CN115045661A - 一种放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，包括以下步骤：S1、计算出水力压裂裂缝半径R的值；S2、在工作面上掘进平行于回采巷道的工艺巷道，在工艺巷道内，根据R值确定第一压裂钻孔，然后根据第一压裂钻孔确定其他压裂钻孔，以完成一个压裂钻孔组的布置；S3、沿工艺巷道的巷道方向布置多个压裂钻孔组；S4、利用钻机进行交叉钻孔施工，通过水力压裂系统进行压裂，以形成水力裂缝网。本发明通过采用交叉钻孔布置方式，并通过水力压裂来使顶煤致裂，具有钻孔施工量少、济效益显著、不会出现煤与瓦斯突出和冲击矿压危险等效果，能够更好的适应放顶煤开采的地质和工程条件，克服了现有技术所存在的不足。

Description

一种放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，特别涉及一种放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法。

背景技术

放顶煤技术是实现厚煤层、巨厚煤层高产高效开采的主要采煤方法，但放顶煤开采还存在着许多问题，例如坚硬难冒落厚煤层放顶煤开采中提高顶煤冒放性就是一项常见且长期存在的课题。对坚硬难冒落煤层进行开采时，由于煤质坚硬、裂隙发育不良等问题导致顶煤冒落块度大，顶板不能及时垮落破碎，支架后方顶煤悬空，大大降低了工作面顶煤的回收率。同时，支承压力是由工作面或矿山开采技术条件决定的，因此要解决顶煤破碎程度低、提高顶煤冒放性问题可以通过人工辅助的手段入手，目前国内在处理回采工作面坚硬顶煤垮落的问题中，采用爆破弱化坚硬顶煤，但由于爆破弱化顶煤在安全性、工程量等方面存在一定的缺陷，使用效果有待提高。

中国专利CN111636872A公开了一种水力压裂增加顶煤冒放性的方法，该方法在布置超强水力压裂钻孔的同时，布置工作面支架间水力压裂孔，并根据煤层赋存情况设计出合适的压力和注水量并进行水力压裂，其超强水力压裂覆盖范围大，能使顶煤有足够时间浸润软化降低硬度，支架间水力压裂范围小，但能解决工作面两端头难冒落问题，两者互补实现整个顶煤全覆盖。然而，该方法为使水力压裂有足够时间浸润软化、顶煤含水率提高从而降低顶煤，在布置超前水力压裂钻孔的同时布置工作面支架间水力压裂钻孔，施工量较大，钻孔组成较复杂。

中国专利CN208267833U公开了一种顶煤阈值裂隙定向水力压裂装置，该装置可以实现支架上方及前方特定区域内完整顶煤的定向弱化，能够有效保证煤岩体逐次分层垮落，改善顶煤的冒放性。然而，该装置需要打孔之后，采用定制切槽钻头逐步对钻孔进行预制切槽，在采用后退式逐段水力压裂，工程复杂，施工量相对较大；且对于水压裂缝的扩展及岩层交界面、断裂面、原生裂隙等因素的影响，对裂缝的具体延伸方向无法确定。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，本发明通过改进压裂钻孔的布置方式，即采用交叉钻孔式布置，并通过水力压裂来使顶煤致裂，具有钻孔施工量少、济效益显著、不会出现煤与瓦斯突出和冲击矿压危险，能够更好的适应放顶煤开采的地质和工程条件，克服了现有技术所存在的不足。

本发明采用的技术方案如下：一种放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，包括以下步骤：

S1、获取缝高、泊松比、弹性模量、泵注压力均值、裂缝闭合压力、动态综合滤失系数、泵注速率、泵注时间的参数，根据这些参数，计算出水力压裂裂缝半径R的值；

S2、在工作面上掘进平行于回采巷道的工艺巷道，在工艺巷道内，根据R值确定第一压裂钻孔的施工位置、长度和倾角，然后根据第一压裂钻孔确定其他压裂钻孔，以完成一个压裂钻孔组的布置；

