CN117513999A - 一种厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法 - Google Patents

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CN117513999A CN202311490244.8A CN202311490244A CN117513999A CN 117513999 A CN117513999 A CN 117513999A CN 202311490244 A CN202311490244 A CN 202311490244A CN 117513999 A CN117513999 A CN 117513999A
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张俭
戴楠
王豪杰
井津
李彬刚
杨森
王泽阳
王林涛
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Abstract

本发明提供了一种厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，该方法首先获取坚硬顶板空间展布特征，然后基于坚硬顶板空间展布特征，获得不同类型的压裂防治目标层位及其对应的五种压裂防治模式，五种压裂防治模式为：低位单一厚硬顶板层位、低位复合坚硬顶板层位、高‑低位复合厚硬顶板层位、高位复合厚硬顶板层位和高位单一厚硬顶板层位。最后在地面施工用于大排量供液的地面单孔钻孔，在井下施工定向长钻孔，经由地面单孔和定向长钻孔并采用液体压裂措施分源分类对压裂防治目标层位进行弱化。该方法能够从根本上全方位的解决了厚硬顶板诱发的冲击地压灾害。

Description

一种厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法
技术领域
本发明属于煤矿井下安全技术领域，涉及弱化防冲方法，具体涉及一种厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法。
背景技术
我国煤炭在未来相当长时期内仍是主导能源，起到能源“压舱石和稳定器”的作用。据统计，近10年煤矿安全事故中顶板事故死亡人数和发生起数分别占全国煤矿安全事故的27％、35％，处在各类事故之首。顶板型强矿压动力灾害防治成为煤矿安全高效开采的关键难题。我国有三分之一的煤层发育有厚层坚硬顶板(即厚硬顶板)，以西部矿区侏罗纪煤田为例，其在陆相沉积分流河道的横向迁移摆渡作用下，形成了厚层坚硬砂岩叠置发育特征，极易出现由于单一厚层坚硬大面悬顶突然垮落以及复合坚硬顶板同时或相互作用破断运移而引发的强矿压(冲击地压)动力灾害。
目前，针对煤矿厚硬顶板难以实现精确、高效的控制，进而无法对采场矿压进行有效控制，因而容易频繁发生矿压灾害，这对安全生产带来了极大隐患，造成了严重经济损失。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，解决现有技术中煤矿厚硬顶板容易诱发冲击地压灾害的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤一，获取坚硬顶板空间展布特征。
步骤二，根据步骤一获得的坚硬顶板空间展布特征，获得单一厚层顶板和复合坚硬顶板层；然后根据判别坚硬岩层位置的公式，对单一厚层顶板和复合坚硬顶板层进行坚硬岩层判别，获得覆岩中的硬岩层及其所控软岩层组。
所述的判别坚硬岩层位置的公式如下所示：
式中：
Em+1表示第m+1岩层的弹性模量。
hm+1表示第m+1岩层的厚度。
γm+1表示第m+1岩层的容重。
hi表示第i岩层的厚度，i＝1,2,…,m。
γi表示第i岩层的容重，i＝1,2,…,m。
Ei表示第i岩层的弹性模量，i＝1,2,…,m。
步骤三，基于步骤二获取的硬岩层及其所控软岩层组的地质信息，获得高静载能量密度坚硬岩层。
步骤四，基于步骤三获得的高静载能量密度坚硬岩层，获取高静载能量密度坚硬岩层的动载能量数据，再根据动载能量数据确定压裂防治目标层位；所述的压裂防治目标层位属于下述五种压裂防治模式中的一种，五种压裂防治模式为：低位单一厚硬顶板层位、低位复合坚硬顶板层位、高-低位复合厚硬顶板层位、高位复合厚硬顶板层位和高位单一厚硬顶板层位。
