一种采煤工作面回撤通道水力压裂卸压结构和卸压方法与流程

1.本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种采煤工作面回撤通道水力压裂卸压结构和卸压方法。


背景技术：

2.目前回撤通道技术主要分为预掘回撤通道搬家工艺和无预掘回撤通道搬家工艺两种基本类，如图1-3所示；国内大部分矿区受煤层赋存条件、顶底板岩性及经济、技术水平等原因的限制，一般均采用无预掘回撤通道技术。无预掘回撤通道技术是指工作面推进至预定停采线后，支架停止移动，采用单体液压支柱继续推移刮板输送机向前移动，采煤机继续前移截割煤壁从而布置回撤通道。采煤机每完成一次进尺，及时对顶板进行支护。这种工艺的主要特点是工艺简单，提前准备的工作量比较小，且回撤通道不受工作面的采动影响，有利于保证回撤期间围岩的稳定性。
3.然而一些东部及中部地区矿井受地质条件的影响和限制，煤矿采煤工作面存在可采储量低，推进方向长度较短的现象，这造成工作面可回采时间较短，且采煤工作面的安装和回撤时间因地质条件限制而边长，就造成采煤工作面安装和拆除时间占整个工作面生命周期的20％～30％，严重制约了工作面的采掘接续。煤矿传统工作面回撤作业一般是待工作面回采至停采线后，再施工回撤通道的方式。具体为：综采工作面回采至收作线后，采用刷大、架设单体、卧底、钉道、布置绞车，迎头调架、绞车运输、上平台装车，解体装车外运等传统工艺方式。该工艺存在的前期准备工程量大、工序繁杂、用工多、效率低、安全风险大、施工周期长等问题，难以实现快速回撤的要求，并且加大了煤层自然发火的控制难度，对部分主体巷道破坏性增大，严重制约着矿井的安全高效发展。如何实现综采工作面的快速拆除、简化工序、提高效率和效益、降低安全风险、缩短施工周期，是目前煤矿煤炭开采在收尾工序中存在的技术难题。
4.如何实现综采工作面的快速拆除、简化工序、提高效率和效益、降低安全风险、缩短施工周期，是目前煤矿煤炭开采在收尾工序中存在的技术难题。为了解决工作面收尾中存在的上述技术难题，缩短综采工作面设备回撤时间，减少收尾期间机割回撤通道的影响，可采用预掘回撤通道的方式：在工作面推进到回撤通道之前，通过掘进巷道的方式提前布置一条回撤通道，待工作面与回撤通道贯通后直接开始回撤的方式。
5.不可避免的，采煤工作面在推进的过程中，超前移动支承应力和顶板的断裂、下沉会影响回撤通道的稳定性，造成回撤通道的围岩应力升高，变形增加，当工作面临近回撤通道时，老顶的断裂、回转下沉等动态作用也会进一步加剧回撤通道的变形，造成巷道难以维护。因此，实现动压影响下回撤通道的围岩控制成为解决该问题的关键。
6.针对上述问题，本发明提出一种采煤工作面回撤通道的卸压结构和卸压方法。


技术实现要素：

7.本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种采煤工作面回撤通道水力压裂卸压
结构和方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。
8.本发明的一个目的在于提出一种采煤工作面回撤通道水力压裂卸压结构，包括：
9.多个钻孔组，沿着横向方向间隔布置，每个钻孔组包括至少一个钻孔，所述钻孔由位于回撤通道与采煤工作面之间的指定位置朝向顶板岩层和/或底板岩层方向延伸，且每个钻孔配置为沿着钻孔的延伸方向间隔配置有压裂区，其中，所述横向方向与回撤通道延伸的方向相平行。
10.在该技术方案中，通过找准采动应力的传播路径：应力源-传载层-受载层，确定好目标压裂层位及需要压裂的范围，在回撤通道内开设多个钻孔组，在每个钻孔内采用水力压裂技术开设多个压裂区，通过在目标岩层中制造弱结构体的方法弱化岩层，利用弱结构体无法承受高应力的特性，促使回撤通道的高应力向深部转移，进而达到截断高应力传递路径，实现回撤通道的卸压的目的，可有效解决采动影响下回撤通道的围岩控制难题。
11.另外，根据本发明的采煤工作面回撤通道水力压裂卸压结构，还可以具有如下技术特征：
12.所述指定位置包括如下中的一个或者多个：
