CN117823044A - 一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其属于煤矿开采领域，其技术要点在于：包括以下步骤：首先，根据回采工作面的工程地质条件分析垮落带、裂隙带高度，O形圈的分布范围以及对工作面来压起关键作用的坚硬岩层的层位、厚度，确定千米水平钻孔与水压致裂的关键参数；其次，在回采工作面顺槽钻场内施工千米水平钻孔并进行水压致裂。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采领域，具体而言，涉及一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法。
背景技术
随着煤矿井下开采深度的增加以及开采强度的增大，地质条件越来越复杂，频发的瓦斯灾害严重影响着矿井工作人员的生命安全。
如今部分煤矿瓦斯涌出量大，传统的千米钻孔抽采达标周期长，瓦斯治理效率与工作面回采进度不匹配，抽采效果不理想，从而影响煤矿的高效生产。另外，当本工作面回采完成后，其采空区上方的侧向顶板不完全垮落，厚硬岩层顶板存在悬露跨距长、悬露面积大的情况，导致相邻工作面的回采巷道不仅受到邻近工作面支承压力的影响，且在邻近工作面回采时还会受到超前与侧向支承压力的叠加影响，巷道及支护结构长期处于高应力高扰动的状态，使围岩稳定性得不到保障，造成巷道围岩变形严重，极大增加巷道支护难度以及后期维护成本，甚至对矿工造成生命威胁，制约着矿井的安全高效发展。
因此，寻找一种提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法具有重要的意义。
故而，需要同时考虑强化瓦斯抽采和切顶卸压护巷两个方面的问题。
第一点，为解决瓦斯抽采问题采用的千米钻孔的设计方法主要是固定钻场间距，基于经验公式计算或试验测算出施工区域上覆岩层垮落带及裂隙带高度，以此确定钻孔剖面布孔高度，一般位于垮落带上部、裂隙带中下部。综合考虑钻孔的角度、垮落角、钻孔间距、钻孔倾角、钻孔方位角以及基本顶的悬臂梁长度等情况进行钻孔设计。但是目前瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采参数选取大多凭经验为主，没有考虑瓦斯随工作面回采运移轨迹的变化情况，导致抽采钻孔选择存在不科学、不合理的现象，瓦斯抽采量难以符合要求，抽采效果不佳。
第二点，为解决围岩稳定性、巷道支护高扰动高应力问题，现如今也有多种方法。其中一种方法的思想是：通过增加护巷的煤柱宽度及使用加强支护来保持巷道围岩的稳定，合理选择支护结构及支护参数来提升护巷煤柱自身承载能力，但是现场调研发现在坚硬顶板岩层、大采高工作面、埋深较大等条件下，增加护巷煤柱宽度对减轻采动影响的效果不太明显，并且护巷煤柱预留过多会导致煤炭资源的严重浪费；强支护的方法施工难度大，存在着较多的局限性与时效性，不能有效保证该巷道在邻近工作面采动和本工作面采动的全生命周期内的安全有效使用。还有一种方法的思想认为：将围岩进行切顶卸压来减小应力保持围岩稳定，目前应用广泛的方法有爆破切顶和水力压裂切顶。但爆破切顶对工人有较大的安全隐患，尤其在高瓦斯矿井不合适作为常规卸压方法进行施工；水力压裂切顶需要打多组卸压孔，在现场的施工过程中，瓦斯抽采强化和切顶卸压护巷是分开考虑的，往往在施工中需要分别钻抽采孔和卸压孔来解决相对应的问题，造成人工的浪费和成本的提高。
发明内容
本发明提供了一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，旨在解决现有技术的问题。
本申请的具体方案如下：
