一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法

本发明涉及煤矿相关设备，具体为一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法。

背景技术：

1、随着我国煤矿开采越来越向深部发展，矿井原岩应力比较高，煤层上方顶板呈硬厚状，开采过程中难以及时垮落，容易形成大面积悬顶，造成巷道发生变形，导致工作面支架无法正常向前推进。若开采中坚硬顶板突然断裂会对工作面造成很大的冲击地压，对巷道和开采设备造成破坏，甚至出现人员伤亡，会严重威胁着煤矿安全生产作业，因此，需对坚硬顶板进行分割卸压，避免其出现突然垮落的状况。

2、近年来，煤矿开采技术逐渐提高，目前最常用的切顶卸压的方法主要为爆破断顶和水力压裂。爆破断顶的方式，存在较多安全隐患，且施工工艺复杂，炸药爆破时所产生的震动对采场围岩干扰大，同时，若爆破断顶用药量大，爆破形成的冲击对工作面瓦斯控制也具有危害。爆破断顶用药量小又达不到预设的效果，较难掌握用药量的多少。

3、水力压裂避免了爆破断顶存在的主要缺点，其采用高压水压裂坚硬顶板，施工工艺相对简单，安全隐患低，对生产作业的影响小，成本低且卸压范围大、效果好，可以有效解决未掘进煤层上方顶板应力过大，液压支架无法正常向前推进的问题。但是现有的水力压裂切顶卸压的方法在压裂前一半都是操作人员凭借着经验进行钻孔，风险较大；因此，需要一种更安全的技术方案来完成对工作面坚硬顶板的切顶卸压，保证工作面支架向前推进。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，可以解决现有的问题。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明是通过如下的技术方案来实现：一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，包括步骤一：根据煤矿工作面的地质状况，设定压裂范围，确定钻孔角度和深度；

4、步骤二：按照计算的钻孔角度和深度，向煤矿巷道的顶板进行钻孔，并沿巷道的前进方向间隔预设距离多次钻孔，得到多个平行排列的水力压裂卸压孔；

5、步骤三：对压裂卸压孔周围进行水力切缝形成多个预裂缝面；

6、步骤四：利用封孔器分别对所述预裂缝面的两端进行封孔形成密闭的封孔段；

7、步骤五：通过向各个封孔段注入高压水使预裂缝面定向扩张，完成对封孔段的压裂；

8、步骤六：对所有的水力压裂卸压孔均进行步骤三至步骤五的操作，完成顶板所有位置的压裂，从而切断顶板，使顶板垮落。

9、进一步的，所述煤矿工作面的地质状况包括顶板、岩层、煤层的物理和结构数据；所述煤矿工作面的地质状况根据煤矿采区工作面综合柱状分层图或通过钻孔用钻孔窥视仪观察获取。

10、进一步的，所述钻孔角度和深度的计算公式为：

11、所述钻孔的角度计算公式为：

12、tanθ＝h切/l1 (1)

13、式(1)中，θ为钻孔轴线与水平方向夹角；h切为顶板岩层切顶高度，单位m；l1为工作面前方压力峰值到工作面的水平距离，单位m；

14、所述钻孔深度的计算公式为：

15、l＝kh切/sinθ (2)

16、式(2)中，l为钻孔深度，单位m；k为富余系数，取值范围为1.1-1.3；h切为顶板岩层切顶高度，单位m；θ为钻孔轴线与水平方向夹角；

17、式(1)和式(2)中顶板岩层切顶高度h切的计算公式为：

18、h切＝m0/(kp-1) (3)

19、式(3)中，h切为顶板岩层切顶高度，单位m；m0为煤层厚度，单位m；kp为破断岩体平均碎胀系数，破断岩体平均碎胀系数为1.25。

20、进一步的，所述并沿巷道的前进方向间隔预设距离多次钻孔采用间距为10m的进行定向钻孔。

21、进一步的，所述对压裂卸压孔周围进行水力切缝包括采用带有磨料砂的高压水的钻头对水力压裂卸压孔周围的孔壁进行水力切缝，钻孔的四周压裂成一条垂直于钻孔轴线的预裂缝面。

22、进一步的，所述利用封孔器分别对所述预裂缝面的两端进行封孔形成密闭的封孔段包括通过钻杆在压裂卸压孔内移动，位于钻杆上的封孔器移动至预裂缝面的两端，然后高压供水胶管将高压水注入到封孔器中使封孔器膨胀，使预裂缝面的两端被膨胀后的封孔器形成的膨胀胶囊封孔。

