CN116049964B - 一种新建矿井人造解放层防冲方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新建矿井人造解放层防冲方法，包括：S1、在存在冲击地压隐患地层区域上方确定人造解放层所在的目标岩层；S2、对人造解放层和其等效煤层开采进行数值模拟和理论分析，以获取被解放层的等效煤层开采下的应力σlib，以及被解放层在人造解放层开采下的应力σart；S3、依据σlib和σart的比值定义等效应力解放系数ξ，依据此在目标岩层中对人造解放层厚度以及覆盖范围进行划分判定；S4、依据对人造解放层厚度、覆盖范围的划分判定建立人造解放层评判模型，并依据此模型进行地面压裂井布置，并进行钻井、致裂作业；S5、完成人造解放层作业后，在矿井建设区域形成低应力条件区域，进行冲击地压矿井的建设。本发明降低或避免建井期间的冲击地压灾害。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全开采技术领域，尤其涉及一种新建矿井人造解放层防冲方法。
背景技术
顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬，厚层砂岩顶板是影响冲击地压发生的主要因素之一，其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在坚硬顶板破断过程中或滑移过程中，大量的弹性能突然释放，导致冲击地压显现或矿震。
解放层开采是普遍认可的冲击地压防范方法，解放层的开采造成采空区顶底板岩层的冒落、位移，打破了原始地应力的平衡，导致采场周围地应力的重新分布，在采场顶底板岩、煤体中形成一定范围的卸压带应力低于原始应力和解放带，降低工作面冲击危险性，是从根本上预防冲击地压的最为有效的区域性防范措施。解放层开采的原则为优先开采冲击危险性低的煤层。
但并不是每个冲击地压矿井都具备开采解放层的条件，解放层开采适用条件与选择原则、解放层开采设计、保护范围及保护效果、卸压期限等条件需要达到。在具有冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害矿井，没有可作为解放层开采条件的困境，区域防范措施实施困难，后续开采过程灾害程度严重，给安全生产带来十分不利的影响。为此基于解放层源头防冲思想，当解放层开采条件不具备，而传统防冲方法应用效果不明显时，本申请提出人造解放层的施工方法用以实现与解放层开采等同的防冲击效果。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为达到上述目的，本发明提出了一种新建矿井人造解放层防冲方法，包括以下步骤：
S1、在存在冲击地压隐患地层区域上方确定人造解放层所在的目标岩层，并对目标岩层进行厚度测量得到目标岩层厚度h；
S2、对人造解放层和其等效煤层开采进行数值模拟和理论分析，以获取被解放层的等效煤层开采下的应力σlib，以及被解放层在人造解放层开采下的应力σart；
S3、依据σlib和σart的比值定义等效应力解放系数ξ，依据等效应力解放系数建立人造解放层评判准则，并依据此评判准则在目标岩层中对人造解放层厚度以及覆盖范围进行划分判定；
S4、依据对人造解放层厚度、覆盖范围的划分判定建立人造解放层评判模型，并依据此模型进行地面压裂井布置，并进行钻井、致裂作业，使得目标岩开裂卸压形成人造解放层；
S5、完成人造解放层作业后，在矿井建设区域形成低应力条件区域，并依据人造解放层评判模型为冲击地压矿井的建设提供设计及施工准则，并依此准则进行冲击地压矿井的建设。
本发明通过提前破坏冲击危险区域上覆顶板的完整性，使得载荷向更完整顶板区域迁移，从而为井下掘进、回采提供低应力作业大环境，也使得冲击地压丧失启动的重要载荷条件，进而实现与解放层开采等同的效果，降低或避免建井期间的冲击地压灾害。
可选地，所述S1中，基于矿井所在地的地质资料，通过采用煤层开采的主控关键层及能量传递响应分析和/或微震监测的主控关键层分析方法确定人造解放层所在目标岩层。
进一步地，在S2中，具体包括：
S21、应用仿真计算软件或离散单元法程序进行模拟，对目标岩层的结构形态及对被解放层的应力状态进行数值模拟、理论分析，使目标岩层处于等效煤层开采的冒落带和裂隙带、并得到充分的破坏或目标岩层能量释放得到有效降低；
