一种煤矿地面压裂坚硬顶板工艺选取方法与流程

本发明属于地面压裂的方法对煤层上覆坚硬顶板进行压裂控制，具体是一种煤矿地面压裂坚硬顶板工艺选取方法。

背景技术：

煤层地下开采，岩层控制是核心，尤其对于坚硬顶板，因其强度大，破断步距广，坚硬顶板大面积破断易造成采场强矿压显现，甚至带来暴风灾害，是顶板控制的一大难点。目前对于坚硬顶板的控制，常在井下采用水力压裂或爆破等控制技术手段，但受井下施工环境及钻孔长度等施工条件的制约，一般仅是在工作面两侧巷道内对顶板实施弱化，弱化范围局限于煤层上方50m，控制效果有限。为此，针对目前控制技术的局限性，可以创新采用地面压裂的方法，即通过地面压裂装备，自地表向下打压裂钻孔对顶板实施压裂。根据压裂井的布置方法，地面压裂坚硬顶板可以采用垂直井、水平井压裂两种方式，其中采用垂直井压裂成本相对较低；地面压裂时，压裂裂缝扩展形式与地层三向应力息息相关，因此，不同的压裂井布置方式、岩层不同三向应力条件下，裂缝扩展效果随之不同，压裂效果随之受到影响。所以，应根据岩层应力状态、压裂需求，选择合适的压裂井布置方式，尽最大程度满足坚硬顶板压裂需求，并尽可能降低地面压裂成本。

技术实现要素：

本发明为了解决坚硬顶板矿区煤层开采时，地面压裂坚硬顶板工艺选取的问题，提供一种煤矿地面压裂坚硬顶板工艺选取方法。

本发明采取以下技术方案：一种煤矿地面压裂坚硬顶板工艺选取方法，包括以下步骤，

a.记压裂目标层三向应力，平行于工作面开采方向应力为σh，垂直于工作面开采方向应力为σh，垂直方向应力为σv。

b.地面压裂可以采用垂直井和水平井两种压裂方式，其中水平井压裂又包含两种布置方式，记水平井水平段平行于工作面开采方向的布置方式为水平井压裂方式①，水平井水平段垂直于工作面开采方向的布置方式为水平井压裂方式②。

c.采用地应力测试装置对压裂目标层三向应力状态进行测试分析；

当σh＞σh＞σv时，采用水平井压裂方式①进行压裂，

当σh＞σv＞σh时，采用垂直井或水平井压裂方式①或水平井压裂方式②均可进行压裂，此时比较三种压裂井成本造价，选用成本造价低的压裂方式；

当出现σh＞σh＞σv、σh＞σv＞σh、σv＞σh＞σh以及σv＞σh＞σh几种应力状态时，均采用水平井压裂方式②进行压裂。

d.依据压裂井选取结果，在地面布置压裂井进行压裂。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1）涵盖了岩层所有三向应力可能的分布状态，保证了选取方法的全面性和可靠性；2）充分考虑了各压裂方法的布置方式和技术特点，依据不同应力环境，选取合适的压裂方式；3）该选取方法流程简单，只需根据工作面开采状态、岩层三向应力分布特征即可判定地面压裂方式，适用性强，应用前景广泛。

附图说明

图1为地面压裂井压裂布置示意图；

图2为地面压裂坚硬顶板工艺选取流程图；

图中：1-工作面，2-压裂目标层，3-水平段平行于工作面开采方向的水平井压裂方式①，4-水平段垂直于工作面开采方向的水平井压裂方式②。

具体实施方式

下面以大同矿区坚硬顶板地面压裂为例，结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示是本发明一种煤矿地面压裂坚硬顶板工艺选取方法的压裂井布置方式示意图，图2是具体压裂工艺选取流程图，根据压裂目标层三向应力状态，结合水压裂缝扩展特征选取合适的压裂工艺，其具体步骤为。

a.依据工作面1开采状态，记压裂目标层2三向应力，平行于工作面1开采方向应力为σh，垂直于工作面1开采方向应力为σh，垂直方向应力为σv。

b.记水平井水平段平行于工作面1开采方向的布置方式为水平井压裂方式①3，水平井水平段垂直于工作面1开采方向的布置方式为水平井压裂方式②4；

c.采用地应力测试装置对压裂目标层三向应力状态进行测试分析，结果表明，压裂目标层内三向应力分布状态为σh＞σh＞σv。

d.依据图2，采用水平井压裂方式①进行压裂。

e.依据压裂井选取结果，在地面布置水平井进行压裂。

现场监测结果表明，裂缝平行最大主应力σh方向、垂直最小主应力σv方向扩展，在压裂目标层内形成水平裂缝面，降低了坚硬顶板的厚度；矿压监测表明，经地面压裂后，坚硬顶板破断失稳的矿压作用强度明显降低，工作面支架阻力降低15%，巷道变形量减少45%，验证了地面压裂工艺选取的正确性。通过采用上述地面压裂坚硬顶板合理工艺选取的方法，对于高效控制坚硬顶板，减弱采场强矿压灾害，保证坚硬顶板矿区煤层的安全高效开采具有重要的意义。

技术特征：

技术总结
本发明涉及采用地面压裂技术对坚硬顶板进行压裂时的压裂工艺选取方法，具体为一种煤矿地面压裂坚硬顶板工艺选取方法，解决目前缺乏煤矿坚硬顶板地面压裂工艺选取的方法。步骤为：一、标记压裂目标层的三向应力；二、根据水平井布置方位与工作面开采方向，标记两种不同的水平井布置方式；三、测试压裂目标层三向应力分布状态；四、根据三向应力分布状态，结合压裂井自身布置特征，确定合理的压裂方式；五、根据压裂井选取结果，在地面布置压裂井进行压裂。本方法全面、可靠、灵活性强，具有广泛的应用前景。

技术研发人员：高瑞;于斌;孟祥斌;匡铁军
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2019.01.23
技术公布日：2019.05.31