S3、完成一个压裂钻孔组的布置后，沿工艺巷道的巷道方向布置多个压裂钻孔组；

S4、利用钻机进行交叉钻孔施工获得压裂钻孔，然后通过水力压裂系统对压裂钻孔进行多次压裂，以形成水力裂缝，直至完成多个压裂钻孔组的压裂工作，以使压裂钻孔组之间的水力裂缝相互贯通形成水力裂缝网；

S5、按照现有方法进行工作面回采顶煤。

进一步，在步骤S1中，水力压裂裂缝半径R通过公式(1)计算得到：

式中，R为水力压裂裂缝半径，H_f为缝高，v为泊松比，E为弹性模量，

为泵注压力均值，P_c为裂缝闭合压力，C为动态综合滤失系数，q为泵注速率，t_p为泵注时间。

进一步，在步骤S2中，第一压裂钻孔的施工位置设置在工艺巷道帮底角处。

进一步，在步骤S2中，第一压裂钻孔的倾角θ通过公式(2)计算得到：

式中，θ为第一压裂钻孔相对于工艺巷道水平方向的倾角，R为水力压裂裂缝半径，X为工艺巷道顶部到顶煤区域顶部的距离。

进一步，在步骤S2中，第一压裂钻孔的长度L通过公式(3)计算得到：

式中，L为第一压裂钻孔1的长度，X为工艺巷道顶部到顶煤区域顶部的距离，θ为压裂钻孔1相对于工艺巷道水平方向的倾角。

进一步，步骤S2的具体操作包括以下步骤：

S2.1、通过公式(1)、公式(2)以及公式(3)确定第一压裂钻孔的长度和倾角；

S2.2、以第一压裂钻孔为基础，以工艺巷道帮距底部0.5±0.2m处作为第二压裂钻孔的施工位置，以第一压裂钻孔最远点作一个以不大于裂缝半径R为半径的圆，以第二压裂钻孔的施工位置为起始点，作一条与该圆相切的线，该线即为第二压裂钻孔；

S2.3、以第二压裂钻孔为基础，以第二压裂钻孔的施工位置向下0.5±0.2m处作为第三压裂钻孔的施工位置，按照S2.2的方式确定第三压裂钻孔，以此类推，确认其他压裂钻孔，最终在工艺巷道的一个平面上构成一个压裂钻孔组。

进一步，在步骤S2中，压裂钻孔孔底靠近回采平巷时，其与回采平巷保持2.5±0.5m的距离。

进一步，在步骤S3中，沿工艺巷道的巷道方向，多个压裂钻孔组之间的间距不超过2R的距离。

进一步，在步骤S4中，在进行单孔压裂工作时，使用水力压裂系统对压裂钻孔压裂数次，并从该压裂钻孔的深部至浅部逐步压裂，直至水力压裂系统退出到非压裂段，结果单孔压裂工作。

进一步，所述水力压裂系统包括高压封孔器，所述高压封孔器的输入端接通刚性管路，所述刚性管路接通柔性管路，所述柔性管路通过高压泵接通水箱；在进行压裂工作时，刚性管路和高压封孔器位于压裂钻孔内，且刚性管路由固定支架提供支撑。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设计压裂钻孔的位置、倾角、长度及布置方式，能够在减少压裂钻孔布置数量的情况下，使压裂钻孔间的水力压裂缝隙相互贯通并形成复杂裂缝网，进而能够轻易使顶煤充分破碎，提高了顶煤的冒放性，减少了施工成本，经济效益显著；

2、本发明采用的交叉钻孔布置方式，其优势主要在于，在较小施工量的基础上，水力压裂形成的浮渣裂缝网能够覆盖整个煤层，整个过程不产生矿尘，不影响空气质量，施工效率高，施工周期短，能够明显提高顶煤的冒放性，工作面采出率大大提高，可以完全替代传统的爆破弱化顶煤技术。