S22、分析等效煤层开采后的被解放煤层的应力变化、裂隙发育以及围岩结构特征，获取被解放层在等效煤层开采下的应力σlib；
S23、分析人造解放层致使目标岩层处于等效煤层开采的冒落带和裂隙带、并得到充分的破坏情况下或目标岩层能量释放得到有效降低的情况下，被解放煤层的应力变化、裂隙发育以及围岩结构特征，并获取被解放层在人造解放层层开采下的应力σart。
进一步地，在S3中，所述人造解放层的判别准则为依照ξ的定义为其大小对当前人造解放层模拟开采规划是否适合划分为人造解放层进行4类划分，包括：
Ⅰ类，当ξ＜0.25时，此时等效应力系数ξ处于不合适等级；
Ⅱ类，当0.25≤ξ＜0.5时，此时等效应力系数ξ处于一般等级；
Ⅲ类，当0.5≤ξ＜0.75时，此时等效应力系数ξ处于合适等级；
Ⅳ类，当ξ≥0.75时，此时等效应力系数ξ处于良好等级。
进一步地，在S3中，对人造解放层厚度进行划分判定步骤为：
S31、应用仿真计算软件或离散单元法程序进行等效煤层开采时的数值模拟，分别模拟不同煤层厚度的开采过程，并获取的等效煤层开采下，被解放层达到可以开采需求时，被解放层的应力σlib；
S32、应用仿真计算软件或离散单元法程序进行数值模拟，分别模拟人造解放层不同厚度的开采过程，以目标岩层处于等效煤层开采的冒落带和裂隙带，且使目标岩层得到充分的破坏为判别依据，模拟与等效煤层开采各个相同煤层厚度时人造解放层开采过程，当达到判别依据的开采效果时，获取此时被解放层在人在解放层开采下的应力σart；
S33、依据ξ大小进行判别，当ξ处于Ⅲ类及以上分类时，确定人造解放层开采厚度，该厚度即等效厚度，表征人造解放层厚度达到上述确定的合适解放层厚度开采时的解放效果。
进一步地，所述人造解放层覆盖区域范围在工作面所在层位的投影连续覆盖运输巷至回风巷之间的所有工作面；
人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影宽度方向沿运输巷至回风巷的方向设置，人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影宽度大于运输巷至回风巷之间的距离；
人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影长度方向沿工作面长度方向设置，且人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影长度大于工作面的长度。
进一步地，所述人造解放层覆盖区域范围在工作面所在层位的投影连续覆盖运输巷至回风巷之间的所有工作面；
人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影宽度方向沿运输巷至回风巷的方向设置，人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影宽度大于运输巷至回风巷之间的距离；
人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影长度方向沿工作面长度方向设置，且人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影长度大于工作面的长度。
进一步地，当巷道发生冲击地压显现状况时，需要对具有冲击危险的巷道上方对应目标岩层同样进行人造解放层布置，且人造解放层需要有效覆盖具有冲击危险的巷道；
当所述人造解放层覆盖单个或多个巷道时，人造解放层宽度覆盖范围需横跨单个或多个巷道对应的岩层范围，并且人造解放层宽度覆盖范围对应覆盖巷道的每一侧边界均多出30-50m覆盖范围；
当所述人造解放层覆盖单个或多个工作面时，人造解放层宽度覆盖范围需横跨单个或多个工作面对应的岩层范围，并且人造解放层宽度覆盖范围对应覆盖工作面的每一侧边界均多出30-50m覆盖范围。
进一步地，S4中，建立人造解放层评判模型用于分析、计算及记录当前地质地形条件下人造解放层的等效应力σeq、等效高度Heq以及等效厚度heq，用以表征人造解放层的可行性，并为S4步骤人造解放层的确定提供设计准则。