步骤五，根据步骤四所划分的不同类型的压裂防治目标层位，采用不同的方式进行弱化防治；具体包括如下步骤：
步骤5.1，当压裂防治目标层位属于低位单一厚硬顶板层位时，则弱化防治的方式为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井，在井下施工厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ；将地面单孔直井作为压裂液体输送通道，在井下低位单一厚硬顶板层位中，利用多个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ作为压裂区域卸压实施钻孔，然后进行逐点、逐段压裂改造。
步骤5.2，当压裂防治目标层位属于低位复合坚硬顶板层位时，则弱化防治的方式为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井，在井下施工厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ；将地面单孔直井作为压裂液体输送通道，在井下低位复合坚硬顶板层位中，利用多个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ作为压裂区域卸压实施钻孔，然后采用低位上下两层的方式或者多层错步式压裂的方式进行压裂改造。
步骤5.3，当压裂防治目标层位属于高-低位复合厚硬顶板层位时，则弱化防治的方式为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井，在井下施工厚硬顶板超深控向钻孔Ⅲ；在地面水平井对应高位厚硬顶板岩层位置施工水平分支钻孔以进行压裂区域卸压；基于地面单孔直井输送压裂液体，利用厚硬顶板超深控向钻孔Ⅲ进行低位厚硬顶板区域卸压。
步骤5.4，当压裂防治目标层位属于高位复合坚硬顶板层位时，则弱化防治的方式为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井和地面超长多水平分支钻孔，基于地面单孔直井输送压裂液体，通过地面超长多水平分支钻孔对复合高位厚硬顶板进行分层密集分区域压裂改造。
步骤5.5，当压裂防治目标层位属于高位单一厚硬顶板层位时，则弱化防治的方式为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井和地面超长钻孔，基于地面单孔直井输送压裂液体，通过地面超长钻孔对高位厚硬顶板进行密集分区域压裂改造。
本发明还具有如下技术特征：
具体的，步骤二中，进行坚硬岩层判别包括如下步骤：
步骤2.1，从煤层上方第1层岩层开始往上逐层计算，当满足判别坚硬岩层位置的公式则不再往上计算，此时从第1层岩层往上，第m+1层岩层为第1层硬岩层。
步骤2.2，从第1层硬岩层开始，按步骤2.1的过程确定第2层硬岩层的位置，以此类推，直至确定出最上一层硬岩层，设为第n层硬岩层。
步骤2.3，判别出所有的硬岩层后，获得覆岩中硬岩层及其所控软岩层组。
具体的，步骤三的过程为：将硬岩层及其所控软岩层组的地质信息输入至FLAC3D软件中，运用FLAC3D软件内置的FISH语言编辑程序提取每一个单元的应力状态、弹性模量及泊松比的相关参数，根据上述参数生成能量密度云图，得到高静载能量密度坚硬岩层。
具体的，步骤四的过程为：利用井上下微震联合监测系统，对步骤三获得的高静载能量密度坚硬岩层进行在线动态监测，获得高静载能量密度坚硬岩层的动载能量数据；然后从动载能量数据中筛选104以上大能量事件，并进行高静载能量密度坚硬岩层的剖面层位微震能量分布规律分析，筛选破断动载能量释放关键的层位，综合覆岩结构特征研究，确定厚硬顶板冲击地中压裂防治目标层位。
具体的，步骤四中，煤层顶板60m范围内存在1层坚硬顶板属于低位单一厚硬顶板层位；煤层顶板60m范围内存在2层坚硬顶板属于低位复合坚硬顶板层位；煤层顶板60m范围内存在1层坚硬顶板且60m以上存在1层坚硬顶板属于高-低位复合厚硬顶板层位；煤层顶板60m以上存在2层坚硬顶板属于高位复合厚硬顶板层位；煤层顶板60m以上存在单一坚硬顶板属于高位单一厚硬顶板层位。