附图说明

图1为本发明实施例提供的压裂钻孔施工设计示意图(剖面图)；

图2为本发明实施例提供的压裂钻孔施工设计示意图(平面图)；

图3为本发明实施例提供的多组压裂钻孔顺序压裂施工示意图；

图4为本发明实施例提供的单孔多次水力压裂施工示意图；

图5为本发明实施例提供的压裂后的放顶煤效果示意图。

附图标记说明：

1-钻孔，2-钻孔1的施工位置，3-钻孔3，4-钻孔3的施工位置，5-钻孔5，6-水箱，7-高压泵，8-柔性管路，9-固定支架，10-非压裂段，11-刚性管路，12-高压封孔器，13-水力裂缝，14-压裂段，15-复杂裂缝网，16-压裂钻孔组，17-堵塞物，18-液压支架，19-采空区，20-刮板输送机，21-钻机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

为了验证本发明的技术效果，发明人通过在某煤矿区5号矿井某段进行了小规模验证性试验，如图1至图5所示，一种放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，包括如下步骤：

S1、通过公式(1)计算水力压裂裂缝半径，公式(1)如下所示：

式中，R为水力压裂裂缝半径，H_f为缝高，v为泊松比，E为弹性模量，

为泵注压力均值，P_c为裂缝闭合压力，C为动态综合滤失系数，q为泵注速率，t_p为泵注时间；泵注压力均值

泵注速率q、泵注时间t_p通过设备以及现场施工情况确定，缝高H_f、泊松比v、弹性模量E、裂缝闭合压力P_c、动态综合滤失系数C通过现场实测获得，为了便于说明，设矿的厚煤层平均厚度12.8m，工作面采高3.0m，缝高H_f＝3m，泊松比v＝0.26，弹性模量E＝3.4GPa，泵注压力均值

裂缝闭合压力P_c＝5MPa，动态综合滤失系数C＝0.003m/min^0.5，泵注速率q＝0.06m³/min，泵注时间t_p＝20min，计算得到，水力压裂裂缝半径R＝5.63m；

S2、在工作面上方掘进两条平行于回采巷道的工艺巷道，在工艺巷道内向顶煤区域布置若干个压裂钻孔，采用交叉钻孔水力压裂方法进行作业，以提高顶煤冒放性，包括如下步骤：

S2.1、布置第一压裂钻孔：如图1所示，在工艺巷道中，第一压裂钻孔1的施工位置2确定为工艺巷道帮底角处(可根据施工设备作略微调整)，先确定压裂钻孔的倾角θ，倾角θ的计算如公式(2)所示：

式中，θ为第一压裂钻孔1相对于工艺巷道水平方向的倾角；R为水力压裂裂缝半径，其值为R＝5.63m；X为工艺巷道顶部到顶煤区域顶部的距离，测量得到其值为6.34m；

然后计算确定第一压裂钻孔1的长度，其长度通过公式(3)计算得出：

式中，L为第一压裂钻孔1的长度；X为工艺巷道顶部到顶煤区域顶部的距离，测量得到其值为6.34m；θ为压裂钻孔1相对于工艺巷道水平方向的倾角；

S2.2、布置第二压裂钻孔3：以第一压裂钻孔1为基础，以顶煤巷道帮距底部0.5m处(具体位置由钻孔参数及施工设备略微调整)作为第二压裂钻孔3的施工位置4，以第一压裂钻孔1最远点作一个以裂缝半径R为半径的圆(可以基于不同矿井地质条件适当调小圆的半径，但半径不能超过R)，以第二压裂钻孔3的施工位置4为起始点，作一条与该圆相切的线，该线即为第二压裂钻孔3，长度为28.9m；

S2.3、布置其他压裂钻孔：以第二压裂钻孔3为基础，以第二压裂钻孔3的施工位置4向下0.5m处(具体位置由钻孔参数及施工设备略微调整)作为第三压裂钻孔5的施工位置，按照S2.2的方式确定第三压裂钻孔5，以此类推，确认其他压裂钻孔，最终在工艺巷道的一个平面上构成一个压裂钻孔组16；需要注意的是，压裂钻孔沿工艺巷道的高度方向对称设置在工艺巷道的两侧；同时，压裂钻孔孔底靠近回采平巷时，应与回采平巷保持2.5m左右距离，以防止水力压裂使煤层破碎而导致巷道失稳；