进一步地，建立人造解放层评判模型所需要的等效应力σeq、等效高度Heq以及等效厚度heq如下：
等效应力为其中，ξ≥0.5；等效高度为Heq＝H+hd，其中，H为目标层距离煤层的距离，hd为压裂井位置距目标层底部的距离；等效厚度为heq＝2hd≤h，h≤30m，其中，hd为压裂井位置距目标层底部的距离。
进一步地，在所述S4中，根据S3中确定的人造解放层覆盖区域以及岩层厚度进行压裂井布井规划，包括压裂井的数量以及位置，其中，压裂井包括水平井和竖直井；
水平井包括竖直设置的穿层段、水平设置于目标岩层的压裂段以及连接穿层段和压裂段的转向段，所述穿层段、压裂段以及转向短处于同一平面内，用以对目标岩层进行大范围致裂作业；
竖直井设置于水平井穿层段背离压裂段一侧，用以对水平井无法进行致裂作业的致裂盲区进行致裂作业。
进一步地，当对同一目标岩层设置的水平井数量为2个或2个以上时，两个相邻水平井为一组，共用一个施工场地，两个水平井的压裂段延伸方向相反且处于同一平面内，且两个水平井之间设置有一个竖直井。
进一步地，S4中，为了得到复合要求的人造解放层，所述压裂井布置需要根据地层岩性、可压裂性以及逢高进行综合确定，并在此基础上结合人造解放层效应要求、被解放煤层的岩层结构状态以及应力状态，通过数值模拟确定压裂井的压裂作业位置。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一种新建矿井人造解放层防冲方法的整体方法示意图；
图2是根据本发明一种新建矿井人造解放层防冲方法的S2具体步骤示意图；
图3是根据本发明一种新建矿井人造解放层防冲方法的S3具体步骤示意图；
图4是根据本发明一种新建矿井人造解放层防冲方法的人造解放层确定后地面压裂井布置示意图；
图5是根据本发明一种新建矿井人造解放层防冲方法的人造解放层致裂效果示意图；
图6是根据本发明一种新建矿井人造解放层防冲方法的人造解放层致裂后效果示意图；
图7(a)和图7(b)是根据本发明一种新建矿井人造解放层防冲方法的巷道保护人造解放层布置方式示意图；
图8(a)和图8(b)是根据本发明一种新建矿井人造解放层防冲方法的工作面保护人造解放层布置方式示意图；
图9是根据本发明一种新建矿井人造解放层防冲方法的多工作面人造解放层的一种施工方式示意图；
图10是根据本发明一种新建矿井人造解放层防冲方法的多工作面人造解放层的另一种施工方式示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本申请提供一种新建矿井人造解放层防冲方法，以下参照图1至图10进行详细阐述。
一种新建矿井人造解放层防冲方法，包括以下步骤：
S1、在存在冲击地压隐患地层区域上方确定人造解放层所在的目标岩层，并对目标岩层进行厚度测量得到目标岩层厚度h；
S2、对人造解放层和其等效煤层开采进行数值模拟和理论分析，以获取被解放层的等效煤层开采下的应力σlib，以及被解放层在人造解放层开采下的应力σart；
S3、依据σlib和σart的比值定义等效应力解放系数ξ，依据等效应力解放系数建立人造解放层评判准则，并依据此评判准则在目标岩层中对人造解放层厚度以及覆盖范围进行划分判定；
S4、依据对人造解放层厚度、覆盖范围的划分判定建立人造解放层评判模型，并依据此模型进行地面压裂井布置，并进行钻井、致裂作业，使得目标岩开裂卸压形成人造解放层；
S5、完成人造解放层作业后，在矿井建设区域形成低应力条件区域，并依据人造解放层评判模型为冲击地压矿井的建设提供设计及施工准则，并依此准则进行冲击地压矿井的建设。
本发明通过提前破坏冲击危险区域上覆顶板的完整性，使得载荷向更完整顶板区域迁移，从而为井下掘进、回采提供低应力作业大环境，也使得冲击地压丧失启动的重要载荷条件，进而实现与解放层开采等同的效果。
其中，S1中，确定人造解放层所在的目标岩层一般以矿井所在地的地质资料以及实际矿井作业环境情况为基础，并对冲击地压危险区域上方的岩层进行物理力学性质分析、主控关键层及能量传递响应分析和/或微震监测的主控关键岩层分析方法对冲击地压危险区域的上方岩层进行分析，结合关键层理论，对人造解放层所在目标岩层进行确定。
