专利名称：煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法
技术领域：
本发明涉及一种矿井下煤层顶板坚硬岩层的破裂方法，具体是一种煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法。
背景技术：
在我国煤矿开采中诱发的煤岩动力灾害问题一直十分突出。其中冲击矿压是最棘手的一种煤岩动力灾害。研究表明冲击矿压多发生在具有坚硬顶板的煤层中，尤其是在具有厚度大、强度高、结构致密的坚硬厚层砂岩顶板中。而对综采工作面煤层顶板中坚硬中砂岩层定向处理弱化是防止冲击矿压的有效途径。采用普通钻孔炸药爆破方法会形成较强烈的冲击波，对煤岩体造成较大的应力扰动，存在诱导动力灾害的隐患，对局部围岩的破坏较大，不易实现定向处理。水力致裂技术最早应用在石油工程来提高贫油井的产量，目前被广泛应用于现代煤炭开采等领域，显示出广泛的工业应用价值。但是，在现有的一些常规煤层水力致裂的过程中，裂缝的扩展都表现出了时间和空间的不均匀性，因此，借助于水力致裂的基本概念，研究开发一种针对2-3米厚坚硬中砂岩层且参数更为合理、致裂效果更好的水力致裂方法作为解决煤矿开采中诱发的煤岩动力灾害问题的关键技术之一，就显得尤为重要了。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种参数更为合理、致裂效果更好的水力致裂方法，具体是一种煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法。本发明是通过以下技术方案实现的
一种煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法，包括如下步骤
1)分别在机巷和风巷超前工作面靠两巷外帮侧的巷道顶板上距离巷帮O.5-1. 5m的位置沿巷道轴线方向施工一排观测钻孔，观测钻孔垂直顶板向上开设，每排观测钻孔包括若干组观测孔，每组观测钻孔包括两个观测钻孔第一观测钻孔和第二观测钻孔，每排的所有观测钻孔间距都为8m ;通过岩层钻孔探测仪对观测钻孔进行探测，确定煤层顶板上方中
2-3米厚坚硬中砂岩层的分布情况；
2)在巷道顶板上每排观测钻孔的连线上采用直径42mm钻头施工组数和该排观测钻孔组数相同的致裂钻孔，每组致裂钻孔包括两个致裂钻孔第一致裂钻孔和第二致裂钻孔，每组致裂钻孔的第一致裂钻孔位于相对应观测钻孔组的第一观测钻孔的左侧且二者间距为3m，每组致裂钻孔的第二致裂钻孔位于相对应观测钻孔组的第二观测钻孔的左侧且二者间距为3m ;每组致裂钻孔的第一致裂钻孔和第二致裂钻孔都是与巷帮面平行并且向采空区方向倾斜的倾斜钻孔，第一致裂钻孔与巷道顶板的夹角为25° -35°，第二致裂钻孔与巷道顶板的夹角为40° -50°，第一、二致裂钻孔的深度延伸至中厚且坚硬岩层的中间位置；通过开槽钻头在第一致裂钻孔内开设一个楔形环槽，该楔形环槽位于第一致裂钻孔孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层的中间位置；通过开槽钻头在第二致裂钻孔内开设两个楔形环槽，其中两个楔形环槽相距Im且位于第二致裂钻孔孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层的中间位置(致裂钻孔内开楔形环槽时，先更换孔底开楔形环槽钻头，再送入钻孔，开动钻机，钻机向前钻动，钻头两侧的刀片张开，刀片张开的同时钻头转动，在钻孔孔底形成楔形环槽。开槽后，钻杆停止向前钻动，改为向后钻动，刀片收缩进入开槽钻头内；退出钻杆及钻头，即完成开槽钻孔的施工。其中，所述的楔形环槽钻头为现有公知产品，其结构和使用时本领域技术人员熟知的);
