一种坚硬顶板强矿压与采空区瓦斯灾害协同治理方法

摘要

本发明公开了一种坚硬顶板强矿压与采空区瓦斯灾害协同治理方法，包括以下步骤：根据工作面矿压显现特征和高位钻孔预布局数据，设计顶板内的压裂治理层位；计算确定高位钻孔在布孔区域的纵向高度、水平段钻进层位的位置及空间布局；在工作面回采之前，从煤层钻场开孔钻进至所述压裂治理层位，形成高位钻孔，并调整所述高位钻孔轨迹角度使得所述高位钻孔的水平段钻进层位位于所述压裂治理层位中，让所述高位钻孔沿工作面推进方向布置；采用分段压裂技术对所述高位钻孔的水平段进行分段压裂改造，形成三维立体裂缝体系；完成分段压裂改造后，通过所述高位钻孔完成瓦斯抽采。本发明具有一孔多用、降低治理成本和提高开采效率的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种坚硬顶板强矿压与采空区瓦斯灾害协同治理技术方法。

背景技术

随着煤炭开采强度及煤层深度的增加，工作面回采期间矿压及瓦斯灾害愈发剧烈。巷道片帮、底鼓、工作面漏顶、支架压死问题逐步突显，工作面顶板发育厚硬岩层时，回采过程中形成大面积悬顶，破断过程巨大能量瞬间释放，造成人员伤亡、设备损坏等重大安全事故，严重影响矿井安全生产。冲击地压是一种严重威胁煤矿安全生产的重大灾害，伴随着开采强度和开采深度逐年剧增，冲击地压灾害愈演愈烈，造成了严重的人员伤亡和财产损失。同时伴随着煤层开采，工作面附近的采动影响体(简称采动体)的瓦斯涌出量急剧增加，传统的井下瓦斯抽采技术(如埋管抽采、高位钻孔抽采等)工程量大、效率低下，严重影响高产潜能的释放，尤其是国家实施简化通风、去尾巷等规定后，该矛盾更加凸显，急需寻求更加经济高效的采动区涌出瓦斯抽采技术。顶板高位钻孔是动力灾害与采空区瓦斯协同治理的有效技术手段之一，目前的煤矿井下定向钻进装备可以实现长钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在预设层位中的有效延伸，提高钻孔的有效抽采距离，通过压裂改造坚硬顶板，有效提高钻孔瓦斯抽采量及抽采率的同时，超前区域防治动力灾害。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种坚硬顶板强矿压与采空区瓦斯灾害协同治理技术方法，实现高位钻孔的一孔多用，即可实现坚硬顶板压裂改造，防治冲击地压灾害发生，又可以实现回采后采空区和上隅角瓦斯的实时抽采，实现降低治理成本和提高开采效率，达到煤矿井下瓦斯和顶板动力灾害的协同治理。

一种坚硬顶板强矿压与采空区瓦斯灾害协同治理技术方法，包括以下步骤：S1、获得工作面矿压显现特征和高位钻孔预布局数据；S2、根据工作面矿压显现特征和高位钻孔预布局数据，设计顶板内的压裂治理层位；S3、计算确定高位钻孔在布孔区域的纵向高度、水平段钻进层位的位置及空间布局；S4、在工作面回采之前，从煤层钻场开孔钻进至所述压裂治理层位，形成高位钻孔，并采用定向技术逐渐调整所述高位钻孔的钻进轨迹，使得所述高位钻孔的水平段钻进层位位于所述压裂治理层位中，让所述高位钻孔沿工作面推进方向布置；S5、采用分段压裂技术对所述高位钻孔的水平段进行分段压裂改造，形成多个压裂段；S6、完成分段压裂改造后，通过所述高位钻孔完成瓦斯抽采。整个协同治理方法如下：S1和S2、在进行高位钻孔前，获得工作面矿压显现特征和高位钻孔预布局数据，也就是得到整个煤矿开采中压裂改造的实施环境参数，并根据上述环境参数设计出具体的压裂治理层位位于顶层哪一层位或哪几个层位中；S3、通过压裂治理层位的位置，以及高位钻孔预布局数据等环境参数，计算确定高位钻孔在布孔区域的纵向高度、水平段钻进层位的位置及空间布局，其中水平段钻进层位位于压裂治理层位中；S4、在工作面回采之前，从煤层钻场开孔钻进至所述压裂治理层位，形成高位钻孔，并采用定向技术逐渐调整所述高位钻孔的钻进角度，使得所述高位钻孔的水平段钻进层位位于所述压裂治理层位中，让所述高位钻孔沿工作面推进方向布置，需要注意的是，为有效控制上隅角瓦斯，抽采长钻孔应布置在工作面回风巷道附近的顶板岩层内；S5和S6、采用分段压裂技术对所述高位钻孔的水平段进行分段压裂改造，形成多个压裂段，完成分段压裂改造后，通过所述高位钻孔完成瓦斯抽采。

