降低矿震等级用射孔枪及水压致裂降低矿震等级方法

摘要

本发明涉及一种降低矿震等级用射孔枪及水压致裂降低矿震等级方法。为克服现有技术的上述缺陷，本发明降低矿震等级用射孔枪包括枪管和射孔弹固定座，所述发射孔及其对应的射孔弹两两相背，相背的射孔弹的轴心线重合，并与所述枪管的轴心线垂直相交，所有发射孔及射孔弹的轴心线均平行分布一个竖直面上。本发明还涉及一种水压致裂降低矿震等级方法。本发明降低矿震等级用射孔枪具有结构简单，使用方便的优点，本发明水压致裂降低矿震等级方法可有效在关键层顶板上劈开多个平行于工作面的水压致裂面，便于工作面经过时，顶板有序垮落，从而有效降低矿震等级。

说明书

技术领域

本发明涉及一种降低矿震等级用射孔枪及水压致裂降低矿震等级方法。

背景技术

随着煤矿开采强度和深度不断增加，采空区上部巨厚地层频繁发生矿震，给煤矿开采带来巨大挑战，因此矿震治理受到政府、社会和企业的广泛关注。为此，提出一种通过地面成孔水压致裂方法降低矿震等级的工艺。

根据资料调研，现有的矿震治理技术主要是通过调整采煤工艺参数、巷道定向压裂、巷道定向爆破等方法进行防控治理。

“定向水力压裂技术处理坚硬顶板试验研究”中研究了巷道定向水力压裂技术的施工工艺和对坚硬顶板垮落的控制作用。巷道定向水力压裂技术受巷道空间限制，设备小、压裂规模有限，只对顶板以上几十米以内坚硬地层有效。

专利“一种煤层冲击型矿震防控方法”CN 106437711A，公开了一种通过在矿震保护区停采线区域掘进卸压巷道，在工作面煤壁进行钻孔爆破来防控冲击型矿震的方法，这种方法只对顶板附近坚硬岩层有效，爆破引发污染井下空气有可能造成瓦斯爆炸等突发事故。CN 106150503A，CN 111058819 A，CN 109339786B，CN 108999636A。

以上矿震治理技术都存在局限性，无法解决与直接顶相距数百米巨厚坚硬地层破断型矿震问题。

授权公告号为CN 106150503 B的中国发明专利公开了一种水力压裂治理坚硬顶板的方法。该发明公开了一种水力压裂治理坚硬顶板的方法，包括以下步骤：1)明确欲压裂坚硬顶板的应力状态；2)根据所获得的应力状态选取相应的两种不同的压裂方案；3)选取钻孔位置及钻孔参数并施工压裂钻孔；4)进行水力压裂坚硬顶板。

该发明的优点在于能根据地应力不同这一具体情况采取相应的两种不同的压裂方案。较之以往的压裂方法，本发明考虑得更为全面，压裂方法选择更为灵活，压裂作业更具有针对性，更便于形成有利于弱化煤层上覆坚硬顶板的压裂裂缝，以弱化坚硬顶板，最终实现坚硬顶板的适时破断，缩短顶板来压步距，减少工作面强矿压显现，利于煤矿井下安全生产。

该发明根据所获得的应力状态选取相应的两种不同的压裂方案：若欲压裂坚硬顶板的应力状态为水平应力大于垂直应力，则采用垂直钻孔水力喷射分层压裂的方法将压裂目标层分为多层进行压裂，如其说明书附图1-2；

若欲压裂坚硬顶板的应力状态为水平应力小于垂直应力，则采用L型钻孔水力喷射分段压裂方法对目标层进行压裂，如说明书附图3-5。

该发明虽然根据水平应力与垂直应力大小的差异，提出垂直钻孔压裂和L型钻孔压裂两种方案，但是其射孔指向四面八方，无法产生相同集中的竖直劈缝，压裂效果有待进一步提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的上述缺陷，提供一种降低矿震等级用射孔枪及水压致裂降低矿震等级方法。

为解决上述技术问题，本发明降低矿震等级用射孔枪包括枪管和射孔弹固定座，所述枪管上设有若干发射孔，所述射孔弹固定座设置在枪管内，每个发射孔正对的射孔弹固定座上设有一个射孔弹，该射孔弹轴心线与对应的发射孔的轴心线重合，其特征在于：所述发射孔及其对应的射孔弹两两相背，相背的射孔弹的轴心线重合，并与所述枪管的轴心线垂直相交，所有发射孔及射孔弹的轴心线均平行分布一个竖直面上。