具体的，步骤5.1中，相邻两个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ之间的距离需满足如下公式：L1≤2D1；式中，L1表示相邻两个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ之间的距离，D1表示单个钻孔水平方向压裂影响范围。
可选且具体的，步骤5.2中，当采用低位上下两层的方式进行压裂改造时，上下两层钻孔之间的距离需满足如下公式：h1≤2d1；式中，h1表示上下两层钻孔之间的距离，d1为单孔垂直方向压裂影响范围。
可选且具体的，步骤5.2中，当采用多层错步式压裂的方式进行压裂改造时，相邻两层之间的竖直距离需要满足如下公式：h2≤2d2，式中，h2表示相邻两层之间的竖直距离，d2表示单孔垂直方向压裂影响范围；相邻两层之间的水平距离需要满足如下公式：L2≤2D2，式中，L2表示相邻两层之间的水平距离，D2表示单个钻孔水平方向压裂影响范围。
具体的，步骤5.3中，任意两支水平分支钻孔之间的距离满足如下公式：d3≤r1；式中，d3表示任意两支水平分支钻孔之间的距离，r1表示压裂裂缝沿着水平分支钻孔走向的延伸半径。
具体的，步骤5.4中，地面超长多水平分支钻孔的数量按照如下公式计算：N＝(L3/2r2)+1；式中，N表示地面超长多水平分支钻孔的数量，L3表示地面超长多水平分支钻孔的长度，r2表示压裂裂缝沿着地面超长多水平分支钻孔走向的延伸半径。
本发明与现有技术相比的有益技术效果如下：
(Ⅰ)本发明的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，在获取坚硬顶板空间展布特征后，根据该坚硬顶板空间展布特征确定了低位单一厚硬顶板层位、低位复合坚硬顶板层位、高-低位复合厚硬顶板层位、高位复合厚硬顶板层位和高位单一厚硬顶板层位。
针对低位单一厚硬顶板层位，通过地面井的大排量、高压力输送通道供给，结合井下定向长钻孔精准控向技术，并采用基于裸眼定向加骨料造缝的分段压裂技术，实现了单一低位厚层坚硬顶板的有效区域卸压弱化防冲；对于高位单一厚硬顶板层位，直接利用地面水平长钻孔分段压裂区域卸压防冲。针对高-低位厚层坚硬顶板均存在条件(即低位复合坚硬顶板层位、高-低位复合厚硬顶板层位和高位复合厚硬顶板层位)，通过地面定向长钻孔分段压裂控制高位厚硬顶板，井下裸眼定向长钻孔加骨料控向及压裂控制整个盘区，对低位厚硬顶板进行弱化改造，从而达到多个工作面或盘区的全覆盖的有效区域卸压防冲。
综合上述分析可知，本发明基于不同的层位实行不同的防治手段，实现上述五种情景的压裂区域卸压改造防冲技术模式，从根本上全方位的解决了厚硬顶板诱发的冲击地压灾害。
(Ⅱ)本发明的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，以地面直井作为大液量输出通道，利用地面精准开水平分支和井下超长水平钻孔优势，开展厚硬顶板分段压裂人工造缝区域卸压技术，缩短来压步距，降低回转动载能量、压裂成块降低静载储集能量，实现全模式的厚硬顶板冲击地压灾害区域、精准、有效防治。该方法集成了地面压裂的大排量、高压力及空间自由等优点，以及井下定向长钻孔具有不受冬雨期地形影响、低成本、灾害防治的直接性、工期可控性、价格低的优势。
(Ⅲ)本发明的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，通过研究区沉积环境分析，结合多个尺度的小旋回沉积相和单砂体精细追踪分析，透明化、精细化、精准揭示煤层顶板厚硬顶板覆存特征。通过地面和井下的超长水平长钻孔实时轨迹控制和精准成孔技术，实现防冲目标层位的精确控制和治理。
(Ⅳ)本发明的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，通过FLAC3D的静载能量计算和微震在线系统的动载能量的实时监测分析，结合沉积微相揭示的煤层顶板覆岩结构展布特征，定量筛选了厚硬顶板冲击地压灾害防治关键层位。
(Ⅴ)本发明的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，能够一次性实现多个工作面或者整个盘区的厚硬顶板冲击地压的有效防治，实现了矿井安全、高效回采和有序的采掘接续，为煤炭能源保供提供有效支撑。
附图说明
图1为厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法的流程示意图。
