水压预裂参数确定方法

摘要

本发明提供一种水压预裂参数确定方法，包括如下步骤：在综采工作面回风巷与运输巷布置多个十字布桩点；在每两个相邻的十字布桩点之间设置声发射探头以及水压预裂钻孔；对水压预裂钻孔进行注水预裂，并且在注水过程对水压预裂钻参数进行调整；在调整水压预裂钻参数的过程中，记录不同水压预裂参数下对应的巷道变形量、巷道顶板内部岩石破碎程度、采空区冒落程度和冒落时间；根据巷道变形量、巷道顶板内部岩石破碎程度、采空区冒落程度和冒落时间确定使水压预裂效果满足要求的水压预裂参数。上述方案能够得到使综采工作面超前处巷道变形量最少、巷道顶板岩石内部破碎程度最高、采空区冒落程度最密实、冒落时间最短，使水压预裂效果达到最佳的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及采矿工程技术领域，具体涉及一种水压预裂参数确定方法。

背景技术

煤矿综采工作面在回采过程中，由于采空区冒落不充分导致本应由采空区冒落矸石承受的上覆岩层压力转移至工作面煤壁前方，在工作面回风巷与运输巷超前段形成压力升高区，该区域巷道受到的压力远大于原岩应力。当压力超过巷道最大承压能力时导致巷道顶板下沉、底鼓、帮鼓等形式的巷道变形。在软岩巷道中巷道变形量更大。这种结果将直接导致工作面巷道支架无法向前拉移、运输巷皮带支架被掀翻、通风断面急剧减小、行人安全距离严重不足，直接导致该综采工作面停产。除此之外，由于采空区冒落不充分，当采空区悬顶面积过大并当达到一定程度后，采空区顶板冒落后产生的气浪有可能将液压支架掀翻，导致工作面伤亡事故。

为了减少巷道变形量、提高采空区顶板冒落程度、保证采空区顶板及时冒落、保证综采工作面巷道支架顺利向前拉移、运输巷皮带正常运煤、保证通风与行人。当前采用的方法是提前在回风巷与运输巷巷道肩窝处打水压预裂钻孔，再通过注高压水提前将巷道顶板切裂，当综采工作面推过该水压预裂段后，由于巷道顶板提前被切裂，当失去液压支架支撑后该处顶板冒落较水压预裂前更及时、更充分。最终达到使采空区冒落更充分和减少工作面超前处巷道变形量的目的。

目前针对水压预裂参数的选择一般都是利用经验方式，但是由于不同煤矿地质条件不尽相同，同一煤矿不同煤层地质条件也不尽相同，单纯的以经验方法选择水压预裂参数并不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种水压预裂参数确定方法，解决现有技术中通过人工经验值选择水压预裂参数不准确的技术问题。