13.在本发明的一个示例中，所述指定位置包括如下中的一个或者多个：
14.(1)回撤通道；
15.(2)靠近回撤通道的其他巷道；
16.(3)采煤工作面，且所述采煤工作面距离回撤通道20m至50m处。
17.在本发明的一个示例中，所述钻孔组包括多个钻孔，所述钻孔由所述指定位置的同一起始点朝向顶板岩层和/或底板岩层方向延伸，且达到指定的压裂高度。
18.在本发明的一个示例中，所述钻孔组包括：第一钻孔和第二钻孔，
19.所述第一钻孔、所述第二钻孔在纵向方向与水平方向形成的平面内的投影与水平方向之间的夹角均为0
°
～90
°
，其中，水平方向、横向方向和纵向方向彼此相互垂直。
20.在本发明的一个示例中，所述压裂区包括多个，配置在靠近钻孔延伸的终止端，且由所述终止端朝向钻孔的起始端方向间隔设置。
21.本发明的另一个目的在于提出一种采煤工作面回撤通道水力压裂卸压方法，包括如下步骤：
22.s10：沿着与回撤通道延伸的方向相平行的横向方向，在位于回撤通道与采煤工作面之间的指定位置间隔开设多个钻孔组，其中，每个钻孔组包括至少一个钻孔，所述钻孔由指定位置朝向顶板岩层和/或底板岩层方向延伸；
23.s20：沿着钻孔的延伸方向通过水力压裂方式形成压裂区。
24.在本发明的一个示例中，所述钻孔组包括多个钻孔，多个所述钻孔由所述回撤通道的同一起始点朝向顶板岩层方向延伸，且多个钻孔之间在空间上彼此相互不重叠。
25.在本发明的一个示例中，所述指定位置包括如下中的一个或者多个：
26.(1)回撤通道(10)；
27.(2)靠近回撤通道(10)的其他巷道；
28.(3)采煤工作面，且所述采煤工作面距离回撤通道20m至50m处。
29.在本发明的一个示例中，所述钻孔组包括多个钻孔，所述钻孔由所述指定位置的
同一起始点朝向顶板岩层和/或底板岩层方向延伸，且达到指定的压裂高度。
30.在本发明的一个示例中，所述压裂区包括多个，配置在靠近钻孔延伸的终止端，且由所述终止端朝向钻孔的起始端方向间隔设置。
31.在本发明的一个示例中，所述水力压裂应在工作面超前支承应力影响范围到达巷道之前完成。
32.下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
34.图1为根据本发明实施例的无预掘回撤通道搬家回撤示意图；
35.图2为根据本发明实施例的预掘回撤通道回撤技术中预掘单回撤通道示意图；
36.图3为根据本发明实施例的预掘回撤通道回撤技术中预掘双回撤通道示意图；
37.图4为根据本发明实施例的超前支承压力分布及顶板活动示意图；
38.图5为根据本发明实施例的顶板水力预裂示意图；
39.图6为根据本发明实施例的弱结构体和人工断顶卸压的结构示意图；
40.图7为根据本发明实施例的工作面回撤通道切顶卸压的结构示意图；
41.图8为图7中a-a向剖视图；
42.图9为图7中b-b向剖视图；
43.图10为图7中c-c向剖视图；
44.图11为根据本发明实施例的压裂段在所处顶板岩层的层位关系结构示意图。
45.附图标记列表：
46.回撤通道10；
47.钻孔组20；
48.第一钻孔21；
49.第二钻孔22；
50.终止端20a；
51.起始端20b；
52.煤层30；
53.泥岩层40；
54.砂岩层50；
55.砂质泥岩层60；
56.采煤工作面70；
57.压裂区f；
58.横向方向x；
59.纵向方向y；
60.水平方向z。
具体实施方式
61.为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
62.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
63.采煤工作面70在回采过程中，如图7至图11所示，在工作面前方一定范围内(20～100m)会产生强烈的超前支承应力，并且采动应力会沿着应力源-传载岩层-受载煤岩层这一路径传播。末采期间回撤通道10受移动超前支承压力影响剧烈，煤壁片帮严重、断面收缩大变形、末采贯通期间顶板不易控制等难题。为了减小工作面推进过程中产生的动压对回撤通道10的影响，使回撤通道10在使用期间顶帮变形在可控范围内，以保证人员和设备安全，采取如下所述的回撤通道10水力压裂切顶卸压技术：