采用主控关键层及能量传递响应分析时，首先利用关键层理论，对冲击地压隐患地层区域上方确定出多个岩层关键层，由于多个不同层位的岩层关键层对工作面的冲击地压程度影响不同，对多个岩层关键层进行弯曲能量计算，并计算攒底至工作面煤层上的剩余能量以及根据各个岩层关键层能量释放确定能量传递，根据多个岩层关键层传递至工作面煤层的剩余能量、能量传递以及弯曲能量，确定理论上人造解放层所在的目标岩层。
若采用微震监测的主控关键岩层分析方法，则首先获取岩层中用于表征围岩活动的不同能量等级的微震事件；其次，根据所述不同能量等级的微震事件分析用于表征围岩活动是否主要发生在顶板岩层；若是，分析大能量事件在所述顶板岩层分布的层位，确定大能量事件集中发生的层位为理论上的人造解放层所在目标岩层。
在一些实施例中，根据实际情况选用单一分析方法或多个分析方法进行实地人造解放层所在目标岩层的确定，多个分析方法的选取可以进一步的进行相互佐证，从而使得人造解放层所在的目标岩层确定更加精确可信。
完成对人造解放层所在岩层的确定之后即需进入S2步骤，在S2中，为了确定σlib和σart，具体包括以下步骤：
S21、应用仿真计算软件或离散单元法程序进行模拟，对目标岩层的结构形态及对被解放层的应力状态进行数值模拟、理论分析，使目标岩层处于等效煤层开采的冒落带和裂隙带、并得到充分的破坏或目标岩层能量释放得到有效降低；
S22、分析等效煤层开采后的被解放煤层的应力变化、裂隙发育以及围岩结构特征，获取被解放层在等效煤层开采下的应力σlib；
S23、分析人造解放层致使目标岩层处于等效煤层开采的冒落带和裂隙带、并得到充分的破坏情况下或目标岩层能量释放得到有效降低的情况下，被解放煤层的应力变化、裂隙发育以及围岩结构特征，并获取被解放层在人造解放层层开采下的应力σart。
完成σlib和σart计算后，进入S3步骤，通过两者的比值即等效应力解放系数ξ来确定人造解放层导致的被解放层应力σart趋同于等效煤层开采导致的被解放层应力σlib，也即两者比值越趋近于1，则说明人造解放层的效果越趋同于等效煤层开采效果，因此需要对等效应力解放系数ξ划分，以使人造解放层中的解放应力效果达到解封层开采的应力效果，从而保证人造解放层的可行性。在S3中，人造解放层的判别准则为依照ξ的定义为其大小对当前人造解放层模拟开采规划是否适合划分为人造解放层进行4类划分，包括：
Ⅰ类，当ξ＜0.25时，此时等效应力系数ξ处于不合适等级；
Ⅱ类，当0.25≤ξ＜0.5时，此时等效应力系数ξ处于一般等级；
Ⅲ类，当0.5≤ξ＜0.75时，此时等效应力系数ξ处于合适等级；
Ⅳ类，当ξ≥0.75时，此时等效应力系数ξ处于良好等级。
根据等效应力系数的分类，可以对人造解放层所在岩层进行分析，以模拟出人造解放层的岩层厚度，从而为后续人造解放层评判模型的建立提供数据依据。对人造解放层岩层厚度进行划分判定步骤为：
S31、应用仿真计算软件或离散单元法程序进行等效煤层开采时的数值模拟，分别模拟不同煤层厚度的开采过程，并获取的等效煤层开采下，被解放层达到可以开采需求时，被解放层的应力σlib；
S32、应用仿真计算软件或离散单元法程序进行数值模拟，分别模拟人造解放层不同厚度的开采过程，以目标岩层处于等效煤层开采的冒落带和裂隙带，且使目标岩层得到充分的破坏为判别依据，模拟与等效煤层开采各个相同煤层厚度时人造解放层开采过程，当达到判别依据的开采效果时，获取此时被解放层在人在解放层开采下的应力σart；
S33、依据ξ大小进行判别，当ξ处于Ⅲ类及以上分类时，确定人造解放层开采厚度，该厚度即等效厚度，表征人造解放层厚度达到上述确定的合适解放层厚度开采时的解放效果。
通过S3步骤确定了人造解放层的厚度之后，同样的需要对人造解放层覆盖的区域范围进行规划，所述人造解放层覆盖区域范围在工作面所在层位的投影连续覆盖运输巷至回风巷之间的所有工作面；
人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影宽度方向沿运输巷至回风巷的方向设置，人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影宽度大于运输巷至回风巷之间的距离；
人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影长度方向沿工作面长度方向设置，且人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影长度大于工作面的长度；