23、进一步的，所述通过向各个封孔段注入高压水使预裂缝面定向扩张，完成对封孔段的压裂包括将从高压水泵流出高压水从钻杆上的射流器注入到预裂缝面内，使坚硬顶板上的预沿着裂缝面尖端持续扩展，扩大裂缝面面积，增大水力压裂范围；当高压水泵的泵压突然下降后、相邻钻孔出水或对封孔段的注液时间达到30min后，关闭高压泵，并对封孔器进行泄压，完成对裂缝面的压裂。

24、进一步的，所述高压水泵的出口压力大于50mpa，流量60l\min。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

26、本发明提供的一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，通过在煤矿巷道的顶板上按计算的角度向上钻孔，并在钻孔内进行水力切缝形成裂缝面，再在裂缝面的两端封孔、以及对封孔段的压裂处理，从而切断顶板，使顶板垮落，可有效降低顶板压力；保证工作面支架正常推进，还可以使压裂覆盖范围掘进巷道及巷道使用期间均处于低应力区，保证开采的工作人员处于被有效保护的状态，使煤炭开采在安全有序的情况下进行。本发明提供的工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，不但工艺简单、安全、成本低且卸压范围大、效果好，降低了顶板突然大面积垮落对工作面的冲击作用，降低采煤安全事故，保证工作面正常向前推进，具有重要的工程实际应用价值。

技术特征：

1.一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于：所述煤矿工作面的地质状况包括顶板、岩层、煤层的物理和结构数据；所述煤矿工作面的地质状况根据煤矿采区工作面综合柱状分层图或通过钻孔用钻孔窥视仪观察获取。

3.根据权利要求2所述的一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于：所述钻孔角度和深度的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于：所述并沿巷道的前进方向间隔预设距离多次钻孔采用间距为10m的进行定向钻孔。

5.根据权利要求1所述的一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于：所述对压裂卸压孔周围进行水力切缝包括采用带有磨料砂的高压水的钻头对水力压裂卸压孔周围的孔壁进行水力切缝，钻孔的四周压裂成一条垂直于钻孔轴线的预裂缝面。

6.根据权利要求1所述的一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于：所述利用封孔器分别对所述预裂缝面的两端进行封孔形成密闭的封孔段包括通过钻杆在压裂卸压孔内移动，位于钻杆上的封孔器移动至预裂缝面的两端，然后高压供水胶管将高压水注入到封孔器中使封孔器膨胀，使预裂缝面的两端被膨胀后的封孔器形成的膨胀胶囊封孔。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于：所述通过向各个封孔段注入高压水使预裂缝面定向扩张，完成对封孔段的压裂包括将从高压水泵流出高压水从钻杆上的射流器注入到预裂缝面内，使坚硬顶板上的预沿着裂缝面尖端持续扩展，扩大裂缝面面积，增大水力压裂范围；当高压水泵的泵压突然下降后、相邻钻孔出水或对封孔段的注液时间达到30min后，关闭高压泵，并对封孔器进行泄压，完成对裂缝面的压裂。

8.根据权利要求7所述的一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，其特征在于：所述高压水泵的出口压力大于50mpa，流量60l\min。

技术总结本发明提供一种工作面超高压定向水力压裂切顶卸压的方法，包括步骤一：根据煤矿工作面的地质状况，设定压裂范围，确定钻孔角度和深度；步骤二：按照计算的钻孔角度和深度，向煤矿巷道的顶板进行钻孔，并沿巷道的前进方向间隔预设距离多次钻孔，得到多个平行排列的水力压裂卸压孔；步骤三：对压裂卸压孔周围进行水力切缝形成多个预裂缝面；步骤四：利用封孔器分别对预裂缝面的两端进行封孔形成密闭的封孔段；步骤五：通过向各个封孔段注入高压水使预裂缝面定向扩张，完成对封孔段的压裂；步骤六：对所有的水力压裂卸压孔均进行步骤三至步骤五的操作，完成顶板所有位置的压裂使顶板垮落。本发明不但工艺简单、安全、成本低且卸压范围大、效果好。技术研发人员：陈岩,厉二康,窦蓉,荣腾龙,董卓,郭保华,许小凯,赵记领受保护的技术使用者：河南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18