3)首先将注水封孔器连接高压管路，高压管路另一端连接致裂泵，然后将注水封孔器置于每组致裂钻孔的第一、二致裂钻孔孔底，最后开启致裂泵通过注水封孔器对第一、二致裂钻孔进行注水致裂，封孔段长度为2 m ;第一致裂钻孔的注水致裂分四个阶段，每个阶段的致裂时间分别为230-235s、100-105s、35-40s、45-50s，每个阶段的水压力峰值分别为50-51MPa、43-44MPa、40-41MPa、38-39MPa ;第二致裂钻孔的注水致裂分两个阶段，每个阶段的致裂时间分别为25-30s、55-60s，每个阶段的水压力峰值分别为37_38MPa、31_32MPa ；在水力致裂过程中通过煤矿井下水力致裂监测仪进行实时监测。本发明中的各参数是针对煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层通过大量的理论分析计算和数值模拟计算而优选出的。进一步地，所述的致裂泵采用南京六合煤矿机械有限公司生产的BZW200/56型注水泵，公称流量200L/min，公称压力56Mpa。该泵能实现较远距离的电控操作，为操作人员的安全提供了保障。封孔器具有使用方便、操作简单、可以重复使用等优点，且压裂水压力较大，所以采用高压膨胀胶管封孔器封孔。工作时，打开水路安全阀，当注水封孔器封孔水压达到IMpa以上时，靠静压水或高压水压力将封器的胶管膨胀后封孔，而后注水，注水完毕后，打开控制水阀，可将管内水放出，当封孔水压下降到0.5Mpa以下时，封孔器即可恢复原状，然后将封孔器抽出，完成注水工作。钻孔封孔段质量要求较高，孔径要圆，孔壁要平，弯度要小，孔壁直径比封孔器胶筒直径大5 IOmm为宜。封孔器封孔法操作方便，简化了封孔工艺，且封孔器可以重复利用，材料消耗少，封孔成本较低。本发明中封孔器采用中国矿业大学设计的FKSS增强型注水封孔器。封孔段长度2 m，封孔器全长2 . lm。水力致裂过程中的水压力采用中国矿业大学研制的煤矿井下水力致裂监测仪(具有隔爆功能)来实时监测、曲线显示和数据存储。本发明的有益效果是针对煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层通过上述方案进行水力致裂，首先，考虑水压裂缝的扩展方向主要受区域地应力场的影响，因此本发明在致裂钻孔孔底开设有楔形环槽，楔形环槽的目的是对水压裂缝的产生起导向作用，楔形环槽能使水力的能量更加集中，水力能量优先从楔形环槽的楔角方向产生裂缝，有效控制裂缝方向，防止其他方向裂缝的形成和延伸，使裂缝扩展在时间和空间上更加均匀，并且楔形环槽开设在2-3米厚坚硬中砂岩层的中间位置，进一步优化了裂缝扩展在时间和空间上的均匀性。其次，在水力致裂过程中，对每个致裂钻孔采用分阶段致裂的方式，使裂缝进一步扩展形成完整的破裂面，可有效控制水力致裂过程中裂缝的扩展方向，使岩层的致裂更加充分。本发明方法施工工艺简单，避免了炸药爆破带来的潜在威胁，更加安全可靠，致裂效果好，使裂缝的扩展在时间和空间上更具均匀性和充分性，具有广泛的实用性。
图1为本发明中观测钻孔和致裂钻孔的分布平面示意图。图2为本发明中观测钻孔和致裂钻孔的分布切面示意图。图中K-观测钻孔、S-致裂钻孔、Kl-第一观测钻孔、Κ2-第二观测钻孔、S1-第一致裂钻孔、S2-第二致裂钻孔、L-2-3米厚坚硬中砂岩层、P-楔形环槽、1-机巷、2-风巷、
3-工作面。
具体实施例方式实施例1
一种煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法，包括如下步骤
1)分别在机巷I和风巷2超前工作面靠两巷外帮侧的巷道顶板上距离巷帮1.Om的位置沿巷道轴线方向施工一排观测钻孔K，观测钻孔K垂直顶板向上开设，每排观测钻孔K包括若干组观测孔K，每组观测钻孔K包括两个观测钻孔K :第一观测钻孔Kl和第二观测钻孔Κ2，每排的所有观测钻孔K间距都为Sm ;通过岩层钻孔探测仪对观测钻孔K进行探测，确定煤层顶板上方2-3米厚坚硬中砂岩层L的分布情况，探测得到2-3米厚坚硬中砂岩层L的厚度为3m ；