一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其包括如下步骤：
首先，根据回采工作面的工程地质条件分析垮落带、裂隙带高度，O形圈的分布范围以及对工作面来压起关键作用的坚硬岩层的层位、厚度，确定千米水平钻孔与水压致裂的关键参数；
其次，在回采工作面顺槽钻场内施工千米水平钻孔并进行水压致裂。
一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其包括以下步骤：
S1，调研现场工程地质概况，收集回采工作面的基础资料；
S2，确定垮落带高度、裂隙带高度以及对工作面来压起关键作用的坚硬岩层的层位、厚度；
S3，设计千米水平钻孔参数与水压致裂参数；
所述千米水平钻孔参数包括：钻孔层位、钻孔倾角、钻孔方位角、钻孔起始位置、钻孔终孔位置、第一个钻孔与回采巷道的水平距离、钻孔间的垂直距离与水平距离、钻孔长度、钻孔的水平层数与所切坚硬顶板厚度的关系；
第一个钻孔与回采巷道的水平距离的确定方法如下：
首先，结合裂隙带高度和顶板岩石垮落角确定第一个钻孔距离回采巷道的水平距离，根据公式：
L1＝H/tanα
式中：H-裂隙带的平均高度，单位为m；α-顶板岩石垮落角，单位为°；
其次，结合采高和岩石碎胀系数确定第一个钻孔距离回采巷道的水平距离，根据公式：
式中：∑h-回采煤层高度，单位为m；Kp-岩石碎胀系数，通常取1.2～1.5。
再次，将以上2种方法所得的结果相比较，取平均值，根据公式L确定为第一个钻孔距离回采巷道的水平距离；
钻孔间的垂直距离的确定方法如下：
当所切坚硬顶板厚度小于5m时，钻孔打在该岩层1/2处；当所切坚硬顶板厚度为5～10m时，当瓦斯抽采需要4个钻孔，钻孔均打在距该岩层上下边界1/4处，当瓦斯抽采需要6个钻孔，钻孔前两个钻孔打在距该岩层下边界1/4处，后一个钻孔打在距该岩层上边界1/4处；当所切坚硬顶板厚度为10～15m时，钻孔依次打在距该岩层边界1/6、1/2、5/6位置处；
钻孔间的水平距离x的确定方法如下：
式中：R-顶板岩层的压裂半径，单位为m，压裂半径通常取3～5m；h-钻孔之间的垂直间距，单位为m；
钻孔的水平层数与所切坚硬顶板厚度的关系是：所切坚硬顶板的厚度小于5m时打1层水平的钻孔；所切坚硬顶板的厚度为5～10m时打2层不同水平的钻孔；所切坚硬顶板的厚度为10～15m时打3层不同水平的钻孔；
所述水压致裂参数包括：水压压力、致裂方向、压裂区段(所述水压致裂参数需要结合坚硬岩层的地应力测试结果、单轴抗压强度、厚度来确定)；
确定水压压力：当水压压力增大至岩体内的张拉应力超过临界抗拉强度，水力裂纹起裂，此时的临界水压Psc可由下式求得：
Psc＝2R0+RL
式中：R0—起裂位置的围岩应力，可按自重应力近似计算，单位为MPa；RL—岩石抗拉强度极限，单位为MPa；
S4，布置钻场，现场施工千米水平钻孔并进行水压致裂；
S5，在工作面回采过程中对采空区上覆岩层进行瓦斯抽采并对比分析本工作面瓦斯抽采浓度、流量；
S6，对比分析水力压裂前后邻近巷道的围岩变形情况。
进一步，S2中的垮落带高度采用下式计算：
HM的范围为：
式中：HM-垮落带高度，m；∑h-回采煤层高度，m。
进一步，S2中的裂隙带高度采用下式计算：
HL的范围为：
式中：HL-裂隙带高度，m；∑h-回采煤层高度，m。
进一步，S2中需要确定对工作面来压起关键作用的坚硬岩层的层位。满足某一岩层是否是关键层的条件有两个：①岩石刚度判断：按照自下而上的顺序，第m层岩层的作用载荷大于第m+1层岩层的作用载荷。②岩石破断距判断：按照自下而上的顺序，第n层岩层的破断距小于第n+1层的破断距。③某一岩层同时满足两个条件时，可认为是关键层。
