开拓巷道群冲击地压防治方法

摘要

本发明提供了一种开拓巷道群冲击地压防治方法，包括分析开拓巷道群上方各岩层的厚度和强度，将厚度超过第一预设阈值且强度超过第二预设阈值的岩层确定为靶向层位。依据开拓巷道群布置范围和定向长钻孔的压裂半径确定定向长钻孔的目标数量和孔间距，其中，具有目标数量和孔间距的定向长钻孔对应的定向压裂范围可覆盖开拓巷道群布置范围。从预选的钻场位置向靶向层位开展目标数量且具有对应孔间距的定向长钻孔的施工。对定向长钻孔的孔内分段施加高压，利用分段压裂方式对开拓巷道群的顶板进行预裂。本发明实施例可以有效地降低煤层开拓巷道群上方顶板的强度和完整性，使得能量传递由硬传递转变为软传递，有效降低冲击地压发生的可能。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿安全开采技术领域，特别是一种开拓巷道群冲击地压防治方法。

背景技术

对于单一近水平煤层的大中型矿井，由于井田范围大，因此在矿井建设时期往往布置一组中央大巷(即开拓巷道群)来满足运输及通风要求。为缩短建井期，尽快投产，开拓大巷通常会布置在煤层中，而大巷煤柱留设及构造等因素的影响会造成高应力集中的问题，进而引发冲击地压显现，给矿井安全生产及社会和谐稳定带来严重影响。

目前采用的煤矿大巷常规卸压措施，例如煤层爆破、煤层大直径钻孔以及顶板深孔爆破等往往是局部的，并且连续性差、卸压时效短、尤其是针对一组巷道来说，在本巷进行卸压，压力会错误转移到相邻巷道，导致相邻巷道冲击地压灾害发生，因此，无法有效地防治巷道群冲击地压。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的开拓巷道群冲击地压防治方法，能够达到区域性改性弱化的目的，而且还能降低煤层开拓巷道群上方顶板的强度和完整性，以降低诱发冲击的动静载集中程度及减弱诱发冲击的能量传播力，有效降低冲击地压发生的可能。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种开拓巷道群冲击地压防治方法，包括：

分析开拓巷道群上方各岩层的厚度和强度，将厚度超过第一预设阈值且强度超过第二预设阈值的岩层确定为靶向层位；

依据开拓巷道群布置范围和定向长钻孔的压裂半径确定所述定向长钻孔的目标数量和孔间距，其中，具有所述目标数量和所述孔间距的定向长钻孔对应的定向压裂范围可覆盖所述开拓巷道群布置范围；

从预选的钻场位置向所述靶向层位开展所述目标数量且具有对应孔间距的定向长钻孔的施工；

对所述定向长钻孔的孔内分段施加高压，利用分段压裂方式对开拓巷道群的顶板进行预裂。

可选地，选定所述钻场位置的方式包括：

依据所述开拓巷道群的布局及开拓巷道数量，确定位于所述开拓巷道群中部的开拓巷道；

在中部的开拓巷道中远离冲击危险区域的安全区域处选定钻场位置；

其中，所述钻场位置距离煤层的断层位置预设距离。

可选地，在中部的开拓巷道中远离冲击危险区域的安全区域处选定钻场位置之前，还包括：

获取所述开拓巷道群的冲击地压影响因素，基于所述冲击地压影响因素划分开拓巷道群的冲击危险区域；或

监测冲击地压显现位置，依据所述冲击地压显现位置确定开拓巷道群的冲击危险区域。

可选地，从预选的钻场位置向所述靶向层位开展所述目标数量且具有对应孔间距的定向长钻孔的施工，包括：

从所述预选的钻场位置所属开拓巷道的顶板开始，沿不同方向向所述靶向层位延伸施工目标数量的定向长钻孔，并使延伸到所述靶向层位中的各定向长钻孔具有对应的所述孔间距；

在所述靶向层位中沿开拓巷道的长度方向继续开展各定向长钻孔的施工。

可选地，从所述预选的钻场位置所属开拓巷道的顶板开始，沿不同方向向所述靶向层位延伸施工目标数量的定向长钻孔，包括：

从所述预选的钻场位置所属开拓巷道的顶板开始，以与开拓巷道的地板成锐角的角度沿不同方向向所述靶向层位延伸施工目标数量的定向长钻孔。

可选地，对所述定向长钻孔的孔内分段施加高压，利用分段压裂方式对开拓巷道群的顶板进行预裂，包括：

在定向长钻孔内的末端安装封隔器，向所述封隔器所封隔的孔段施加高压，直到高压对所封隔的孔段压裂成功；

继续依次将所述封隔器向所述定向长钻孔的孔口方向分别移动所述预设距离，直到所述封隔器移动至所述定向长钻孔在靶向层位中的始端，并在每次移动所述预设距离后向所封隔的孔段施加高压并对相应孔段压裂；

