4中孔B在钻孔时与回撤通道方向呈夹角施工，方位角设置为20°，仰角为45°，钻孔长度为20m。

8.根据权利要求1所述的一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，其特征在于，所述S4中孔A和孔B的钻孔直径均为90-100mm，且钻孔间距均为10-20m。

9.根据权利要求8所述的一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，其特征在于，所述S4中孔A和孔B的钻孔直径均为94mm，且钻孔间距均为12m。

10.根据权利要求1所述的一种预掘回撤通道水力压裂切顶线位置确定方法，其特征在于，所述S5中在进行水力压裂时从孔顶部开始，每后退2-3m压裂一次，直至压裂至距离孔口7m位置，不能达到锚索的岩石层位，每个孔共计压裂5-6段，每段的压裂时间控制在25-30min。

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