①通过判别覆岩中各岩层是否满足q1|m+1＜q1|m这一强度条件，其中q1|m为第m层岩层对第1层的作用载荷，可表示为
其中：
hi为第i层的厚度，单位为m；
γi为第i层的容重，单位为KN/m3；
Ei为第i层的弹性模量，单位为GPa。
②通过判别覆岩中各岩层是否满足Lk＜Lk+1这一强度条件，其中Lk为第k层的破断距，可表示为
其中：
hk为第k层的厚度，m；
σk为第k层的抗拉强度，MPa；
qk为第k层所承受的载荷，MPa。
进一步，所述步骤S4包括：自超前开切眼350～550m起在回风顺槽设置第一个钻场，每间隔350m～500m设置下一个钻场，直到最后一个钻场超出停采线50m；每个钻场布置的钻孔数目为4～6个，钻孔排数为1～2排，钻孔长度在520m～620m(通过理论分析结合矿井生产实践，在覆岩竖直方向上，定向高位钻的终孔位置设定在裂隙带中下部。在现场实际布置钻孔时，同时要考虑顶板岩层的岩性，要尽量杜绝地质构造带及富水性地层层位)；
在钻场内布置高压注水泵，每当一个钻场钻孔结束后在该钻场开始进行水压致裂；
钻孔布置在坚硬岩层中，每个钻孔采用后退式多次压裂，孔内每隔10～30m压裂一次，每次压裂时间不小于30min，压裂时水头方向一定要垂直于巷道顶板，待水压压力突然大幅下降时停止该段压裂，如此反复将该水平钻孔内的坚硬岩层压裂完为止。
进一步，所述步骤S5包括：开孔并用扩孔器进行扩孔；退出扩孔器进行封孔；本工作面开始推进时开始进行瓦斯抽采并对其进行实时监测，并对比分析钻孔压裂前后瓦斯抽采流量和浓度的变化量，确定压裂后的抽采效果。
进一步，所述步骤S6包括：在邻近巷道设置十字围岩位移监测点监测邻近工作面整个回采过程中巷道变形情况，并对比分析钻孔压裂前后邻近巷道顶底板和两帮的变形量。
进一步，步骤S1中的基础资料包括：工作面回采后的瓦斯特征、拟保护巷道的围岩地质力学信息；
其中，工作面回采后的瓦斯特征包括：井田地质构造、瓦斯等级、工作面瓦斯概况、工作面瓦斯涌出量预测、现阶段瓦斯抽采效果；
其中，拟保护巷道的围岩地质力学信息包括：岩层结构及其厚度、开采工艺、顶底板岩性情况、水文地质条件、构造情况、采动影响情况、采用水压致裂法测量巷道的地应力信息；采用水压致裂法测量巷道的地应力信息，包括：最大主应力、最小主应力的大小及方向。
本申请的有益效果在于：
第一，本申请的基础构思在于：一方面在本工作面回采过程中对上覆岩层进行高位瓦斯抽采，对比分析本工作面瓦斯抽采浓度和流量的变化，另一方面通过该钻孔配合水压致裂起到切顶卸压的效果，从而减弱邻近巷道的变形破坏。钻孔同时考虑瓦斯抽采和卸压护巷两方面情况，将两组钻孔融合为一组钻孔可以解决两种问题，通过千米钻压裂在提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的同时，大幅降低了施工工程量与成本，有效提高了工作效率。
第二，本申请的第二个发明构思在于：本申请将瓦斯抽采与促进围岩稳定性良好的结合在一起，形成了一孔两用。即打一组钻孔并对其进行压裂，增强围岩稳定性；并且因为压裂制造的裂隙可以促进瓦斯的高位抽采，从而达到良好的瓦斯抽采效果。将两组钻孔融合为一组钻孔解决两种问题，提高了工作效率，降低了生产成本。
第三，本申请的第三个发明构思在于：本申请突破了以往瓦斯抽采时由于定向钻孔布置方式无法匹配瓦斯运移规律导致抽出瓦斯的浓度和含量较低，不能充分解决煤矿高瓦斯而带来的难题。根据瓦斯运移的特性一个钻场设计钻孔与煤层顶板之间不同距离的1～2组钻孔，将原本只能抽取一个水平的定向钻孔优化到具有不同层位不同水平的定向钻孔进行瓦斯抽采，即由一维的“线抽”优化至三维的高效抽采，提高了瓦斯抽采的浓度与含量，且对钻孔进行压裂增多了裂隙，加强了瓦斯运移，从而达到良好的瓦斯抽采效果。