其中，定义位于所述靶向层位中的定向长钻孔远离钻场位置的一端为末端，位于所述靶向层位中的定向长钻孔靠近钻场位置的一端为始端。

可选地，所述预设距离为所述封隔器的封隔长度，或大于所述封隔器封隔长度的指定距离。

本发明实施例基于开拓巷道群上方各岩层的厚度和强度确定出即将进行压裂的靶向层位，依据开拓巷道群布置范围和定向长钻孔的压裂半径确定定向长钻孔的目标数量和孔间距后，可从预选的钻场位置向靶向层位开展目标数量且具有对应孔间距的定向长钻孔的施工，通过对定向长钻孔的孔内分段施加高压，以利用分段压裂方式对开拓巷道群的顶板进行预裂。由此，本发明实施例在开拓巷道顶板上区域性布置定向长钻孔，并通过布置的定向长钻孔对煤层开拓巷道上方顶板进行一次性、大范围且连续性的预裂，不仅可以达到区域性改性弱化的目的，而且还能降低煤层开拓巷道群上方顶板的强度和完整性，以降低诱发冲击的动静载集中程度及减弱诱发冲击的能量传播力，一方面释放岩层积聚的能量，另一方面可在被保护开拓巷道上方形成“软”结构，使得能量传递由硬传递转变为软传递，有效降低冲击地压发生的可能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一实施例的开拓巷道群冲击地压防治方法的流程示意图；

图2示出了根据本发明一实施例的定向长钻孔的剖面示意图；

图3示出了根据本发明一实施例的定向长钻孔及压裂示意图；

图4示出了根据本发明一实施例的一个定向长钻孔的侧面示意图；

图中，1：第一定向长钻孔；2：第二定向长钻孔；3：第三定向长钻孔；4：第四定向长钻孔；5：第五定向长钻孔；6：孔段；7：钻场；8：第一开拓巷道；9：第二开拓巷道；10：第三开拓巷道；11：第四开拓巷道；12：第五开拓巷道。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种开拓巷道群冲击地压防治方法，图1示出了根据本发明一实施例的开拓巷道群冲击地压防治方法的流程示意图。参见图1，开拓巷道群冲击地压防治方法包括步骤S102至步骤S108。

步骤S102，分析开拓巷道群上方各岩层的厚度和强度，将厚度超过第一预设阈值且强度超过第二预设阈值的岩层确定为靶向层位。

步骤S104，依据开拓巷道群布置范围和定向长钻孔的压裂半径确定定向长钻孔的目标数量和孔间距，其中，具有目标数量和孔间距的定向长钻孔对应的定向压裂范围可覆盖开拓巷道群布置范围。

图2所示实施例中确定出的定向长钻孔的数量为五个，分别为第一定向长钻孔1、第二定向长钻孔2、第三定向长钻孔3、第四定向长钻孔4、第五定向长钻孔5。该数量仅仅是示意性的，不对本发明方案造成限定。

步骤S106，从预选的钻场位置向靶向层位开展目标数量且具有对应孔间距的定向长钻孔的施工。

步骤S108，对定向长钻孔的孔内分段施加高压，利用分段压裂方式对开拓巷道群的顶板进行预裂。

本发明实施例在开拓巷道顶板上区域性地布置定向长钻孔，并通过布置的定向长钻孔对煤层开拓巷道上方顶板进行一次性、大范围且连续性的预裂，不仅可以达到区域性改性弱化的目的，而且还能降低煤层开拓巷道群上方顶板的强度和完整性，以降低诱发冲击的动静载集中程度及减弱诱发冲击的能量传播力，一方面释放岩层积聚的能量，另一方面可在被保护开拓巷道上方形成“软”结构，使得能量传递由硬传递转变为软传递，有效降低冲击地压发生的可能。

参见上文步骤S102，在本发明一可选实施例中，岩层厚度对应的第一预设阈值为6m，岩层强度对应的第二预设阈值为60MPa，本发明实施例可将厚度超过6m且强度超过60MPa的岩层确定为靶向层位，靶向层位是影响冲击地压发生的主要层位，本发明实施例对第一预设阈值和第二预设阈值不作具体限定。

