一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的施工装置及方法与流程

本发明涉及矿井下坚硬难跨顶板矿压治理技术领域，具体来说，涉及一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的施工装置及方法。

背景技术

煤矿坚硬难垮顶板岩体分层厚度大，整体性强，构造弱面和节理裂隙不发育，导致采煤后不易冒落。一旦冒落，伴有明显的动力现象，如产生强冲击荷载、顶板大面积来压、飓风与煤与瓦斯突出等，造成支护设备损坏，甚至出现危及人身安全的恶性事故。煤矿坚硬难垮顶板控制方法主要是煤柱支撑法、采空区充填法、预裂爆破强制放顶法、压力注水弱化顶板法、水力压裂法及强力支护切顶法。上述这些技术虽然对坚硬难垮顶板的控制取得了一些成效，但还存在以下不足：（1）煤柱支撑法和采空区充填法均是利用坚硬难垮顶板的整体性；（2）支撑法缺点是煤炭损失大，但其仍有大面积来压危险，现在己基本不采用；（3）采空区充填法成本太高亦很少使用；（4）强制爆破放顶技术和深孔预裂爆破技术对于高瓦斯矿井有一定的安全隐患；（5）注水弱化顶板法对坚硬难垮顶板弱化的范围有限，难以大范围形成人造裂隙；（6）水力压裂法虽使坚硬难垮顶板岩层破裂而形成裂缝，削弱了坚硬难垮顶板整体性，但弱化岩体强度的效果不明显。

因此，寻找一种既能大范围削弱坚硬难垮顶板整体性又具有降低岩体强度的理论方法，是目前解决我国坚硬难垮顶板难垮落的关键。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的施工装置及方法，能够解决上述技术问题。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的方法，包括以下步骤：

s1.确定压裂目标层：利用地质资料结合关键层理论，得到坚硬难垮顶板即为确定压裂目标层；

s2.布置压裂孔及控制孔：向坚硬难垮顶板内间隔钻有若干压裂孔，所述压裂孔深度与所述压裂目标层层位相配合,距每个压裂孔的40m范围内钻至少两个控制孔，所述每个压裂孔与所述至少两个控制孔平行且深度相同；

s3.水力压裂：通过压裂装置将高压水送至压裂孔内进行水力压裂，坚硬难垮顶板在高压水的作用下裂隙结构遭到破坏而形成裂缝；

s4.注入石英砂：继续保持水力压裂施工，使压裂孔与压裂装置保持坐封，同时通过压裂装置向压裂孔内注入石英砂；

s5.酸化压裂：保持坐封，通过压裂装置向压裂孔内注入酸液；

s6.对每一个压裂孔重复步骤s3-s5，直至所有压裂孔的水力压裂、注入石英砂和酸化压裂全部完成。

进一步地，所述若干压裂孔呈线性排列，排成若干排压裂孔，所述若干排压裂孔平行布置或交错布置。

进一步地，相邻两个所述压裂孔之间距离为30-50m。

进一步地，所述酸液按质量百分比计，由98.3%清水、1.2%hcl和0.5%hf组成。

进一步地，所述石英砂粒径为0.23-0.51mm。

进一步地，所述坚硬难垮顶板的下侧为一般顶板，所述一般顶板上间隔设有若干微震监测探头。

进一步地，所述压裂孔与所述坚硬难垮顶板呈45度夹角。

一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的施工装置，包括压裂装置，所述压裂装置与高压密封安装管的一端连通，所述高压密封安装管的另一端与主压泵车高压管路的输出端连通，所述高压管路通过出酸管与酸液泵车连通，主压泵车的输送管路的输入端与井下矿用混砂车的输出端连通，所述井下矿用混砂车的第一输入端通过出砂管路与砂罐车连通，所述井下矿用混砂车的第二输入端通过出水管路与水箱的出水口连通，所述水箱的进水口连接有供水管。

进一步地，高压管路的输出端设有泄压阀和压力表。

进一步地，所述主压泵车通过第一变径接头与所述高压管路连通；所述高压密封安装管通过第二变径接头与高压管路连通。

本发明的有益效果：在掌握坚硬难垮顶板岩层层位及层间岩层性质的前提下，由矿井压裂巷向压裂目标层合理的布置压裂孔及控制孔，以水力压裂为主、酸化压裂为辅的复合压裂方式进行压裂施工。首先进行井下水力压裂，压裂后向压裂孔注入大排量含石英砂的高压水继续水力压裂，从而在坚硬顶板岩层中产生大范围的人造裂缝，削弱其整体性，通过物理破坏作用使顶板能随着工作面的推进而及时垮落，从而减少或消除矿井压裂巷围岩应力集中现象；水力压裂之后，利用酸液泵车控制向压裂孔注入一定压力的低浓度酸液，使酸液充满整个水压裂缝网，与坚硬顶板岩体矿物发生酸化反应，弱化顶板的胶结，破坏其粘结能力，降低岩体强度，实现坚硬难垮顶板岩体的化学弱化，通过化学破坏作用达到强化水力压裂效果，从而最终达到安全高效压裂和软化井下煤层坚硬难跨顶板的效果，减弱工作面初次来压强度，达到强化卸压的目的。该方法及装置使用在煤层开采前，通过水力压裂和酸化压裂，破坏了煤层的坚硬难垮顶板结构，降低其整体性及岩体强度，减弱甚至避免了开采过程中坚硬难跨顶板对工作面正常开采及对人员设备可能造成的危害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的施工装置立体结构图；