第四，本申请的第四个发明构思在于：本申请突破以往常规的以强支护为主的围岩控制手段，考虑到传统压裂方法强支护的方法施工难度大，存在着较多的局限性与时效性，本申请提出“在瓦斯抽采孔内进行水压致裂，切断顶板应力传递路径，减弱下一工作面巷道的顶板压力和煤柱上的载荷”，可以有效提高下一工作面围岩的稳定性，达到良好的护巷效果。
第五，本申请的第五个发明构思在于：本申请提出了第一个钻孔与回采巷道水平距离的计算方法。具体方法为：(1)裂隙带平均高度和顶板岩石垮落角结合，计算出适合强化瓦斯抽采的水平距离；(2)将采高与岩石碎胀系数结合，计算出适合保护邻近巷道围岩稳定性的水平距离；(3)对计算出的结果进行比较，最后取平均值。
第六，本申请的第六个发明构思在于：本申请提出了钻孔间的水平间距的计算方法。具体方法为根据公式：进行计算。
附图说明
图1是实施例1的设计示意图。
图2是图1中的Ⅰ-Ⅰ剖面图。
图3是图1中的Ⅱ-Ⅱ剖面图。
图4是实施例2的设计示意图。
图5是图4中的A-A剖面图。
图6是图4中的B-B剖面图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
以下结合附图由具体实例对本发明的具体实施方式进一步说明。
实施例一：付家焉矿
实施本发明所提供的一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其所述步骤是按下列步骤进行的：
步骤Ⅰ、现场调研矿井工程地质概况，并测试分析拟保护巷道的围岩地质力学特征，如岩层结构及其厚度、围岩物理力学性质、水文地质条件、构造情况、采动影响情况等。根据矿方钻孔柱状图、以往回采工作面初次来压步距29.4m、煤厚5.8m(采用综放开采，采高3.2m，放煤高度2.6m)、矿井最大相对瓦斯涌出量为40.60m3/t、最大绝对瓦斯涌出量为107.65m3/min，属于高瓦斯矿井、矿井瓦斯抽放率约为48.7％。
步骤Ⅱ、根据公式确定垮落带理论高度为10.3m～14.7m，根据公式确定裂隙带理论高度为39.4m～50.6m。
根据以下两个公式：
其中，m表示当前计算的某一岩层；
q1(x)|m表示第m层岩层对第1层的作用载荷，单位为MPa；
E1表示自下而上第一层岩层的弹性模量，单位为GPa；
h1表示第一层岩层的厚度，单位为m；
hi为第i层岩层的厚度，单位为m；
γi为第i层岩层的容重，单位为KN/m3；
Ei为第i层岩层的弹性模量，单位为GPa
Lk表示第k层岩层的破断距，单位为m；
hk表示第k层岩层的厚度，单位为m；
qk表示第k层岩层所承受的载荷，单位为MPa；
σk表示第k层岩层的抗拉强度，单位为MPa；
确定了对工作面来压起关键作用的坚硬岩层的为距巷道顶板为28.8m的石灰岩，其岩层厚度为7.0m。
步骤Ⅲ、设计千米水平钻孔参数与水压致裂参数，具体的说，千米水平钻孔参数包括：钻孔位于距巷道顶板为28.8m的石灰岩以及距巷道顶板为43.3m的石灰岩。
第一个钻孔的设计要综合考虑本工作面回采后瓦斯的高效抽采，以及本工作面通过压裂钻孔减小应力从而达到保护邻近工作面巷道。
因此创新出一种计算第一个钻孔与回采巷道水平距离的方法，具体为：
(1)裂隙带平均高度和顶板岩石垮落角结合，计算出适合强化瓦斯抽采的水平距离；
(2)将采高与岩石碎胀系数结合，计算出适合保护邻近巷道围岩稳定性的水平距离；
(3)对计算出的结果进行比较，最后取平均值。
