一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定方法及系统

本发明涉及煤矿井工开采，更具体的说是涉及一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定方法及系统。

背景技术：

1、目前，冲击地压是煤炭开采进入深部常见的动力灾害之一，并随着矿井深度增加而越发严重。冲击地压发生时会伴随剧烈的冲击和震动，造成煤矿采场和巷道设备破坏，造成设备费用的损失以及增加巷道维护费用，冲击地压严重时甚至造成人员伤亡。地面压裂控制顶板破断，提前释放顶板积聚的弹性能是控制冲击地压的有效手段之一。

2、然而，自地面压裂技术应用于煤矿冲击地压防治以来，对于压裂步距的确定没有具体的方法，多以经验为主，并且对压裂目标层进行无差别压裂，造成大量压裂经费的损失，无用功的耗费还造成了井下液压支架压力升高，过大的压力对液压支架的性能又提出了新的挑战。

3、因此，如何合理确定地面压裂技术中的压裂步距是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定方法及系统，解决了采用地面压裂技术防治冲击地压不能合理确定压裂步距、压裂费用过高、压裂后液压支架静载升高等问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定方法，包括：

4、步骤1、根据顶板赋存厚度、岩性、相邻工作面的矿压显现资料，确定水力压裂目标层；

5、步骤2、对水力压裂目标层及其下覆岩层进行顶板力学参数的测定；

6、步骤3、根据得到的顶板力学参数，建立回归方程，依据回归方程确定水力压裂目标层夹支端的长度；

7、步骤4、设立水力压裂目标层悬臂段挠度和夹支端的满足条件，并确定水力压裂目标层边界挠度、转角，依据满足条件和边界挠度、转角计算水力压裂目标层的能量密度；

8、步骤5、将水力压裂目标层的能量密度进行累加获得能量，结合水力压裂目标层的悬臂长度，确定支架承受的冲击载荷；

9、步骤6、令目标层的悬臂长度以固定长度增加，重复步骤4和步骤5，直至悬臂长度大于第一预设阈值或支架承受的冲击载荷大于第二预设阈值时，输出此时水力压裂目标层的悬臂长度，并取悬臂长度的3/4作为压裂步距；

10、可选的，所述步骤2包括：通过钻孔取芯，测量压裂目标层的弹性模量e、内聚力c、内摩擦角φ、泊松比υ，测量目标层下覆5倍厚度的岩层弹性模量e1、e2…er、内聚力c1、c2…cr、内摩擦角φ1、φ2…φr泊松比υ1、υ2…υr；根据关键层理论确定目标层上覆垂直载荷q；

11、可选的，所述步骤3具体包括：

12、根据得到的顶板力学参数，建立回归方程具体为：

13、

14、其中，

15、依据回归方程确定水力压裂目标层夹支端l2＝(h1+h2+h3+h4)t，其中t为目标因子，t从0开始，增加间隔为0.02，当l2≥100或者t>2时，停止循环，输出l2；

16、可选的，所述步骤4具体包括：

17、将目标层的悬臂端划分为m段，目标层的夹支端划分为n段，m≥100，n≥100，其中目标层悬臂段l1相邻的3个节点分别设为i-1，i，i+1，目标岩层夹支段l2相邻3个节点分别为j-1，j，j+1相邻节点的距离为α；其中目标悬臂段挠度满足如下关系式：

18、

19、夹支段满足如下关系：

20、

21、式中：k＝k0b，k0为下覆岩层的基床系数，b为压裂目标层宽度；e为目标层的弹性模量；i为目标层断面对z轴的惯性矩；g为目标层的剪切模量；a为目标层的断面面积，κ为目标层截面的剪切修正系数；w(·)为相应节点的扰度；ψ(·)为相应节点的转角；

22、类似地目标层边界挠度和转角由下式确定：

23、

24、并将各量带入能量密度表达式，得到：

25、

26、可选的，所述步骤5具体包括：将能量密度进行累加获得能量，即结合水力压裂目标层的悬臂长度，确定支架承受的冲击载荷：

27、

28、式中，lzj为工作面液压支架控顶距；γzjd为煤岩直接顶平均容重；dzjd为煤岩直接顶厚度；g为重力加速度；β为覆岩破断角；bzj为支架中心距；s动载传递效率，kzjd为煤岩直接顶刚度，pd为厚硬顶板承受载荷，l1为目标层悬臂长度。

