一种煤矿井下采煤工作面水力压裂处理端头三角区悬顶的方法

1.本发明涉及煤矿井下开采领域，具体涉及一种煤矿井下采煤工作面水力压裂处理端头三角区悬顶的方法。


背景技术：

2.我国西北地区煤层多为浅埋深条件，顶板岩石强度高、厚度大、整体性强、且自承能力强，煤层开采后难以及时垮落；工作面两巷一般采用锚网索联合支护，使得端头后方悬顶距离可达20米。采煤工作面端头三角区悬顶或垮落不严对煤矿的安全高效生产主要带来以下问题：1）易造成采空区瓦斯积聚，采空区上隅角遗煤可能自燃；2）三角区顶板的突然垮落容易造成冲击矿压灾害；3）当工作面之间保护煤柱选择由20至25米宽煤柱布置优化为5至10米窄煤柱布置时，通常需要从正在开采的工作面往上工作面三角区附近顶板开凿钻孔进行切顶卸压，增加了开采工序和经济成本。
3.当前克服工作面端头悬顶的措施包括退锚、深孔爆破和静力爆破。
4.现有技术中王磊等发表的名称为“采煤工作面端头三角区悬顶处理研究”的论文公开了一种通过采用退锚结合爆破强制放顶的综合处理方案技术促进采煤工作面端头三角区坚硬顶板垮落的方法。该方法旨在通过向采空区打眼爆破的方式来弱化工作面浅部顶板，增强工作面三角区坚硬顶板的可冒落性。
5.然而，使用钻孔爆破法处理坚硬顶板存在以下不足：1）在未冒落区域易形成瓦斯库，爆破存在安全隐患；2）我国西北地区煤矿对火工品管控严格，煤矿可储备的炸药数量极为有限；3）进行爆破作业前需将下风侧所有人员撤离，影响正常生产组织；4）在采煤工作面位置实施爆破作业时，产生的岩石碎块有可能在爆破冲击波的作用下对工作面设备造成损伤。
6.张志伟等发表的“静力定向破岩技术在处理巷道悬顶问题中的研究与应用”的论文和武利等发表的“静态破碎剂力学性能研究及在端头悬顶中的应用”的论文提出一种通过静态致裂技术在坚硬顶板岩层制造人造裂隙的方法，旨在通过静态破碎的方法来缩短悬顶距离，减小顶板初次垮落歩距。
7.然而，该方法存在以下缺点：1）该致裂工序仅能在支承压力较低的工作面处进行，无法在工作面前方支承压力较高的情况下进行超前预裂；2）钻孔工序繁重，需使用钻机开凿大量钻孔；3）完成一次致裂需12个小时左右时间（致裂剂反应时间），增加了人力成本和时间成本；4）需购买大量静态破碎剂，增加了破岩经济成本。综上所述，在煤矿井下开采领域，亟需一种低成本、高效、安全的处理采煤工作面端头三角区悬顶的方法。
8.近年来，水力压裂技术在煤层增透和顶板管理有着广泛应用。现有技术中，专利公开号为cn108661641a、名称为“一种基于切顶卸压预防顺槽采空区长距离悬顶的方法”的专利公开了一种水力压裂处理顺槽采空区悬顶的方法，虽然采用横向或纵向切槽钻头进行预制裂缝，该方法忽略了顶板岩层内应力状态对水力裂纹扩展轨迹的影响。大量实验室实验、
数值模拟和现场观测结果表明预制切槽只能在钻孔周边一定范围（两倍钻孔直径左右）内对水力裂纹的起裂方向进行控制，无法对裂纹起裂之后的扩展轨迹进行持续有效的控制，水力裂纹起裂后远离钻孔扩展的轨迹受岩体内局部应力状态影响，沿着垂直于最小主应力方向的平面进行扩展。因此，水力压裂需考虑切顶位置局部应力条件。