图2为低位单一厚硬顶板层位的弱化防冲示意图。
图3为低位复合坚硬顶板层位的弱化防冲示意图。
图4为高-低位复合厚硬顶板层位的弱化防冲示意图。
图5为高位复合厚硬顶板层位的弱化防冲示意图。
图6为高位单一厚硬顶板层位的弱化防冲示意图。
图7为低位单一厚硬顶板层位的防治效果示意图。
图8为低位复合坚硬顶板层位的防治效果示意图。
图9为高-低位复合厚硬顶板层位的防治效果示意图。
图10为高位复合厚硬顶板层位的防治效果示意图。
图11为高位单一厚硬顶板层位的防治效果示意图。
图中各个标号的含义为：1-地面单孔直井，2-厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ，3-厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ，4-水平分支钻孔，5-地面超长多水平分支钻孔，6-地面超长钻孔。
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明制得的所有用到的软件和系统，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的软件和系统，例如：井上下微震联合监测系统为现有技术中已知的监测系统。FLAC3D软件为现有技术中已知的三维数值分析软件，由Itasca公司开发。
需要说明的是，本发明中的“坚硬岩层”并非一般意义上的坚硬岩层，它是指那些在变形中挠度小于其下部岩层，而不与其下部岩层协调变形的岩层。
需要说明的是，本发明涉及到的数据均采用现有技术中已知的常规的单位，计算过程均为无量纲运算。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例：
本实施例给出一种厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
步骤一，获取坚硬顶板空间展布特征：
通过“单井相-剖面相-平面沉积相”三位一体的小旋回沉积相和单砂体精细追踪分析，结合坚硬顶板的覆岩结构，绘制出坚硬顶板空间展布特征。
步骤二，根据步骤一获得的坚硬顶板空间展布特征，对单一厚层顶板层和复合坚硬顶板层在矿井和工作面尺度上的单层追踪和时空展布的精细刻画，得到单一厚层顶板和复合坚硬顶板层；然后对单一厚层顶板和复合坚硬顶板层进行坚硬岩层判别，获得覆岩中的硬岩层及其所控软岩层组。步骤二中，进行坚硬岩层判别的具体包括如下步骤：
步骤2.1，从煤层上方第1层岩层开始往上逐层计算，当满足判别坚硬岩层位置的公式则不再往上计算，此时从第1层岩层往上，第m+1层岩层为第1层硬岩层；判别坚硬岩层位置的公式按照如下步骤获得：
步骤2.1.1，假设第1层岩层为坚硬岩层，其上直至第m层岩层与之协调变形，而第m+1层岩层不与之协调变形，则第m+1层岩层是第2层坚硬岩层；由于第1层至第m层岩层协调变形，则各岩层曲率相同，各岩层形成组合梁，由组合梁原理能够推导出第m层岩层对第1层坚硬岩层形成的载荷，如下公式Ⅰ所示：
式中：
q1(x)|m表示第m层岩层对第1层坚硬岩层形成的载荷；
E1表示第1层坚硬岩层的弹性模量；
h1表示第1层坚硬岩层的厚度；
hi表示第i岩层的厚度，i＝1,2,…,m；
γi表示第i岩层的容重，i＝1,2,…,m；
Ei表示第i岩层的弹性模量，i＝1,2,…,m。
步骤2.1.2，则第m+1层对第1层坚硬岩层形成的载荷可采用如下公式Ⅱ所示：
式中：
q1(x)|m+1表示第m+1层岩层对第1层坚硬岩层形成的载荷。
步骤2.1.3，由于第m+1层为坚硬岩层，其挠度小于下部岩层的挠度，第m+1层以上岩层已不再需要其下部岩层去承担它所承受的载荷，则能够获得如下公式Ⅲ：
q1(x)|m+1<q1(x)|m公式Ⅲ；
步骤2.1.4，将公式Ⅰ和公式Ⅱ代入公式Ⅲ中，简化后获得判别坚硬岩层位置的公式Ⅳ，即为：
式中：
Em+1表示第m+1岩层的弹性模量；
hm+1表示第m+1岩层的厚度；
γm+1表示第m+1岩层的容重。
步骤2.2，从第1层硬岩层开始，按步骤2.1的过程确定第2层硬岩层的位置，以此类推，直至确定出最上一层硬岩层，设为第n层硬岩层。
步骤2.3，判别出所有的硬岩层后，获得覆岩中硬岩层及其所控软岩层组。某一层硬岩层所控软岩层组的具体含义为：任意两层硬岩层之间的软岩属于下一层硬岩层控制的软岩层组，例如，第1层硬岩层和第2层硬岩层之间的软岩属于第2层硬岩层控制的软岩层组。