29、可选的，所述步骤1包括：收集矿井综合钻孔地质图，相邻工作面矿压显现观测资料，依据矿井综合钻孔地质图，确定岩层的顶板赋存厚度和岩性；进而根据顶板赋存厚度、岩性、相邻工作面的矿压显现资料确定地面压裂目标层。

30、可选的，步骤6中的第一预设阈值为100m；第二预设阈值为15000kn。

31、一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定系统，包括以下模块：

32、目标层确定模块，根据顶板赋存厚度、岩性、相邻工作面的矿压显现资料，确定水力压裂目标层；

33、力学参数测定模块，对水力压裂目标层及其下覆岩层进行顶板力学参数的测定；

34、目标层夹支端长度确定模块，根据得到的顶板力学参数，建立回归方程，依据回归方程确定水力压裂目标层夹支端的长度；

35、能量密度计算模块，设立水力压裂目标层悬臂段挠度和夹支端的满足条件，并确定水力压裂目标层边界挠度、转角，依据满足条件和边界挠度、转角计算水力压裂目标层的能量密度；

36、冲击载荷计算模块，将水力压裂目标层的能量密度进行累加获得能量，结合水力压裂目标层的悬臂长度，确定支架承受的冲击载荷；

37、压裂步距输出模块，令目标层的悬臂长度以固定长度增加，重复计算支架承受的冲击载荷，直至悬臂长度大于第一预设阈值或支架承受的冲击载荷大于第二预设阈值时，输出此时水力压裂目标层的悬臂长度，并取悬臂长度的3/4作为压裂步距。

38、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定方法及系统，根据顶板赋存厚度、岩性、相邻工作面的矿压显现资料，确定水力压裂目标层；对水力压裂目标层及其下覆岩层进行顶板力学参数的测定；根据得到的顶板力学参数，建立回归方程，依据回归方程确定水力压裂目标层夹支端的长度；设立水力压裂目标层悬臂段挠度和夹支端的满足条件，并确定水力压裂目标层边界挠度、转角，依据满足条件和边界挠度、转角计算水力压裂目标层的能量密度；将水力压裂目标层的能量密度进行累加获得能量，结合水力压裂目标层的悬臂长度，确定支架承受的冲击载荷；进而确定水力压裂目标层的压裂步距。本发明突破传统地面冲击地压地面压裂采用连续压裂的方式，进而为地面压裂防治煤矿冲击地压压裂步距进行优化，降低地面压裂的钻孔长度、在同等条件下减少了压裂工程、减少压裂耗材，节约压裂成本，同时保证煤炭安全开采。

技术特征：

1.一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定方法，其特征在于，所述步骤1包括：收集矿井综合钻孔地质图，相邻工作面矿压显现观测资料，依据矿井综合钻孔地质图，确定岩层的顶板赋存厚度和岩性；进而根据顶板赋存厚度、岩性、相邻工作面的矿压显现资料确定地面压裂目标层。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定方法，其特征在于，步骤6中的第一预设阈值为100m；第二预设阈值为15000kn。

4.一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定系统，其特征在于，应用权利要求1-3任一所述的一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定方法，包括以下模块：

技术总结
本发明公开了一种煤矿冲击地压地面压裂步距确定方法及系统，涉及煤矿井工开采技术领域，通过确定水力压裂目标层；对水力压裂目标层及其下覆岩层进行顶板力学参数的测定；建立回归方程，确定水力压裂目标层夹支端的长度；依据满足条件和边界挠度、转角计算水力压裂目标层的能量密度；将水力压裂目标层的能量密度进行累加获得能量，结合水力压裂目标层的悬臂长度，确定支架承受的冲击载荷；进而确定水力压裂目标层的压裂步距。本发明从而对目标层进行压裂，防止顶板弹性能两积聚，防治井工煤矿冲击地压，保证煤炭安全开采。

技术研发人员：邰阳,彭明贤,李勇,丁俊,尚子榆,于斌,王磊,张兴国
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17