本发明实施例可以依据矿井地质资料分析开拓巷道群上方各岩层的厚度和强度，进而根据分析出的开拓巷道群上方各岩层的厚度和强度确定出靶向层位。例如，本发明实施例根据各岩层的厚度和强度确定出的靶向层位为厚度为20.9m粉砂层，即可以对厚度为20.9m的粉砂层进行预裂。图2示出了各岩层的厚度。当然，还可以选择其他坚硬厚层顶板作为靶向层位，本发明实施例对此不作具体限定。

在本发明一实施例中，参见图2和图3，假设开拓巷道群包含有五条开拓巷道，分别为第一开拓巷道8、第二开拓巷道9、第三开拓巷道10、第四开拓巷道11、第五开拓巷道12，各开拓巷道的巷间煤柱宽度均为35m，留设宽度小，巷道开挖后集中静载荷水平较高，叠加谢家咀背斜、塬口子向斜以及DF29断层的动静载荷影响，应力集中程度大为增加，在该条件下，相比非构造区域，开拓巷道复合构造区域冲击危险性较高，冲击显现频发。其中，背斜指岩层发生褶曲时，形状向上凸起位置。向斜属于褶曲的基本形态之一，与背斜相对。

因此，根据上文步骤S104确定出的定向长钻孔的目标数量和孔间距，可从预选的钻场位置向靶向层位开展目标数量且具有对应孔间距的定向长钻孔的施工，可使得布置目标数量和相应孔间距的定向长钻孔所对应的定向压裂范围可以有效地覆盖开拓巷道群布置范围。

在本发明一实施例中，定向长钻孔的压裂半径可以依据定向长钻孔后续施加的压力、岩层参数等进行确定。例如，本发明实施例的定向长钻孔的压裂半径约为30m。依据开拓巷道群布置范围和定向长钻孔的压裂半径确定定向长钻孔的目标数量和孔间距的标准可以是，保证具有目标数量和相应孔间距的定向长钻孔所对应的定向压裂范围能够有效地覆盖开拓巷道群布置范围，即使得按照目标数量和相应孔间距布局后的定向长钻孔能够保障顶板预裂无盲区。

例如，依据开拓巷道群布置范围和定向长钻孔的压裂半径确定定向长钻孔的目标数量为5，分别为图2和图3中的第一定向长钻孔1、第二定向长钻孔2、第三定向长钻孔3、第四定向长钻孔4、第五定向长钻孔5。并且，确定出的孔间距分别为，第一定向长钻孔1至第四定向长钻孔4中相邻两个定向长钻孔的孔间距分别约为40m，第四定向长钻孔4与第五定向长钻孔5的孔间距约为70m，依据该孔间距布局后的5个定向长钻孔对应的定向压裂范围可以很好的覆盖开拓巷道群布置范围。

参见图3，在本发明实施例中，进行钻孔施工后第一定向长钻孔1、第二定向长钻孔2、第三定向长钻孔3、第四定向长钻孔4分别位于开拓巷道间的区段煤柱上方，且孔间距分别约为40m。第五定向长钻孔5位于巷道保护煤柱上方，且第四定向长钻孔4和第五定向长钻孔5的孔间距约为70m。

本发明实施例中位于靶向层位中的定向长钻孔远离钻场位置的一端距离断层指定距离，例如指定距离的距离范围可以是10m～20m。例如，第一定向长钻孔1的孔长570m，第二定向长钻孔2的孔长495m，第三定向长钻孔3的孔长420m，第四定向长钻孔4的孔长370m，第五定向长钻孔5的孔长260m。

在本发明一实施例中，继续参见图2和图3，在执行步骤S106从预选的钻场位置向靶向层位开展目标数量且具有对应孔间距的定向长钻孔的施工的过程中，可以先从预选的钻场7所属开拓巷道的顶板开始，沿不同方向向靶向层位延伸施工目标数量的定向长钻孔，并使得延伸到靶向层位中的各定向长钻孔具有对应的孔间距，如上文实施例介绍的各定向长钻孔之间的孔间距。进而，当定向长钻孔延伸到达靶向层位后，在靶向层位中沿开拓巷道的长度方向继续开展各定向长钻孔的施工。本发明实施例对沿不同方向向靶向层位延伸施工过程中所对应的各个方向不作具体限定，能够保证各定向长钻孔达到靶向层位后，各定向长钻孔的间距等于之前确定出的相应的孔间距。

该实施例中，参见图4，从预选的钻场7所属开拓巷道的顶板开始，可以以与开拓巷道的地板成锐角的角度，沿不同方向向靶向层位延伸施工目标数量的定向长钻孔，从而使得定向长钻孔从开拓巷道的顶板向靶向层位的过度更加平缓，方便定向长钻孔的施工过程。