步骤三，基于步骤二获取的硬岩层及其所控软岩层组的地质信息，获得高静载能量密度坚硬岩层；具体过程为：将硬岩层及其所控软岩层组的地质信息输入至FLAC3D软件中，运用FLAC3D软件内置的FISH语言编辑程序提取每一个单元的应力状态、弹性模量及泊松比的相关参数，根据上述参数生成能量密度云图，得到高静载能量密度坚硬岩层。
步骤四，基于步骤三获得的高静载能量密度坚硬岩层，获取高静载能量密度坚硬岩层的动载能量数据，再根据动载能量数据确定压裂防治目标层位；具体过程为：
利用井上下微震联合监测系统，对步骤三获得的高静载能量密度坚硬岩层进行在线动态监测，获得高静载能量密度坚硬岩层的动载能量数据；然后从动载能量数据中筛选104以上大能量事件，并进行高静载能量密度坚硬岩层的剖面层位微震能量分布规律分析，筛选破断动载能量释放关键的层位，综合覆岩结构特征研究，确定厚硬顶板冲击地中压裂防治目标层位对应的五种压裂防治模式，即：低位单一厚硬顶板层位(模式1)、低位复合坚硬顶板层位(模式2)、高-低位复合厚硬顶板层位(模式3)、高位复合厚硬顶板层位(模式4)和高位单一厚硬顶板层位(模式5)。
本实施例中，根据筛选的坚硬顶板数量和分布位置判识治理模式，其中煤层顶板60m范围内存在单一坚硬顶板属于模式1，煤层顶板60m范围内存在2层坚硬顶板属于模式2，煤层顶板60m范围内存在1层坚硬顶板60m以上(尤其是超过100m)存在1层坚硬顶板属于模式3，煤层顶板60m以上存在2层坚硬顶板属于模式4，煤层顶板60m以上存在单一坚硬顶板属于模式5。
步骤五，根据步骤四所划分的不同类型的压裂防治目标层位，采用不同的方式进行弱化防治；具体如下：
步骤5.1，如图2所示，当压裂防治目标层位属于低位单一厚硬顶板层位时，则弱化防治的方式(即模式1)为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井(1)，在井下施工厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ(2)；将地面单孔直井(1)作为压裂液体输送通道，在井下低位单一厚硬顶板层位中，利用多个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ(2)作为压裂区域卸压实施钻孔，然后进行逐点、逐段压裂改造。
本实施例中，每个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ(2)均呈水平方向，且每个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ(2)的深度均大于800m。相邻两个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ(2)之间的距离需满足如下公式：L1≤2D1；式中，L1表示相邻两个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ之间的距离，D1表示单个钻孔水平方向压裂影响范围。
步骤5.2，如图3所示，当压裂防治目标层位属于低位复合坚硬顶板层位时，则弱化防治的方式(即模式2)为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井(1)，在井下施工厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ(3)；将地面单孔直井(1)作为压裂液体输送通道，在井下低位复合坚硬顶板层位中，利用多个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ(3)作为压裂区域卸压实施钻孔，然后采用低位上下两层的方式或者多层错步式压裂的方式进行压裂改造，图3中以采用低位上下两层的方式为示例。
本实施例中，每个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ(3)均呈水平方向，且每个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ(3)的深度均大于800m。
