CN115030718B - 一种分区域水力压裂厚硬岩层的冲击矿压防治方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分区域水力压裂厚硬岩层的冲击矿压防治方法，对位于中间位置且可以达到充分采动的若干个工作面，通过水力压裂将厚硬岩层分成多层薄岩层，克服了自身的冲击矿压问题，且减小了两侧工作面回采时厚硬岩层断裂后的旋转，减小了厚硬岩层在断裂处的咬合。对于两侧的工作面通过水力压裂施工倾斜的竖向裂缝，克服了厚硬岩层水平分层工作量大的问题，还可以克服厚硬岩层悬臂造成的冲击危险。进一步对两侧的第偶数个工作面进行了切顶，提高了垮落岩石碎涨量，使得相邻工作面上覆厚硬岩层在垂直方向上形成一定错位，减小咬合。本发明特别适用于覆岩中厚硬岩层少但厚度较大的工况，尤其是还存在断层等天然纵向裂隙时。

Description

一种分区域水力压裂厚硬岩层的冲击矿压防治方法
技术领域
本发明涉及煤矿冲击矿压领域，具体为一种分区域水力压裂厚硬岩层的冲击矿压防治方法。
背景技术
冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围煤岩体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等，易造成煤矿人员伤害。一般而言，覆岩内存在厚硬岩层是产生冲击矿压的重要因素，由于厚硬岩层的存在，其难于断裂导致断裂间距大，使得其断裂时一次压力释放大，造成巨大冲击。对此现有技术多是通过切顶卸压或者地面水力压裂手段治理，且具体的切顶方式与水力致裂方案多种多样；切顶卸压一般在工作面两巷进行施工，因此切顶高度有限，在更高处若存在厚硬岩层这种方法效果并不理想；地面水力压裂可以采用大型机械设备，施工效率高，压裂效果好，但是当覆岩中厚硬岩层少，但是存在巨厚硬岩层时，若想通过水力压裂将巨厚硬岩层分为多层以治理冲击矿压，施工难度大，不利于施工控制，尤其是在断层等纵向裂隙较发育的区域。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出了一种分区域水力压裂厚硬岩层的冲击矿压防治方法，包括如下步骤：S1，在矿层中自左而右布置多个相邻的矩形工作面，工作面之间不留煤柱，自后而前回采；S2，确定覆岩内厚硬岩层位置；S3，选定位于中间位置的若干个工作面，自地面施工若干个第一水力压裂定向钻孔，定向钻孔水平段施工于厚硬岩层内，且平行于工作面推进方向；S4，通过第一水力压裂定向钻孔进行水力压裂，在厚硬岩层内形成水平裂缝，将厚硬岩层分成多层薄岩层；S5，进行所述中间位置的若干个工作面的回采，所述中间位置的若干个工作面开采后地表达到充分采动；S6，对于两侧的每个工作面，自地面施工第二水力压裂定向钻孔，钻孔水平段施工于厚硬岩层内，且平行于工作面推进方向；S7，自中部向两侧依次通过第二水力压裂定向钻孔进行水力压裂，在厚硬岩层内形成倾斜的竖向裂缝，竖向裂缝倾斜方向即岩层垮落线倾斜方向；S8，自中部向两侧依次开采各工作面。
优选的，步骤S3中，位于中间位置的若干个工作面中，每个工作面施工一个第一水力压裂定向钻孔。
优选的，步骤S4中，水平裂缝的宽度边界为所述中间位置的若干个工作面的岩层垮落线。
优选的，步骤S6中，第二水力压裂定向钻孔的钻孔水平段中心和远离中部的岩层垮落线与厚硬岩层交线的中点同心。
优选的，步骤S6中，每个工作面对应的第二水力压裂定向钻孔的个数等于厚硬岩层的个数。