具体地，高位钻孔在布孔区域的纵向高度大于冒落带高度，并且小于裂隙带高度。可以利用经验公式计算得到冒落带及裂隙带经验高度范围。

具体地，压裂治理层位位于裂隙带内，所述水平段钻进层位位于裂隙带中上部中硬岩层内。水平段钻进层位在纵向方向上能够设置为多层，并选取在多个中硬岩层中。

具体地，高位钻孔布局数据包括钻孔数量、钻场及钻孔参数。

具体地，钻孔数量通过单孔抽采瓦斯纯量、工作面涌出瓦斯纯量和其他抽排瓦斯纯量计算得出。工作面涌出瓦斯纯量减去其他抽排瓦斯纯量得到高位钻孔抽排瓦斯纯量，将高位钻孔抽排瓦斯纯量与单孔抽采瓦斯纯量相比较，可以计算得到需要开采的高位钻孔数量。

具体地，压裂段包括多个压裂簇，相邻压裂段、相邻压裂簇之间产生应力干扰，形成多级多类裂缝体系。每个压裂段包括多个压裂簇，相邻压裂段、相邻压裂簇之间产生应力干扰，促使裂缝转向，形成多级多类裂缝体系，达到再造人工渗透层的目的。

具体地，S1包括：S11、通过微震系统得到微震监测数据，采集现场地质数据、开采数据和矿压监测数据；S12、将S11中的所述数据输入预先研究搭建的强矿压显现特征神经网络模型当中，得到输出的对应的强矿压显现特征。

具体地，微震系统包括检波器和信号采集站；其中，所述检波器与所述信号采集站连接，所述检波器用于感应震动信号，所述信号采集站用于在所述检波器感应到所述震动信号时采集所述震动信号。

具体地，分段压裂技术为裸眼高压射流控向分段水力压裂。通过裸眼高压射流控向分段水力压裂，可实现压裂方向规模控制，控制对目标层位多级压裂弱化改造，并可把控压裂裂缝垂向规模不延伸至直接顶板，破坏井下锚杆、锚索等支护。

具体地，定向技术包括：通过定向钻进工艺和轨迹自动调参系统，结合透明地质条件识别远离含水层。通过定向钻进工艺和轨迹自动调参系统，结合透明地质条件识别远离含水层，精准控制高位钻孔于目标层位，垂向误差在±0.5m，水平±2m。

本发明的有益效果体现在：

本发明中，通过定向技术和分段压裂技术可以实现压裂方向规模控制，并且可把控压裂裂缝垂向规模不延伸至直接顶板，破坏井下锚杆、锚索等支护，整个协同治理方法可以实现高位钻孔的一孔多用，即可实现坚硬顶板压裂改造，防治冲击地压灾害发生，又可以实现回采后采空区和上隅角瓦斯的实时抽采，实现降低治理成本和提高开采效率，达到煤矿井下瓦斯和顶板动力灾害的协同治理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的步骤流程图；

图2为本发明中煤层的纵向透视图；

图3为本发明中水平段的纵向透视图；

图4为本发明中压裂治理层位和水平段钻进层位的纵向透视图。

附图标记：

1-工作面，2-高位钻孔，21-水平段，211-压裂段，3-裂隙带，4-钻场，5-煤层，6-压裂治理层位，7-水平段钻进层位，8-冒落带。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。

如图1至图4所示，一种坚硬顶板压裂改造与采空区瓦斯协同治理方法，包括以下步骤：

S1、获得工作面1矿压显现特征和高位钻孔2预布局数据；

S2、根据工作面1矿压显现特征和高位钻孔2预布局数据，设计顶板内的压裂治理层位6；

S3、计算确定高位钻孔2在布孔区域的纵向高度、水平段21钻进层位的位置及空间布局；

S4、在工作面1回采之前，从煤层5钻场4开孔钻进至压裂治理层位6，形成高位钻孔2，并采用定向技术逐渐调整高位钻孔2的钻进角度，使得高位钻孔2的水平段21钻进层位位于压裂治理层位6中，让高位钻孔2沿工作面1推进方向布置；

S5、采用分段压裂技术对高位钻孔2的水平段21进行分段压裂改造，形成多个压裂段211；S6、完成分段压裂改造后，通过高位钻孔2完成瓦斯抽采。

在本实施方式中，需要说明的是，整个协同治理方法如下：

S1和S2、在进行高位钻孔2前，获得工作面1矿压显现特征和高位钻孔2预布局数据，也就是得到整个煤矿开采中压裂改造的实施环境参数，并根据上述环境参数设计出具体的压裂治理层位6位于顶层哪一层位或哪几个层位中；