当采用低位上下两层的方式进行压裂改造时，上下两层钻孔之间的距离需满足如下公式：h1≤2d1；式中，h1表示上下两层钻孔之间的距离，d1为单孔垂直方向压裂影响范围。
当采用多层错步式压裂的方式进行压裂改造时，需要根据厚硬顶板冲击地压压裂防治层位的选择结果确定层数，相邻两层之间的竖直距离需要满足如下公式：h2≤2d2；式中，h2表示相邻两层之间的竖直距离，d2表示单孔垂直方向压裂影响范围，相邻两层之间的水平距离需要满足如下公式：L2≤2D2；式中，L2表示相邻两层之间的水平距离，D2表示单个钻孔水平方向压裂影响范围。
步骤5.3，如图3和图4所示，当压裂防治目标层位属于高-低位复合厚硬顶板层位时，则弱化防治的方式(即模式3)为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井(1)，在井下施工厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ(3)；在地面水平井对应高位厚硬顶板岩层位置施工水平分支钻孔(4)以进行压裂区域卸压；基于地面单孔直井(1)输送压裂液体，利用厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ(3)进行低位厚硬顶板区域卸压。
本实施例中，任意两支水平分支钻孔(4)之间的距离需满足如下公式：d3≤r1；式中，d3表示任意两支水平分支钻孔之间的距离，r1表示压裂裂缝沿着水平分支钻孔走向的延伸半径。
步骤5.4，如图5所示，当压裂防治目标层位属于高位复合坚硬顶板层位时，则弱化防治的方式(即模式4)为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井(1)和地面超长多水平分支钻孔(5)，基于地面单孔直井(1)输送压裂液体，通过地面超长多水平分支钻孔(5)对复合高位厚硬顶板进行分层密集分区域压裂改造。
本实施例中，地面超长多水平分支钻孔(5)的长度大于800m，地面超长多水平分支钻孔(5)的数量按照如下公式计算：N＝(L3/2r2)+1；式中，N表示地面超长多水平分支钻孔的数量，L3表示地面超长多水平分支钻孔的长度，r2表示压裂裂缝沿着地面超长多水平分支钻孔走向的延伸半径。
步骤5.5，如图6所示，当压裂防治目标层位属于高位单一厚硬顶板层位时，则弱化防治的方式(即模式5)为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井(1)和地面超长钻孔(6)，基于地面单孔直井(1)输送压裂液体，通过地面超长钻孔(6)对高位厚硬顶板进行密集分区域压裂改造。
本实施例中，地面超长钻孔(6)的长度大于800m。地面超长钻孔(6)的数量的获取方式与上述地面超长多水平分支钻孔(5)相同。
效果验证：
(A)当压裂防治目标层位属于低位单一厚硬顶板层位时，防治效果如图7所示。由图7可知，通过弱化改造坚硬岩层的岩石特性，能够改变垮落形态，缩短来压步距，分层分段降低应力传递集中程度；通过控制低位坚硬岩层运动状态，进而能够对单一坚硬岩层条件下的采场矿压显现强度实现有效控制。
(B)当压裂防治目标层位属于低位复合坚硬顶板层位时，防治效果如图8所示。由图8可知，通过错位布置压裂段位，能够促使低位复合坚硬岩层上下层以非同步破断为主要运动状态，防止复合岩层同步破断造成强冲击性动力灾害，同时非同步破断后的应力传递路径破坏，对工作面直接传递的载荷及应力被分散，通过对破断结构以及应力传递的综合控制，进而实现了在低位复合坚硬岩层条件下对动力灾害的综合控制。
(C)当压裂防治目标层位为高-低位复合厚硬顶板层位时，防治效果如图9所示。由图9可知，采用高低位联合治理后，其中低位弱化能够改变垮落形态，缩短来压步距，降低应力传递集中程度；高位弱化能够控制坚硬顶板垮落尺度，促使高位岩层及时破断，降能增频，减小高位岩层单次破断范围和破坏程度；二者联合后能够控制规避因高低位同步运动而形成工作面动力灾害。
(D)当压裂防治目标层位为高位复合厚硬顶板层位时，防治效果如图10所示。由图10可知，促使高位复合坚硬岩层上下层进行非同步破断，同时破断集中应力传递路径后，防治的高位坚硬复合顶板发生了大面积单次破断造成高能量释放，通过对破断范围以及应力传递的综合控制，进而实现了在高位复合坚硬岩层条件下对动力灾害的综合控制。