当人造解放层覆盖单个或多个巷道时，人造解放层宽度覆盖范围需横跨单个或多个巷道对应的岩层范围，并且人造解放层宽度覆盖范围对应覆盖巷道的每一侧边界均多出30-50m覆盖范围，本市实施例优选为50m；
当人造解放层覆盖单个或多个工作面时，人造解放层宽度覆盖范围需横跨单个或多个工作面对应的岩层范围，并且人造解放层宽度覆盖范围对应覆盖工作面的每一侧边界均多出30-50m覆盖范围，本实施例优选为50m。
完成人造解放层的区域覆盖范围以及岩层深度的确定后，进入S4步骤，在S4中，建立人造解放层评判模型用于分析、计算及记录当前地质地形条件下人造解放层的等效应力σeq、等效高度Heq以及等效厚度heq，用以表征人造解放层的可行性，并为S4步骤人造解放层的确定提供设计准则。为了对人造解放层的可行性进行再次校验，建立人造解放层评判模型，对以上的到的人造解放层的各个数据进行验证评判，表征人造解放层的可行性，并为人造解放层的确定提供设计准则。其中，人造解放层平板模型所需要的等效应力σeq、等效高度Heq以及等效厚度heq如下：
等效应力为其中，ξ≥0.5；等效高度为Heq＝H+hd，其中，H为目标层距离煤层的距离，hd为压裂井位置距目标层底部的距离；等效厚度为heq＝2hd≤h，h≤30m，其中，hd为压裂井位置距目标层底部的距离。
完成人造解放层评判模型的建立后，不仅对人造解放层的各个数据计算检验评判，并且可以依据等效应力σeq、等效高度Heq以及等效厚度heq等计算结果，给出人造解放层压裂施工的设计准则，即可在后续施工过程中，按照人造解放层评判模型给出的设计准则进行后续人造解放层的设计。
具体的，在确定人造解放层的保护覆盖范围时，依据施工地点进行分类包括巷道保护人造解放层以及工作面保护人造解放层；
其中，巷道保护人造解放层主要针对矿井冲击地压显现的危险巷道，有针对性的选择冲击危险性更好的巷道进行保护，基于此人造解放层的范围较小，使得人造解放层有效覆盖巷道即可，完成人造解放层的布置后使得巷道处于低应力区；
而工作面保护人造解放层，主要针对危险性高的工作面，其冲击危险性不具有明显的区域特征，工作面整体的冲击危险性较高，具有发生矿震或冲击地压显现的风险，因此需要针对工作面整体范围进行有效保护，因此人造解放层范围较大，具有更多的实施方案，参照图9至图10，例如：工作面保护人造解放层可采用横向跨多工作面的施工方式进行人造解放层的施工作业，从而实现采区范围的大范围防冲效果，解决了采区更大尺度的冲击地压源头治理；也可以通逐步对单个工作面覆盖范围进行重点区域人造解放层施工，从而逐步解决各个工作面尺度的冲击地压源头治理；
但无论哪种实施方案均需要有效覆盖整个工作面，在一些实施例中，人造解放层的范围可根据冲击危险性进行分区解放，使得完成人造解放层布置后，工作面处于低应力区、围岩活动释放低能区。
完成对人造解放层的覆盖区域面积以及岩层深度的确定之后，在经过人造解放层评判模型的可行性校验后，即可开始地面压裂井的布井作业，以及后续的致裂作业。从而对人造解放层进行致裂卸压作业，完成人造解放层的致裂作业后，此时需要进行开拓、掘进或回采的煤层中应力改变，高压区变为低压区，即可安全的进行挖掘井建立作业、挖掘采集作业以及回采工作面的施工作业。
因此在S4中，根据从S3中确定的人造解放层覆盖区域以及岩层厚度得到的人造解放层评判模型，进行压裂井布井规划，包括压裂井的数量以及位置，其中，压裂井包括水平井和竖直井；
水平井包括竖直设置的穿层段、水平设置于目标岩层的压裂段以及连接穿层段和压裂段的转向段，所述穿层段、压裂段以及转向短处于同一平面内，用以对目标岩层进行大范围致裂作业；
竖直井设置于水平井穿层段背离压裂段一侧，用以对水平井无法进行致裂作业的致裂盲区进行致裂作业。
且当对同一目标岩层设置的水平井数量为2个或2个以上时，两个相邻水平井为一组，共用一个施工场地，两个水平井的压裂段延伸方向相反且处于同一平面内，且两个水平井之间设置有一个竖直井。
具体的，所述根据目标岩层的赋存状态确定采用的压裂井的类型和数量包括：