在本发明实施例中，定向长钻孔延伸到达靶向层位，并在靶向层位中沿开拓巷道的长度方向继续开展各定向长钻孔的施工后，靶向层位中的定向长钻孔在开拓巷道顶板上方45m的高度，当然还可以是其他高度。

在本发明实施例中，对于目标数量的定向长钻孔，可以同步开展各定向长钻孔的钻孔作业。例如，定向长钻孔有五个，可以同时对五个定向长钻孔进行钻孔施工，以提高钻孔施工的工作效率。

在本发明一实施例中，预先选定钻场位置的方式可以是，首先，依据开拓巷道群的布局及开拓巷道数量，确定位于开拓巷道群中部的开拓巷道。然后，在确定出的中部开拓巷道中远离冲击危险区域的安全区域处选定钻场位置。本发明实施例可设置钻场7距离煤层的断层位置预设距离。

结合图2和图3，若开拓巷道群包含五条开拓巷道，分别为第一开拓巷道8、第二开拓巷道9、第三开拓巷道10、第四开拓巷道11、第五开拓巷道12，因此可确定第三开拓巷道10位于开拓巷道群中部，这里可以称第三开拓巷道10为中央开拓巷道。然后，在第三开拓巷道10中远离冲击危险区域的安全区域处选定一个钻场位置，且钻场7距离煤层的断层位置480m。该实施例中钻场7与煤层的断层位置的距离还可以是其他距离，本发明实施例对此不作具体限定。

本发明实施例在远离冲击危险区域的安全区域处选定钻场位置，可以使得施工人员处于安全的区域。

在本发明一实施例中，在中部的开拓巷道中远离冲击危险区域的安全区域处选定钻场位置之前还需要先确定冲击危险区域。本发明实施例确定冲击危险区域的方式包含两种。

第一种，先获取开拓巷道群的冲击地压影响因素，然后基于冲击地压影响因素划分开拓巷道群的冲击危险区域。其中，冲击地压影响因素可以包含开采深度、煤岩体物理、力学性质、煤层厚度、顶板岩层结构、地质构造、煤柱宽度中至少一项因素。第二种，通过监测冲击地压显现位置，从而依据监测到的冲击地压显现位置来确定开拓巷道群的冲击危险区域。

参见上文步骤S108，在本发明一实施例中，对定向长钻孔的孔内分段施加高压，利用分段压裂方式对开拓巷道群的顶板进行预裂的过程具体包含如下内容。

首先，在定向长钻孔内的末端安装封隔器，向封隔器所封隔的孔段施加高压，直到高压对所封隔的孔段压裂成功。然后，将封隔器向定向长钻孔的孔口方向移动预设距离，并向所封隔的孔段施加高压直到对相应孔段压裂。然后，再次将封隔器向定向长钻孔的孔口方向移动预设距离，并向所封隔的孔段施加高压直到对相应孔段压裂，以此类推，直到位于靶向层位中的定向长钻孔完全压裂完成。即依次将封隔器向定向长钻孔的孔口方向分别移动预设距离，直到封隔器移动至定向长钻孔在靶向层位中的始端，并在每次移动预设距离后向所封隔的孔段施加高压并对相应孔段压裂。

该实施例中，定义位于靶向层位中的定向长钻孔远离钻场位置的一端为末端，并定义位于靶向层位中的定向长钻孔靠近钻场位置的一端为始端，定向长钻孔与开拓巷道相连的口为定向长钻孔的孔口。

在本发明实施例中，每次移动的预设距离可以是封隔器的封隔长度，例如，图3所示的每个定向长钻孔中的各压裂孔段相邻，如第一定向长钻孔1的孔段6。每次移动的预设距离也可以是大于封隔器封隔长度的指定距离，即每个定向长钻孔中的各压裂孔段不相邻，本发明实施例对此不做具体限定。当然，在进行预裂过程中，不仅仅使用到封隔器，还会将投球式安全接手、压差式开启滑套以及坐封球座等工具下入定向长钻孔内，本发明实施例对此不做具体限定。

本发明实施例的封隔器可以采用双向锚定扩张式裸眼封隔器，向封隔器所封隔的孔段施加高压的方式可以是向所封隔的孔段中注入高压水，以使得所封隔的孔段内形成高压状态。由此，本发明实施例采用后退式分段水力压裂方式进行顶板预裂，在靶向岩层中形成复杂缝网，降低顶板强度和完整性，一方面释放积聚的能量，另一方面可在被保护开拓巷道上方形成“软”结构，使能量传递由硬传递变为软传递，消耗能量传播，降低应力集中水平，从而降低中央巷道冲击危险。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请所必须的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：在本发明的精神和原则之内，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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脱离本发明的保护范围。