采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂控制方法
【专利摘要】一种采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂控制方法，在采煤工作面回采巷道端头沿巷帮用锚索钻机向顶板施工小孔径致裂钻孔。根据冒落顶板应填满采空区的原则，碎胀系数取经验值确定钻孔深度为2～4倍的采煤工作面采高；根据裂缝扩展距离并结合巷道支护形式确定钻孔间距为1～2倍的裂缝扩展距离。然后通过小孔径高压密封安装管将小孔径封孔器送至指定位置封孔，使用高压泵对顶板进行高压水力致裂，改造顶板结构并弱化顶板强度。对于孔深超过4m的致裂孔可以采用深孔后退式致裂工艺保障裂缝扩展的均匀性。本发明通过锚索钻机施工钻孔，方法简单方便、工作量小，实现了采煤工作面端头悬顶的及时冒落，保证了工作面的安全生产。
【专利说明】采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水力致裂方法，尤其是一种用于煤矿井下控制采煤工作面端头悬顶的水力致裂方法。
【背景技术】
[0002]煤岩体结构改造是解决煤矿中的坚硬顶板、冲击矿压、低渗透性煤层瓦斯抽采、煤与瓦斯突出、坚硬顶煤弱化等技术难题涉及的核心共性科学问题。通过水力致裂改造顶板岩体结构，达到控制工作面顶板的及时冒落，成为解决煤矿开采岩层控制的关键技术之一。
[0003]煤矿开采过程中由于顶板坚硬，虽然采空区中部的大部分顶板能够及时垮落，但是在采煤工作面端头，由于回采巷道煤柱侧巷帮的支撑，容易出现端头悬顶。端头悬顶多为沿巷道走向的窄长板悬顶形式，悬顶面积一般大于几十平方米。从矿压控制角度来讲端头悬顶一般不会对工作面造成冲击破坏，但当悬顶突然垮落时会把采空区的有毒有害气体突然挤出采空区、挤入采煤工作面，造成工作面安全问题；尤其是对于高瓦斯矿井，采空区的瓦斯被突然挤入采煤工作面，造成工作面瓦斯超限，影响工作面安全、高效生产。同时，端头悬顶突然破断垮落，冒落岩块间的碰撞可能会产生火花，存在诱导采空区内积聚瓦斯爆炸的安全隐患。采煤工作面的采空区有害气体多为CO和CH4,炸药爆破控制端头的悬顶容易造成次生灾害并且施工、管理复杂。水力致裂控制采煤工作面端头悬顶成为安全可行的技术之一 O
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明目的是针对水力致裂技术中存在的应用问题，提供了一种简单、安全、高效的控制采煤工作面端头悬顶的小孔径水力致裂方法。
[0005]技术方案:本发明的采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂方法，包括以下步骤:
[0006]a.通过采煤工作面采高和顶板碎胀系数确定钻孔深度H，然后在采煤工作面端头施工一个深度为H的钻孔，进行水力致裂，得到裂缝扩展距离，结合巷道支护强弱，确定致裂钻孔的间距L ；
[0007]b.使用锚索钻机，按照钻孔深度H、钻孔间距L在回采巷道中向顶板施工一排或多排孔径为φ28?tp40mm的小孔径钻孔，施工的一排钻孔或多排钻孔中的第一排钻孔开口位置距离回采巷道煤柱侧巷帮O?500mm ；
[0008]c.从距离采煤工作面最近的钻孔开始，采用小孔径高压密封安装管将小孔径封孔器送至小孔径钻孔的设定深度进行封孔，然后在小孔径高压密封安装管外露端连接由致裂管路、压力表、截止阀和高压泵构成的致裂装置，依次对小孔径钻孔进行水力致裂；
[0009]d.开启高压泵和截止阀依次对小孔径钻孔进行水力致裂，当压力表显示水压力小于IMPa时，水力致裂完毕，关闭高压泵和截止阀。
[0010]所述的钻孔间距L为I?2倍的裂缝扩展距离。
[0011]所述多排小孔径钻孔为1-3排，排距之间的距离为0.5?1.5倍的裂缝扩展距离。[0012]所述的小孔径钻孔的钻孔深度H为2?4倍的采煤工作面采高。
[0013]所述一排或多排钻孔的小孔径钻孔的钻孔深度H —致或深浅长短交替布置。