优选的，步骤S8中，对于两侧的工作面，每侧中按照开采顺序的第偶数个工作面，在工作面开采前，自工作面远离中部的回采巷道向顶板施工切顶钻孔，切顶钻孔倾斜方向与岩层垮落线方向相同。
有益效果：1.本发明涉及一种分区域水力压裂厚硬岩层的冲击矿压防治方法，对位于中间位置的若干个工作面，通过水力压裂将厚硬岩层分成多层薄岩层，并达到地表充分采动，这一方面克服了位于中间位置的若干个工作面回采时的冲击矿压问题，另一方面由于达到充分采动，大大减小了两侧工作面回采时厚硬岩层断裂后的旋转，减小了两侧工作面回采时厚硬岩层在断裂位置的咬合，防止出现即使厚硬岩层断裂但是咬合力很大，仍然会造成冲击矿压的问题。
2.对于两侧的工作面通过水力压裂施工倾斜的竖向裂缝，克服厚硬岩层厚度大水平分层时工作量大的问题，且施工倾斜的竖向裂缝还可以克服厚硬岩层悬臂造成的应力大、冲击危险性高的问题。进一步的，对两侧的第偶数个工作面进行了切顶，提高了垮落岩石碎涨量，使得相邻工作面上覆厚硬岩层在垂直方向上形成一定错位，减小咬合或者避免咬合。
3.本发明特别适用于覆岩中厚硬岩层少但厚度较大的工况，尤其是还存在断层等天然纵向裂隙时。
附图说明
图1是本发明冲击矿压防治方法水力压裂钻孔布置平面图；
图2是本发明冲击矿压防治方法水力压裂钻孔布置剖面图；
图中：工作面1、厚硬岩层2、第一水力压裂定向钻孔3、定向钻孔垂直段31、定向钻孔水平段32、岩层垮落线4、第二水力压裂定向钻孔5、钻孔垂直段51、钻孔水平段52、水平压裂缝6。
具体实施方式
一种分区域水力压裂厚硬岩层的冲击矿压防治方法，用于覆岩中厚硬岩层少但厚度较大的工况，尤其是还存在断层等天然纵向裂隙时，包括如下步骤：
S1，如图1所示，在矿层中自左而右布置多个相邻的矩形工作面1，工作面宽度为274m，工作面1之间不留煤柱，自后而前回采；工作面长度可根据矿井生产需求并结合矿层赋存情况确定；
S2，基于地层岩性与厚度确定覆岩内厚硬岩层2位置，所述厚硬岩层2包括关键层以及其他明显的厚度较大岩性较强的岩层；关键层可以基于地层钻孔柱状及各岩层力学参数，通过数值模拟、理论计算手段确定；其他明显的厚硬岩层为除关键层以外的其他厚度较大岩性较强的岩层，本领域技术人员可以基于经验进行判断；如图2所示，地层中仅包含两层厚硬岩层2；
S3，根据煤层的平均埋深586m，选定位于中间位置的两个工作面，自地面施工两个第一水力压裂定向钻孔3，每个工作面施工一个，定向钻孔垂直段31施工于工作面外部前侧，定向钻孔水平段32施工于两个厚硬岩层2内，且平行于工作面推进方向(前后方向延伸)；其中，所述第一水力压裂定向钻孔3为一孔多底钻孔，即第一水力压裂定向钻孔包括一个垂直段31和不同厚硬岩层位置所对应的多个水平段32。
S4，通过第一水力压裂定向钻孔3进行水力压裂，在厚硬岩层2内形成水平裂缝6，将厚硬岩层2分成多层薄岩层；分层情况可参考图2，使得每个薄层的厚度在4-6m之间，过厚达不到降低冲击矿压的效果，而过小又会增加施工难度且增加施工成本；其中，水平裂缝6的宽度边界为所述中间位置的两个工作面的岩层垮落线4(岩层垮落线向工作面以里的岩层破断垮落，岩层垮落线向工作面以外的岩层不破断呈悬臂状)。
S5，进行所述中间位置的两个工作面的回采，所述中间位置的两个工作面开采后地表达到充分采动，以岩层垮落角为68°计，充分采动区的宽度约74.5m；