本发明提供一种水压预裂参数确定方法，包括如下步骤：

在综采工作面回风巷与运输巷布置多个十字布桩点，相邻两个十字布桩点之间的距离为设定距离L；

在每两个相邻的十字布桩点之间设置声发射探头以及水压预裂钻孔，其中相邻两个声发射探头之间的距离为设定距离LS，相邻两个水压预裂钻孔之间的距离为设定距离LT；

对水压预裂钻孔进行注水预裂，并且在注水过程对水压预裂钻参数进行调整；

在调整水压预裂钻参数的过程中，记录不同水压预裂参数下对应的巷道变形量、巷道顶板内部岩石破碎程度、采空区冒落程度和冒落时间；

根据巷道变形量、巷道顶板内部岩石破碎程度、采空区冒落程度和冒落时间确定使水压预裂效果满足要求的水压预裂参数。

可选地，上述的水压预裂参数确定方法中，通过如下方式得到巷道变形量：

监测巷道上帮与巷道中线的距离、巷道下帮与巷道中线的距离和巷道中顶与底板之间的距离以得到巷道变形量。

可选地，上述的水压预裂参数确定方法中，通过如下方式得到水压预裂参数下对应的巷道变形量：

实时获取声发射探头的探测结果，根据声发射探头发射信号的时间、接收信号的时间和信号波长确定声发射探头与巷道边界之前的距离，进而确定巷道变形量。

可选地，上述的水压预裂参数确定方法中，通过如下方式得到巷道顶板内部岩石破碎程度：

实时获取声发射探头的探测结果，根据所述探测结果得到巷道顶板内部岩石裂隙，根据岩石裂隙得到巷道顶板内部岩石破碎程度。

可选地，上述的水压预裂参数确定方法中，相邻两个十字布桩点之间的距离、相邻两个声发射探头之间的距离和相邻两个水压预裂钻孔之间的距离相同。

可选地，上述的水压预裂参数确定方法中，所述水压预裂钻参数包括但不限于钻孔孔径、孔深、角度、钻孔位置和注水时机。

可选地，上述的水压预裂参数确定方法中，通过如下方式设置声发射探头：

在设置声发射探头的位置处打孔，将声发射探头设置在孔内部设定深度处之后封锁孔口。

可选地，上述的水压预裂参数确定方法中，所述设定深度与所述相邻两个十字布桩点之间的距离、相邻两个声发射探头之间的距离和相邻两个水压预裂钻孔之间的距离均相同。

可选地，上述的水压预裂参数确定方法中，所述设定深度与所述相邻两个十字布桩点之间的距离、相邻两个声发射探头之间的距离和相邻两个水压预裂钻孔之间的距离均为10±1米。

可选地，上述的水压预裂参数确定方法中，在每两个相邻的十字布桩点之间设置声发射探头以及水压预裂钻孔的步骤中，水压预裂钻孔的深度最大值与相邻两个十字布桩点之间的距离、相邻两个声发射探头之间的距离和相邻两个水压预裂钻孔之间的距离均相同。

本发明提供的以上技术方案，与现有技术相比，至少具有如下有益效果：通过十字布桩、声发射探头监测、现场观察相结合的方式以巷道变形量、巷道顶板内部岩石破碎程度、采空区冒落程度、冒落时间作为评价指标，研究不同水压预裂参数与巷道变形量、巷道顶板内部岩石破碎程度、采空区冒落程度、冒落时间的相关性。以上述的四个指标作为依据，通过不断调整水压预裂钻孔孔径、孔深、角度、钻孔位置、注水时机的参数，从而得到能够使综采工作面超前处巷道变形量最少、巷道顶板岩石内部破碎程度最高、采空区冒落程度最密实、冒落时间最短，使水压预裂效果达到最佳的方法。

附图说明

图1为本发明一个实施例所述水压预裂参数确定方法的施工过程的流程图；

图2为本发明一个实施例所述十字布桩平面位置图；

图3为本发明一个实施例所述十字布桩剖面图；

图4为本发明一个实施例所述声发射探头和水压预裂钻孔平面布置图；

图5为本发明一个实施例所述回风巷中声发射探头与水压预裂布置剖面图；

图6为本发明一个实施例所述运输巷中声发射探头与水压预裂布置剖面图；

图7为本发明一个实施例所述使水压预裂效果达到最佳方法的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图进一步说明本发明实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必需具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

本申请一些实施例中提供一种水压预裂参数确定方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一：在综采工作面回风巷与运输巷布置多个十字布桩点，相邻两个十字布桩点之间的距离为设定距离L。

步骤二：在每两个相邻的十字布桩点之间设置声发射探头以及水压预裂钻孔，其中相邻两个声发射探头之间的距离为设定距离LS，相邻两个水压预裂钻孔之间的距离为设定距离LT。