[0014]有益效果:本发明根据采煤工作面端头顶板的支护体系和整体稳定性特点，结合水力致裂的裂缝扩展规律，确定采用主要沿巷道帮切断端头顶板+弱化端头顶板锚固体整体力学性能的控制思路，形成水力致裂钻孔布置的设计方法。研制设计了基于锚索钻机的小孔径钻孔水力致裂的成套设备，特别是小孔径高压密封安装管和小孔径封孔器。对于孔深超过4m的致裂孔可以采用深孔后退式致裂工艺保障裂缝扩展的均匀性。该基于锚索钻机的小孔径水力致裂方法也可以在工作面架间端面顶板内施工，用于控制工作面中部采空区的悬顶。本发明在采煤工作面回采巷道内采用锚索钻机施工一排或多排小孔径钻孔，通过确定合理的钻孔位置、钻孔深度以及相应的水力致裂参数，通过锚索钻机施工钻孔，用高压泵对顶板进行高压水力致裂，改造顶板结构并弱化顶板强度，控制采煤工作面端头顶板的及时冒落，保证了采煤工作面的安全生产。其方法简单方便、工作量小。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的实施例一结构示意图；
[0016]图2是本发明的实施例二结构示意图；
[0017]图3是本发明中的小孔径高压密封安装管结构示意图；
[0018]图4是本发明中的小孔径封孔器结构示意图。
[0019]图中:1-回采巷道，2-顶板，3-小孔径钻孔，4-小孔径封孔器，5-小孔径高压密封安装管，6-压力表，7-截止阀，8-致裂管路，9-高压泵，10-采煤工作面，4-1-封孔器外螺纹接口，4-2-单向阀，5-1-外螺纹接口，5-2-内螺纹接口。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述:
[0021]本发明的采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂控制方法，首先通过采煤工作面采高及顶板碎胀系数确定钻孔深度；通过前期试验得到裂缝扩展距离，结合巷道支护形式，确定钻孔间距L、排距；使用锚索钻机在回采巷道I中向顶板2按要求施工一排或多排孔径为φ28?φ40ηιηι的小孔径钻孔3，施工一排或多排中的第一排小孔径钻孔开口位置距离回采巷道煤柱侧巷帮O?500mm ;所述的钻孔间距L为I?2倍的裂缝扩展距离；所述多排小孔径钻孔3为1-3排，排距之间的距离为0.5?1.5倍的裂缝扩展距离；所述的小孔径钻孔3的钻孔深度H为2?4倍的采煤工作面采高。一排或多排钻孔的小孔径钻孔3的钻孔深度H一致或深浅长短交替布置，施工至指定深度；用小孔径高压密封安装管5将小孔径封孔器4送至指定深度封孔，小孔径高压密封安装管5相连接的小孔径封孔器4为耐高压70MPa的封孔器，孔径φ28?(p40mm，通过螺纹连接与高压密封安装管连接。小孔径高压密封安装管5与致裂管路8相连，致裂管路8与高压泵9连接，孔口处装有压力表6和截止阀7 ;开启高压泵9和截止阀7对钻孔水力致裂，当压力表6压力小于IMPa时，关闭高压泵9和截止阀7，本钻孔致裂完毕；如果钻孔深度超过Sm可以考虑使用后退式水力致裂。用小孔径高压密封安装管5将小孔径封孔器4逐一安装到其它钻孔，对其它钻孔逐一水力致裂，至所有钻孔致裂完毕后，整个工作面水力致裂完毕。可以超前工作面较大距离首先施工小孔径钻孔，但对小孔径钻孔水力致裂必须在巷道超前支护段内。所述的小孔径钻孔3可在巷道超前支护段以外施工完成，但对小孔径钻孔3进行水力致裂时应在巷道超前加强支护段内。
[0022]实施例一:如图1所示，某煤矿工作面煤层平均厚度2.5m，煤层倾角O?5ο，直接顶为砂质泥岩，平均厚度5.44m，老顶为粉砂岩，平均厚度12.54m。回风巷道处的一端或两端头采空区悬顶宽约6m，长约20m，采用水力致裂控制端头顶板及时冒落。在回采巷道内距煤柱侧巷帮200_处施工一排小孔径钻孔3，钻孔直径32_，根据煤层采高确定钻孔深度H为8m，根据前期试验得到的裂缝扩展距离，结合巷道锚网索支护形式确定钻孔间距L为6m，钻孔施工从超前支护段内开始，施工20个。用小孔径高压密封安装管5将小孔径封孔器4送至指定深度封孔，小孔径高压密封安装管5与致裂管路8相连，致裂管路8与高压泵9连接，孔口处装有压力表6和截止阀7。开启高压泵9和截止阀7对一个钻孔水力致裂，当压力表6压力小于IMPa时，关闭高压泵9和截止阀7，本钻孔致裂完毕。用小孔径高压密封安装管5将小孔径封孔器4逐一安装到其它钻孔，对其它钻孔逐一水力致裂，至直所有钻孔致裂完毕后，水力致裂完毕。