2)在巷道顶板上每排观测钻孔K的连线上采用直径42mm钻头施工组数和该排观测钻孔K组数相同的致裂钻孔S，每组致裂钻孔S包括两个致裂钻孔S :第一致裂钻孔SI和第二致裂钻孔S2，每组致裂钻孔S的第一致裂钻孔SI位于相对应观测钻孔K组的第一观测钻孔Kl的左侧且二者间距为3m，每组致裂钻孔S的第二致裂钻孔S2位于相对应观测钻孔K组的第二观测钻孔K2的左侧且二者间距为3m ;每组致裂钻孔S的第一致裂钻孔SI和第二致裂钻孔S2都是与巷帮面平行并且向采空区方向倾斜的倾斜钻孔，第一致裂钻孔SI与巷道顶板的夹角为33°，第二致裂钻孔S2与巷道顶板的夹角为40°，第一、二致裂钻孔S1、S2的深度延伸至2-3米厚坚硬中砂岩层L的中间位置；通过开槽钻头在第一致裂钻孔SI内开设一个楔形环槽P，该楔形环槽P位于第一致裂钻孔SI孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层L的中间位置；通过开槽钻头在第二致裂钻孔S2内开设两个楔形环槽P，其中两个楔形环槽P相距Im且位于第二致裂钻孔S2孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层L的中间位置；；
3)首先将注水封孔器连接高压管路，高压管路另一端连接致裂泵，然后将注水封孔器置于每组致裂钻孔S的第一、二致裂钻孔S1、S2孔底，最后开启致裂泵通过注水封孔器对第一、二致裂钻孔S1、S2进行注水致裂，封孔段长度为2 m ;第一致裂钻孔SI的注水致裂分四个阶段，每个阶段的致裂时间分别为233S、100S、40S、45S，每个阶段的水压力峰值分别为51MPa、43. 5MPa、40MPa、38MPa ;第二致裂钻孔S2的注水致裂分两个阶段，每个阶段的致裂时间分别为27s、58s，每个阶段的水压力峰值分别为37. 5MPa、32MPa ;在水力致裂过程中通过煤矿井下水力致裂监测仪进行实时监测。实施例2
一种煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法，包括如下步骤
I)分别在机巷I和风巷2超前工作面靠两巷外帮侧的巷道顶板上距离巷帮1. 5m的位置沿巷道轴线方向施工一排观测钻孔K，观测钻孔K垂直顶板向上开设，每排观测钻孔K包括若干组观测孔K，每组观测钻孔K包括两个观测钻孔K :第一观测钻孔Kl和第二观测钻孔K2，每排的所有观测钻孔K间距都为Sm ;通过岩层钻孔探测仪对观测钻孔K进行探测，确定煤层顶板上方2-3米厚坚硬中砂岩层L的分布情况，探测得到2-3米厚坚硬中砂岩层L的厚度为2m ；
2)在巷道顶板上每排观测钻孔K的连线上采用直径42mm钻头施工组数和该排观测钻孔K组数相同的致裂钻孔S，每组致裂钻孔S包括两个致裂钻孔S :第一致裂钻孔SI和第二致裂钻孔S2，每组致裂钻孔S的第一致裂钻孔SI位于相对应观测钻孔K组的第一观测钻孔Kl的左侧且二者间距为3m，每组致裂钻孔S的第二致裂钻孔S2位于相对应观测钻孔K组的第二观测钻孔K2的左侧且二者间距为3m ;每组致裂钻孔S的第一致裂钻孔SI和第二致裂钻孔S2都是与巷帮面平行并且向采空区方向倾斜的倾斜钻孔，第一致裂钻孔SI与巷道顶板的夹角为30°，第二致裂钻孔S2与巷道顶板的夹角为45°，第一、二致裂钻孔S1、S2的深度延伸至2-3米厚坚硬中砂岩层L的中间位置；通过开槽钻头在第一致裂钻孔SI内开设一个楔形环槽P，该楔形环槽P位于第一致裂钻孔SI孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层L的中间位置；通过开槽钻头在第二致裂钻孔S2内开设两个楔形环槽P，其中两个楔形环槽P相距Im且位于第二致裂钻孔S2孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层L的中间位置；
