CN114856684B - 长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法 - Google Patents

长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，首先在回风顺槽超前支护段沿巷帮向顶板开设L型钻孔，将封孔器和封隔器送至指定位置封孔，对顶板钻孔进行高压水压致裂，在其内部沿平行于巷帮方向和垂直于巷帮方向产生水压裂缝，改造顶板结构并弱化顶板强度，诱导低位顶板在矿山压力作用下及时充分垮落；然后在回风顺槽内按三花眼布置方式开设高位岩层钻孔，对每个钻孔进行高压水压致裂，在高位岩层内部产生水压主裂缝和翼型分支裂缝，使此岩层内的高抽巷能够与采空区通过水压裂缝导通，提高顶板高抽巷的瓦斯抽采效率，有效降低采空区瓦斯浓度，随后在矿山压力作用下使高位岩层及时充分垮落，消除端头悬顶隐患。

Description

长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法
技术领域
本发明涉及采矿技术领域，具体地说是一种长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法。
背景技术
我国坚硬顶板赋存煤层储量丰富，由于坚硬顶板条件下采煤工作面回采巷道煤柱侧巷帮的支撑及端头处巷道顶板高强度的支护，端头顶板大多存在不能及时冒落的问题，容易出现端头悬顶。同时此条件下的煤层瓦斯含量较高，通常采用顶板高抽巷的形式抽采采空区的瓦斯，但由于顶板坚硬，高位顶板难以及时垮落，导致顶抽巷与采空区无法导通或导通不充分，无法发挥顶抽巷的作用，导致采空区瓦斯抽采效果差，采空区积聚大量瓦斯。当端头悬顶突然大面积垮落，采空区集聚瓦斯等有毒有害气体会被瞬间挤出并推入工作面空间，造成工作面瓦斯涌出量超标，导致瓦斯超限，甚至诱发瓦斯爆炸等衍生灾害，影响工作面正常生产。因此，坚硬顶板赋存条件下长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采协同控制是亟需解决的技术难题，尤其是我国沁水煤田和西山煤田的大量煤炭资源赋存于复合坚硬石灰岩顶板条件下，石灰岩一般比砂岩强度高，同时软硬相间的复合坚硬石灰岩顶板条件使得端头悬顶和采空区瓦斯抽采协同控制变得更加复杂。
为消除上述安全隐患，一般首先弱化端头低位顶板强度使端头顶板及时垮落，同时采取措施控制高位顶板岩层，使顶板高抽巷与采空区充分导通，抽采采空区瓦斯从而降低采空区瓦斯浓度。
传统处理坚硬顶板的方法为炸药爆破，但采用炸药破碎顶板的方法存在以下问题：第一，传统的爆破放顶安全管理复杂：爆破放顶安全管理涉及到炸药、雷管的管理运输，放炮要严格执行“一炮三检制”和“三人连锁放炮制”；第二，爆破存在安全隐患：实践表明，大规模爆破瞬时产生的大量CO等有害气体给矿井通风安全管理造成巨大影响；对于高瓦斯矿井，由于存在爆破火花诱导瓦斯爆炸的隐患，不宜采用炸药爆破破碎顶板；第三，爆破经济成本高：破碎顶板时，炮眼之间的间距一般很小，所以需要大量的火药和雷管等火工品。
水压致裂是通过钻井(钻孔)向地层中注入高压水，在流固耦合的作用下，使井筒(孔壁)产生破裂并扩展，在地层中形成人工裂缝。近年来开始广泛应用于煤矿坚硬顶板控制。因为在顶板压裂过程不会产生火花，因此在高瓦斯矿井中，与炸药相比压裂技术具有明显的优势。
因此，急需提出一种安全高效的长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，使低位端头顶板及高位顶板岩层能够及时垮落，消除端头悬顶隐患，同时提高采空区瓦斯抽采效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，该方法能使低位端头顶板及高位顶板岩层能够及时垮落，消除端头悬顶隐患，同时提高采空区瓦斯抽采效果。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，用于坚硬顶板条件下的采空区瓦斯抽采，在煤层内以采煤工作面为参照，工作面向工作面停采线位置为工作面推进方向，沿推进方向的工作面两侧设有回风顺槽，回风顺槽顶部煤层为端头悬顶，端头悬顶处煤层顶部为坚硬顶板，坚硬顶板内部开设顶板高抽巷或者大直径顶板定向抽采长钻孔。
当坚硬顶板为单一坚硬岩层时，压裂协同控制方法具体包括以下步骤：
步骤1、用钻机在回风顺槽顶板上沿垂直于回风顺槽顶板方向向煤层内开设若干钻孔，钻孔呈“L”形分布，此组钻孔称为L型短钻孔；在工作面至工作面停采线位置之间的回风顺槽内，每隔5～6m，布设一组L型短钻孔；
L型短钻孔中最接近工作面的为第一组L型短钻孔，其余L型短钻孔按照工作面至工作面停采线位置的方向顺次类推为第二组L型短钻孔、第三组L型短钻孔……第n组L型短钻孔；
步骤2、在第一组L型短钻孔和第二组L型短钻孔之间，从靠近工作面一侧的回风顺槽顶板上，向回风顺槽顶部煤层内开设钻孔；此钻孔开设在回风顺槽顶部煤层内并且向工作面侧帮壁方向倾斜，此钻孔称为第一顶板长钻孔；第一顶板长钻孔的开孔深度位于顶板高抽巷的中线位置；
在第二组L型短钻孔和第三组L型短钻孔之间，从靠近煤柱一侧的回风顺槽顶板上，沿垂直于回风顺槽顶板方向，向回风顺槽顶部煤层内开设钻孔；此钻孔称为第二顶板长钻孔；第二顶板长钻孔的开孔深度与顶板高抽巷的底部平齐；
步骤3、重复步骤2，按照第一顶板长钻孔和第二顶板长钻孔依次间隔布设的方式，将n组L型短钻孔之间的长钻孔全部开设完成；
步骤4、安装水压致裂装置并调试，水压致裂装置包括手压泵和高压泵；手压泵用于将封孔器或者封隔器膨胀封孔；高压泵通过水压致裂管路连接高压密封安装杆，高压密封安装杆伸入钻孔内并对钻孔水压致裂；
步骤4-1、利用封孔器将第一组L型短钻孔封堵并水压致裂；
步骤4-2、利用封隔器将第一顶板长钻孔封堵并水压致裂；
步骤4-3、利用封孔器将第二组L型短钻孔封堵并水压致裂；
步骤4-4、利用封孔器将第二顶板长钻孔封堵并水压致裂；
步骤4-5、重复步骤4-1至步骤4-4，完成对所有钻孔的水压致裂。
作为本发明进一步优选地，步骤1中，L型短钻孔靠近并平行于煤柱侧帮壁的一排钻孔的孔间距为2～3m，垂直于回风顺槽帮壁布置的一排钻孔的孔间距为2m。
作为本发明进一步优选地，步骤1中，L型短钻孔的钻孔垂深根据顶板垮落填充满采空区时的岩石垮落的碎胀系数计算确定，计算公式为：
Figure BDA0003659974770000031
其中，h为钻孔垂深，M为煤层开采高度，K为岩石碎胀系数。
作为本发明进一步优选地，步骤4-1和步骤4-3中对L型短钻孔封堵并水压致裂的操作为：
S1、连接高压密封安装杆和封孔器，将封孔器送至L型短钻孔内，封孔器距L型短钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；L形短钻孔的每个钻孔内均置入封孔器；
S2、利用手压泵向封孔器注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
