CN115405298A - 一种煤矿井下工作面顶板定向水力压裂卸压参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿开采技术领域。涉及一种煤矿井下工作面顶板定向水力压裂卸压参数设计方法，考虑了煤层埋深、煤层厚度、巷道高度、工作面走向长度、顶板坚固性系数、钻孔直径等参数，设计了顶板定向水力压裂卸压钻孔间距、钻孔长度、钻孔倾角、钻孔数量、先导缝深度、封孔长度等参数的计算方法，计算过程简便快捷，考虑全面，有助于提升顶板定向水力压裂卸压的实施效果。

Description

一种煤矿井下工作面顶板定向水力压裂卸压参数设计方法

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，涉及一种煤矿井下工作面顶板定向水力压裂卸压参数设计方法。

背景技术

近年来，煤矿冲击地压或冲击地压主导的顶板事故起数和单次死亡人数呈上升趋势。尤其是西部矿区及深部矿井，厚硬顶板层在应力集中的情况下弹性能突然释放，很容易在没有预兆的情况下发生冲击地压。

冲击地压是矿山压力显现方式最严重的一种，实质上就是地应力集中发生的煤岩体弹性能释放，要从源头解决根本问题，必须对厚硬顶板层采取切顶卸压措施，减小工作面采空区悬顶长度和面积，以此削弱工作面上覆岩层储存的高应力，避免冲击地压灾害。目前采用较多的切顶卸压方式是采用爆破方式和水力压裂两种，由于火工品的控制越来越严格，爆破方式的切顶卸压安全性低，越来越受到限制，而水力压裂的优势则越来越突出。

回采过程中采用水力压裂的方法对两巷上方厚硬顶板进行预裂，可减小回采过程的工作面两侧悬顶面积，实现应力转移，减小动压对巷道变形程度、降低煤柱集中应力峰值，降低巷道维护成本。但目前的定向水力压裂卸压方法仅在工艺流程及装置上进行了完善，缺乏相应的参数设计方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于解决上述问题，提出一种煤矿井下工作面顶板定向水力压裂卸压参数设计方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种煤矿井下工作面顶板定向水力压裂卸压参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取煤矿井下工作面的煤层埋深M_a、煤层厚度h、巷道高度H、工作面走向长度L_c、顶板坚固性系数f、钻孔直径d_z，双喷嘴割缝器高度c；

步骤2，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔间距b、顶板定向水力压裂卸压钻孔长度L、顶板定向水力压裂卸压钻孔倾角θ：

b按下式计算：

式中，h为煤层厚度，d_z为钻孔直径，f为顶板坚固性系数，M_a为煤层埋深；

L按下式计算：

式中，M_a为煤层埋深，f为顶板坚固性系数，h为煤层厚度，H为巷道高度；

θ按下式计算：

式中，f为顶板坚固性系数；

步骤3，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔数量P：

式中，L_c为工作面走向长度，b为顶板定向水力压裂卸压钻孔间距；

步骤4，计算需要的先导缝深度d_g：

式中，b为顶板定向水力压裂卸压钻孔间距，d_z为钻孔直径；

步骤5，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔封孔深度S，S按下式计算：

S＝0.3L

式中，L为顶板定向水力压裂卸压钻孔长度；

步骤6，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔割缝高度K，K按下式计算：

K＝0.7L-c

式中，L为顶板定向水力压裂卸压钻孔长度，c为双喷嘴割缝器高度。

本发明的有益效果在于：本发明中的煤矿井下工作面顶板定向水力压裂卸压参数设计方法，考虑了煤层埋深、煤层厚度、巷道高度、工作面走向长度、顶板坚固性系数、钻孔直径等参数，为现场实施人员提供了顶板定向水力压裂卸压钻孔间距、钻孔长度、钻孔倾角、钻孔数量、先导缝深度、封孔长度等参数的设计方法，计算简便快捷，考虑全面，有助于提升顶板定向水力压裂卸压的实施效果。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明中工作面顶板定向水力压裂卸压钻孔布置平面示意图；

图2为图1中I-I剖示意图；

图3、4为本发明中工作面顶板定向水力压裂卸压工艺示意图。

附图标记：1、钻机；2、高压密封钻杆；3、先导缝；4、双喷嘴割缝器；5、水力压裂卸压钻孔；6、顶板；7、压裂泵组；8、磨料罐；9、高压管路；10、高压四通；11、压裂钢管；12、水泥砂浆；13、高压水。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