3)首先将注水封孔器连接高压管路，高压管路另一端连接致裂泵，然后将注水封孔器置于每组致裂钻孔S的第一、二致裂钻孔S1、S2孔底，最后开启致裂泵通过注水封孔器对第一、二致裂钻孔S1、S2进行注水致裂，封孔段长度为2 m ;第一致裂钻孔SI的注水致裂分四个阶段，每个阶段的致裂时间分别为230S、105S、32S、50S，每个阶段的水压力峰值分别为50. 5MPa、44MPa、40MPa、38. 5MPa ;第二致裂钻孔S2的注水致裂分两个阶段，每个阶段的致裂时间分别为25s、60s，每个阶段的水压力峰值分别为38MPa、31. 5MPa ;在水力致裂过程中通过煤矿井下水力致裂监测仪进行实时监测。实施例3
一种煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法，包括如下步骤
1)分别在机巷I和风巷2超前工作面靠两巷外帮侧的巷道顶板上距离巷帮O.5m的位置沿巷道轴线方向施工一排观测钻孔K，观测钻孔K垂直顶板向上开设，每排观测钻孔K包括若干组观测孔K，每组观测钻孔K包括两个观测钻孔K :第一观测钻孔Kl和第二观测钻孔K2，每排的所有观测钻孔K间距都为Sm ;通过岩层钻孔探测仪对观测钻孔K进行探测，确定煤层顶板上方2-3米厚坚硬中砂岩层L的分布情况，探测得到2-3米厚坚硬中砂岩层L的厚度为2. 5m ；
2)在巷道顶板上每排观测钻孔K的连线上采用直径42mm钻头施工组数和该排观测钻孔K组数相同的致裂钻孔S，每组致裂钻孔S包括两个致裂钻孔S :第一致裂钻孔SI和第二致裂钻孔S2，每组致裂钻孔S的第一致裂钻孔SI位于相对应观测钻孔K组的第一观测钻孔Kl的左侧且二者间距为3m，每组致裂钻孔S的第二致裂钻孔S2位于相对应观测钻孔K组的第二观测钻孔K2的左侧且二者间距为3m ;每组致裂钻孔S的第一致裂钻孔SI和第二致裂钻孔S2都是与巷帮面平行并且向采空区方向倾斜的倾斜钻孔，第一致裂钻孔SI与巷道顶板的夹角为35°，第二致裂钻孔S2与巷道顶板的夹角为42°，第一、二致裂钻孔S1、S2的深度延伸至2-3米厚坚硬中砂岩层L的中间位置；通过开槽钻头在第一致裂钻孔SI内开设一个楔形环槽P，该楔形环槽P位于第一致裂钻孔SI孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层L的中间位置；通过开槽钻头在第二致裂钻孔S2内开设两个楔形环槽P，其中两个楔形环槽P相距Im且位于第二致裂钻孔S2孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层L的中间位置；
3)首先将注水封孔器连接高压管路，高压管路另一端连接致裂泵，然后将注水封孔器置于每组致裂钻孔S的第一、二致裂钻孔S1、S2孔底，最后开启致裂泵通过注水封孔器对第一、二致裂钻孔S1、S2进行注水致裂，封孔段长度为2 m ;第一致裂钻孔SI的注水致裂分四个阶段，每个阶段的致裂时间分别为235S、104S、35S、43S，每个阶段的水压力峰值分别为50MPa、43MPa、40. 5MPa、39MPa ;第二致裂钻孔S2的注水致裂分两个阶段，每个阶段的致裂时间分别为30s、55s，每个阶段的水压力峰值分别为37MPa、31MPa ;在水力致裂过程中通过煤矿井下水力致裂监测仪进行实时监测。
权利要求
