一种基于遗留煤柱支承应力分布特征的垂直切顶的水力压裂方法与流程

本发明属于煤矿巷道围岩支护，具体涉及一种基于遗留煤柱支承应力分布特征的垂直切顶的水力压裂方法。

背景技术：

1、切顶压架灾害作为一种特殊的矿井地质灾害，必须同时具备一定的致灾因子时才能发生。大量的实际工程案例显示，陕北侏罗纪煤田进入煤层群下组煤开采时，需采出上覆各种残留煤柱，这时往往伴随强烈矿压显现问题，其中尤其普遍且危害性大的动压灾害就是切顶压架灾害，往往给矿山企业造成巨大的经济和物力损失。

2、遗留煤柱在出煤柱的压架灾害中起着“承上启下”的作用，是控制压架灾害发生的关键环节。其主要影响因素为煤柱形态(煤柱尺寸、煤柱边界有无空巷及空巷属性)及煤柱体强度，两因素主要影响着煤柱承受载荷(即“承上”)的能力，煤柱承受载荷的能力越弱，则传递载荷(即“启下”)的能力亦越弱，从而越不易发生出煤柱的压架灾害。

3、以往的类似地质条件多采用爆破法来强制破碎遗留煤柱，使煤柱和上层顶板提前失稳、垮塌，切断高位顶板高动、静载荷的传导路径，减少工作面推进时的多层顶板组合失稳压架风险。但爆破法作业工程量巨大且污染井下空气，安全风险较高，可能出现人为引起的冲击矿压、有毒气体泄漏等事故。

4、发明专利cn113338925a一种多煤层开采大巷遗留煤柱源头压裂防动载压架方法，先后施工定向钻孔对长悬坚硬顶板进行水力压裂；施工水平钻孔对遗留煤柱进行水力压裂，从而在源头上消除了由于大巷遗留煤柱导致的下层工作面动载压架风险，虽然采取了水力压裂法，但是压裂钻孔仅仅是直接朝向顶板，施工钻孔过多，效果不确定，还需要进一步的优化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于遗留煤柱支承应力分布特征的垂直切顶的水力压裂方法，以使煤柱和上层顶板提前失稳、垮塌，切断高位顶板高动、静载荷的传导路径，减少工作面推进时的多层顶板组合失稳压架风险。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

2、一种基于遗留煤柱支承应力分布特征的垂直切顶的水力压裂方法，包括以下步骤：

3、s1：地质资料调查与分析；

4、s2：确定遗留煤柱支承应力分布特征；

5、s3：确定定向钻孔布置参数并压裂；

6、s4：确定斜直钻孔布置参数并压裂；

7、s5：重复s3～s4对遗留煤柱另一侧支承应力峰值区域顶板进行致裂；

8、s6：压裂切顶效果检验。

9、s1中包括以下内容：矿井生产资料，依据矿井内地质资料确定遗留煤柱分布位置、尺寸参数以及顶底板岩层岩性、厚度；对遗留煤柱顶底岩层进行钻芯取样进行岩石力学性能参数测试；地应力测试，采用水压致裂法测量最大主应力方向、大小，同时可获取压裂区域岩体水压致裂试验压力-时间、流量-时间曲线图。

10、s2中采用工程软件数值模拟的方法确定遗留煤柱支承应力分布特征，多采用flac3d软件建立数值计算模型计算，具体过程为

11、1)根据实际遗留煤柱地层情况确定计算模型尺寸，建立数值计算模型，由s1中岩石力学性能参数测试结果赋予模型相应层位的岩石力学参数；

12、2)根据s1中地应力测试结果，设置计算模型中的初始应力与边界条件；

13、3)求解至模型平衡后、清零模型位移与速度，再根据矿井生产情况进行开挖模拟并对模拟结果进行后处理；

14、4)从上述模拟结果中导出应力云图，从应力云图上可得出遗留煤柱顶板岩层支承应力峰值区域结合计算模型尺寸与遗留煤柱尺寸相对位置确定遗留煤柱实际峰值区域位置及分布特征。