S3、通过压裂治理层位6的位置，以及高位钻孔2预布局数据等环境参数，计算确定高位钻孔2在布孔区域的纵向高度、水平段21钻进层位的位置及空间布局，其中水平段21钻进层位位于压裂治理层位6中；

S4、在工作面1回采之前，从煤层5钻场4开孔钻进至压裂治理层位6，形成高位钻孔2，并采用定向技术逐渐调整高位钻孔2的钻进角度，使得高位钻孔2的水平段21钻进层位位于压裂治理层位6中，让高位钻孔2沿工作面1推进方向布置，需要注意的是，为有效控制上隅角瓦斯，抽采长钻孔应布置在工作面1回风巷道附近的顶板岩层内；

S5和S6、采用分段压裂技术对高位钻孔2的水平段21进行分段压裂改造，形成多个压裂段211，完成分段压裂改造后，通过高位钻孔2完成瓦斯抽采；

综上，通过定向技术和分段压裂技术可以实现压裂方向规模控制，并且可把控压裂裂缝垂向规模不延伸至直接顶板，破坏井下锚杆、锚索等支护，整个协同治理方法可以实现高位钻孔2的一孔多用，即可实现坚硬顶板压裂改造，防治冲击地压灾害发生，又可以实现回采后采空区和上隅角瓦斯的实时抽采，达到煤矿井下瓦斯和顶板动力灾害的协同治理。

具体地，高位钻孔2在布孔区域的纵向高度大于冒落带8高度，并且小于裂隙带3高度。

在本实施方式中，需要说明的是，可以利用经验公式计算得到冒落带8及裂隙带3经验高度范围。

具体地，压裂治理层位6位于裂隙带3内，水平段21钻进层位位于裂隙带3中上部中硬岩层内。

在本实施方式中，需要说明的是，如图3所示，水平段21钻进层位在纵向方向上能够设置为多层，并选取在多个中硬岩层中。

具体地，高位钻孔2布局数据包括钻孔数量、钻场4及钻孔参数。

具体地，钻孔数量通过单孔抽采瓦斯纯量、工作面1涌出瓦斯纯量和其他抽排瓦斯纯量计算得出。例如，可以通过下式计算得出钻孔数量：

式中，单孔抽采瓦斯纯量为Q

在本实施方式中，需要说明的是，工作面1涌出瓦斯纯量减去其他抽排瓦斯纯量得到高位钻孔2抽排瓦斯纯量，将高位钻孔2抽排瓦斯纯量与单孔抽采瓦斯纯量相比较，可以计算得到需要开采的高位钻孔2数量。

具体地，压裂段211包括多个压裂簇，相邻压裂段211、相邻压裂簇之间产生应力干扰，形成多级多类裂缝体系。

在本实施方式中，需要说明的是，如图4所示，每个压裂段211包括多个压裂簇(压裂产生的裂缝)，相邻压裂段211、相邻压裂簇之间产生应力干扰，促使裂缝转向，形成多级多类裂缝体系，达到再造人工渗透层的目的。裂缝转向主要控制因素为储层性质、水平主应力差、缝间干扰、裂缝暂堵效率、粘度与排量等等；其中，在低应力差、较短裂缝间距条件下，缝间干扰强，裂缝端部较容易发生转向。

具体地，S1包括：S11、通过微震系统得到微震监测数据，采集现场地质数据、开采数据和矿压监测数据；S12、将S11中的数据输入预先训练的强矿压显现特征神经网络模型当中，得到输出的对应的强矿压显现特征。

具体地，微震系统包括检波器和信号采集站；其中，检波器与信号采集站连接，检波器用于感应震动信号，信号采集站用于在检波器感应到震动信号时采集震动信号。

具体地，分段压裂技术为裸眼高压射流控向分段水力压裂。

在本实施方式中，需要说明的是，通过裸眼高压射流控向分段水力压裂，可实现压裂方向规模控制，控制对目标层位多级压裂弱化改造，并可把控压裂裂缝垂向规模不延伸至直接顶板，破坏井下锚杆、锚索等支护。

具体地，定向技术包括：通过定向钻进工艺和轨迹自动调参系统，结合透明地质条件识别远离含水层。

在本实施方式中，需要说明的是，通过定向钻进工艺和轨迹自动调参系统，结合透明地质条件识别远离含水层，精准控制高位钻孔2于目标层位，垂向误差在±-0.5m，水平±-2m。

本实施例通过高压喷射形成射孔人工裂缝，该裂缝起到诱导裂缝发育左右，控制压裂裂缝的起裂方向，通过无级分段压裂段长度，压裂注水流量和时间控制压裂裂缝延展规模。通过高位钻孔同时解决坚硬顶板压裂改造以及采空区瓦斯抽采治理，整个协同治理方法可以实现高位钻孔的一孔多用。

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：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的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。