从地表定向水压致裂预裂基岩控制采动影响范围的方法

摘要

本发明涉及一种从地表定向水压致裂预裂基岩控制采动影响范围的方法，包括以下步骤：1）获取预裂区域上覆岩层地质状况，分析确定地表移动盆地边界，所述上覆岩层地质状况包括上覆岩层岩层位、岩层厚度、松散层厚度h1、岩层强度及地应力；2）根据需要保护地表建（构）筑物保护等级确定围护带宽度D；3）根据步骤2）确定的围护带宽度，以及建（构）筑物安全系数q，确定钻孔距建（构）筑物的布设距离L，L=q*D；4）确定预裂深度h2=S*tanδ；5）确定钻孔深度H=h1+h2；6）根据钻孔位置以及钻孔深度进行打钻、水压致裂等操作。本发明的方法可有效控制井下开采时采动范围的影响，采用地表定向水压致裂的方法，可大幅降低施工难度。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种从地表定向水压致裂预裂基岩控制采动影响范围优化停采线的方法，属于采矿技术方法领域。

背景技术

煤炭是当今社会主要的能源，随着社会的发展和生产技术的进步,人们对能源的需求量越来越大。煤炭从地下采出后,其上方覆盖岩层失去支撑,岩体内部的原有应力平衡状态受到破坏,引起岩体内应力的重新分布,使采空区周围的岩体产生位移、变形直至破坏。当采空区面积达到一定的范围后,引起采空区上方地表产生移动与变形。地表的移动与变形影响建（构）筑物的基础,导致建（构）筑物出现移动和变形,甚至出现破坏现象。

目前控制和减轻地表沉陷的主要技术途径有充填开采、部分开采和覆岩离层带注浆充填等。充填开采是采用外来材料充填矿物资源采出后形成的采空区，包括水砂充填、矸石充填等，但此方法成本高、工艺复杂，目前在我国煤炭系统很少使用。覆岩离层带注浆充填减沉是近几年来提出的一种新的地表沉陷控制方法，其实质是注浆充填开采过程中覆岩中形成的离层空间，阻止开采空间的向上传递，阻止和减缓上覆岩层继续下沉，达到减缓地面沉陷的目的，但其工艺复杂，实现的难度较大，大面积开采条件下实施的地面减沉效果还有待于实践验证。部分开采主要包括房式开采和条带开采，是利用留下的矩形或条带形煤柱支撑上覆岩层控制地表沉陷。其中条带开采是目前国内建筑物下采煤地表沉陷控制的主要技术途径，其最大的缺点是煤炭永久损失率较高。实际生产中大多是根据地表移动盆地边界角，圈定地表移动盆地边界。该方法只能对沉陷区域进行预估和划界，不能主动控制地表沉陷区域，无法对处于地表沉陷区域的建（构）筑物起到主动保护的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供从地表定向水压致裂预裂基岩控制采动影响范围优化停采线的方法，包括以下步骤：

1）获取预裂区域上覆岩层地质状况，分析确定地表移动盆地边界，所述上覆岩层地质状况包括上覆岩层岩层位、岩层厚度、松散层厚度h₁、岩层强度及地应力；

2）根据需要保护地表建（构）筑物保护等级确定围护带宽度D；

3）根据步骤2）确定的围护带宽度，以及建（构）筑物安全系数q，确定钻孔距建（构）筑物的布设距离L，L= q*D；

4）根据步骤1）确定的地表移动盆地确定走向移动角δ以及停采线水平移动距离S，确定预裂深度h₂>

5）根据步骤1）确定的松散层厚度h₁以及步骤4）确定的钻孔预裂深度h₂确定钻孔深度H=>1+>2；

6）根据步骤3）确定的钻孔位置以及步骤5）确定的钻孔深度进行打钻、水压致裂等操作。

进一步的，步骤6）中所述水压致裂操作包括以下步骤：

61）根据上覆岩层地质状况及预裂深度确定钻孔参数；

62）根据步骤61）确定的钻孔参数顺次在地表钻孔；

63）根据上覆岩层地质状况与钻孔孔深，在钻孔预定距离开槽,得到多个切槽；

64）在每个切槽前后位置封孔，向钻孔注入高压水,高压水作用于切槽处使其两侧开裂,形成贯穿裂缝，弱化岩层整体强度；

65）水压致裂后工作面停采线由A延伸至A，减小了地表建（构）筑物保护煤柱尺寸，提高煤炭的采出率。

进一步的，步骤61）中的钻孔参数包括钻孔位置、钻孔孔深、钻孔间距。

本发明水压致裂技术应用于控制采动影响范围优化停采线领域，即通过定向水力压裂弱化岩体强度，切断覆岩破断向工作面回采方向的传递，达到控制采动影响范围的目的。水压致裂对岩体的弱化主要体现在两方面：一是通过水压裂缝的起裂和扩展，改造岩体的宏细观结构，弱化岩体的力学性能；二是通过水对岩石的物理化学作用，降低岩石的力学性能。二者共同作用弱化岩体的力学性能，降低顶板岩石的整体强度。该发明在保证地表建（构）筑物不受采动损害影响的前提下，优化停采线位置，缩减了为保护地表建（构）筑物而留设的保护煤柱的尺寸，提高了煤炭采出率。

本发明是从地表向下钻孔对上覆岩层进行水力压裂操作，与井下压裂比较可以大幅降低施工难度，安全性高，而且可直接切断对地表影响更大的上覆岩层的基岩，用于控制采动范围影响时可靠性更高。

附图说明

图1为本发明确定预裂高度的原理示意图；

图2为本发明确定钻空位置的原理示意图；

图3为本发明中钻孔布置示意图。

具体实施方式

拟选择某矿5304工作面为试验区域。如图1-3所示，在工作面前方地表存在建（构）筑物，通过获取地表构建物所在区域上覆岩层地质状况，分析确定地表移动盆地边界，确定地表移动盆地走向移动角和松散层厚度h₁；确定确定钻孔距建（构）筑物的布设距离L以及预裂深度h₂，进而确定钻孔深度H。在确定的预裂位置进行垂直钻孔，钻孔带沿围护带与采动区之间均匀排布，钻孔孔深按预裂深度进行钻孔，排孔间距为10m。采用KZ54型切槽钻头，在岩层中预制横向切槽，水压致裂孔采用倒退式压裂法，由钻孔底部向外每隔1.5~2m压裂一次。预裂后建（构）筑物与采动区之间形成断裂带，停采线由A移动至A′。