S3、将L形短钻孔的高压密封安装杆通过水压致裂管路连接到高压泵；水压致裂管路上设等量分流器，L形短钻孔的每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀和水力致裂测控仪；
S4、开启高压泵，通过水压致裂管路向钻孔内注入高压水进行坚硬顶板压裂；当水力致裂测控仪监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵，打开泄压阀泄压；
S5、泄压完成取出封孔器和高压密封安装杆。
作为本发明进一步优选地，步骤4-2中对第一顶板长钻孔封堵并水压致裂的操作为：
步骤4-2-1、连接高压密封安装杆和封隔器，将封隔器送至第一顶板长钻孔内，使封隔器位于第一顶板长钻孔的封闭端端头；
步骤4-2-2、利用手压泵向封隔器注入高压水，使封隔器膨胀封孔；
步骤4-2-3、将第一顶板长钻孔的高压密封安装杆通过水压致裂管路连接到高压泵；水压致裂管路上设有泄压阀和水力致裂测控仪；
步骤4-2-4、开启高压泵，通过水压致裂管路向第一顶板长钻孔内注入高压水进行坚硬顶板压裂；当水力致裂测控仪监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵，打开泄压阀泄压；
步骤4-2-5、泄压完成取出封隔器和高压密封安装杆。
作为本发明进一步优选地，步骤4-4中对第二顶板长钻孔封堵并水压致裂的操作为：
步骤4-4-1、连接高压密封安装杆和封孔器，将封孔器送至第二顶板长钻孔内，封孔器距离第二顶板长钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；
步骤4-4-2、利用手压泵向封孔器注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
步骤4-4-3、将第二顶板长钻孔的高压密封安装杆通过水压致裂管路连接到高压泵；水压致裂管路上设有泄压阀和水力致裂测控仪；
步骤4-4-4、开启高压泵，通过水压致裂管路向第二顶板长钻孔内注入高压水进行坚硬顶板压裂；当水力致裂测控仪监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵，打开泄压阀泄压；
步骤4-4-5、泄压完成取出封孔器和高压密封安装杆。
作为本发明进一步优选地，当端头悬顶处的坚硬顶板为复合顶板时，端头悬顶处煤层顶部顺次堆叠低位坚硬岩层、软岩层、高位坚硬岩层和顶板高抽巷；
此时若低位坚硬岩层厚度大于或者等于根据岩石垮落的碎胀系数计算得出的钻孔垂深，则复合顶板的压裂协同控制方法与单一坚硬岩层的压裂协同控制方法相同；
若低位坚硬岩层厚度小于根据岩石垮落的碎胀系数计算得出的钻孔垂深，且低位坚硬岩层的普氏系数小于3，则步骤1中L型短钻孔的钻孔垂深位于从回风顺槽顶板钻入低位坚硬岩层四分之三位置处；其余步骤与单一坚硬岩层的压裂协同控制方法相同。
若低位坚硬岩层厚度小于根据岩石垮落的碎胀系数计算得出的钻孔垂深，且低位坚硬岩层的普氏系数大于或者等于3，则步骤1中，L型短钻孔的钻孔垂深根据顶板垮落填充满采空区时的岩石垮落的碎胀系数计算确定。
作为本发明进一步优选地，若低位坚硬岩层厚度小于根据岩石垮落的碎胀系数计算得出的钻孔垂深，且低位坚硬岩层的普氏系数大于或者等于3，则步骤4-1和步骤4-3中，对L型短钻孔封堵并水压致裂的操作为：
S1’、连接高压密封安装杆与封隔器，将封隔器送至L型短钻孔内，封隔器顶端的膨胀胶囊的封孔位置低于软岩层，确保压裂段处于低位坚硬岩层内；
S2’、利用手压泵向封隔器注入高压水，使封隔器膨胀封孔；
S3’、将L形短钻孔的高压密封安装杆通过水压致裂管路连接到高压泵；水压致裂管路上设等量分流器，L形短钻孔的每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀和水力致裂测控仪；
S4’、开启高压泵，通过水压致裂管路向钻孔内注入高压水进行低位坚硬岩层压裂；当水力致裂测控仪监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵，打开泄压阀泄压；
S5’、泄压完成取出封隔器和高压密封安装杆；然后将高压密封安装杆与封孔器连接，将封孔器送至L型短钻孔内，封孔器距L型短钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；
S6’、利用手压泵向封孔器注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
S7’、将L形短钻孔的高压密封安装杆通过水压致裂管路连接到高压泵；水压致裂管路上设等量分流器，L形短钻孔的每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀和水力致裂测控仪；
S8’、开启水压致裂高压泵，通过管路向L形短钻孔内注入高压水，当水力致裂测控仪监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵，打开泄压阀泄压；
S9’、取出封孔器和高压密封安装杆；
其余步骤与单一坚硬岩层的压裂协同控制方法相同。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明能改变由于顶板坚硬，高位顶板难以及时垮落，导致顶抽巷与采空区无法导通或导通不充分的问题；充分发挥顶抽巷的作用，提高采空区瓦斯抽采效果，防止采空区积聚大量瓦斯，消除工作面瓦斯涌出量超标、瓦斯超限、瓦斯爆炸等衍生灾害。
2.本发明解决了传统炸药爆破的安全管理复杂、爆破产生有害气体以及爆破经济成本高的问题，通过从靠近工作面一侧的回风顺槽顶板上，向回风顺槽顶部煤层内开设钻孔，然后通过高压水力的流固耦合作用，使井筒(孔壁)产生破裂并扩展，在地层中形成人工裂缝，消除了利用炸药破碎顶板带来的安全隐患及火工品管理隐患，降低了吨煤成本，控制方法简单，施工方便，安全可靠，效果好，具有广泛的实用性。
3.本发明的短钻孔采用L型布孔方式压裂低位坚硬岩层，在其内部沿平行于巷帮方向和垂直于巷帮方向产生水压主裂缝和翼型分支裂缝，其中平行于巷帮方向的一排钻孔用于定向切断煤柱对顶板的支撑，垂直于巷帮方向的钻孔用于人为制造顶板破断线，形成利于低位顶板断裂垮落的弱面，减小端头区域直接顶的破断步距，诱导低位顶板在矿山压力作用下及时充分垮落。
4.本发明的长钻孔采用三花眼布孔方式，长钻孔压裂高位岩层，使其内部产生大量裂缝，此岩层内的高抽巷能够与采空区通过水压裂缝导通，提高顶板高抽巷的瓦斯抽采效率，有效降低采空区瓦斯浓度，随后在矿山压力作用下使高位岩层及时充分垮落，有效解决了长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的协同控制问题。