依据创新出的一种计算第一个钻孔与回采巷道水平距离的计算方法，其计算过程如下：根据顶板岩石垮落角和裂隙带高度确定结果：依据以下公式求得该距离：
L1＝H/tanα
其中，H为裂隙带的平均高度，α为顶板岩石垮落角。其中：中等稳定顶板跨落角取60°，稳定顶板跨落角取45°，该实例中跨落角为60°。根据上述公式确定裂隙带高度为39.4m～50.6m，裂隙带的平均高度H为45m。根据公式计算得出L1为25.8m。定向高位钻孔距回风巷的水平投影距离应大于H/tanα以保证定向钻孔处于充分卸压后的裂隙带范围内，依据公式求得该方法中第一个钻孔与回风巷道水平距离为26m。
根据采高和岩石碎胀系数确定结果：依据以下公式求得该距离：
其中，∑h为采高，Kp为岩石碎胀系数。该实例采高为5.8m，碎胀系数为1.3，依据公式求得该方法中第一个钻孔与回采巷道水平距离为19.7m，取20m。
将以上2种方法所得的结果相比较，取平均值，根据公式最终确定第一个钻孔与回采巷道的水平距离为23m。
钻孔水平间距的计算依据以下公式求得该距离：
其中：R为顶板岩层的压裂半径，h为钻孔之间的垂直间距。
通过钻孔的水平层数与所切坚硬顶板的厚度的关系可知，低层位厚度为7m，需要打2个水平的钻孔，h取3.5m；根据公式确定钻孔水平间距为4.9m～9.4m，取平均值为7.15m，取7.2m。高层位厚度为3.5m，只需要打1个水平的钻孔，也取7.2m。
水压压力的计算依据以下公式可求得该压力：
Psc＝2R0+RL
其中：R0为起裂位置的围岩应力，RL为岩石抗拉强度极限，根据公式确定该压力为22MPa。
步骤Ⅳ、确定钻孔布置层位高度及第一个钻孔与煤柱水平距离后，自开切眼开始350m设置第一个钻场，每间隔350m设置下一个钻场，直到最后一个钻场超出停采线50m。在钻场内安装千米定向钻机，然后从第一个钻场开始打孔，每个钻场打4个钻孔，钻孔长度为520m～580m。钻孔的轨迹起始部分为曲线，主体部分为近似水平直线。考虑到回采巷道保护情况，靠近回采巷道实体煤一侧进行钻孔。
现场开展水压致裂，即在钻场内布置高压注水泵，每当一个钻场钻孔结束后在该钻场开始进行水压致裂。钻孔布置在坚硬岩层中，每个钻孔采用后退式多次压裂，孔内每隔20m压裂一次，每次压裂时间不小于30min，压裂时水头方向一定要垂直于巷道顶板，待水压压力突然大幅下降时停止该段压裂，如此反复将该水平钻孔内的坚硬岩层压裂完为止。然后开始回采本工作面，待工作面回采至下一水平钻孔前50m左右时，开始对下一水平钻孔进行分段压裂，如此循环至该工作面回采完成。
步骤Ⅴ、使用直径165mm的钻头开孔，见矸继续钻进3m，然后使用直径250mm钻头扩孔至孔底，将193铁管下至孔底接好孔口装置；使用直径98mm钻头按照设计施工钻孔，每3m进行1次测量，对比设计轨迹调整钻进方向，保证钻孔质量；按照设计要求施工完成后，保存数据，退出钻具，封闭钻孔，负压接抽；钻孔完成后，开始进行瓦斯抽采，除当天封孔测量钻孔瓦斯参数外，每周对所有钻孔瓦斯参数进行测量并做好数据记录，以备后期研究使用。待整个工作面回采结束，在千米定向水平钻孔水压致裂作用后，工作面采空区上覆岩层的裂隙增多，本工作面的瓦斯抽采量由平均0.037～0.088m3/min增加到平均0.212～0.40m3/min，瓦斯抽采量提高。
步骤VI、待整个工作面回采结束，在千米定向水平钻孔水压致裂作用后，工作面采空区上方的坚硬顶板基本充分垮落，邻近巷道受其采动影响减弱。邻近工作面低鼓由1.5m减小至0.3m，两帮变形量由2.0m减小至0.4m，巷道保持了良好的稳定性，将为后期煤柱优化奠定了良好基础。
实施例二：常村矿
实施本发明所提供的一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其所述步骤是按下列步骤进行的：
