一种预裂缝水力压裂切顶卸压施工方法及钻孔机具与流程

本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及到一种预裂缝水力压裂切顶卸压施工方法及钻孔机具。

背景技术：

目前我国煤矿开采主要为井下开采，在采矿活动没有开始前，煤岩层处于原岩应力状态。井下进行大面积回采以后，采空区上方岩层重量将向周围支承区转移，在采空区四周形成支承压力带，在工作面前方形成移动性支承压力，在工作面倾斜上下方及工作面后方形成残余支承压力。工作面开采造成的上覆岩层活动，导致回采工作面超前段巷道收缩量大需要不断返修、临空动压巷道压力显现时间长严重影响巷道安全使用、工作面端头悬顶面积大导致瓦斯超限等一系列矿压灾害，严重影响了矿井的安全生产，急需采用工人干预手段，改变回采工作面顶板结构，消除或减弱矿压灾害的动力之源。

目前人工干预改变回采工作面顶板结构的方法主要有爆破和水压致裂两种方法。随着煤矿开采技术的进步，对人工干预改变回采工作面顶板结构技术先进性的要求也越来越高，传统爆破技术凸显出诸多弊端：煤矿井下雷管等火工品管理复杂、潜在危险大；爆破强制放顶单孔控制范围小、爆破孔深有限、工程量及炸药消耗量大；爆破造成空气、震动等二次污染，产生的一氧化碳等有毒有害气体污染井下作业环境；动力扰动大，爆破冲击易损害支架；安全性差，炸药爆破的火花和瞬时产生大量co等有害气体造成安全隐患，对于高瓦斯矿井不宜采用；炸药成本及管理成本高昂。

本发明设计了一种预裂缝水力压裂切顶卸压施工方法及钻孔机具，该施工方法可使顶板岩层定向压裂、破坏顶板岩层的完整性，定向切割顶板岩层，通过人为的方法削弱煤岩体承载的高应力，使巷道或工作面处于低应力区域。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种施工方法使顶板岩层定向压裂，定向切割顶板岩层，通过人为的方法削弱煤岩体承载的高应力，使巷道或工作面处于低应力区域，经济、安全、有效的控制顶板。

本发明提供一种预裂缝水力压裂切顶卸压施工方法，具体技术方案如下：

本发明所述的一种预裂缝水力压裂切顶卸压施工方法在煤柱上方顶板沿一定间隔施工钻孔，采用特殊钻头沿钻孔轴向按一定间隔施工凹槽；插入封隔器与预开口橡胶膜，使凹槽位于封隔段内且开口与凹槽对齐，再向封隔段内注水，手动泵加压封隔器，观察封隔段内压力是否下降或有水流出；连接高压泵压裂，完成预制裂缝定向水力压裂切顶卸压作业。

进一步的，所述的方法包括如下步骤：

s1.在煤柱上方顶板沿一定间隔施工钻孔，所述的钻孔间距应控制在15米到30米之间，钻孔方向与水平方向呈45度到60度的夹角，钻孔直径为120毫米；同一钻孔内所有预制裂缝在同一平面，预制裂缝间距不宜小于1米。

s2.进行水力压力设备的安装、连接、调试工作，通过连接注水钢管将封隔器推送至预定位置(预裂缝处)，上下封隔器之间连接橡胶膜，形成套筒形式，橡胶膜两侧预开缝，与预裂缝对齐，手动泵加压封隔器，待压力达到10-16mpa后停止加压，观察钻孔并监测压力表，检验封隔器能否保压，若钻孔中有水流出或压力下降明显，说明封孔失效，检查封隔器各个连接处及封隔器本身，找出并解决问题，确保封隔器正常工作封孔；注水压裂采用倒退式压裂法，即从钻孔底部开槽处向外依次进行压裂。

s3.开启水压仪，给高压水泵先通水再通电，然后慢慢加压，同时记录水泵压力表、流量计以及手动泵压力表数据，继续加压直至预裂缝开裂，这时压力会突然下降，保压注水使裂纹继续扩展，保压注水压裂时间根据现场压裂情况确定，若巷道顶板，煤帮或钻孔中有水渗出或冒出时，立即停止压裂。

s4.压裂结束后，高压水泵先断电再停水，封孔器卸压，然后退出钻孔，准备下次压裂。

进一步的，所述预裂缝包括两个角形槽和矩形槽，分别处于圆孔直径两端，所述角形槽尖端夹角在50度到75度之间，沿平行于钻孔轴线方向施工，每条预裂缝长度为50mm,宽度为5mm,从钻孔底部开始向上按一定间隔开槽，预裂缝间距不宜小于1米。

进一步的，在上下封隔器之间连接有预开缝的橡胶膜，所述预开缝与预裂缝对齐，通过手动泵加压封隔器的同时，橡胶膜在水压下与孔壁紧密贴合，防止原生裂隙泄压，开缝处在水压力下张开且其边缘与预裂缝边缘紧密贴合。

本发明同时提供了一种钻孔机具，用于对上述预裂缝进行施工。

所述钻孔机具包括钻头、刻槽机具、刻槽机具护筒和钻杆，钻杆、刻槽机具直径相同，刻槽机具护筒、钻头直径相同，且前者直径小于后者；钻杆连接刻槽机具，刻槽机具外侧设置护筒，该护筒可沿钻杆滑动；钻刀伸出后总长度大于刻槽机具直径，使两端钻刀突出于刻槽机具两侧。