9.杨伟发表的“采煤工作面水力预裂处理端头悬顶技术”论文和杜茂发表的“采煤工作面三角区悬顶的控顶技术”论文提出一种对三角区悬顶打孔注入高压水，使岩层分层压裂而致顶板垮落的方法。该方法存在以下不足：1）打孔深度有限，无法致裂深部岩层；2）未考虑地应力对水力裂纹扩展轨迹的影响；3）逆地应力条件下产生水平方向水力裂纹，仅能使岩层分层，岩层受矿山压力及采动影响可能会互相挤压或回转形成稳定结构不垮落或垮落不严，难以提高岩体可冒落性。
10.专利公开号为“cn103541711a”、名称为“采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂控制方法”的专利提出一种用于煤矿井下控制采煤工作面端头悬顶的水力致裂方法。其目的在于通过锚索钻机施工钻孔，用高压泵对顶板进行高压水力致裂，改造顶板结构并弱化顶板强度，控制采煤工作面端头顶板的及时冒落。该方法的缺点是：1）需开凿大量钻孔，增加时间及人工成本；2）同样忽略了地应力对水力裂纹扩展轨迹的影响；3）无法在远离工作面处进行超前压裂，对小孔径钻孔水力压裂必须在巷道超前支护段内；4）同样地，逆地应力条件下仅产生水平方向水力裂纹增加老顶岩层分层数量，岩层分层在矿山压力作用下可能会互相挤压或回转形成稳定结构不垮落或垮落不严，难以达到“切顶”目的。
11.逆断层地应力条件常见于浅埋煤层，逆地应力条件下最小地应力为垂直方向地应力，水力裂纹在原岩应力状态下倾向于沿着水平面扩展。现有的常规水力压裂方法处理三角区悬顶仅能在回采巷道顶板内制造出一系列水平方向的水力裂纹，因此对提高岩体的可冒落性作用有限。


技术实现要素：

12.本发明针对以上问题，提出了一种煤矿井下采煤工作面水力压裂处理端头三角区悬顶的方法，实现对煤矿井下采煤工作面三角区顶板岩层的安全、高效破碎，有效预防顶板灾害及瓦斯事故的发生。
13.本发明的技术方案为：步骤一：获取工作面1顶板岩层结构和地质条件，护巷煤柱2的结构特征，使用数值计算技术确定工作面1超前支承压力强度和影响范围；步骤二：如图6所示，在回采巷道3内使用钻机向回采巷道3的上方开凿一排斜向上的钻孔，所述钻孔分为压裂孔5和观测孔6，观测孔6处于相邻两个压裂孔5之间，在每个压裂孔5内预设压裂位置使用矿用特制刀具进行切槽处理，切割出多个适合水力裂纹起裂的径向切槽，工作面1超前支承压力随着工作面1的向前推进而移动，按工作面1超前支承压力影响范围将多个径向切槽分为一次压裂切槽9和二次压裂切槽10，一次压裂切槽9处于工作面1超前支承压力影响范围外，此时的最小主应力方向垂直于水平方向，二次压裂切槽10处于工作面1超前支承压力影响范围内，此时的最小主应力方向平行于水平方向；步骤三：如图7-9所示，使用双封型封孔器在步骤二中所开凿的压裂孔5内的一次压裂切槽9位置进行多段后退式压裂，即从上到下逐个压裂，从而对老顶12深部坚硬岩层进
行预裂，产生一系列水平方向的呈圆盘状的水力裂纹7增加深部岩层分层数量；步骤四：如图10-12所示，使用双封型封孔器在步骤二中所开凿的压裂孔5内的二次压裂切槽10位置进行多段后退式压裂，即从上到下逐个压裂，从而对浅部坚硬岩层进行预裂，产生一系列竖直方向的呈圆盘状的水力裂纹8，并且竖直方向水力裂纹8贯穿步骤三中产生的水平方向水力裂纹7。