图2是根据本发明实施例所述的一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的施工装置的平面效果图；

图3是根据本发明实施例所述的一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的方法的压裂孔及控制孔的布置图；

图4是根据图3的剖视图。

图中：1：坚硬难垮顶板；2：一般顶板；3：矿井压裂巷；4：压裂孔；5：控制孔；6：压裂装置；7：高压密封安装管；8：高压管路；9：主压泵车；10：酸液泵车；11：出酸管；12：输送管路；13：井下矿用混砂车；14：出砂管路；15：砂罐车；16：出水管路；17：水箱；18：供水管；19：截止阀；20：压力表；21：微震监测探头。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，根据本发明实施例所述的一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的方法，包括以下步骤：

s1.确定压裂目标层：利用地质资料结合关键层理论，得到坚硬难垮顶板1即为确定压裂目标层；

s2.布置压裂孔4及控制孔5：向坚硬难垮顶板1内间隔钻有若干压裂孔4，所述压裂孔4深度与所述压裂目标层层位相配合,距每个压裂孔4的40m范围内钻至少两个控制孔5，所述每个压裂孔4与所述至少两个控制孔5平行且深度相同；

s3.水力压裂：通过压裂装置将高压水送至压裂孔4内进行水力压裂，坚硬难垮顶板1在高压水的作用下裂隙结构遭到破坏而形成裂缝；

s4.注入石英砂：继续保持水力压裂施工，使压裂孔4与压裂装置保持坐封，同时通过压裂装置向压裂孔4内注入石英砂；

s5.酸化压裂：保持坐封，通过压裂装置向压裂孔4内注入酸液；

s6.对每一个压裂孔4重复步骤s3-s5，直至所有压裂孔4的水力压裂、注入石英砂和酸化压裂全部完成。

所述若干压裂孔4呈线性排列，排成若干排压裂孔4，所述若干排压裂孔4平行布置或交错布置。

相邻两个所述压裂孔4之间距离为30-50m。

所述酸液按质量百分比计，由98.3%清水、1.2%hcl和0.5%hf组成。

所述石英砂粒径为0.23-0.51mm。

所述坚硬难垮顶板1的下侧为一般顶板2，所述一般顶板2上间隔设有若干微震监测探头21。

所述压裂孔4与所述坚硬难垮顶板1呈45度夹角。

一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的施工装置，包括压裂装置6，所述压裂装置6与高压密封安装管7的一端连通，所述高压密封安装管7的另一端与主压泵车9高压管路8的输出端连通，所述高压管路8通过出酸管11与酸液泵车10连通，主压泵车9的输送管路12的输入端与井下矿用混砂车13的输出端连通，所述井下矿用混砂车13的第一输入端通过出砂管路14与砂罐车15连通，所述井下矿用混砂车13的第二输入端通过出水管路16与水箱17的出水口连通，所述水箱17的进水口连接有供水管18。

高压管路8的输出端设有泄压阀19和压力表20。

所述主压泵车9通过第一变径接头与所述高压管路8连通；所述高压密封安装管7通过第二变径接头与高压管路8连通。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明所述的一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的方法，包括以下步骤：

s1.确定压裂目标层：利用地质资料结合关键层理论，确定压裂目标层；如：选取某矿8221工作面为研究对象，以各个岩层地质资料为基础，掌握坚硬难垮顶板岩层层位及层间岩层性质的前提下，按照关键层理论，得到坚硬难跨顶板1所在层位即为压裂目标层。

s2.布置压裂孔4及控制孔5：向压裂目标层的坚硬难垮顶板1内间隔钻有若干压裂孔4，所述压裂孔4深度与所述压裂目标层层位相配合,距每个压裂孔4的40m范围内钻至少两个控制孔5，所述每个压裂孔4与所述至少两个控制孔5平行且深度相同；用矿用钻机在8221工作面巷道布置矿井压裂巷3，并在矿井压裂巷3中向作为压裂目标层的坚硬难垮顶板1内间隔施工压裂孔4至设定深度30m，所述若干压裂孔4呈线性排列，排成若干排压裂孔4，所述若干排压裂孔4平行布置或交错布置，压裂孔4与坚硬难垮顶板1之间具有倾斜角度，角度最好为45度，坚硬难垮顶板1的下侧为一般顶板2，压裂孔4与一般顶板2之间具有同样的倾斜角度，相邻的两个压裂孔4之间距离为30-50m，优选40m，距每个压裂孔4的40m范围内钻至少两个控制孔5，所述每个压裂孔4与所述至少两个控制孔5平行且深度相同，如，压裂孔4深度为30m，控制孔5深度同样为30m。