(E)当压裂防治目标层位属于高位单一厚硬顶板层位时，防治效果如图11所示。由图11可知，通过弱化改造高位坚硬岩层的岩石特性，能够缩小悬顶范围，降低应力传递集中程度，通过控制高位坚硬岩层运动状态，能够避免高位岩层出现单次高能量释放风险，最终达到工作面矿压显现的有效控制。

Claims (10)

1.一种厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
步骤一，获取坚硬顶板空间展布特征；
步骤二，根据步骤一获得的坚硬顶板空间展布特征，获得单一厚层顶板和复合坚硬顶板层；然后根据判别坚硬岩层位置的公式，对单一厚层顶板和复合坚硬顶板层进行坚硬岩层判别，获得覆岩中的硬岩层及其所控软岩层组；
所述的判别坚硬岩层位置的公式如下所示：
式中：
Em+1表示第m+1岩层的弹性模量；
hm+1表示第m+1岩层的厚度；
γm+1表示第m+1岩层的容重；
hi表示第i岩层的厚度，i＝1,2,…,m；
γi表示第i岩层的容重，i＝1,2,…,m；
Ei表示第i岩层的弹性模量，i＝1,2,…,m；
步骤三，基于步骤二获取的硬岩层及其所控软岩层组的地质信息，获得高静载能量密度坚硬岩层；
步骤四，基于步骤三获得的高静载能量密度坚硬岩层，获取高静载能量密度坚硬岩层的动载能量数据，再根据动载能量数据确定压裂防治目标层位；所述的压裂防治目标层位属于下述五种压裂防治模式中的一种，五种压裂防治模式为：低位单一厚硬顶板层位、低位复合坚硬顶板层位、高-低位复合厚硬顶板层位、高位复合厚硬顶板层位和高位单一厚硬顶板层位；
步骤五，根据步骤四所划分的不同类型的压裂防治目标层位，采用不同的方式进行弱化防治；具体包括如下步骤：
步骤5.1，当压裂防治目标层位属于低位单一厚硬顶板层位时，则弱化防治的方式为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井(1)，在井下施工厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ(2)；将地面单孔直井(1)作为压裂液体输送通道，在井下低位单一厚硬顶板层位中，利用多个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ(2)作为压裂区域卸压实施钻孔，然后进行逐点、逐段压裂改造；
步骤5.2，当压裂防治目标层位属于低位复合坚硬顶板层位时，则弱化防治的方式为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井(1)，在井下施工厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ(3)；将地面单孔直井(1)作为压裂液体输送通道，在井下低位复合坚硬顶板层位中，利用多个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ(3)作为压裂区域卸压实施钻孔，然后采用低位上下两层的方式或者多层错步式压裂的方式进行压裂改造；
步骤5.3，当压裂防治目标层位属于高-低位复合厚硬顶板层位时，则弱化防治的方式为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井(1)，在井下施工厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ(3)；在地面水平井对应高位厚硬顶板岩层位置施工水平分支钻孔(4)以进行压裂区域卸压；基于地面单孔直井(1)输送压裂液体，利用厚硬顶板超深控向钻孔Ⅱ(3)进行低位厚硬顶板区域卸压；
步骤5.4，当压裂防治目标层位属于高位复合坚硬顶板层位时，则弱化防治的方式为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井(1)和地面超长多水平分支钻孔(5)，基于地面单孔直井(1)输送压裂液体，通过地面超长多水平分支钻孔(5)对复合高位厚硬顶板进行分层密集分区域压裂改造；
步骤5.5，当压裂防治目标层位属于高位单一厚硬顶板层位时，则弱化防治的方式为：在地面施工用于大排量供液的地面单孔直井(1)和地面超长钻孔(6)，基于地面单孔直井(1)输送压裂液体，通过地面超长钻孔(6)对高位厚硬顶板进行密集分区域压裂改造。