64.根据本发明第一方面的一种煤矿采煤工作面回撤通道10卸压结构，包括：
65.多个钻孔组20，沿着横向方向x间隔布置，每个钻孔组20包括至少一个钻孔，所述钻孔由位于回撤通道10与采煤工作面70之间的指定位置朝向顶板岩层和/或底板岩层方向延伸，且每个钻孔配置为沿着钻孔的延伸方向间隔配置有压裂区f，其中，所述横向方向x与回撤通道10延伸的方向相平行。
66.也就是说，通过找准采动应力的传播路径：应力源-传载层-受载层，确定好目标压裂层位及需要压裂的范围，在回撤通道10内开设多个钻孔组20，在每个钻孔内采用水力压裂技术开设多个压裂区f，通过在目标岩层中制造弱结构体的方法弱化岩层，利用弱结构体无法承受高应力的特性，促使回撤通道的高应力向深部转移，进而达到截断高应力传递路径，实现回撤通道的卸压的目的，可有效解决采动影响下回撤通道的围岩控制难题。
67.该采煤工作面回撤通道10卸压结构具有如下有益效果：
68.(1)减小工作面采动影响：利用人为制造的弱结构体，弱化顶板的力学性能，当顶板和煤层30同时受载时，预裂的顶板可优先破裂，从而改变应力的传递路径，将高应力向深部转移，降低超前支承压力对回撤通道10的影响。
69.(2)稳固回撤通道10顶板：人为预先在回撤通道10前方的指定位置切断老顶岩层，将工作面顶板和回撤通道10结构上分离开，使回撤通道10置于稳定的顶板岩梁下方，从而降低工作面顶板断裂回转变形等活动对回撤通道10的影响，提高回撤通道10巷道围岩的稳定性。
70.(3)未进行顶板预裂的工作面，末采期间的顶板断裂位置往往发生在回撤通道10的煤柱侧，该力学结构下，随回采侧煤柱宽度的逐渐减小，其承载力也逐渐降低，顶板的断裂、回转、下沉会造成回撤通道10结构性大变形。针对此，在回采侧顶板预先压裂后，可使得顶板断裂发生回采侧，避免了顶板最末一块顶板下沉对回撤通道10的影响。
71.在本发明的一个示例中，所述指定位置包括如下中的一个或者多个：
72.(1)回撤通道10；
73.(2)靠近回撤通道10的其他巷道；例如，联道；
74.(3)采煤工作面70，且所述采煤工作面70距离回撤通道20m至50m处。
75.可以在回撤听通道内施工钻孔卸压，但不排除其他地点施工钻孔。例如：在采煤工作面距离回撤通道20～50m时，在工作面内向回撤通道方向的顶板施工钻孔，压裂采煤工作面与回撤通道之间的顶板后，再进行推采的做法；或者其他靠近回撤通道的联巷等。
76.上述三个位置均可以开设钻孔组20，从而达到卸压的目的；其中，钻孔可以布置在回撤通道的顶板，也可以布置在底板，也可以顶板和底板岩层。
77.作为优选地，钻孔一般布置在回撤通道的采动侧，也可以在采动侧和煤柱侧都布置。
78.作为优选地，压裂区f设置在回撤通道的支护范围之外，也就是说，在回撤通道的支护范围内不能压裂，也就是压裂高度应大于锚索的高度。
79.在本发明的一个示例中，所述钻孔组20包括多个钻孔，所述钻孔由所述指定位置的同一起始点朝向顶板岩层和/或底板岩层方向延伸，且达到指定的压裂高度；即到达指定的压裂层位，使得压裂区f能够产生理想的压裂范围。
80.每个钻孔组20设置多个钻孔可以增大钻孔组20截断高应力的传递路径的范围，进一步改变高应力的传播路径，实现回撤通道10的卸压。
81.在本发明的一个示例中，所述钻孔组20包括：第一钻孔21和第二钻孔22，
82.所述第一钻孔21、所述第二钻孔22在纵向方向y与水平方向z形成的平面内的投影与水平方向z之间的夹角均为0
°
～90
°
，其中，水平方向z、横向方向x和纵向方向y彼此相互垂直。具体地，所述第一钻孔21、所述第二钻孔22均由回撤通道10依次经过泥岩层、砂岩层并延伸至砂质泥岩层。
83.例如，第一钻孔21垂直巷帮迎着工作面斜向顶板岩层施工，仰角为40
°
，钻孔长度为22m；第二钻孔22与回撤通道10方向呈夹角施工，方位角为20