5.本发明根据坚硬顶板的不同形式，针对单一坚硬岩层和复合岩层，分别定制了不同的压裂协同控制方法。单一坚硬岩层内采用L型短钻孔和长钻孔间隔布设配合，水压致裂形成人工裂缝；复合岩层内，对压裂参数做相应调整，保障坚硬分层致裂开，克服裂缝优先或是完全在软岩层中扩展，软岩层强度较低时钻孔不进入软岩层，只压裂低位坚硬岩层，软岩层强度较高时先采用封隔器封堵软岩层，压裂坚硬岩层，然后撤出封隔器，换成封孔器封孔再整体压裂。
附图说明
图1是单一坚硬岩层条件下的水平剖面图。
图2是单一坚硬岩层条件下的竖直剖面图。
图3是单一坚硬岩层条件下L型短钻孔使用封孔器封孔时的设备示意图。
图4是单一坚硬岩层条件下第一顶板长钻孔使用封隔器封孔时的设备示意图。
图5是单一坚硬岩层条件下第二顶板长钻孔使用封孔器封孔时的设备示意图。
图6是复合岩层条件下软岩层强度低时的竖直剖面图。
图7是复合岩层条件下软岩层强度高时的竖直剖面图。
图8是复合岩层条件下L型短钻孔使用封隔器封孔时的设备示意图。
其中有：1.工作面；2.回风顺槽；3.端头悬顶；4.坚硬顶板；5.顶板高抽巷；6.L型短钻孔；7.第一顶板长钻孔；8.第二顶板长钻孔；9.水压致裂装置；10.手压泵；11.高压泵；12.封孔器；13.封隔器；14.高压密封安装杆；15.等量分流器；16.泄压阀；17.水力致裂测控仪；18.低位坚硬岩层；19.软岩层；20.高位坚硬岩层。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
一种长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，用于坚硬顶板条件下的采空区瓦斯抽采。
端头悬顶主要是控制低位顶板岩层，使其快速分段垮落，并填充满采空区。端头悬顶难以垮落的主要原因包括两个方面，一是端头顶板受煤柱的支撑，二是顶板坚硬且端头区支护强度高。因此，一方面需要切断煤柱对端头顶板的支撑，另一方面是弱化端头顶板的强度，人为形成顶板破断弱面。采空区瓦斯抽采主要是控制高抽巷所在的高位岩层，核心问题是使得裂缝导通高抽巷与采空区。高抽巷抽采效率低的主要原因是低位顶板没有及时垮落或垮落不充分，采动裂隙未发育至上部高位顶板岩层，高抽巷与采空区未导通，没有形成瓦斯流动通道，无法发挥高抽巷的作用。因此，控制高抽巷瓦斯抽采问题一方面要先控制低位顶板，使其及时充分垮落，同时在高位岩层中人工形成裂缝，使得高抽巷与采空区导通。
端头悬顶控制与采空区瓦斯抽采属于复合灾害控制问题，涉及到低位岩层及高位岩层的协同控制，压裂的范围要兼顾悬顶及裂缝导通采空区与高抽巷，同时必须首先压裂低位岩层，使低位岩层及时充分破断垮落，然后压裂高位岩层，通过水压裂缝使得高抽巷与采空区导通。
基于上述分析，本发明的基本思路是在回风顺槽超前支护段沿巷帮用钻机向顶板施工呈L型分布的钻孔。通过高压密封安装管将封孔器送至指定位置封孔，使用高压泵对一组顶板钻孔进行高压水压致裂，在其内部沿平行于巷帮方向和垂直于巷帮方向产生水压裂缝，改造顶板结构并弱化顶板强度，形成利于低位顶板岩层断裂垮落的弱面，诱导低位顶板岩层在矿山压力作用下及时充分垮落。其中平行于巷帮方向的一排密集线性钻孔用于定向切断煤柱对顶板的支撑，垂直于巷帮方向的一排密集线性钻孔用于人为制造低位顶板岩层破断线，减小端头区域直接顶的破断步距。
与此同时采用弱化高位顶板岩层整体力学性能控制思路，在回风顺槽内用钻机按三花眼布置方式施工高位顶板岩层钻孔，使用高压泵对每个钻孔进行高压水压致裂。在高位顶板岩层内部产生水压主裂缝和翼型分支裂缝，使其内部产生大量裂缝，使此岩层内的高抽巷能够与采空区通过水压裂缝联通，提高顶板高抽巷的瓦斯抽采效率，有效降低采空区瓦斯浓度，随后在矿山压力作用下使高位顶板岩层及时充分垮落。
如图1和图2所示，在煤层内以采煤工作面1为参照，工作面向工作面停采线位置为工作面推进方向，沿推进方向的工作面1两侧设有回风顺槽2，回风顺槽2顶部煤层为端头悬顶3，端头悬顶3处煤层顶部为坚硬顶板4，坚硬顶板4的内部开设顶板高抽巷5，顶板高抽巷5可被大直径顶板定向抽采长钻孔代替，两者功能相同，只是开设技术手段不同。
本发明根据坚硬顶板的不同形式，针对单一坚硬岩层和复合岩层，分别定制了不同的压裂协同控制方法。
当坚硬顶板4为单一坚硬岩层时，采用L型短钻孔和长钻孔间隔布设配合，水压致裂形成人工裂缝，具体的压裂协同控制方法步骤如下：以一侧的回风顺槽布置方式为例：
步骤1、用钻机在回风顺槽2顶板上沿垂直于回风顺槽2顶板方向向煤层内开设若干钻孔，钻孔呈“L”形分布，此组钻孔称为L型短钻孔6，优选采用5个钻孔构成一组L型短钻孔。L型短钻孔6靠近并平行于煤柱侧帮壁的一排钻孔的孔间距为2～3m，垂直于回风顺槽2帮壁布置的一排钻孔的孔间距为2m。L型短钻孔6的钻孔垂深根据顶板垮落填充满采空区时的岩石垮落的碎胀系数计算确定，计算公式为：
Figure BDA0003659974770000081
其中，h为钻孔垂深，M为煤层开采高度，K为岩石碎胀系数，煤层开采高度M和岩石碎胀系数K可以通过测量和提取获得，是现有的数据。
在工作面至工作面停采线位置之间的回风顺槽2内，每隔5～6m，布设一组L型短钻孔6。L型短钻孔6中最接近工作面1的为第一组L型短钻孔，其余L型短钻孔按照工作面至工作面停采线位置的方向顺次类推为第二组L型短钻孔、第三组L型短钻孔……第n组L型短钻孔。
步骤2、在第一组L型短钻孔和第二组L型短钻孔之间，从靠近工作面1一侧的回风顺槽2顶板上，向回风顺槽2顶部煤层内开设钻孔；此钻孔开设在回风顺槽2顶部煤层内并且向工作面1侧帮壁方向倾斜，此钻孔称为第一顶板长钻孔7；第一顶板长钻孔7的开孔深度位于顶板高抽巷5的中线位置；
在第二组L型短钻孔和第三组L型短钻孔之间，从靠近煤柱一侧的回风顺槽2顶板上，沿垂直于回风顺槽2顶板方向，向回风顺槽2顶部煤层内开设钻孔；此钻孔称为第二顶板长钻孔8；第二顶板长钻孔8的开孔深度与顶板高抽巷5的底部平齐。
步骤3、重复步骤2，按照第一顶板长钻孔7和第二顶板长钻孔8依次间隔布设的方式，将n组L型短钻孔之间的长钻孔全部开设完成。
步骤4、安装水压致裂装置9并调试，水压致裂装置9包括手压泵10和高压泵11；手压泵10用于将封孔器12或者封隔器13膨胀封孔；高压泵11通过水压致裂管路连接高压密封安装杆14，高压密封安装杆14伸入钻孔内并对钻孔水压致裂。
步骤4-1、利用封孔器12将第一组L型短钻孔6封堵并水压致裂，如图3所示，具体步骤为：
步骤4-1-1、连接高压密封安装杆14和封孔器12，将封孔器12送至L型短钻孔6内，封孔器距L型短钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；L形短钻孔的每个钻孔内均置入封孔器12；
步骤4-1-2、利用手压泵10向封孔器12注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
步骤4-1-3、将L形短钻孔的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设等量分流器15，L形短钻孔的每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