S2.4、沿工艺巷道的巷道方向，布置多个压裂钻孔组16，如图2所示，压裂钻孔组16设置为3个，压裂钻孔组16之间的间距不超过2R(水力压裂裂缝半径)的距离，例如可以设置为5m；

S2.5、施工第一压裂钻孔1：在工艺巷道内利用ZDY4000S履带型钻机21进行钻孔，钻孔直径与设备配套，钻杆为63.5mm，钻头为75mm，向巷道两帮侧顶煤区域进行交叉钻孔水力压裂施工；以此类推，完成一个压裂钻孔组16施工后，按照同样的方式，再完成后续压裂钻孔组16的施工；

S3、压裂钻孔施工完毕后，采用水力压裂系统进行压裂工作，如图3所示，水力压裂系统包括ZF-A38水力膨胀式高压封孔器12、水箱6以及和水箱6连通的高压泵7，高压泵7的输出端通过柔性管路8接通刚性管路11，刚性管路11伸入第一压裂钻孔1内，刚性管路11的输出端与高压封孔器12(位于第一压裂钻孔1内)接通，刚性管路11与柔性管路8连接处设置有固定支架9，以通过固定支架9固定刚性管路11；将高压封孔器12推送至第一压裂钻孔1中注水封孔形成压裂段14，如图4所示，开启高压泵7(额定压力50MPa以上、流量180L/min)压裂数次，在煤层顶煤区域形成无规则的水力裂缝13；再从第一压裂钻孔1深部至浅部逐步压裂(压裂间隔可以设置为5m)，直至封孔器12退出到非压裂段10，结束第一压裂孔1单孔多次压裂工作，并用封堵物17封堵钻孔；以此类推，完成其他压裂钻孔的压裂工作，最终完成一个压裂钻孔组16的压裂工作；

S4、多个压裂钻孔组压裂：按照步骤S3的方式完成其他压裂钻孔组的压裂工作，每个压裂钻孔组在顶煤区域压裂段压裂形成的无规则水力裂缝13相互贯穿形成复杂裂缝网15，如图3所示；

S5、工作面回采顶煤破碎垮落：交叉钻孔水力压裂施工完成后(即步骤S1-S4完成后)，形成的相互贯通的复杂水力裂缝网使顶煤破碎，进而降低了顶煤的力学性能，使顶煤块度变小，导致原来由于顶煤强度大而难以冒落的顶煤“悬臂梁”结构在工作面回采后可以破碎垮落，由此提高了顶煤的冒放性，有效提高了顶煤回收率；如图5所示，按照现有方式，使用刮板输送机20以及液压支架18进行工作面回采顶煤，第一压裂钻孔1上的顶煤垮落形成采空区19，然后通过运煤设备输送出矿井(现有技术，在此不再过多赘述)。

试验结果证明，采用本发明的方法放顶煤，顶煤回收率达到81.2％，工作面回采率达到85.7％，相比于该矿区现采用的爆破弱化顶煤技术来说，顶煤回收率提高了2％以上，工作面回采率提高了4.2％以上。

进一步，为了验证本发明关于压裂钻孔相关参数选择及确认的特殊性和准确性，在同一压裂钻孔组内，按照1.5R的距离确认下一条压裂钻孔的倾角及位置，并在同一矿井的相同段内进行了小规模对比试验，结果表明：由于各压裂钻孔形成的无规则水力裂缝彼此之间没有贯通，最终没有形成裂缝网，根据此方法放顶煤，顶煤回收率仅为77.4％，工作面回采率仅为79.6％，明显低于上述实施方案。

相应地，发明人继续在该矿井内进行了对比试验，设定唯一变量为压裂钻孔组的间距，即图2中的间距2R替换为3R，结果表明，由于各压裂钻孔组形成的无规则水力裂缝彼此之间没有贯通，其依然没有形成裂缝网，根据此方法放顶煤，顶煤回收率仅为60.2％，工作面回采率仅为68.4％，明显低于上述实施方案。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取缝高、泊松比、弹性模量、泵注压力均值、裂缝闭合压力、动态综合滤失系数、泵注速率、泵注时间的参数，根据这些参数，计算出水力压裂裂缝半径R的值；