[0023]实施例二:如图2所示，某煤矿工作面煤层平均厚度2.9m，煤层倾角平均6ο，直接顶为中粒砂岩，平均厚度1.8m，老顶为砂质泥岩，平均厚度30m。回风巷道处的一端或两端头采空区悬顶宽约5m，长约15m，采用水力致裂控制端头顶板及时冒落。在回采巷道内距煤柱侧巷帮分别为200mm、4200mm处施工两排小孔径钻孔3，根据煤层采高确定钻孔深度H，钻孔深度H分别为Ilm和6m深浅交替布置，根据前期试验得到的裂缝扩展距离，结合巷道锚网索支护形式确定钻孔间距L为5m，钻孔施工从超前支护段内开始，施工40个。用小孔径高压密封安装管5将小孔径封孔器4送至指定深度封孔，小孔径高压密封安装管5与致裂管路8相连，致裂管路8与高压泵9连接，孔口处装有压力表6和截止阀7。开启高压泵9和截止阀7对一个钻孔水力致裂，当压力表6压力小于IMPa时，关闭高压泵9和截止阀7，本钻孔致裂完毕。用小孔径高压密封安装管5将小孔径封孔器4逐一安装到其他钻孔，对其它钻孔逐一水力致裂，至所有钻孔致裂完毕后，水力致裂完毕。
【权利要求】
1.一种采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂方法，其特征在于包括以下步骤: a.通过采煤工作面采高和顶板碎胀系数确定钻孔深度H，然后在采煤工作面端头施工一个深度为H的钻孔，进行水力致裂，得到裂缝扩展距离，结合巷道支护强弱，确定致裂钻孔的间距L ； b.使用锚索钻机，按照钻孔深度H、钻孔间距L在回采巷道(I)中向顶板(2)施工一排或多排孔径为φ28?(p40mm的小孔径钻孔(3)，施工的一排钻孔或多排钻孔中的第一排钻孔开口位置距离回采巷道(I)煤柱侧巷帮O?500mm ； c.从距离采煤工作面最近的钻孔开始，采用小孔径高压密封安装管(5)将小孔径封孔器(4)送至小孔径钻孔(3)的设定深度进行封孔，然后在小孔径高压密封安装管(5)外露端连接由致裂管路(8)、压力表(6)、截止阀(7)和高压泵(9)构成的致裂装置，依次对小孔径钻孔进行水力致裂； d.开启高压泵(9)和截止阀(7)依次对小孔径钻孔(3)进行水力致裂，当压力表(6)显示水压力小于IMPa时，水力致裂完毕，关闭高压泵(9 )和截止阀(7 )。
2.根据权利要求1所述的采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂方法，其特征在于:所述的钻孔间距L为I?2倍的裂缝扩展距离。
3.根据权利要求1所述的采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂方法，其特征在于:所述多排小孔径钻孔(3)为1-3排，排距之间的距离为0.5?1.5倍的裂缝扩展距离。
4.根据权利要求1所述的采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂方法，其特征在于:所述的小孔径钻孔(3)的钻孔深度H为2?4倍的采煤工作面采高。
5.根据权利要求1或4所述的采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂方法，其特征在于:所述一排或多排钻孔的小孔径钻孔(3)的钻孔深度H —致或深浅长短交替布置。
【文档编号】E21B43/26GK103541711SQ201310494838
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】黄炳香, 王友壮, 马剑 申请人:中国矿业大学