°
，仰角为45
°
，钻孔长度为20m；钻孔直径均为42～94mm，钻孔间距均为7～25m。
84.通过设置第一钻孔21和第二钻孔22可以有效截断高应力的传递路径的范围，改变高应力的传播路径，实现回撤通道10的卸压。
85.在本发明的一个示例中，所述压裂区f包括多个，配置在靠近钻孔延伸的终止端20a，且由所述终止端20a朝向钻孔的起始端20b方向间隔设置；
86.优选地，在纵向方向上每下降2-4m压裂一段，每个钻孔被压裂4～8段，每段压裂时间为10min～60min，应以裂缝充分扩展为准，即采用分段后退水力压裂方法；
87.通过设置多个压裂区f能够进一步扩大压裂区f的压裂范围，保证截断高应力的传递路径，实现回撤通道10的卸压。
88.在本发明的一个示例中，压裂目标岩层一般为煤层30上方坚硬的基本顶(老顶)岩
层，应根据基本顶岩层的判断标准来判断，一般不低于3～5倍的采高，通常为煤层30上方8-30m范围内较为坚硬的岩层。如果顶板为复合顶板，目标压裂岩层可为多层。
89.在本发明的一个示例中，水力压裂在工作面侧进行，压裂范围的宽度一般为3～5倍的巷道宽度。按照单个钻孔的扩展半径6～15m设计钻孔，以满足该压裂范围。
90.在本发明的一个示例中，该卸压结构包括单排钻孔组20或者多排钻孔组20，其中，多排钻孔组20布置方式为扇形、插花布置，钻孔组20的设计原则为保障压裂盲区最小。
91.根据本发明第二方面的一种煤矿采煤工作面回撤通道10卸压方法，包括如下步骤：
92.s10：沿着与回撤通道10延伸的方向相平行的横向方向x，在位于回撤通道10与采煤工作面70之间的指定位置间隔开设多个钻孔组20，其中，每个钻孔组20包括至少一个钻孔，所述钻孔由指定位置朝向顶板岩层和/或底板岩层方向延伸；
93.s20：沿着钻孔的延伸方向通过水力压裂方式形成压裂区f。
94.该卸压方法通过找准采动应力的传播路径：应力源-传载层-受载层，确定好目标压裂层位及需要压裂的范围，在回撤通道10内开设多个钻孔组20，在每个钻孔内采用水力压裂技术开设多个压裂区f，以截断高应力的传递路径，改变高应力的传播路径，实现回撤通道10的卸压，不仅解决采动影响下回撤通道10的围岩控制难题，保障工作面回撤作业的安全高效进行，还可以为进一步优化回撤通道10的支护设计提供可能性。
95.该采煤工作面回撤通道10卸压方法具有如下有益效果：
96.(1)减小工作面采动影响：利用人为制造的弱结构体，弱化顶板的力学性能，当顶板和煤层30同时受载时，预裂的顶板可优先破裂，从而改变应力的传递路径，将高应力向深部转移，降低超前支承压力对回撤通道10的影响。
97.(2)稳固回撤通道10顶板：人为预先在回撤通道10前方的指定位置切断老顶岩层，将工作面顶板和回撤通道10结构上分离开，使回撤通道10置于稳定的顶板岩梁下方，从而降低工作面顶板断裂回转变形等活动对回撤通道10的影响，提高回撤通道10巷道围岩的稳定性。
98.(3)未进行顶板预裂的工作面，末采期间的顶板断裂位置往往发生在回撤通道10的煤柱侧，该力学结构下，随回采侧煤柱宽度的逐渐减小，其承载力也逐渐降低，顶板的断裂、回转、下沉会造成回撤通道10结构性大变形。针对此，在回采侧顶板预先压裂后，可使得顶板断裂发生回采侧，避免了顶板最末一块顶板下沉对回撤通道10的影响。
99.在本发明的一个示例中，所述指定位置包括如下中的一个或者多个：
100.(1)回撤通道10；
101.(2)靠近回撤通道10的其他巷道；例如，联道；
102.(3)采煤工作面70，且所述采煤工作面70距离回撤通道20m至50处。
103.上述三个位置均可以开设钻孔组20，从而达到卸压的目的。
104.在本发明的一个示例中，所述钻孔组20包括多个钻孔，所述钻孔由所述指定位置的同一起始点朝向顶板岩层和/或底板岩层方向延伸，且达到指定的压裂高度；即到达指定的压裂层位，使得压裂区f能够产生理想的压裂范围。
105.每个钻孔组20设置多个钻孔可以增大钻孔组20截断高应力的传递路径的范围，进一步改变高应力的传播路径，实现回撤通道10的卸压。