根据A＝[目标岩层长度/1500]+a确定水平井的数量，其中，当目标岩层长度/1500的余数大于500m时，a取1；当目标岩层长度/1500的余数不大于500m，a取0，A为所述水平井的数量；
根据B＝[目标岩层厚度/100]确定水平井在垂直方向上的分段压裂数，其中目标岩层厚度/100的余数为0，B取目标岩层厚度/100的商；当目标岩层厚度/100的余数不为0，B取目标岩层厚度/100的整数商+1；
根据C＝[(目标岩层长度-1500·A)/500]+[A/2]+b确定垂直井的数量，其中，公式中：目标岩层长度-1500·A只取其值为正数时的计算结果，当(目标岩层长度-1500·A)/500为正分数时，b取1；当(目标岩层长度-1500·A)/500为非正分数时，b取0。
根据所述的压裂井的数量确定压裂井口的位置关系包括：
当水平井的数量A等于0时，此时垂直井数量C等于1，采用该垂直井的井口位于目标岩层中心对应的地面；
当水平井的数量A等于1时，若此时垂直井数量C为0时，采用该水平井的井口位置处于目标岩层边界以外所对应的地面；若此时垂直井数量C为1时，采用该垂直井和水平井的井口位置处于目标岩层内所对应的地面，且两者共用一个地面施工场地；
当水平井的数量A大于等于2时，每2个水平井需要共用一个地面施工场地，且2个水平井中间需要布置一口垂直井，该垂直井同样与2口水平井共用一个地面施工场地，剩余的1个垂直井或水平井另单独布置一个地面上施工场地。
完成布井之后，施工人员即可按照数值模拟得到的压裂位置进行压裂作业，完成压裂作业之后，可以将难垮、易高能释放的厚层顶板改造的比较容易垮断，且经过改造后的厚层顶板由“高能”致灾岩层变为“低能区”，厚层顶板由长、大块变为短、小破断特征，厚层顶板下方的采掘应力环境由“高应力”降为“低压区”，实现了人造解放层的解放层效应。
完成人造解放层的设置之后，即可进行S5步骤，在低应力条件下完成新的冲击地压矿井建设，从而降低或避免在建井期间的冲击地压灾害。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种新建矿井人造解放层防冲方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在存在冲击地压隐患地层区域上方确定人造解放层所在的目标岩层，并对目标岩层进行厚度测量得到目标岩层厚度h；
S2、对人造解放层和其等效煤层开采进行数值模拟和理论分析，以获取被解放层的等效煤层开采下的应力σlib，以及被解放层在人造解放层开采下的应力σart；
在S2中，具体包括：
S21、应用仿真计算软件或离散单元法程序进行模拟，对目标岩层的结构形态及对被解放层的应力状态进行数值模拟、理论分析，使目标岩层处于等效煤层开采的冒落带和裂隙带、并得到充分的破坏或目标岩层能量释放得到有效降低；
S22、分析等效煤层开采后的被解放煤层的应力变化、裂隙发育以及围岩结构特征，获取被解放层在等效煤层开采下的应力σlib；
S23、分析人造解放层致使目标岩层处于等效煤层开采的冒落带和裂隙带、并得到充分的破坏情况下或目标岩层能量释放得到有效降低的情况下，被解放煤层的应力变化、裂隙发育以及围岩结构特征，并获取被解放层在人造解放层层开采下的应力σart；
S3、依据σlib和σart的比值定义等效应力解放系数ξ，依据等效应力解放系数建立人造解放层评判准则，并依据此评判准则在目标岩层中对人造解放层厚度以及覆盖范围进行划分判定；
在S3中，所述人造解放层的判别准则为依照ξ的定义为其大小对当前人造解放层模拟开采规划是否适合划分为人造解放层进行4类划分，包括：
Ⅰ类，当ξ＜0.25时，此时等效应力系数ξ处于不合适等级；
Ⅱ类，当0.25≤ξ＜0.5时，此时等效应力系数ξ处于一般等级；
Ⅲ类，当0.5≤ξ＜0.75时，此时等效应力系数ξ处于合适等级；
Ⅳ类，当ξ≥0.75时，此时等效应力系数ξ处于良好等级；
在S3中，对人造解放层厚度进行划分判定步骤为：
S31、应用仿真计算软件或离散单元法程序进行等效煤层开采时的数值模拟，分别模拟不同煤层厚度的开采过程，并获取的等效煤层开采下，被解放层达到可以开采需求时，被解放层的应力σlib；