步骤4-1-4、开启高压泵11，通过水压致裂管路向钻孔内注入高压水进行坚硬顶板4压裂；当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
步骤4-1-5、泄压完成取出封孔器12和高压密封安装杆14。
步骤4-2、利用封隔器13将第一顶板长钻孔7封堵并水压致裂，如图4所示，具体步骤为：
步骤4-2-1、连接高压密封安装杆14和封隔器13，将封隔器13送至第一顶板长钻孔7内，使封隔器位于第一顶板长钻孔的封闭端端头；
步骤4-2-2、利用手压泵10向封隔器13注入高压水，使封隔器膨胀封孔；
步骤4-2-3、将第一顶板长钻孔7的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
步骤4-2-4、开启高压泵11，通过水压致裂管路向第一顶板长钻孔7内注入高压水进行坚硬顶板4压裂；当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
步骤4-2-5、泄压完成取出封隔器13和高压密封安装杆14。
步骤4-3、利用封孔器12将第二组L型短钻孔6封堵并水压致裂，具体步骤同4-1。
步骤4-4、利用封孔器12将第二顶板长钻孔8封堵并水压致裂，如图5所示，具体步骤为：
步骤4-4-1、连接高压密封安装杆14和封孔器12，将封孔器12送至第二顶板长钻孔8内，封孔器距离第二顶板长钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；
步骤4-4-2、利用手压泵10向封孔器12注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
步骤4-4-3、将第二顶板长钻孔8的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
步骤4-4-4、开启高压泵11，通过水压致裂管路向第二顶板长钻孔8内注入高压水进行坚硬顶板4压裂；当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
步骤4-4-5、泄压完成取出封孔器12和高压密封安装杆14。
步骤4-5、重复步骤4-1至步骤4-4，完成对所有L型短钻孔、第一顶板长钻孔和第二顶板长钻孔的水压致裂。
当端头悬顶3处的坚硬顶板4为复合顶板时，端头悬顶3处煤层顶部顺次堆叠低位坚硬岩层18、软岩层19、高位坚硬岩层20和顶板高抽巷5。
复合岩层内，对压裂参数做相应调整，保障坚硬分层致裂开，克服裂缝优先或是完全在软岩层中扩展，软岩层强度较低时钻孔不进入软岩层，只压裂低位坚硬岩层，软岩层强度较高时先采用封隔器封堵软岩层，压裂坚硬岩层，然后撤出封隔器，换成封孔器封孔再整体压裂，具体的压裂协同控制方法步骤如下：
若低位坚硬岩层厚度大于或者等于根据岩石垮落的碎胀系数计算得出的钻孔垂深，则复合顶板的压裂协同控制方法与单一坚硬岩层的压裂协同控制方法相同。
如图6所示，若低位坚硬岩层18厚度小于根据岩石垮落的碎胀系数计算得出的钻孔垂深，且低位坚硬岩层的普氏系数小于3，此时认为复合岩层的软岩层强度较低，则步骤1中L型短钻孔6的钻孔垂深需要位于从回风顺槽2顶板钻入低位坚硬岩层四分之三位置处；其余步骤与单一坚硬岩层的压裂协同控制方法相同。
如图7所示，若低位坚硬岩层厚度小于根据岩石垮落的碎胀系数计算得出的钻孔垂深，且低位坚硬岩层的普氏系数大于或者等于3，此时认为复合岩层的软岩层强度较高。其余步骤与单一坚硬岩层的压裂协同控制方法相同，但步骤1、步骤4-1和步骤4-3做出针对性变化，具体如下：
步骤1中，L型短钻孔6的钻孔垂深根据顶板垮落填充满采空区时的岩石垮落的碎胀系数计算确定。
如图8所示，在步骤4-1和步骤4-3中对L型短钻孔6封堵并水压致裂的操作变为：
S1’、连接高压密封安装杆14与封隔器13，将封隔器13送至L型短钻孔6内，封隔器顶端的膨胀胶囊的封孔位置低于软岩层19，确保压裂段处于低位坚硬岩层18内；
S2’、利用手压泵10向封隔器13注入高压水，使封隔器膨胀封孔；
S3’、将L形短钻孔的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设等量分流器15，L形短钻孔的每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
S4’、开启高压泵11，通过水压致裂管路向钻孔内注入高压水进行低位坚硬岩层压裂；当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
S5’、泄压完成取出封隔器13和高压密封安装杆14；再如图3所示，将高压密封安装杆14与封孔器12连接，将封孔器12送至L型短钻孔6内，封孔器距L型短钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；
S6’、利用手压泵10向封孔器12注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
S7’、将L形短钻孔的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设等量分流器15，L形短钻孔的每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
S8’、开启水压致裂高压泵11，通过管路向L形短钻孔内注入高压水，当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
S9’、取出封孔器12和高压密封安装杆14。
下面结合附图和和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
优选实施例一：单一坚硬岩层的坚硬厚顶板长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法。
煤矿综采工作面走向长度1500m，倾斜长度200m，平均倾角2°。所采煤层平均厚度为2.5m，巷道顶板为15m厚坚硬石灰岩层。
回风顺槽长1560m，断面形式为矩形，宽4.8m，高3.5m，面积16.8m2。沿煤层石灰岩顶板掘进，顶板采用Φ20×1800mm的螺纹钢锚杆七花型布置支护，间距1.5m，排距1.5m；两帮采用Φ20×1800mm螺纹钢锚杆三排矩形挂金属网布置护帮，间距1.5m，排距1.4m，上排距顶板0.3m。超前工作面煤壁20m的范围内，采用4组ZTC40000/25/45型超前支护液压支架支护顶板。
在工作面顶板中，与回风顺槽水平距离5m的煤层顶板中，平行于回风顺槽布置高抽巷，高抽巷和回风顺槽之间的垂高为10m。在工作面回采期间，回风顺槽有沿工作面走向20m，沿工作面倾向6m的悬顶，形成瓦斯集聚空间；同时由于采空区顶板未能及时充分垮落，顶板高抽巷与采空区未能导通，导致瓦斯抽采效率低，采空区积聚大量瓦斯，造成工作面瓦斯涌出量超标，导致瓦斯超限，影响工作面正常生产。