进一步的，在刻槽机具护筒和钻头上各设置一排滚轮，滚轮所在面垂直于刻刀滑动面。

进一步的，该钻刀两侧对称，每一侧由螺旋尖钻刀、杆件连接器(内置小型电动机)和齿轮杆组成，两侧由齿轮联动伸缩杆件连接，用以施工所提到的预裂缝。所述钻头内设置驱动装置，通过细电缆与钻刀底部小型电动机相连接，通过这种方式使钻刀自身高速旋转，同时两侧钻刀可通过平移台沿平移轨道轴向移动。

下面结合附图对本发明的预裂缝水力压裂切顶卸压施工方法及钻孔机具作进一步说明。

附图说明

图1为本发明垂直工作面巷道方向顶板切顶示意图；

图2为本发明采用的钻孔机具结构示意图；

图3为本发明预裂缝平面示意图；

图4本发明采用的钻刀结构示意图；

图5为本发明采用的顶板水力压裂装置示意图；

图6为本发明采用的保压装置示意图。

附图标记说明

1、钻孔机，2、钻杆，3、预裂缝，4、钻头，5、注水钢管，6、快速连接的高压注水胶管，7、压力表，8、接头，9、静压水进水管路，10、高压水泵，11、水泵压力表，12、流量计，13、手动泵，14、手动泵压力表，15、高压注水胶管，16、蓄存压裂介质水和油的储能器，17、橡胶膜，18、封隔器，19、预裂缝，20、压裂钢管(管壁打孔)；

31、角形槽，32、圆孔；

41、钻杆连接器，42、滚轮，43、钻刀机具护筒，44、护筒轨道，45、钻头(内置驱动装置)，46、钻刀，47、平移台；

461、螺旋尖钻刀，462、齿轮杆，463、杆件连接器(内置小型电动机)，464、旋转齿轮，465、平移轨道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。此处描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

参考图1-图6，预裂缝水力压裂切顶卸压施工方法，包括如下步骤：

s1.在煤柱上方顶板沿一定间隔施工钻孔，所述的钻孔间距应控制在15米到30米之间；采用图2中特殊钻头4施工预裂缝3，螺旋钻头46在连接杆463内置小型电动机带动下高速转动，在连接杆463及旋转齿轮464的带动下可垂直平移轨道进行伸缩，同时钻刀46可通过平移台平移轨道在刻槽机具内沿平移轨道465移动，预裂缝长度为50mm，钻头及刻槽机具护筒上滚轮42在钻孔壁上滑动，此装置可保持同一钻孔内所有预裂缝在同一平面，在后期压裂时有效的达到定向压裂的目的，减少水力压裂盲区，预裂缝间距不宜小于1米。

s2.进行安装、连接、调试工作，通过连接注水钢管6将封隔器18推送至预定位置(包含预裂缝处)，上下封隔器之间连接橡胶膜17，形成套筒形式，橡胶膜两侧预开缝，与预裂缝对齐，首先通过手动泵13加压封隔器，待压力达到10-16mpa后停止加压，观察钻孔并监测压力表14，检验封隔器18及橡胶膜17能否保压，若钻孔中有水流出或压力下降明显，说明封孔失效，检查封隔器各个连接处及封隔器本身，找出并解决问题，确保封隔器正常工作封孔，橡胶膜在水压下与孔壁紧密贴合，开缝处在水压力下张开且其边缘与预裂缝边缘相接防止原生裂隙泄压，且尽可能使水压力作用于预裂缝上；注水压裂采用倒退式压裂法，即从钻孔底部开槽处向外依次进行压裂。

s3.准备加压，给高压水泵10先通水再通电，然后慢慢加压，同时记录水泵压力表11、流量计12以及手动泵压力表14数据，继续加压直至预裂缝开裂，这时压力表7读数会突然下降，保压注水使裂纹继续扩展，保压注水压裂时间根据现场压裂情况确定，若巷道顶板，煤帮或钻孔中有水渗出或冒出时，立即停止压裂。

s4.压裂结束后，高压水泵10先断电再停水，封孔器卸压，然后退出钻孔，准备下次压裂，根据现场情况，同一处可进行反复压裂。

在施工预裂缝时，对于同一钻孔中所有角形槽应在同一切割平面上，避免造成方向不一致的情况，否则将会影响切顶效果。顶板在人为干预下，通过角形槽的应力集中作用，在水力压裂下形成切割带，有效的减小围岩应力，降低变形，控制顶板。

保压措施中的橡胶膜17，宜采用与封隔器相同材料制成，橡胶膜上预开口长度可略大于预裂缝长度，此保压措施利用了橡胶材料在压力下的延展性，且使用方便、操作简单、技术经济。

本发明采用的特殊钻孔机具包括钻头45、护筒轨道44、刻槽机具护筒43钻刀46、平移台47和钻杆连接器41，其中钻杆、刻槽机具直径相同，刻槽机具护筒、钻头直径相同，且钻杆、刻槽机具直径小于刻槽机具护筒、钻头；钻杆连接器41一侧连接钻杆，另一侧连接刻槽机具，刻槽机具外侧设置护筒43，该护筒可沿护筒轨道44滑动，既能阻挡一部分杂质进入刻槽机具，影响刻刀使用，护筒上方滚轮42在钻孔壁上滚动，又保证了同一钻孔中预裂缝施工的方向始终一致；刻刀46伸出后总长度大于护筒43直径，使两端钻头伸出后突出于刻槽机具两侧。

以上结合附图仅对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域技术人员对发明的技术方案进行多种简单的变形，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围。