14.进一步的，当回采巷道3上方顶板岩层较为坚硬时，所述步骤二中使用特制刀具切割出的二次压裂切槽10无法产生理想的竖直方向水力裂纹8时，在步骤二切割出一系列一次压裂切槽9后，先使用水射流技术在压裂孔5浅部切割出一系列轴向裂隙，裂隙轴向间距为3m左右；在步骤三对一次压裂切槽9位置进行多段后退式压裂后，使用双封型封孔器在压裂孔5内的一系列轴向裂隙进行多段后退式压裂，产生一系列轴向裂缝贯穿所述水平方向水力裂纹7，从而充分破碎回采巷道3上方坚硬顶板，使得工作面1回采巷道3采空区顶板及时垮落。
15.进一步的，使用钻孔窥视仪等设备获取所述的步骤一中工作面1顶板岩层结构和地质条件，包括直接顶11的厚度、岩性、岩体强度，老顶12的厚度、岩性、岩体强度，以及采煤工作面1采高，获取的护巷煤柱2结构特征包括护巷煤柱2宽度和煤岩体强度，从而用以确定回采巷道3上方顶板合理致裂高度。
16.进一步的，步骤一中应用数值计算技术计算工作面1超前支承压力影响范围和影响强度，得到采煤工作面1距待压裂顶板不同位置时，工作面1前方应力分布状态，确定待压裂顶板附近顶板岩体内最小主应力方向。
17.进一步的，步骤二中使用钻机向回采巷道3顶板沿巷道中线方向开凿一排钻孔，所述开凿的一排钻孔包含两个压裂孔5及一个观测孔6，压裂孔5与观测孔6间隔布置，预设间距为4m~20m，预设排距为10m~40m。
18.进一步的，步骤二中开凿的水力压裂钻孔预设直径为45mm~98mm，钻孔距回采巷道3两帮距离相等，预设钻孔水平投影与回采巷道轴线夹角为0~5
°
，预设钻孔与顶板夹角为30
°
~70
°
，预设钻孔长度为10m~30m。
19.进一步的，步骤二中使用特制刀具在压裂孔5预设位置进行切槽处理，相邻切槽位置距离3m~6m，根据步骤一中获得的顶板结构特征，步骤二中所述切槽分为一次压裂切槽9和二次压裂切槽10，在一次压裂切槽9位置和二次压裂切槽10位置分别产生水平方向水力裂纹7和竖直方向水力裂纹8。
20.进一步的，步骤二至步骤四中每次压裂时观察相邻观测孔6的出水情况，当观测孔6大量出水时，停泵，完成该次压裂。
21.进一步的，步骤二至步骤四中使用工作面1处的乳化液泵对压裂孔5进行双封式水力压裂。
22.相较于现有技术，本发明具有以下优势：1）布置钻孔数目较少，减少了工人劳动强度；2）使用工作面处的乳化液泵代替价格高昂的高压水泵，有利于矿井经济、高效生产；3）充分利用采煤工作面顶板内应力状态，两次压裂分别形成一系列水平方向裂纹和垂直方向裂纹，水平方向水力裂纹增加顶板岩层分层数量，垂直方向水力裂纹贯通所述水平方向水力裂纹；4）在远离工作面处进行超前预裂，不影响工作面处正常生产工作；5）压裂效果更为
全面，能够预裂深部老顶坚硬岩层及浅部岩层，两次压裂过程形成的水力裂纹间相互贯通，便于形成有利于弱化三角区顶板的压裂裂缝，进一步降低所述采煤工作面三角区顶板岩层完整性，能够高效破碎端头悬顶。该方法能够对煤矿井下采煤工作面端头顶板进行高效破碎，有效预防顶板灾害及瓦斯事故的发生，保证了工作面的安全回采。
附图说明
23.图1是回采工艺的工作状态参考图一，图2是回采工艺的工作状态参考图二，图3是回采工艺的工作状态参考图三，图4是回采工艺的工作状态参考图四，图5是回采工艺的工作状态参考图五，图6是本案在开孔时的工作状态参考图，图7是本案在一次水力压裂时的工作状态参考图，图8是图7的a-a向剖视图，图9是图7的b-b向剖视图，图10是本案在二次水力压裂时的工作状态参考图，图11是图10的c-c向剖视图，图12是图10的d-d向剖视图。