S2、在工作面上掘进平行于回采巷道的工艺巷道，在工艺巷道内，根据R值确定第一压裂钻孔的施工位置、长度和倾角，然后根据第一压裂钻孔确定其他压裂钻孔，以完成一个压裂钻孔组的布置；

S3、完成一个压裂钻孔组的布置后，沿工艺巷道的巷道方向布置多个压裂钻孔组；

S4、利用钻机进行交叉钻孔施工获得压裂钻孔，然后通过水力压裂系统对压裂钻孔进行多次压裂，以形成水力裂缝，直至完成多个压裂钻孔组的压裂工作，以使压裂钻孔组之间的水力裂缝相互贯通形成水力裂缝网；

S5、按照现有方法进行工作面回采顶煤。

2.如权利要求1所述的放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，其特征在于，在步骤S1中，水力压裂裂缝半径R通过公式(1)计算得到：

式中，R为水力压裂裂缝半径，Hf为缝高，v为泊松比，E为弹性模量，

为泵注压力均值，Pc为裂缝闭合压力，C为动态综合滤失系数，q为泵注速率，tp为泵注时间。

3.如权利要求2所述的放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，其特征在于，在步骤S2中，第一压裂钻孔的施工位置设置在工艺巷道帮底角处。

4.如权利要求3所述的放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，其特征在于，在步骤S2中，第一压裂钻孔的倾角θ通过公式(2)计算得到：

式中，θ为第一压裂钻孔相对于工艺巷道水平方向的倾角，R为水力压裂裂缝半径，X为工艺巷道顶部到顶煤区域顶部的距离。

5.如权利要求4所述的放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，其特征在于，在步骤S2中，第一压裂钻孔的长度L通过公式(3)计算得到：

式中，L为第一压裂钻孔1的长度，X为工艺巷道顶部到顶煤区域顶部的距离，θ为压裂钻孔1相对于工艺巷道水平方向的倾角。

6.如权利要求5所述的放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，其特征在于，步骤S2的具体操作包括以下步骤：

S2.1、通过公式(1)、公式(2)以及公式(3)确定第一压裂钻孔的长度和倾角；

S2.2、以第一压裂钻孔为基础，以工艺巷道帮距底部0.5±0.2m处作为第二压裂钻孔的施工位置，以第一压裂钻孔最远点作一个以不大于裂缝半径R为半径的圆，以第二压裂钻孔的施工位置为起始点，作一条与该圆相切的线，该线即为第二压裂钻孔；

S2.3、以第二压裂钻孔为基础，以第二压裂钻孔的施工位置向下0.5±0.2m处作为第三压裂钻孔的施工位置，按照S2.2的方式确定第三压裂钻孔，以此类推，确认其他压裂钻孔，最终在工艺巷道的一个平面上构成一个压裂钻孔组。

7.如权利要求6所述的放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，其特征在于，在步骤S2中，压裂钻孔孔底靠近回采平巷时，其与回采平巷保持2.5±0.5m的距离。

8.如权利要求7所述的放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，其特征在于，在步骤S3中，沿工艺巷道的巷道方向，多个压裂钻孔组之间的间距不超过2R的距离。

9.如权利要求8所述的放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，其特征在于，在步骤S4中，在进行单孔压裂工作时，使用水力压裂系统对压裂钻孔压裂数次，并从该压裂钻孔的深部至浅部逐步压裂，直至水力压裂系统退出到非压裂段，结果单孔压裂工作。

10.如权利要求1-9任一所述的放顶煤交叉钻孔水力压裂提高顶煤冒放性的方法，其特征在于，所述水力压裂系统包括高压封孔器，所述高压封孔器的输入端接通刚性管路，所述刚性管路接通柔性管路，所述柔性管路通过高压泵接通水箱；在进行压裂工作时，刚性管路和高压封孔器位于压裂钻孔内，且刚性管路由固定支架提供支撑。

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