步骤三：对水压预裂钻孔进行注水预裂，并且在注水过程对水压预裂钻参数进行调整。

步骤四：在调整水压预裂钻参数的过程中，记录不同水压预裂参数下对应的巷道变形量、巷道顶板内部岩石破碎程度、采空区冒落程度和冒落时间。

步骤五：根据巷道变形量、巷道顶板内部岩石破碎程度、采空区冒落程度和冒落时间确定使水压预裂效果满足要求的水压预裂参数。

具体地，参考图2，在综采工作面的回风巷与运输巷按设定距离L为间隔布置十字布桩点101，布桩点为图3所示的十字布桩点，其中L优选为10m，布置范围从工作面煤壁至巷口。如图3所示，监测并记录巷道上帮与巷道中线的距离L1、巷道下帮与巷道中线的距离L2、巷道中顶与底板之间的距离L3。之后，如图4-图6所示，在每两个“十字布桩”点的中间位置以L为间隔的每个巷道断面布置一组水压预裂钻孔102和一组声发射探头103，每组探头和水压预裂孔在巷道断面的肩窝(回风巷为上帮肩窝，运输巷为下帮肩窝)处钻孔，然后将声发射探头塞入声发射钻孔中并封孔，对水压预裂钻孔进行注水预裂。

其中，如图5和图6所示，声发射探头钻孔深度LS可以选择为10m(可根据实际情况调整钻孔深度)，水压预裂钻孔深度LT也可以选择为10m(可根据实际情况调整钻孔深度)。在注水卸压程中不断调整水压预裂钻参数，例如水压预裂钻孔孔径、孔深、角度、钻孔位置和注水时机，并用声发射探头实时监测并记录不同水压预裂参数对应的巷道变形量、巷道顶板内部岩石破碎程度，根据声发射信号、采空区冒落程度、冒落时间，最后对收集到的数据进行计算分析，找到使水压预裂效果达到最佳的水压预裂参数。

上述方案中，利用声发射探头、巷道十字布桩、现场观察作为手段，对不同水压预裂参数，如水压预裂钻孔孔径、孔深、角度、钻孔位置、注水时机下的声发射信号、巷道变形量、采空区冒落程度、冒落时间进行计算分析，最后找到一组使水压预裂效果达到最佳的水压预裂参数。其中，可以通过监测巷道上帮与巷道中线的距离、巷道下帮与巷道中线的距离和巷道中顶与底板之间的距离以得到巷道变形量。也可以实时获取声发射探头的探测结果，根据声发射探头发射信号的时间、接收信号的时间和信号波长确定声发射探头与巷道边界之前的距离，进而确定巷道变形量。进一步地，通过如下方式得到巷道顶板内部岩石破碎程度：实时获取声发射探头的探测结果，根据所述探测结果得到巷道顶板内部岩石裂隙，根据岩石裂隙得到巷道顶板内部岩石破碎程度。如图所示，可以在巷道内设置声接收探头104，声发射探头发射的声波信号在巷道围岩中传输会有一定程度的衰减，可以根据衰减程度确定出围岩是否有裂隙或者围岩厚度，从而确定出巷道形变量以及岩石破碎程度。而对于采空区冒落程度和冒落时间的检测可以采用现有技术中成熟的现场检测方式来实现。

为了便于施工，上述方案中的水压预裂钻孔的深度最大值与相邻两个十字布桩点之间的距离、相邻两个声发射探头之间的距离和相邻两个水压预裂钻孔之间的距离均相同，可以全部选择为10米。

在选择最佳预裂参数时，其原理图如图7所示：

步骤2.1：在水压预裂过程中调整水压预裂参数，水压预裂钻孔孔径、孔深、角度、钻孔位置、注水时机等；

步骤2.2：利用声发射监测设备监测围岩内部声发射信号；

步骤2.3：现场实际观测采空区冒落程度与冒落时间；

步骤2.4：检测巷道十字布桩测量巷道变形量。

步骤2.5：对步骤2.2-2.4检测到的数据进行计算分析，判断水压预裂是否达到最佳效果。

步骤2.6：以使综采工作面超前处巷道变形量最少、巷道顶板岩石内部破碎程度最高、采空区冒落程度最密实、冒落时间最短的水压预裂参数作为最佳的水压预裂参数。

以上方案中使用声发射监测设备、巷道十字布桩、现场观测的多元化监测，监测数据更加准确，实现了水压预裂过程中巷道围岩内部变化情况与外部变化情况同时监测，监测数据更为全面；使用多个指标作为水压预裂效果的评价依据，从而使水压预裂参数的确定结果更加准确。通过不断调整水压预裂参数，最终可以使水压预裂效果达到最佳，提高了工作效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。