在工作面回采期间，为使回风顺槽端头悬顶能够及时垮落同时提高顶板高抽巷的瓦斯抽采效率，可以采用“长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法”解决高瓦斯煤层工作面回采期间端头悬顶和采空区瓦斯抽采的协同控制问题。
具体步骤如下：
步骤1、用钻机在回风顺槽2顶板上沿垂直于回风顺槽2顶板方向向煤层内开设5个干钻孔，钻孔呈“L”形分布，此组钻孔称为L型短钻孔6；L型短钻孔6靠近并平行于煤柱侧帮壁的一排钻孔的孔间距为2.4m，垂直于回风顺槽2帮壁布置的一排钻孔的孔间距为2m；钻孔深度以顶板垮落填充满采空区为原则，根据岩石垮落的碎胀系数计算确定，顶板岩石碎胀系数取1.4，则需控岩层高度为6m，即L型短钻孔6的钻孔垂深为6m；在工作面至工作面停采线位置之间的回风顺槽内，每隔5m，布设一组L型短钻孔6。
L型短钻孔6中最接近工作面1的为第一组L型短钻孔，其余L型短钻孔按照工作面至工作面停采线位置的方向顺次类推为第二组L型短钻孔、第三组L型短钻孔……第n组L型短钻孔。
步骤2、在第一组L型短钻孔和第二组L型短钻孔之间，从靠近工作面1一侧的回风顺槽2顶板上，向回风顺槽2顶部煤层内开设钻孔；此钻孔开设在回风顺槽2顶部煤层内并且向工作面1侧帮壁方向倾斜，此钻孔称为第一顶板长钻孔7；第一顶板长钻孔7的开孔深度位于顶板高抽巷5的中线位置；
在第二组L型短钻孔和第三组L型短钻孔之间，从靠近煤柱一侧的回风顺槽2顶板上，沿垂直于回风顺槽2顶板方向，向回风顺槽2顶部煤层内开设钻孔；此钻孔称为第二顶板长钻孔8；第二顶板长钻孔8的开孔深度与顶板高抽巷5的底部平齐。
此种长钻孔的布设方式被称为三花眼型长钻孔。
步骤3、重复步骤2，按照第一顶板长钻孔7和第二顶板长钻孔8依次间隔布设的方式，将n组L型短钻孔之间的长钻孔全部开设完成。
步骤4、安装水压致裂装置9并调试，水压致裂装置9包括手压泵10和高压泵11；手压泵10用于将封孔器12或者封隔器13膨胀封孔；高压泵11通过水压致裂管路连接高压密封安装杆14，高压密封安装杆14伸入钻孔内并对钻孔水压致裂。
步骤4-1、利用封孔器12将第一组L型短钻孔6封堵并水压致裂，如图3所示，具体步骤为：
步骤4-1-1、连接高压密封安装杆14和封孔器12，将封孔器12送至L型短钻孔6内，封孔器距L型短钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；L形短钻孔的每个钻孔内均置入封孔器12；
步骤4-1-2、利用手压泵10向封孔器12注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
步骤4-1-3、将L形短钻孔的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设等量分流器15，等量分流器15将水压致裂管路分为5根，分别与5个L形短钻孔相连，每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
步骤4-1-4、开启高压泵11，通过水压致裂管路向钻孔内注入高压水进行坚硬顶板4压裂；当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
步骤4-1-5、泄压完成取出封孔器12和高压密封安装杆14。
步骤4-2、利用封隔器13将第一顶板长钻孔7封堵并水压致裂，如图4所示，具体步骤为：
步骤4-2-1、连接高压密封安装杆14和封隔器13，将封隔器13送至第一顶板长钻孔7内，使封隔器位于第一顶板长钻孔的封闭端端头；
步骤4-2-2、利用手压泵10向封隔器13注入高压水，使封隔器膨胀封孔；
步骤4-2-3、将第一顶板长钻孔7的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
步骤4-2-4、开启高压泵11，通过水压致裂管路向第一顶板长钻孔7内注入高压水进行坚硬顶板4压裂；当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
步骤4-2-5、泄压完成取出封隔器13和高压密封安装杆14。
步骤4-3、利用封孔器12将第二组L型短钻孔6封堵并水压致裂，具体步骤同4-1。
步骤4-4、利用封孔器12将第二顶板长钻孔8封堵并水压致裂，如图5所示，具体步骤为：
步骤4-4-1、连接高压密封安装杆14和封孔器12，将封孔器12送至第二顶板长钻孔8内，封孔器距离第二顶板长钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；
步骤4-4-2、利用手压泵10向封孔器12注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
步骤4-4-3、将第二顶板长钻孔8的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
步骤4-4-4、开启高压泵11，通过水压致裂管路向第二顶板长钻孔8内注入高压水进行坚硬顶板4压裂；当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
步骤4-4-5、泄压完成取出封孔器12和高压密封安装杆14。
步骤4-5、重复步骤4-1至步骤4-4，完成对所有L型短钻孔、第一顶板长钻孔和第二顶板长钻孔的水压致裂。
优选实施例二：复合岩层的坚硬顶板长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法——低位坚硬岩层的普氏系数小于3。
此方案即为复合岩层的软岩层强度较低时的具体实施案例。
某煤矿综采工作面走向长度1100m，倾斜长度200m，平均倾角5°。所采煤层平均厚度为2.8m，厚度变化不大，属单一稳定的中厚煤层。巷道顶板依次为3m厚的石灰岩，7m厚的页岩，7m厚的石灰岩。
回风顺槽长1156m，断面形式为矩形，宽4.8m，高3.8m，面积18.24m2。沿煤石灰岩顶板掘进，顶板采用Φ20×1800mm的螺纹钢锚杆七花型布置支护，间距1.5m，排距1.5m；两帮采用Φ20×1800mm螺纹钢锚杆三排矩形挂金属网布置护帮，间距1.5m，排距1.4m，上排距顶板0.3m。超前工作面煤壁20m的范围内，采用4组ZTC40000/25/45型超前支护液压支架支护顶板。
在工作面顶板中，与回风顺槽水平距离5m的煤层顶板中，平行于回风顺槽布置顶板高抽巷，顶板高抽巷和回风顺槽之间的垂高为14m。在工作面回采期间，回风顺槽有沿工作面走向20m，沿工作面倾向6m的悬顶。
由于煤层上方的坚硬顶板为复合顶板(即软硬相间)，需要对压裂参数进行相应调整，保障坚硬分层致裂开，克服裂缝优先或是完全在软岩层中扩展。在本实施例中低位坚硬分层厚度(3m)小于根据碎胀系数计算的需控岩层高度(7m)，且软岩层为页岩，强度相对较低，不采取弱化措施即可充分垮落，则将低位岩层钻孔施工深度控制在低位坚硬分层厚度的四分之三处，确保钻孔不进入软岩层，采用封孔器封孔，只压裂低位坚硬分层。高位坚硬岩层压裂时封孔位置要超过软岩层，确保钻孔压裂段位于高位坚硬分层内，避免压裂裂缝优先或是完全在软岩层中扩展。