步骤Ⅰ、现场调研矿井工程地质概况，并测试分析拟保护巷道的围岩地质力学特征，如岩层结构及其厚度、围岩物理力学性质、水文地质条件、构造情况、采动影响情况等，根据矿方钻孔柱状图、以往回采工作面初次来压步距21.2m、煤厚6.35m(采用综放开采，采高3.7m，放煤高度2.65m)、2303工作面原始瓦斯含量为7.5～9.5m3/t，残存瓦斯含量为2.21m3/t，2303回采工作面可采储量为355.59万t，矿井瓦斯绝对涌出量为148.31m3/min，相对涌出量为9.95m3/t，原始瓦斯含量为9.5m3/t，工作面煤层原始瓦斯储量为3378.11万m3。常村煤矿属高瓦斯矿井。
步骤Ⅱ、根据公式确定垮落带理论高度为10.8m～15.2m，根据公式确定裂隙带理论高度为40.6m～51.8m。
根据公式
确定了对工作面来压起关键作用的坚硬岩层的为距巷道顶板为27.98m的细粒砂岩，其岩层厚度为11.05m。
步骤Ⅲ、设计千米水平钻孔参数与水压致裂参数，具体的说，千米水平钻孔参数包括：钻孔位于距巷道顶板为27.98m以及距巷道顶板为41.88m的细粒砂岩。
依据创新出的一种计算第一个钻孔与回采巷道水平距离的计算方法，其计算过程如下：根据顶板岩石垮落角和裂隙带高度确定结果：依据以下公式求得该距离：
L1＝H/tanα
其中，H为裂隙带的平均高度，α为顶板岩石垮落角。其中：中等稳定顶板跨落角取60°，稳定顶板跨落角取45°，该实例中跨落角为45°。根据上述公式确定裂隙带高度为40.6m～51.8m，裂隙带的平均高度H为46.2m。根据公式计算得出L1为46.2m。定向高位钻孔距回风巷的水平投影距离应大于H/tanα以保证定向钻孔处于充分卸压后的裂隙带范围内，依据公式求得该方法中第一个钻孔与回风巷道水平距离为47m。
根据采高和岩石碎胀系数确定结果：依据以下公式求得该距离：
其中，∑h为采高，Kp为岩石碎胀系数。该实例采高为6.35m，碎胀系数为1.2，依据公式求得该方法中第一个钻孔与回采巷道水平距离为31.75m，取32m。
将以上2种方法所得的结果相比较，取平均值，根据公式最终确定第一个钻孔与回采巷道的水平距离为39.5m，取40m。
钻孔水平间距的计算依据以下公式求得该距离：
其中：R为顶板岩层的压裂半径，h为钻孔之间的垂直间距。
通过钻孔的水平层数与所切坚硬顶板的厚度的关系可知，低层位厚度为11.05m，需要打3个水平的钻孔，h取3.7m；根据公式确定钻孔水平间距为4.7m～9.3m，取平均值为7.0m。高层位厚度为6.7m，需要打2个水平的钻孔，h取3.4；根据公式确定钻孔水平间距为4.9m～9.4m，取平均值为7.15m，取7.2m。
低层位钻孔水平间距为7.0m；高层位钻孔水平间距为7.2m。
水压压力的计算依据以下公式可求得该压力：
Psc＝2R0+RL
其中：R0为起裂位置的围岩应力，RL为岩石抗拉强度极限，根据公式确定
该压力为11.3MPa。
步骤Ⅳ、确定钻孔布置层位高度及第一个钻孔与煤柱水平距离后，自开切眼开始550m设置第一个钻场，每间隔500m设置下一个钻场，直到最后一个钻场超出停采线50m。在钻场内安装千米定向钻机，然后从第一个钻场开始打孔，每个钻场打6个钻孔，钻孔长度为540m～620m。钻孔的轨迹起始部分为曲线，主体部分为近似水平直线。考虑到回采巷道保护情况，靠近回采巷道实体煤一侧进行钻孔。