1.一种煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法，其特征在于，包括如下步骤 O分别在机巷(I)和风巷(2)超前工作面靠两巷外帮侧的巷道顶板上距离巷帮O.5-1. 5m的位置沿巷道轴线方向施工一排观测钻孔(K)，观测钻孔(K)垂直顶板向上开设，每排观测钻孔(K)包括若干组观测钻孔(K)，每组观测钻孔(K)包括两个观测钻孔(K):第一观测钻孔(Kl)和第二观测钻孔(K2)，每排的所有观测钻孔(K)间距都为Sm ;通过岩层钻孔探测仪对观测钻孔(K)进行探测，确定煤层顶板上方2-3米厚坚硬中砂岩层(L)的分布情况； 2)在巷道顶板上每排观测钻孔(K)的连线上采用直径42mm钻头施工组数和该排观测钻孔(K)组数相同的致裂钻孔(S)，每组致裂钻孔(S)包括两个致裂钻孔(S):第一致裂钻孔(SI)和第二致裂钻孔(S2)，每组致裂钻孔(S)的第一致裂钻孔(SI)位于相对应观测钻孔(K)组的第一观测钻孔(Kl)的左侧且二者间距为3m，每组致裂钻孔(S)的第二致裂钻孔(S2)位于相对应观测钻孔(K)组的第二观测钻孔(K2)的左侧且二者间距为3m ;每组致裂钻孔(S)的第一致裂钻孔(SI)和第二致裂钻孔(S2)都是与巷帮面平行并且向采空区方向倾斜的倾斜钻孔，第一致裂钻孔(SI)与巷道顶板的夹角为30° -35°，第二致裂钻孔(S2)与巷道顶板的夹角为40° -45°，第一、二致裂钻孔(S1、S2)的深度延伸至2-3米厚坚硬中砂岩层(L)的中间位置；通过开槽钻头在第一致裂钻孔(SI)内开设一个楔形环槽，该楔形环槽位于第一致裂钻孔(SI)孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层(L)的中间位置；通过开槽钻头在第二致裂钻孔(S2)内开设两个楔形环槽(P)，其中两个楔形环槽(P)相距Im且位于第二致裂钻孔(S2)孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层(L)的中间位置； 3)首先将注水封孔器连接高压管路，高压管路另一端连接致裂泵，然后将注水封孔器置于每组致裂钻孔(S)的第一、二致裂钻孔(S1、S2)孔底，最后开启致裂泵通过注水封孔器对第一、二致裂钻孔(S1、S2)进行注水致裂，封孔段长度为2 m ;第一致裂钻孔(SI)的注水致裂分四个阶段，每个阶段的致裂时间分别为230-235s、100-105s、35-40s、45-50s，每个阶段的水压力峰值分别为50-51MPa、43-44MPa、40-41MPa、38-39MPa ;第二致裂钻孔(S2)的注水致裂分两个阶段，每个阶段的致裂时间分别为25-30s、55-60s，每个阶段的水压力峰值分别为37-38MPa、31-32MPa ;在水力致裂过程中通过煤矿井下水力致裂监测仪进行实时监测。
2.根据权利要求1所述的煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法，其特征在于所述的致裂泵采用南京六合煤矿机械有限公司生产的BZW200/56型注水泵；所述的注水封孔器采用中国矿业大学设计的FKSS增强型注水封孔器。
全文摘要
本发明为一种煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法，避免了常规的炸药爆破带来的潜在威胁，同时也解决了现有的水力致裂的过程中，裂缝的扩展表现出时间和空间的不均匀性。该方法是在机巷和风巷超前工作面的顶板上先开设观测钻孔，确定顶板上坚硬中砂岩层的分布情况，然后再开设倾斜的致裂钻孔，致裂钻孔的孔底延伸至坚硬中砂岩层的中间位置，致裂钻孔孔底开设有楔形环槽，最后通过注水封孔器对致裂钻孔进行注水致裂，致裂过程分若干阶段进行，每个阶段的致裂时间和压力都不相同。该方法施工工艺简单，避免了炸药爆破带来的潜在威胁，更加安全可靠，致裂效果好，使裂缝的扩展在时间和空间上更具均匀性和充分性，具有广泛的实用性。
文档编号E21B43/26GK103061732SQ201210556699
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者于斌, 刘锦荣, 李兴, 王爱国, 李钊, 张良, 牛福龙, 徐喜明, 孟祥斌, 冯杰, 张晓荣, 孟琦, 张敏敏 申请人:大同煤矿集团有限责任公司