24.图中1—工作面；2—护巷煤柱；3—回采巷道；4—煤层；5—压裂孔；6—观测孔；7—水平方向水力裂纹；8—竖直方向水力裂纹；9—一次压裂切槽；10—二次压裂切槽；11—直接顶；12—老顶。
具体实施方式
25.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
26.回采工艺如图1-5所示，需要先开凿出回采巷道3，然后反向对工作面1进行开采，随着开采的进行，顶板岩石应如图5所示逐步垮落。本案在回采过程中，为了避免浅埋深条件，顶板岩石强度高、厚度大、整体性强、且自承能力强，煤层开采后难以及时垮落的问题，如图6-12所示，本案按以下步骤进行：步骤一：获取工作面1顶板岩层结构和地质条件，护巷煤柱2的结构特征，使用数值计算技术确定工作面1超前支承压力强度和影响范围；步骤二：如图6所示，在回采巷道3内使用钻机向回采巷道3的上方开凿一排斜向上的钻孔，所述钻孔分为压裂孔5和观测孔6，观测孔6处于相邻两个压裂孔5之间，在每个压裂孔5内预设压裂位置使用矿用特制刀具进行切槽处理，切割出多个适合水力裂纹起裂的径向切槽，工作面超前支承压力随着工作面的向前推进而移动，按工作面1超前支承压力影响范围将多个径向切槽分为一次压裂切槽9和二次压裂切槽10，一次压裂切槽9处于工作面1超前支承压力影响范围外，此时的最小主应力方向垂直于水平方向，二次压裂切槽10处于工作面1超前支承压力影响范围内，此时的最小主应力方向平行于水平方向；步骤三：如图7-9所示，使用双封型封孔器在步骤二中所开凿的压裂孔5内的一次
压裂切槽9位置进行多段后退式压裂，即从上到下逐个压裂，从而对老顶12深部坚硬岩层进行预裂，产生一系列水平方向的呈圆盘状的水力裂纹7增加深部岩层分层数量；步骤四：如图10-12所示，使用双封型封孔器在步骤二中所开凿的压裂孔5内的二次压裂切槽10位置进行多段后退式压裂，即从上到下逐个压裂，从而对浅部坚硬岩层进行预裂，产生一系列竖直方向的呈圆盘状的水力裂纹8，并且竖直方向水力裂纹8贯穿步骤三中产生的水平方向水力裂纹7。
27.进一步的，当回采巷道3上方顶板岩层较为坚硬时，所述步骤二中使用特制刀具切割出的二次压裂切槽10无法产生理想的竖直方向水力裂纹8时，在步骤二切割出一系列一次压裂切槽9后，先使用水射流技术在压裂孔5浅部切割出一系列轴向裂隙，裂隙轴向间距为3m左右；在步骤三对一次压裂切槽9位置进行多段后退式压裂后，使用双封型封孔器在压裂孔5内的一系列轴向裂隙进行多段后退式压裂，产生一系列轴向裂缝贯穿所述水平方向水力裂纹7，从而充分破碎回采巷道3上方坚硬顶板，使得工作面1回采巷道3采空区顶板及时垮落。
28.进一步的，使用钻孔窥视仪等设备获取所述的步骤一中工作面1顶板岩层结构和地质条件，包括直接顶11的厚度、岩性、岩体强度，老顶12的厚度、岩性、岩体强度，以及采煤工作面1采高，获取的护巷煤柱2结构特征包括护巷煤柱2宽度和煤岩体强度，从而用以确定回采巷道3上方顶板合理致裂高度。
29.进一步的，步骤一中应用数值计算技术计算工作面1超前支承压力影响范围和影响强度，得到采煤工作面1距待压裂顶板不同位置时，工作面1前方应力分布状态，确定待压裂顶板附近顶板岩体内最小主应力方向。
30.进一步的，步骤二中使用钻机向回采巷道3顶板沿巷道中线方向开凿一排钻孔，所述开凿的一排钻孔包含两个压裂孔5及一个观测孔6，压裂孔5与观测孔6间隔布置，预设间距为4m~20m，预设排距为10m~40m。