使用时，尽量使所有发射孔轴心线均在同一竖直面，并同时触发，这样射孔弹集中在一个竖直面射击，所产生弹道也分布一个竖直面上。如此设计，有助于水压压裂时，裂缝主要沿着预设计好的竖直面延伸。

作为优化，键上下相邻的发射孔的轴心线距离控制在0.4～0.6米范围，优选0.5米。如此设计，实践证明，上述距离范围效果好，优选0.5米。

本发明水压致裂降低矿震等级方法，包括下述步骤：

①.确定各个关键层位置：通过矿层测量数据及地质钻孔信息确定矿震发生频繁的关键层和隔离层在地层中的位置，

②.规划垂直钻孔位置：使垂直钻孔在地面上纵横排布，其中横向相邻的垂直钻孔间距控制100～120米范围内，纵向相邻钻孔间距控制在120～150米范围内，

③.钻孔、下套管、注水泥浆：根据第②步所得垂直钻孔位置，进行钻孔，每个钻孔内装设一根套管，然后，向每根套管与其所在的钻孔孔壁之间注水泥浆，直至完成所有垂直钻孔、下套管及注水泥浆工作；

④.自下而上依次对各个关键层进行射孔、水压压裂，方法如下：待水泥浆凝固后，将各个套管分成横向多排，

从每排套管一端开始，选取横向相邻的两个或多个套管为同步射孔压裂组，向同一同步射孔压裂组的各个套管内依次、分别装入下封闭器和前述的降低矿震等级用射孔枪，使各个降低矿震等级用射孔枪的正好位于最下层的关键层内，并使降低矿震等级用射孔枪至少一侧的各个发射孔的轴心线与横向相邻套管的轴心线在同一竖直面上，同时触发各个降低矿震等级用射孔枪，进行射孔，然后向相应套管内装设上封闭器，然后，为同步射孔压裂组的各个套管连接配用水压致裂设备，进行水压致裂，

然后，再按照前述方法，该同步射孔压裂组所在的上层的关键层，进行装下封闭器和前述降低矿震等级用射孔枪，射孔，装上封闭器，然后进行水压致裂作业，直至完成同一同步射孔压裂组的各个套管在各个关键层内的射孔、水压致裂作业。

然后在同一排套管，选取横向相邻的两个或多个套管为下一同步射孔压裂组，重复前述方法，直至完成同一排的所有套管的射孔、水压致裂作业，

⑤.选取下一排套管，重复步骤④所述步骤，进行射孔、水压致裂作业，直至完成所有套管的射孔、水压致裂作业。

本发明可在同一同步射孔压裂组的同一关键层上同时进行射孔，产生的弹道，也相应分布在竖直面上。上述弹道及竖直钻孔已经对相应关键层内的岩石进行初步的定向破坏。然后再同时进行水压压裂，所产生水压裂缝主要沿相应的竖直面延伸，在相应的套管两侧产生，如刀斧劈裂般的竖直大裂缝。如此设计，可以使水压致裂所生裂缝，尽可能沿需要方向分布，以尽可能少的水压作业量，最大限度降低矿震等级。

作为优化，第①步时，测量各个关键层的岩石在水平方向的应力大小，选取应力大的方向作为第②步所述的横向方向。如此设计，便于水压致裂时，产生竖直横向致裂面。

作为优化，第②步所述垂直钻孔的横向方向优选平行于井下的工作面的方向。如此设计，便于工作面推进过程中，采空区上方顶板有序垮落。

作为优化，其还包括第⑥步：在工作面推进过程中，实时监测矿震，若出现高等级矿震事件，需补充、加密垂直钻孔数和密度，再进行射孔、水压致裂作业。如此设计，适合复杂多变的地质条件中使用。

本发明降低矿震等级用射孔枪具有结构简单，使用方便的优点，本发明水压致裂降低矿震等级方法可有效在关键层顶板上劈开多个平行于工作面的水压致裂面，便于工作面经过时，顶板有序垮落，从而有效降低矿震等级。