现场开展水压致裂，即在钻场内布置高压注水泵，每当一个钻场钻孔结束后在该钻场开始进行水压致裂。钻孔布置在坚硬岩层中，每个钻孔采用后退式多次压裂，孔内每隔20m压裂一次，每次压裂时间不小于30min，压裂时水头方向一定要垂直于巷道顶板，待水压压力突然大幅下降时停止该段压裂，如此反复将该水平钻孔内的坚硬岩层压裂完为止。然后开始回采本工作面，待工作面回采至下一水平钻孔前50m左右时，开始对下一水平钻孔进行分段压裂，如此循环至该工作面回采完成。
步骤Ⅴ、使用直径165mm的钻头开孔，见矸继续钻进3m，然后使用直径250mm钻头扩孔至孔底，将193铁管下至孔底接好孔口装置；使用直径98mm钻头按照设计施工钻孔，每3m进行1次测量，对比设计轨迹调整钻进方向，保证钻孔质量；按照设计要求施工完成后，保存数据，退出钻具，封闭钻孔，负压接抽；钻孔完成后，开始进行瓦斯抽采，除当天封孔测量钻孔瓦斯参数外，每周对所有钻孔瓦斯参数进行测量并做好数据记录，以备后期研究使用。待整个工作面回采结束，在千米定向水平钻孔水压致裂作用后，工作面采空区上覆岩层的裂隙增多，本工作面的瓦斯抽采量由平均0.041～0.09m3/min增加到平均0.312～0.433m3/min，瓦斯抽采量提高。
步骤VI、待整个工作面回采结束，在千米定向水平钻孔水压致裂作用后，工作面采空区上方的坚硬顶板基本充分垮落，邻近巷道受其采动影响减弱。邻近工作面底鼓由1.6m减小至0.4m，两帮变形量由1.8m减小至0.5m，巷道保持了良好的稳定性，将为后期煤柱优化奠定了良好基础。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (10)
1.一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先，根据回采工作面的工程地质条件分析垮落带、裂隙带高度，O形圈的分布范围以及对工作面来压起关键作用的坚硬岩层的层位、厚度，确定千米水平钻孔与水压致裂的关键参数；
其次，在回采工作面顺槽钻场内施工千米水平钻孔并进行水压致裂。
2.一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，调研现场工程地质概况，收集回采工作面的基础资料；
S2，确定垮落带高度、裂隙带高度以及对工作面来压起关键作用的坚硬岩层的层位、厚度；
S3，设计千米水平钻孔参数与水压致裂参数；
所述千米水平钻孔参数包括：钻孔层位、钻孔起始位置、钻孔终孔位置、第一个钻孔与回采巷道的水平距离、钻孔间的垂直距离与水平距离、钻孔长度、钻孔的水平层数与所切坚硬顶板厚度的关系；
所述水压致裂参数包括：水压压力、致裂方向、压裂区段；
S4，布置钻场，现场施工千米水平钻孔并进行水压致裂；
S5，在工作面回采过程中对采空区上覆岩层进行瓦斯抽采并对比分析本工作面瓦斯抽采浓度、流量；
S6，对比分析水力压裂前后邻近巷道的围岩变形情况。
3.根据权利要求2所述的一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其特征在于：
第一个钻孔与回采巷道的水平距离L的确定方法如下：
首先，结合裂隙带高度和顶板岩石垮落角确定第一个钻孔距离回采巷道的水平距离：
L1＝H/tanα
式中：H-裂隙带的平均高度，单位为m；α-顶板岩石垮落角，单位为°；
其次，结合采高和岩石碎胀系数确定第一个钻孔距离回采巷道的水平距离：
式中：∑h-回采煤层高度，单位为m；Kp-岩石碎胀系数；
再次，采用下式计算第一个钻孔距离回采巷道的水平距离L：
钻孔水平间距x的确定方如下：
式中：R-顶板岩层的压裂半径，单位为m；
h-钻孔之间的垂直间距，单位为m；
水压压力P满足下式：
P＞2R0+RL
式中：R0—起裂位置的围岩应力，单位为MPa；RL—岩石抗拉强度极限，单位为MPa。