S32、应用仿真计算软件或离散单元法程序进行数值模拟，分别模拟人造解放层不同厚度的开采过程，以目标岩层处于等效煤层开采的冒落带和裂隙带，且使目标岩层得到充分的破坏为判别依据，模拟与等效煤层开采各个相同煤层厚度时人造解放层开采过程，当达到判别依据的开采效果时，获取此时被解放层在人在解放层开采下的应力σart；
S33、依据ξ大小进行判别，当ξ处于Ⅲ类及以上分类时，确定人造解放层开采厚度，该厚度即等效厚度，表征人造解放层厚度达到上述确定的合适解放层厚度开采时的解放效果；
S4、依据对人造解放层厚度、覆盖范围的划分判定建立人造解放层评判模型，并依据此模型进行地面压裂井布置，并进行钻井、致裂作业，使得目标岩开裂卸压形成人造解放层；
S5、完成人造解放层作业后，在矿井建设区域形成低应力条件区域，并依据人造解放层评判模型为冲击地压矿井的建设提供设计及施工准则，并依此准则进行冲击地压矿井的建设。
2.如权利要求1所述的一种新建矿井人造解放层防冲方法，其特征在于，所述S1中，基于矿井所在地的地质资料，通过采用煤层开采的主控关键层及能量传递响应分析和/或微震监测的主控关键层分析方法确定人造解放层所在目标岩层。
3.如权利要求1所述的一种新建矿井人造解放层防冲方法，其特征在于，所述人造解放层覆盖区域范围在工作面所在层位的投影连续覆盖运输巷至回风巷之间的所有工作面；
人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影宽度方向沿运输巷至回风巷的方向设置，人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影宽度大于运输巷至回风巷之间的距离；
人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影长度方向沿工作面长度方向设置，且人造解放层覆盖区域范围在工作面的投影长度大于工作面的长度。
4.如权利要求3所述的一种新建矿井人造解放层防冲方法，其特征在于，当巷道发生冲击地压显现状况时，需要对具有冲击危险的巷道上方对应目标岩层同样进行人造解放层布置，且人造解放层需要有效覆盖具有冲击危险的巷道；
当所述人造解放层覆盖单个或多个巷道时，人造解放层宽度覆盖范围需横跨单个或多个巷道对应的岩层范围，并且人造解放层宽度覆盖范围对应覆盖巷道的每一侧边界均多出30-50m覆盖范围。
5.如权利要求1所述的一种新建矿井人造解放层防冲方法，其特征在于，S4中，建立人造解放层评判模型用于分析、计算及记录当前地质地形条件下人造解放层的等效应力σeq、等效高度Heq以及等效厚度heq，用以表征人造解放层的可行性，并为S4步骤人造解放层的确定提供设计准则。
6.如权利要求5所述的一种新建矿井人造解放层防冲方法，其特征在于，建立人造解放层评判模型所需要的等效应力σeq、等效高度Heq以及等效厚度heq如下：
等效应力为其中，ξ≥0.5；等效高度为Heq＝H+hd，其中，H为目标层距离煤层的距离，hd为压裂井位置距目标层底部的距离；等效厚度为heq＝2hd≤h，h≤30m，其中，hd为压裂井位置距目标层底部的距离。
7.如权利要求1所述的一种新建矿井人造解放层防冲方法，其特征在于，在所述S4中，根据S3中确定的人造解放层覆盖区域以及岩层厚度进行压裂井布井规划，包括压裂井的数量以及位置，其中，压裂井包括水平井和竖直井；
水平井包括竖直设置的穿层段、水平设置于目标岩层的压裂段以及连接穿层段和压裂段的转向段，所述穿层段、压裂段以及转向短处于同一平面内，用以对目标岩层进行大范围致裂作业；
竖直井设置于水平井穿层段背离压裂段一侧，用以对水平井无法进行致裂作业的致裂盲区进行致裂作业。
8.如权利要求7所述的一种新建矿井人造解放层防冲方法，其特征在于，当对同一目标岩层设置的水平井数量为2个或2个以上时，两个相邻水平井为一组，共用一个施工场地，两个水平井的压裂段延伸方向相反且处于同一平面内，且两个水平井之间设置有一个竖直井。
9.如权利要求8所述的一种新建矿井人造解放层防冲方法，其特征在于，S4中，为了得到复合要求的人造解放层，所述压裂井布置需要根据地层岩性、可压裂性以及逢高进行综合确定，并在此基础上结合人造解放层效应要求、被解放煤层的岩层结构状态以及应力状态，通过数值模拟确定压裂井的压裂作业位置。
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