106.在本发明的一个示例中，所述钻孔组20包括：第一钻孔21和第二钻孔22，
107.所述第一钻孔21、所述第二钻孔22在纵向方向y与水平方向z形成的平面内的投影与水平方向z之间的夹角均为0
°
～90
°
，其中，水平方向z、横向方向x和纵向方向y彼此相互垂直。具体地，所述第一钻孔21、所述第二钻孔22均由回撤通道10依次经过泥岩层、砂岩层并延伸至砂质泥岩层。
108.例如，第一钻孔21垂直巷帮迎着工作面斜向顶板岩层施工，仰角为40
°
，钻孔长度为22m；第二钻孔22与回撤通道10的横向方向x呈夹角施工，方位角为20
°
，仰角为45
°
，钻孔长度为20m；钻孔直径均为42～94mm，钻孔间距均为7～25m。
109.通过设置第一钻孔21和第二钻孔22可以有效截断高应力的传递路径的范围，改变高应力的传播路径，实现回撤通道10的卸压。
110.在本发明的一个示例中，所述压裂区f包括多个，配置在靠近钻孔延伸的终止端20a，且由所述终止端20a朝向钻孔的起始端20b方向间隔设置；
111.优选地，在纵向方向上每下降2-4m压裂一段，每个钻孔被压裂4～8段，每段压裂时间为10min～60min；
112.通过设置多个压裂区f能够进一步扩大压裂区f的压裂范围，保证截断高应力的传递路径，实现回撤通道10的卸压。
113.在本发明的一个示例中，所述水力压裂应在工作面超前支承应力影响范围到达巷道之前完成；
114.这是因为采动应力影响范围到达回撤通道后，回撤通道的围岩已经变形破坏，水力压裂过程中的高压水容易导通裂隙而跑水，影响压裂效果。再者，钻孔在采动应力作用下容易发生塌孔，不利于水力压裂施工。
115.在本发明的一个示例中，所述钻孔组20的间距大于等于1倍的扩展半径，应小于1.5倍的扩展半径，以保证两个钻孔之间的压裂范围可部分覆盖，以保证压裂效果。
116.在本发明的一个示例中，压裂目标岩层一般为煤层30上方坚硬的基本顶(老顶)岩层，应根据基本顶岩层的判断标准来判断，一般不低于3～5倍的采高，通常为煤层30上方8-30m范围内较为坚硬的岩层。如果顶板为复合顶板，目标压裂岩层可为多层。
117.在本发明的一个示例中，水力压裂在工作面侧进行，压裂范围的宽度一般为3～5倍的巷道宽度。按照单个钻孔的扩展半径6～15m设计钻孔，以满足该压裂范围。
118.在本发明的一个示例中，该卸压方法包括单排钻孔组20或者多排钻孔组20，其中，多排钻孔组20布置方式为扇形、插花布置，钻孔组20的设计原则为保障压裂盲区最小。
119.具体案例：
120.工作面回撤通道10切顶卸压护巷水力压裂控制技术方案如图7至图11所示，在回撤通道10内朝向老塘侧施工钻孔并进行水力压裂，共布置14组钻孔，每个钻孔组20包括2个，分别为第一钻孔21、第二钻孔22，共计施工28个钻孔。
121.第一钻孔21垂直巷帮迎着工作面斜向顶板岩层施工，仰角为40
°
，钻孔长度为22m；第二钻孔22与回撤通道10方向呈夹角施工，方位角为20
°
，仰角为45
°
，钻孔长度为20m；钻孔直径均为42～94mm，钻孔间距均为7～25m。
122.采用高压水分段压裂，从孔顶部开始每后退3m压裂一次，直至压裂至距离孔口8m位置，每个钻孔压裂4段，每段的压裂时间为20～30min。
123.该具体案例中，通过找准采动应力的传播路径：应力源-传载层-受载层，在回撤通道10内开设14个钻孔组20，共计28个钻孔，并且在每个钻孔内采用水力压裂技术开设多个压裂区f，以截断高应力的传递路径，改变高应力的传播路径，实现回撤通道10的卸压，不仅解决采动影响下回撤通道10的围岩控制难题，保障工作面回撤作业的安全高效进行，还可以为进一步优化回撤通道10的支护设计提供可能性。
124.上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的煤矿采煤工作面回撤通道10卸压结构和方法的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。