15、s3中定向钻孔从巷道帮部以一定曲率经一段空间曲线后垂直贯穿s2中确定的遗留煤柱支承应力峰值区域，空间曲线的曲率由定向钻机所处位置与钻机性能共同确定，钻孔直径为90mm～100mm，实施水力压裂时从孔底部开始，每间隔3～5m压裂一次，压裂压力、每次压裂时间由s1中水压致裂试验压力-时间及流量-时间曲线图确定。

16、s4由于s3中定向钻孔存在一段空间曲线，空间曲线上方顶板布置斜直钻孔致裂切顶，钻孔直径为90mm～100mm，实施水力压裂时从孔底部开始，每间隔3～5m压裂一次，定向钻孔空间曲线段为非致裂段，该段斜率由钻机性能、钻机位置、致裂段位置共同决定，遗留煤柱支承应力降低是水力压裂切顶卸压的表现与定向钻孔非致裂段的斜率没有直接关系。

17、压裂压力、每次压裂时间由s2中水压致裂试验压力-时间及流量-时间曲线图确定。压裂时间为水力致裂试验时获取的压力-时间曲线图中卸压时对应的时间，水压致裂法参见《岩石力学与工程(第二版)》p137-p140，蔡美峰著。

18、s5中压裂切顶效果检测包括采用钻孔窥视仪器、钻孔扫描、声波检测裂缝扩展深度。

19、有益效果：

20、1.本发明使用定向水力压裂技术，安全可靠，没有污染。

21、2.通过本发明中的方法，能使煤柱和上层顶板提前失稳、垮塌，切断高位顶板高动、静载荷的传导路径，减少工作面推进时的多层顶板组合失稳压架风险。

22、3.本发明的钻孔布置更为合理，施工便捷。

技术特征：

1.一种基于遗留煤柱支承应力分布特征的垂直切顶的水力压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于遗留煤柱支承应力分布特征的垂直切顶的水力压裂方法，其特征在于，所述s1中地质资料包括以下内容：矿井生产资料，依据矿井内地质资料确定遗留煤柱分布位置、尺寸参数以及顶底板岩层岩性、厚度；对遗留煤柱顶底岩层进行钻芯取样进行岩石力学性能参数测试；地应力测试，采用水压致裂法测量最大主应力方向、大小，并获取压裂区域岩体水压致裂试验压力-时间、流量-时间曲线图。

3.根据权利要求2所述基于遗留煤柱支承应力分布特征的垂直切顶的水力压裂方法，其特征在于，所述s2采用工程软件数值模拟的方法确定遗留煤柱支承应力分布特征，采用flac3d软件建立数值计算模型计算，具体过程为：

4.根据权利要求2所述基于遗留煤柱支承应力分布特征的垂直切顶的水力压裂方法，其特征在于，所述压裂的时间由水压致裂试验压力-时间及流量-时间曲线图确定。

5.根据权利要求1所述基于遗留煤柱支承应力分布特征的垂直切顶的水力压裂方法，其特征在于，所述s3和s4中的钻孔直径为90mm～100mm。

6.根据权利要求1所述基于遗留煤柱支承应力分布特征的垂直切顶的水力压裂方法，其特征在于，所述s6中压裂切顶效果检测包括采用钻孔窥视仪器、钻孔扫描、声波检测裂缝扩展深度。

技术总结
本发明公开了一种基于遗留煤柱支承应力分布特征的垂直切顶的水力压裂方法，属于煤矿巷道围岩支护技术领域。包括以下步骤：地质资料调查与分析；确定遗留煤柱支承应力分布特征；确定定向钻孔布置参数并压裂；确定斜直钻孔布置参数并压裂；对遗留煤柱支承应力峰值区域顶板进行致裂。定向钻孔从巷道帮部以一定曲率经一段空间曲线后垂直贯穿S2中确定的遗留煤柱支承应力峰值区域，实施水力压裂时从孔底部开始，斜直钻孔从巷道帮部朝向S3中定向钻孔的一段空间曲线上方顶板布置，实施水力压裂时从孔底部开始，每间隔3～5m压裂一次。能使煤柱和上层顶板提前失稳、垮塌，切断高位顶板高动、静载荷的传导路径，减少工作面推进时的多层顶板组合失稳压架风险。

技术研发人员：张雄,姚志红,杨建军,张国平,杨俊峰,张永强,王襄禹,赵嘉鑫,张飞腾
受保护的技术使用者：内蒙古神东天隆集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12