31.进一步的，步骤二中开凿的水力压裂钻孔预设直径为45mm~98mm，钻孔距回采巷道3两帮距离相等，预设钻孔水平投影与回采巷道轴线夹角为0~5
°
，预设钻孔与顶板夹角为30
°
~70
°
，预设钻孔长度为10m~30m。
32.进一步的，步骤二中使用特制刀具在压裂孔5预设位置进行切槽处理，相邻切槽位置距离3m~6m，根据步骤一中获得的顶板结构特征，步骤二中所述切槽分为一次压裂切槽9和二次压裂切槽10，在一次压裂切槽9位置和二次压裂切槽10位置分别产生水平方向水力裂纹7和竖直方向水力裂纹8。
33.进一步的，步骤二至步骤四中每次压裂时观察相邻观测孔6的出水情况，当观测孔6大量出水时，停泵，完成该次压裂。
34.进一步的，步骤二至步骤四中使用工作面1处的乳化液泵对压裂孔5进行双封式水力压裂。
35.本实施例提供一种煤矿井下采煤工作面水力压裂处理端头三角区悬顶的方法，首先使用钻孔窥测仪等设备确定工作面1顶板岩层结构和地质条件包括直接顶11和老顶12厚度、岩性、岩体强度、采煤工作面1采高等，获取护巷煤柱2结构特征包括护巷煤柱2宽度和煤岩体强度，确定回采巷道3上方顶板合理致裂高度；根据获得的工作面1地质条件特征使用
数值计算技术确定工作面1超前支承压力强度和影响范围。当待压裂岩层处于工作面1超前支承压力影响范围外时，在回采巷道3内使用钻机向回采巷道3顶板开凿一排水力压裂钻孔包括两个压裂孔5和一个观测孔6，压裂孔5与观测孔6间隔5m布置，排距为10m左右，水力压裂钻孔预设直径为56mm，钻孔距回采巷道3两帮距离相等，钻孔水平投影与回采巷道3轴线夹角为0，钻孔与顶板夹角为45
°
，钻孔长度为15m左右；并在每个压裂孔5内预设压裂位置使用特制刀具进行切槽处理，切割出一系列适合水力裂纹起裂的径向切槽分为一次压裂切槽9和二次压裂切槽10，相邻切槽位置距离3m左右，一次压裂切槽位置9和二次压裂切槽10位置分别产生水平方向水力裂纹7和竖直方向水力裂纹8。然后使用工作面1处的乳化液泵对所开凿的压裂孔5内的预设一次压裂切槽9位置进行后退式压裂，对深部老顶12坚硬岩层进行预裂，产生一系列水平方向水力裂纹7增加深部岩层分层数量，当观测孔6大量出水时，停泵，完成该次压裂。当待压裂岩层处于工作面1超前支承压力影响范围内时，使用工作面1处的乳化液泵对所开凿的压裂孔内的预设二次压裂切槽10位置进行后退式压裂，对浅部坚硬岩层进行预裂，产生一系列竖直方向水力裂纹8与步骤二中产生的水平方向水力裂纹7相互贯通，充分破碎回采巷道3上方坚硬顶板，使得工作面1回采巷道3采空区顶板及时垮落。当回采巷道3上方顶板岩层较为坚硬时，预设二次压裂切槽10无法产生理想的竖直方向水力裂纹8时，在切割出一系列一次压裂切槽后，使用水射流技术在压裂孔5浅部切割出一系列轴向裂隙，裂隙轴向间距为3m左右，待压裂岩层处于工作面1超前支承压力影响范围内时使用双封型封孔器在压裂孔5内进行多段后退式压裂产生一系列竖直方向水力裂纹8，切断顶板。
36.本实施例通过两次压裂过程完成对回采巷道上方坚硬顶板的充分破碎，有效预防顶板灾害及瓦斯事故的发生，保证了工作面的安全回采。
37.本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。