S6，对于两侧的每个工作面1，自地面施工两个第二水力压裂定向钻孔5，每个第二水力压裂定向钻孔5对应一层厚硬岩层，如图2中，靠近采区中部的第二水力压裂定向钻孔5对上位的厚硬岩层进行水力压裂，远离采区中部的第二水力压裂定向钻孔5对下位的厚硬岩层进行水力压裂，钻孔垂直段51施工于工作面外部前侧，钻孔水平段52施工于厚硬岩层2内，且平行于工作面推进方向，钻孔水平段52中心和远离中部的岩层垮落线4与厚硬岩层2交线的中点同心；此外，对于两侧的工作面可适当提高工作面宽度；
S7，自中部向两侧依次通过第二水力压裂定向钻孔5进行水力压裂，在厚硬岩层2内形成倾斜的竖向裂缝，竖向裂缝倾斜方向即岩层垮落线4倾斜方向，使其与水平面的夹角为68°；
S8，自中部向两侧依次开采各工作面，即所述中间位置的两个工作面开采后左侧的工作面自右而左依次开采，所述中间位置的两个工作面开采后右侧的工作面自左而右依次开采。其中，对于两侧的工作面，每侧中按照开采顺序的第偶数个工作面，在工作面开采前，自工作面远离中部的回采巷道向顶板施工切顶钻孔，切顶钻孔倾斜方向与岩层垮落线4方向相同，以提高垮落岩石碎涨量；进一步降低冲击矿压影响。
进一步的，切顶高度可通过如下公式计算
Hc＝M/(Ka-1)
式中，Hc切顶高度，M煤层厚度，Ka煤岩体平均碎胀系数，根据煤岩体力学性质不同取值为1.2-1.5。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种分区域水力压裂厚硬岩层的冲击矿压防治方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，在矿层中自左而右布置多个相邻的矩形工作面，工作面之间不留煤柱，自后而前回采；S2，确定覆岩内厚硬岩层位置；S3，选定位于中间位置的若干个工作面，自地面施工若干个第一水力压裂定向钻孔，定向钻孔水平段施工于厚硬岩层内，且平行于工作面推进方向；S4，通过第一水力压裂定向钻孔进行水力压裂，在厚硬岩层内形成水平裂缝，将厚硬岩层分成多层薄岩层；S5，进行所述中间位置的若干个工作面的回采，所述中间位置的若干个工作面开采后地表达到充分采动；S6，对于两侧的每个工作面，自地面施工第二水力压裂定向钻孔，钻孔水平段施工于厚硬岩层内，且平行于工作面推进方向；第二水力压裂定向钻孔的钻孔水平段中心和远离中部的岩层垮落线与厚硬岩层交线的中点同心；S7，自中部向两侧依次通过第二水力压裂定向钻孔进行水力压裂，在厚硬岩层内形成倾斜的竖向裂缝，竖向裂缝倾斜方向即岩层垮落线倾斜方向；S8，自中部向两侧依次开采各工作面。
2.根据权利要求1所述的冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S3中，位于中间位置的若干个工作面中，每个工作面施工一个第一水力压裂定向钻孔。
3.根据权利要求1所述的冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S4中，水平裂缝的宽度边界为所述中间位置的若干个工作面的岩层垮落线。
4.根据权利要求1所述的冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S6中，每个工作面对应的第二水力压裂定向钻孔的个数等于厚硬岩层的个数。
5.根据权利要求1所述的冲击矿压防治方法，其特征在于，步骤S8中，对于两侧的工作面，每侧中按照开采顺序的第偶数个工作面，在工作面开采前，自工作面远离中部的回采巷道向顶板施工切顶钻孔，切顶钻孔倾斜方向与岩层垮落线方向相同。
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