请参阅图1～4，煤矿井下工作面顶板定向水力压裂卸压工艺包括先导缝切割、定向水力压裂两个过程；其中先导缝切割如图3所示，钻机1安装高压密封钻杆2并通过高压管路9接入磨料罐8，磨料罐8与压裂泵组7连通，高压密封钻杆2上安装有双喷嘴割缝器4，利用定向磨料水射流对顶板6选定的压裂目标岩层中的水力压裂卸压钻孔5沿孔壁两侧切割一定深度的先导缝3；然后进行定向水力压裂，定向水力压裂过程如图4所示，退出钻机1，在水力压裂卸压钻孔5内安装压裂钢管11，并用水泥砂浆12封堵孔口，压裂钢管11通过高压管路9与压裂泵组7连通，高压管路9通过高压四通10同时与多个压裂钢管11连通；通过压裂泵组7向水力压裂卸压钻孔5内通入高压水13，在高压水13的压力作用下，压裂裂缝沿先导缝3在一定范围内定向延伸，定向延伸的长度称之为延伸半径，通过在延伸半径内布置多个水力压裂卸压钻孔5使其贯通或接近贯通，最终形成压裂范围内的切顶线。

其中，煤矿井下工作面顶板定向水力压裂卸压参数设计方法，包括如下步骤：

步骤1，假设获取煤矿井下工作面的煤层埋深M_a＝500m、煤层厚度h＝3m、巷道高度H＝2.8m、工作面走向长度L_c＝1200m、顶板坚固性系数f＝2.4、钻孔直径d_z＝0.096m，双喷嘴割缝器4高度c＝0.2m；

步骤2，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔间距b、顶板定向水力压裂卸压钻孔长度L、顶板定向水力压裂卸压钻孔倾角θ：

b按下式计算：

式中，h为煤层厚度，d_z为钻孔直径，f为顶板坚固性系数，M_a为煤层埋深，计算结果四舍五入保留小数点后1位，经计算b＝13.8m；

L按下式计算：

式中，M_a为煤层埋深，f为顶板坚固性系数，h为煤层厚度，H为巷道高度，计算结果四舍五入保留小数点后1位，经计算L＝21m；

θ按下式计算：

式中，f为顶板坚固性系数，计算结果四舍五入保留小数点后1位，经计算θ＝65.4°m；

步骤3，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔数量P：

式中，L_c为工作面走向长度，b为顶板定向水力压裂卸压钻孔间距，计算结果取整数部分，经计算P＝86；

步骤4，计算需要的先导缝3深度d_g：

式中，b为顶板定向水力压裂卸压钻孔间距，d_z为钻孔直径，计算结果四舍五入保留小数点后2位，经计算d_g＝0.14m；

步骤5，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔封孔深度S，S按下式计算：

S＝0.3L

式中，L为顶板定向水力压裂卸压钻孔长度，计算结果四舍五入保留小数点后1位，经计算S＝6.3m；

步骤6，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔割缝高度K，K按下式计算：

K＝0.7L-c

式中，L为顶板定向水力压裂卸压钻孔长度，c为双喷嘴割缝器高度，计算结果四舍五入保留小数点后1位，经计算K＝14.5m。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种煤矿井下工作面顶板定向水力压裂卸压参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取煤矿井下工作面的煤层埋深M_a、煤层厚度h、巷道高度H、工作面走向长度L_c、顶板坚固性系数f、钻孔直径d_z，双喷嘴割缝器高度c；

步骤2，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔间距b、顶板定向水力压裂卸压钻孔长度L、顶板定向水力压裂卸压钻孔倾角θ：

b按下式计算：

式中，h为煤层厚度，d_z为钻孔直径，f为顶板坚固性系数，M_a为煤层埋深；

L按下式计算：

式中，M_a为煤层埋深，f为顶板坚固性系数，h为煤层厚度，H为巷道高度；

θ按下式计算：

式中，f为顶板坚固性系数；

步骤3，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔数量P：

式中，L_c为工作面走向长度，b为顶板定向水力压裂卸压钻孔间距；

步骤4，计算需要的先导缝深度d_g：

式中，b为顶板定向水力压裂卸压钻孔间距，d_z为钻孔直径；

步骤5，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔封孔深度S，S按下式计算：

S＝0.3L

式中，L为顶板定向水力压裂卸压钻孔长度；

步骤6，计算顶板定向水力压裂卸压钻孔割缝高度K，K按下式计算：

K＝0.7L-c

式中，L为顶板定向水力压裂卸压钻孔长度，c为双喷嘴割缝器高度。

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