2.如权利要求1所述的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，其特征在于，步骤二中，进行坚硬岩层判别具体包括如下步骤：
步骤2.1，从煤层上方第1层岩层开始往上逐层计算，当满足判别坚硬岩层位置的公式则不再往上计算，此时从第1层岩层往上，第m+1层岩层为第1层硬岩层；
步骤2.2，从第1层硬岩层开始，按步骤2.1的过程确定第2层硬岩层的位置，以此类推，直至确定出最上一层硬岩层，设为第n层硬岩层；
步骤2.3，判别出所有的硬岩层后，获得覆岩中硬岩层及其所控软岩层组。
3.如权利要求1所述的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，其特征在于，步骤三的具体过程为：将硬岩层及其所控软岩层组的地质信息输入至FLAC3D软件中，运用FLAC3D软件内置的FISH语言编辑程序提取每一个单元的应力状态、弹性模量及泊松比的相关参数，根据上述参数生成能量密度云图，得到高静载能量密度坚硬岩层。
4.如权利要求1所述的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，其特征在于，步骤四的具体过程为：利用井上下微震联合监测系统，对步骤三获得的高静载能量密度坚硬岩层进行在线动态监测，获得高静载能量密度坚硬岩层的动载能量数据；然后从动载能量数据中筛选104以上大能量事件，并进行高静载能量密度坚硬岩层的剖面层位微震能量分布规律分析，筛选破断动载能量释放关键的层位，综合覆岩结构特征研究，确定厚硬顶板冲击地中压裂防治目标层位。
5.如权利要求1所述的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，其特征在于，步骤四中，煤层顶板60m范围内存在1层坚硬顶板属于低位单一厚硬顶板层位；煤层顶板60m范围内存在2层坚硬顶板属于低位复合坚硬顶板层位；煤层顶板60m范围内存在1层坚硬顶板且60m以上存在1层坚硬顶板属于高-低位复合厚硬顶板层位；煤层顶板60m以上存在2层坚硬顶板属于高位复合厚硬顶板层位；煤层顶板60m以上存在单一坚硬顶板属于高位单一厚硬顶板层位。
6.如权利要求1所述的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，其特征在于，步骤5.1中，相邻两个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ(2)之间的距离需满足如下公式：L1≤2D1；式中，L1表示相邻两个厚硬顶板超深控向钻孔Ⅰ之间的距离，D1表示单个钻孔水平方向压裂影响范围。
7.如权利要求1所述的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，其特征在于，步骤5.2中，当采用低位上下两层的方式进行压裂改造时，上下两层钻孔之间的距离需满足如下公式：h1≤2d1；式中，h1表示上下两层钻孔之间的距离，d1为单孔垂直方向压裂影响范围。
8.如权利要求1所述的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，其特征在于，步骤5.2中，当采用多层错步式压裂的方式进行压裂改造时，相邻两层之间的竖直距离需要满足如下公式：h2≤2d2，式中，h2表示相邻两层之间的竖直距离，d2表示单孔垂直方向压裂影响范围；相邻两层之间的水平距离需要满足如下公式：L2≤2D2，式中，L2表示相邻两层之间的水平距离，D2表示单个钻孔水平方向压裂影响范围。
9.如权利要求1所述的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，其特征在于，步骤5.3中，任意两支水平分支钻孔之间的距离满足如下公式：d3≤r1；式中，d3表示任意两支水平分支钻孔之间的距离，r1表示压裂裂缝沿着水平分支钻孔走向的延伸半径。
10.如权利要求1所述的厚硬顶板地面和井下协同区域弱化防冲方法，其特征在于，步骤5.4中，地面超长多水平分支钻孔(5)的数量按照如下公式计算：N＝(L3/2r2)+1；式中，N表示地面超长多水平分支钻孔的数量，L3表示地面超长多水平分支钻孔的长度，r2表示压裂裂缝沿着地面超长多水平分支钻孔走向的延伸半径。
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