步骤1中L型短钻孔6的钻孔垂深需要位于从回风顺槽2顶板钻入低位坚硬岩层四分之三位置处；其余步骤与单一坚硬岩层的压裂协同控制方法相同。
具体步骤如下：
步骤1、用钻机在回风顺槽2顶板上沿垂直于回风顺槽2顶板方向向煤层内开设5个干钻孔，钻孔呈“L”形分布，此组钻孔称为L型短钻孔6；L型短钻孔6靠近并平行于煤柱侧帮壁的一排钻孔的孔间距为2.4m，垂直于回风顺槽2帮壁布置的一排钻孔的孔间距为2m；位于从回风顺槽2顶板钻入低位坚硬岩层四分之三位置处；在工作面至工作面停采线位置之间的回风顺槽内，每隔5m，布设一组L型短钻孔6。
L型短钻孔6中最接近工作面1的为第一组L型短钻孔，其余L型短钻孔按照工作面至工作面停采线位置的方向顺次类推为第二组L型短钻孔、第三组L型短钻孔……第n组L型短钻孔。
步骤2、在第一组L型短钻孔和第二组L型短钻孔之间，从靠近工作面1一侧的回风顺槽2顶板上，向回风顺槽2顶部煤层内开设钻孔；此钻孔开设在回风顺槽2顶部煤层内并且向工作面1侧帮壁方向倾斜，此钻孔称为第一顶板长钻孔7；第一顶板长钻孔7的开孔深度位于顶板高抽巷5的中线位置；
在第二组L型短钻孔和第三组L型短钻孔之间，从靠近煤柱一侧的回风顺槽2顶板上，沿垂直于回风顺槽2顶板方向，向回风顺槽2顶部煤层内开设钻孔；此钻孔称为第二顶板长钻孔8；第二顶板长钻孔8的开孔深度与顶板高抽巷5的底部平齐。
此种长钻孔的布设方式被称为三花眼型长钻孔。
步骤3、重复步骤2，按照第一顶板长钻孔7和第二顶板长钻孔8依次间隔布设的方式，将n组L型短钻孔之间的长钻孔全部开设完成。
步骤4、安装水压致裂装置9并调试，水压致裂装置9包括手压泵10和高压泵11；手压泵10用于将封孔器12或者封隔器13膨胀封孔；高压泵11通过水压致裂管路连接高压密封安装杆14，高压密封安装杆14伸入钻孔内并对钻孔水压致裂。
步骤4-1、利用封孔器12将第一组L型短钻孔6封堵并水压致裂；
步骤4-2、利用封隔器13将第一顶板长钻孔7封堵并水压致裂；
步骤4-3、利用封孔器12将第二组L型短钻孔6封堵并水压致裂；
步骤4-4、利用封孔器12将第二顶板长钻孔8封堵并水压致裂；
步骤4-5、重复步骤4-1至步骤4-4，完成对所有L型短钻孔、第一顶板长钻孔和第二顶板长钻孔的水压致裂。
优选实施例三：复合岩层的坚硬顶板长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法——低位坚硬岩层的普氏系数大于等于3。
此方案即为复合岩层的软岩层强度较高时的具体实施方案。
煤矿综采工作面走向长度991m，倾斜长度224m，平均倾角5°。所采煤层平均厚度为3.03m，厚度变化不大，属单一稳定的中厚煤层。巷道顶板依次为4m厚的石灰岩，6m厚的砂岩，7m厚的石灰岩。
回风顺槽长1016m，断面形式为矩形，宽4.8m，高3.8m，面积18.24m2。沿煤石灰岩顶板掘进，顶板采用Φ20×1800mm的螺纹钢锚杆七花型布置支护，间距1.5m，排距1.5m；两帮采用Φ20×1800mm螺纹钢锚杆三排矩形挂金属网布置护帮，间距1.5m，排距1.4m，上排距顶板0.3m。超前工作面煤壁20m的范围内，采用4组ZTC40000/25/45型超前支护液压支架支护顶板。
在工作面顶板中，与回风顺槽水平距离5m的煤层顶板中，平行于回风顺槽布置顶板高抽巷，顶板高抽巷和回风顺槽之间的垂高为14m。在工作面回采期间，回风顺槽有沿工作面走向18m，沿工作面倾向6m的悬顶。
由于煤层上方的坚硬顶板为复合顶板(即软硬相间)，需要对压裂参数进行相应调整，保障坚硬分层致裂开，克服裂缝优先或是完全在软岩层中扩展。在本实施例中低位坚硬分层厚度(4m)小于根据碎胀系数计算的需控岩层高度(7.5m)，且软岩层为砂岩，强度相对较高，如果不采取弱化措施难以充分垮落，为避免低位坚硬岩层压裂时压裂裂缝优先或是完全在软岩层中扩展，同时软硬分层均产生压裂裂缝。首先采用封隔器封堵软岩层，先压裂坚硬岩层，然后撤出封隔器，换成封孔器封孔再整体压裂；高位坚硬岩层压裂时封孔位置要超过软岩层，确保钻孔压裂段位于高位坚硬分层内，避免压裂裂缝优先或是完全在软岩层中扩展。
具体步骤如下：
步骤1、用钻机在回风顺槽2顶板上沿垂直于回风顺槽2顶板方向向煤层内开设5个干钻孔，钻孔呈“L”形分布，此组钻孔称为L型短钻孔6；L型短钻孔6靠近并平行于煤柱侧帮壁的一排钻孔的孔间距为2.4m，垂直于回风顺槽2帮壁布置的一排钻孔的孔间距为2m；钻孔深度以顶板垮落填充满采空区为原则，根据岩石垮落的碎胀系数计算确定，需控岩层高度为7.5m，即L型短钻孔6的钻孔垂深为7.5m；在工作面至工作面停采线位置之间的回风顺槽内，每隔5m，布设一组L型短钻孔6。
L型短钻孔6中最接近工作面1的为第一组L型短钻孔，其余L型短钻孔按照工作面至工作面停采线位置的方向顺次类推为第二组L型短钻孔、第三组L型短钻孔……第n组L型短钻孔。
步骤2、在第一组L型短钻孔和第二组L型短钻孔之间，从靠近工作面1一侧的回风顺槽2顶板上，向回风顺槽2顶部煤层内开设钻孔；此钻孔开设在回风顺槽2顶部煤层内并且向工作面1侧帮壁方向倾斜，此钻孔称为第一顶板长钻孔7；第一顶板长钻孔7的开孔深度位于顶板高抽巷5的中线位置；
在第二组L型短钻孔和第三组L型短钻孔之间，从靠近煤柱一侧的回风顺槽2顶板上，沿垂直于回风顺槽2顶板方向，向回风顺槽2顶部煤层内开设钻孔；此钻孔称为第二顶板长钻孔8；第二顶板长钻孔8的开孔深度与顶板高抽巷5的底部平齐。
此种长钻孔的布设方式被称为三花眼型长钻孔。
步骤3、重复步骤2，按照第一顶板长钻孔7和第二顶板长钻孔8依次间隔布设的方式，将n组L型短钻孔之间的长钻孔全部开设完成。
步骤4、安装水压致裂装置9并调试，水压致裂装置9包括手压泵10和高压泵11；手压泵10用于将封孔器12或者封隔器13膨胀封孔；高压泵11通过水压致裂管路连接高压密封安装杆14，高压密封安装杆14伸入钻孔内并对钻孔水压致裂。
步骤4-1-1、连接高压密封安装杆14与封隔器13，将封隔器13送至L型短钻孔6内，封隔器顶端的膨胀胶囊的封孔位置低于软岩层19，确保压裂段处于低位坚硬岩层18内；
步骤4-1-2、利用手压泵10向封隔器13注入高压水，使封隔器膨胀封孔；
步骤4-1-3、将L形短钻孔的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设等量分流器15，L形短钻孔的每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
步骤4-1-4、开启高压泵11，通过水压致裂管路向钻孔内注入高压水进行低位坚硬岩层压裂；当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
步骤4-1-5、泄压完成取出封隔器13和高压密封安装杆14；再如图3所示，将高压密封安装杆14与封孔器12连接，将封孔器12送至L型短钻孔6内，封孔器距L型短钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；