附图说明

下面结合附图对本发明降低矿震等级用射孔枪及水压致裂降低矿震等级方法作进一步说明：

图1是本发明降低矿震等级用射孔枪的结构示意图；

图2是本发明水压致裂降低矿震等级方法第④步剖面结构示意图(一)(沿过套管的轴心线和发射孔的轴心线的竖直面剖切)；

图3是本发明水压致裂降低矿震等级方法第④步剖面结构示意图(二)(沿过套管的轴心线和发射孔的轴心线的竖直面剖切)；

图4是本发明水压致裂降低矿震等级方法第⑤步的结构示意图。

图中：1为枪管、2为射孔弹固定座、3为发射孔、4为射孔弹、5为关键层、6为隔离层、7为采空区、8为垂直钻孔、9为套管、10为下封闭器、11为上封闭器、12为工作面、13为射孔弹发射后产生的弹道、14为裂缝。

具体实施方式

实施方式一：如图1所示，本降低矿震等级用射孔枪包括枪管1和射孔弹固定座2，所述枪管1上设有若干发射孔3，所述射孔弹固定座设置在枪管1内，每个发射孔3正对的射孔弹固定座2上设有一个射孔弹4，该射孔弹4轴心线与对应的发射孔3的轴心线重合，其特征在于：所述发射孔3及其对应的射孔弹4两两相背，相背的射孔弹4的轴心线重合，并与所述枪管1的轴心线垂直相交，所有发射孔3及射孔弹4的轴心线均平行分布一个竖直面上。上下相邻的发射孔3的轴心线距离控制在0.4～0.6米范围，优选0.5米。

本发明水压致裂降低矿震等级方法，包括下述步骤：

①.确定各个关键层5位置：通过矿层测量数据及地质钻孔信息确定矿震发生频繁的关键层5和隔离层6在地层中的位置，关键层5为优选采空区7上部大段砂岩层。

②.规划垂直钻孔8位置：使垂直钻孔8在地面上纵横排布，其中横向相邻的垂直钻孔8间距控制100～120米范围内，纵向相邻钻孔8间距控制在120～150米范围内，

③.钻孔、下套管9、注水泥浆：根据第②步所得垂直钻孔位置，进行钻孔，每个钻孔内装设一根套管9，然后，向每根套管与其所在的钻孔孔壁之间注水泥浆，直至完成所有垂直钻孔8、下套管9及注水泥浆工作；

④.自下而上依次对各个关键层5进行射孔、水压压裂，方法如下：待水泥浆凝固后，将各个套管9分成横向多排，

从每排套管9一端开始，选取横向相邻的两个或多个套管为同步射孔压裂组，向同一同步射孔压裂组的各个套管9内依次、分别装入下封闭器10和前述的降低矿震等级用射孔枪，使各个降低矿震等级用射孔枪的正好位于最下层的关键层5内，并使降低矿震等级用射孔枪至少一侧的各个发射孔3的轴心线与横向相邻套管9的轴心线在同一竖直面上，同时触发各个降低矿震等级用射孔枪，进行射孔，然后向相应套管9内装设上封闭器11，然后，为同步射孔压裂组的各个套管9连接配用水压致裂设备(图中未示出)，进行水压致裂，如图2所示。

然后，再按照前述方法，该同步射孔压裂组所在的上层的关键层5，进行装下封闭器10和前述的降低矿震等级用射孔枪，射孔，装上封闭器11，然后进行水压致裂作业，直至完成同一同步射孔压裂组的各个套管9在各个关键层5内的射孔、水压致裂作业。

然后在同一排套管9，选取横向相邻的两个或多个套管9为下一同步射孔压裂组，重复前述方法，直至完成同一排的所有套管9的射孔、水压致裂作业，如图3所示。

⑤.选取下一排套管9，重复步骤④所述步骤，进行射孔、水压致裂作业，直至完成所有套管9的射孔、水压致裂作业。

第②步所述垂直钻孔8的横向方向优选平行于井下的工作面12的方向，如图4所示。

实施方式二：第①步时，测量各个关键层5的岩石在水平方向的应力大小，选取应力大的方向作为第②步所述的横向方向。

本发明水压致裂降低矿震等级方法还包括第⑥步：在工作面12推进过程中，实时监测矿震，若出现高等级矿震事件，需补充、加密垂直钻孔数和密度，再进行射孔、水压致裂作业，其余步骤如实施方式一所述，略。