s3.水力压裂：通过压裂装置将高压水送至压裂孔4内进行水力压裂，坚硬难垮顶板1在高压水的作用下裂隙结构遭到破坏而形成裂缝；将高压密封安装管7上连接压裂装置6，之后将压裂装置6送至压裂孔4内的坚硬难垮顶板1，然后在高压密封安装管7上连接与主压泵车9相连的高压管路8，所述高压管路8输出端设有泄压阀19和压力表20；保持供水管18向水箱17内正常输水，开启主压泵车9，水通过供水管18进入水箱17，水从水箱17进入主压泵车9，经过主压泵车9水变为高压水，高压水通过高压管路8进入高压密封安装管7，通过高压密封安装管7向压裂孔4内进行水力压裂，坚硬难垮顶板1在高压水的作用下裂隙结构遭到破坏而形成裂缝，并且水压裂缝会朝向控制孔5发育；所述压裂孔4的出口处高压水的压力范围为35-50mpa；当高压管路8上的压力表20监测到压裂孔4的压力小于5mpa时或矿井压裂巷3围岩“出汗”超过5-7min时，“出汗”是指有水渗出，关闭主压泵车9，打开泄压阀19，完成一个压裂孔4的水力压裂作业。

s4.注入石英砂：继续保持水力压裂施工，使压裂孔4与压裂装置保持坐封，同时通过压裂装置向压裂孔4内注入石英砂；对坚硬难垮顶板1进行水力压裂后，水箱利用出水管路16与井下矿用混砂车13相连，通过出砂管路14连接井下矿用混砂车13与砂罐车15，井下矿用混砂车13通过输送管路与主压泵车9相连通，继续保持供水管18向水箱17内正常输水，水通过出水管路16流入井下矿用混砂车13，砂罐车15内的石英砂通过出砂管路14流入井下矿用混砂车13，水及石英砂在井下矿用混砂车13内混合后，向压裂孔4与压裂装置6注入含石英砂高压水，压裂孔4与压裂装置6保持坐封，石英砂的粒径为0.23～0.51mm。

s5.酸化压裂：保持坐封，通过压裂装置向压裂孔4内注入酸液；通过出酸管11将酸液泵车10与高压管路8连接，高压密封安装管7与高压管路8继续联通，保持高压密封安装管7与压裂装置6伸入压裂目标层层位压裂孔4，注入酸液，保持坐封，酸化要满足一定压力下有足够的酸化排量，坚硬难垮顶板1主要是由砂岩粗砂岩、细砂岩等构成，选用的酸液按质量百分比计，由98.3%清水、1.2%hcl及0.5%hf组成的混合液，酸液压力为7-9mpa。

s6.对每一个压裂孔4重复步骤s3-s5，直至所有压裂孔4的水力压裂、注入石英砂和酸化压裂全部完成。同时在一般顶板2上间隔设有若干微震监测探头21，采用微地震法监测水压裂缝的动态长度和方位，以保证施工安全。

本发明还包括用于一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的施工装置，该装置与一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的方法相配套使用。

一种压裂和软化煤矿井下坚硬难垮顶板的施工装置，包括压裂装置6，所述压裂装置6与高压密封安装管7的一端连通，所述高压密封安装管7的另一端与主压泵车9高压管路8的输出端连通，所述高压管路8通过出酸管11与酸液泵车10连通，高压管路8的输出端设有泄压阀19和压力表20，主压泵车9的输送管路12的输入端与井下矿用混砂车13的输出端连通，所述井下矿用混砂车13的第一输入端通过出砂管路14与砂罐车15连通，所述井下矿用混砂车13的第二输入端通过出水管路16与水箱17的出水口连通，所述水箱17的进水口连接有供水管18，其中，所述主压泵车9通过第一变径接头与所述高压管路8连通；所述高压密封安装管7通过第二变径接头与高压管路8连通。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过在掌握坚硬难垮顶板岩层层位及层间岩层性质的前提下，由矿井压裂巷向压裂目标层合理的布置压裂孔及控制孔，以水力压裂为主、酸化压裂为辅的复合压裂方式进行压裂施工。首先进行井下水力压裂，压裂后向压裂孔注入大排量含石英砂的高压水继续水力压裂，从而在坚硬顶板岩层中产生大范围的人造裂缝，削弱其整体性，通过物理破坏作用使顶板能随着工作面的推进而及时垮落，从而减少或消除矿井压裂巷围岩应力集中现象；水力压裂之后，利用酸液泵车控制向压裂孔注入一定压力的低浓度酸液，使酸液充满整个水压裂缝网，与坚硬顶板岩体矿物发生酸化反应，弱化顶板的胶结，破坏其粘结能力，降低岩体强度，实现坚硬难垮顶板岩体的化学弱化，通过化学破坏作用达到强化水力压裂效果，从而最终达到安全高效压裂和软化井下煤层坚硬难跨顶板的效果，减弱工作面初次来压强度，达到强化卸压的目的。该方法及装置使用在煤层开采前，通过水力压裂和酸化压裂，破坏了煤层的坚硬难垮顶板结构，降低其整体性及岩体强度，减弱甚至避免了开采过程中坚硬难跨顶板对工作面正常开采及对人员设备可能造成的危害。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。