步骤4-1-6、利用手压泵10向封孔器12注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
步骤4-1-7、将L形短钻孔的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设等量分流器15，L形短钻孔的每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
步骤4-1-8、开启水压致裂高压泵11，通过管路向L形短钻孔内注入高压水，当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
步骤4-1-9、取出封孔器12和高压密封安装杆14。
步骤4-2、利用封隔器13将第一顶板长钻孔7封堵并水压致裂，如图4所示，具体步骤为：
步骤4-2-1、连接高压密封安装杆14和封隔器13，将封隔器13送至第一顶板长钻孔7内，使封隔器位于第一顶板长钻孔的封闭端端头；
步骤4-2-2、利用手压泵10向封隔器13注入高压水，使封隔器膨胀封孔；
步骤4-2-3、将第一顶板长钻孔7的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
步骤4-2-4、开启高压泵11，通过水压致裂管路向第一顶板长钻孔7内注入高压水进行坚硬顶板4压裂；当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
步骤4-2-5、泄压完成取出封隔器13和高压密封安装杆14。
步骤4-3具体实施步骤同4-1。
步骤4-4、利用封孔器12将第二顶板长钻孔8封堵并水压致裂，如图5所示，具体步骤为：
步骤4-4-1、连接高压密封安装杆14和封孔器12，将封孔器12送至第二顶板长钻孔8内，封孔器距离第二顶板长钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；
步骤4-4-2、利用手压泵10向封孔器12注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
步骤4-4-3、将第二顶板长钻孔8的高压密封安装杆14通过水压致裂管路连接到高压泵11；水压致裂管路上设有泄压阀16和水力致裂测控仪17；
步骤4-4-4、开启高压泵11，通过水压致裂管路向第二顶板长钻孔8内注入高压水进行坚硬顶板4压裂；当水力致裂测控仪17监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵11，打开泄压阀16泄压；
步骤4-4-5、泄压完成取出封孔器12和高压密封安装杆14。
步骤4-5、重复步骤4-1至步骤4-4，完成对所有L型短钻孔、第一顶板长钻孔和第二顶板长钻孔的水压致裂。
本发明能改变由于顶板坚硬，高位顶板难以及时垮落，导致顶抽巷与采空区无法导通或导通不充分的问题；充分发挥顶抽巷的作用，提高采空区瓦斯抽采效果，防止采空区积聚大量瓦斯，消除工作面瓦斯涌出量超标、瓦斯超限、瓦斯爆炸等衍生灾害。解决了传统炸药爆破的安全管理复杂、爆破产生有害气体以及爆破经济成本高的问题，通过从靠近工作面一侧的回风顺槽顶板上，向回风顺槽顶部煤层内开设钻孔，然后通过高压水力的流固耦合作用，使井筒(孔壁)产生破裂并扩展，在地层中形成人工裂缝，消除了利用炸药破碎顶板带来的安全隐患及火工品管理隐患，降低了吨煤成本，控制方法简单，施工方便，安全可靠，效果好，具有广泛的实用性。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，用于坚硬顶板(4)条件下的采空区瓦斯抽采，在煤层内以采煤工作面(1)为参照，工作面向工作面停采线位置为工作面推进方向，沿推进方向的工作面(1)两侧设有回风顺槽(2)，回风顺槽(2)顶部煤层为端头悬顶(3)，端头悬顶(3)处煤层顶部为坚硬顶板(4)，坚硬顶板(4)内部开设顶板高抽巷(5)或者大直径顶板定向抽采长钻孔；
当坚硬顶板(4)为单一坚硬岩层时，其特征在于：压裂协同控制方法具体包括以下步骤：
步骤1、用钻机在回风顺槽(2)顶板上沿垂直于回风顺槽(2)顶板方向向煤层内开设若干钻孔，钻孔呈“L”形分布，此组钻孔称为L型短钻孔(6)；在工作面至工作面停采线位置之间的回风顺槽(2)内，每隔5～6m，布设一组L型短钻孔(6)；
L型短钻孔(6)中最接近工作面(1)的为第一组L型短钻孔，其余L型短钻孔按照工作面至工作面停采线位置的方向顺次类推为第二组L型短钻孔、第三组L型短钻孔……第n组L型短钻孔；
步骤2、在第一组L型短钻孔和第二组L型短钻孔之间，从靠近工作面(1)一侧的回风顺槽(2)顶板上，向回风顺槽(2)顶部煤层内开设钻孔；此钻孔开设在回风顺槽(2)顶部煤层内并且向工作面(1)侧帮壁方向倾斜，此钻孔称为第一顶板长钻孔(7)；第一顶板长钻孔(7)的开孔深度位于顶板高抽巷(5)的中线位置；
在第二组L型短钻孔和第三组L型短钻孔之间，从靠近煤柱一侧的回风顺槽(2)顶板上，沿垂直于回风顺槽(2)顶板方向，向回风顺槽(2)顶部煤层内开设钻孔；此钻孔称为第二顶板长钻孔(8)；第二顶板长钻孔(8)的开孔深度与顶板高抽巷(5)的底部平齐；
步骤3、重复步骤2，按照第一顶板长钻孔(7)和第二顶板长钻孔(8)依次间隔布设的方式，将n组L型短钻孔之间的长钻孔全部开设完成；
步骤4、安装水压致裂装置(9)并调试，水压致裂装置(9)包括手压泵(10)和高压泵(11)；手压泵(10)用于将封孔器(12)或者封隔器(13)膨胀封孔；高压泵(11)通过水压致裂管路连接高压密封安装杆(14)，高压密封安装杆(14)伸入钻孔内并对钻孔水压致裂；
步骤4-1、利用封孔器(12)将第一组L型短钻孔(6)封堵并水压致裂；
步骤4-2、利用封隔器(13)将第一顶板长钻孔(7)封堵并水压致裂；
步骤4-3、利用封孔器(12)将第二组L型短钻孔(6)封堵并水压致裂；
步骤4-4、利用封孔器(12)将第二顶板长钻孔(8)封堵并水压致裂；
步骤4-5、重复步骤4-1至步骤4-4，完成对所有钻孔的水压致裂。
2.根据权利要求1所述的长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，其特征在于：步骤1中，L型短钻孔(6)靠近并平行于煤柱侧帮壁的一排钻孔的孔间距为2～3m，垂直于回风顺槽(2)帮壁布置的一排钻孔的孔间距为2m。
3.根据权利要求1所述的长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，其特征在于：步骤1中，L型短钻孔(6)的钻孔垂深根据顶板垮落填充满采空区时的岩石垮落的碎胀系数计算确定，计算公式为：
Figure FDA0003949570180000021
其中，h为钻孔垂深，M为煤层开采高度，K为岩石碎胀系数。
4.根据权利要求1所述的长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，其特征在于：步骤4-1和步骤4-3中对L型短钻孔(6)封堵并水压致裂的操作为：