4.根据权利要求2所述的一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其特征在于，S2中需要确定对工作面来压起关键作用的坚硬岩层的层位，任意一岩层满足以下2个条件，确定为关键层：
①岩石刚度判断：岩层按照自下而上的顺序排列，第m层岩层对第1层的作用载荷大于第m+1层岩层对第一层的作用载荷；
②岩石破断距判断：岩层按照自下而上的顺序排列，第n层岩层的破断距小于第n+1层的破断距。
5.根据权利要求4所述的一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其特征在于：
第m层岩层对第1层的作用载荷q1|m采用下式计算：
第m+1层岩层对第1层的作用载荷q1|m+1采用下式计算：
其中：
hi为第i层的厚度，单位为m；
γi为第i层的容重，单位为KN/m3；
Ei为第i层的弹性模量，单位为GPa。
6.根据权利要求4所述的一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其特征在于：
第k层的破断距Lk、第k+1层的破断距Lk+1采用下式计算：
其中：
hk、hk+1为第k、k+1层的厚度，单位为m；
σk、σk+1为第k、k+1层的抗拉强度，单位为MPa；
qk、qk+1为第k、k+1层所承受的载荷，单位为MPa。
7.根据权利要求2所述的一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：自超前开切眼350～550m起在回风顺槽设置第一个钻场，每间隔350m～500m设置下一个钻场，直到最后一个钻场超出停采线50m；每个钻场布置的钻孔数目为4～6个，钻孔排数为1～2排，钻孔长度在520m～620m；
在钻场内布置高压注水泵，每当一个钻场钻孔结束后在该钻场开始进行水压致裂；
钻孔布置在坚硬岩层中，每个钻孔采用后退式多次压裂，孔内每隔10～30m压裂一次，每次压裂时间不小于30min，压裂时水头方向一定要垂直于巷道顶板，待水压压力突然大幅下降时停止该段压裂，如此反复将该水平钻孔内的坚硬岩层压裂完为止。
8.根据权利要求5所述的一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其特征在于，所述步骤S5包括：开孔并用扩孔器进行扩孔；退出扩孔器进行封孔；本工作面开始推进时开始进行瓦斯抽采并对其进行实时监测，并对比分析钻孔压裂前后瓦斯抽采流量和浓度的变化量，确定压裂后的抽采效果。
9.根据权利要求6所述的一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其特征在于，所述步骤S6包括：在邻近巷道设置十字围岩位移监测点监测邻近工作面整个回采过程中巷道变形情况，并对比分析钻孔压裂前后邻近巷道顶底板和两帮的变形量。
10.根据权利要求2所述的一种千米水平钻压裂提高本工作面瓦斯抽采效果与邻近巷道围岩稳定性的方法，其特征在于，步骤S1中的基础资料包括：工作面回采后的瓦斯特征、拟保护巷道的围岩地质力学信息；
其中，工作面回采后的瓦斯特征包括：井田地质构造、瓦斯等级、工作面瓦斯概况、工作面瓦斯涌出量预测、现阶段瓦斯抽采效果；
其中，拟保护巷道的围岩地质力学信息包括：岩层结构及其厚度、开采工艺、顶底板岩性情况、水文地质条件、构造情况、采动影响情况、采用水压致裂法测量巷道的地应力信息；
采用水压致裂法测量巷道的地应力信息，包括：最大主应力、最小主应力的大小及方向。
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