S1、连接高压密封安装杆(14)和封孔器(12)，将封孔器(12)送至L型短钻孔(6)内，封孔器距L型短钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；L形短钻孔的每个钻孔内均置入封孔器(12)；
S2、利用手压泵(10)向封孔器(12)注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
S3、将L形短钻孔的高压密封安装杆(14)通过水压致裂管路连接到高压泵(11)；水压致裂管路上设等量分流器(15)，L形短钻孔的每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀(16)和水力致裂测控仪(17)；
S4、开启高压泵(11)，通过水压致裂管路向钻孔内注入高压水进行坚硬顶板(4)压裂；当水力致裂测控仪(17)监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵(11)，打开泄压阀(16)泄压；
S5、泄压完成取出封孔器(12)和高压密封安装杆(14)。
5.根据权利要求1所述的长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，其特征在于：步骤4-2中对第一顶板长钻孔(7)封堵并水压致裂的操作为：
步骤4-2-1、连接高压密封安装杆(14)和封隔器(13)，将封隔器(13)送至第一顶板长钻孔(7)内，使封隔器位于第一顶板长钻孔的封闭端端头；
步骤4-2-2、利用手压泵(10)向封隔器(13)注入高压水，使封隔器膨胀封孔；
步骤4-2-3、将第一顶板长钻孔(7)的高压密封安装杆(14)通过水压致裂管路连接到高压泵(11)；水压致裂管路上设有泄压阀(16)和水力致裂测控仪(17)；
步骤4-2-4、开启高压泵(11)，通过水压致裂管路向第一顶板长钻孔(7)内注入高压水进行坚硬顶板(4)压裂；当水力致裂测控仪(17)监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵(11)，打开泄压阀(16)泄压；
步骤4-2-5、泄压完成取出封隔器(13)和高压密封安装杆(14)。
6.根据权利要求1所述的长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，其特征在于：步骤4-4中对第二顶板长钻孔(8)封堵并水压致裂的操作为：
步骤4-4-1、连接高压密封安装杆(14)和封孔器(12)，将封孔器(12)送至第二顶板长钻孔(8)内，封孔器距离第二顶板长钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；
步骤4-4-2、利用手压泵(10)向封孔器(12)注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
步骤4-4-3、将第二顶板长钻孔(8)的高压密封安装杆(14)通过水压致裂管路连接到高压泵(11)；水压致裂管路上设有泄压阀(16)和水力致裂测控仪(17)；
步骤4-4-4、开启高压泵(11)，通过水压致裂管路向第二顶板长钻孔(8)内注入高压水进行坚硬顶板(4)压裂；当水力致裂测控仪(17)监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵(11)，打开泄压阀(16)泄压；
步骤4-4-5、泄压完成取出封孔器(12)和高压密封安装杆(14)。
7.根据权利要求3所述的长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，其特征在于：当端头悬顶(3)处的坚硬顶板(4)为复合顶板时，端头悬顶(3)处煤层顶部顺次堆叠低位坚硬岩层(18)、软岩层(19)、高位坚硬岩层(20)和顶板高抽巷(5)；
此时若低位坚硬岩层(18)厚度大于或者等于根据岩石垮落的碎胀系数计算得出的钻孔垂深，则复合顶板的压裂协同控制方法与单一坚硬岩层的压裂协同控制方法相同；
若低位坚硬岩层(18)厚度小于根据岩石垮落的碎胀系数计算得出的钻孔垂深，且低位坚硬岩层(18)的普氏系数小于3，则步骤1中L型短钻孔(6)的钻孔垂深位于从回风顺槽(2)顶板钻入低位坚硬岩层(18)四分之三位置处；其余步骤与单一坚硬岩层的压裂协同控制方法相同；
若低位坚硬岩层(18)厚度小于根据岩石垮落的碎胀系数计算得出的钻孔垂深，且低位坚硬岩层(18)的普氏系数大于或者等于3，则步骤1中，L型短钻孔(6)的钻孔垂深根据顶板垮落填充满采空区时的岩石垮落的碎胀系数计算确定。
8.根据权利要求7所述的长壁开采端头悬顶及采空区瓦斯抽采的压裂协同控制方法，其特征在于：若低位坚硬岩层(18)厚度小于根据岩石垮落的碎胀系数计算得出的钻孔垂深，且低位坚硬岩层(18)的普氏系数大于或者等于3，则步骤4-1和步骤4-3中，对L型短钻孔(6)封堵并水压致裂的操作为：
S1’、连接高压密封安装杆(14)与封隔器(13)，将封隔器(13)送至L型短钻孔(6)内，封隔器顶端的膨胀胶囊的封孔位置低于软岩层(19)，确保压裂段处于低位坚硬岩层(18)内；S2’、利用手压泵(10)向封隔器(13)注入高压水，使封隔器膨胀封孔；
S3’、将L形短钻孔的高压密封安装杆(14)通过水压致裂管路连接到高压泵(11)；水压致裂管路上设等量分流器(15)，L形短钻孔的每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀(16)和水力致裂测控仪(17)；
S4’、开启高压泵(11)，通过水压致裂管路向钻孔内注入高压水进行低位坚硬岩层压裂；当水力致裂测控仪(17)监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵(11)，打开泄压阀(16)泄压；
S5’、泄压完成取出封隔器(13)和高压密封安装杆(14)；然后将高压密封安装杆(14)与封孔器(12)连接，将封孔器(12)送至L型短钻孔(6)内，封孔器距L型短钻孔的封闭端端部的距离为1～2m；
S6’、利用手压泵(10)向封孔器(12)注入高压水，使封孔器膨胀封孔；
S7’、将L形短钻孔的高压密封安装杆(14)通过水压致裂管路连接到高压泵(11)；水压致裂管路上设等量分流器(15)，L形短钻孔的每个钻孔流量压力相等；水压致裂管路上还设有泄压阀(16)和水力致裂测控仪(17)；
S8’、开启水压致裂高压泵(11)，通过管路向L形短钻孔内注入高压水，当水力致裂测控仪(17)监测到的压力小于5MPa时，关闭水压致裂高压泵(11)，打开泄压阀(16)泄压；
S9’、取出封孔器(12)和高压密封安装杆(14)；
其余步骤与单一坚硬岩层的压裂协同控制方法相同。
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