一种区域性源头防控掘进工作面冲击地压的方法

1.本发明涉及冲击地压灾害防治技术领域，特别是涉及一种区域性源头防控掘进工作面冲击地压的方法。


背景技术：

2.随着煤炭资源逐步走向深部开采，煤炭行业面临的冲击地压问题日益严峻，掘进工作面重大冲击地压事故往往会造成重大人员伤亡，严重影响了深部矿井的安全高效生产，掘进工作面的冲击地压防治问题已成为威胁能源安全的重要因素之一。
3.目前针对掘进工作面冲击地压防治的攻关方向主要分为卸压和支护两部分，其中卸压方面主要为掘进工作面围岩钻孔卸压、深孔爆破、水力扩孔等方法，例如专利cn102425416a公开了一种煤矿高应力区域巷道掘进工作面冲击地压防治方法，核心内容为迎头扇形大直径钻孔与常规深孔爆破组合卸压，该方法工艺复杂，深孔爆破效果难以控制；而支护方面主要为加强围岩主动和被动支护、浅部围岩注浆等方法，例如cn110107352a公开了一种煤矿巷道迎头岩爆发生前的防护方法，核心内容简要为岩爆发生前对掘进迎头补强被动支护，该方法的实施需要能够较为准确的预测岩爆发生时间，但是岩爆的精准预报目前同样是难以解决的行业难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种区域性源头防控掘进工作面冲击地压的方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过区域性顶板压裂在掘进工作面上方形成压裂保护层，保护工作面在低应力区进行掘进作业，源头上消除掘进工作面冲击地压发生的应力条件。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种区域性源头防控掘进工作面冲击地压的方法，包括如下步骤：
7.s1：进行顶板割缝和压裂预试验，确定割缝及压裂设计参数；
8.s2：在巷道上方岩层中施工定向压裂孔；
9.s3：确定压裂孔内压裂位置，并在压裂孔的每个压裂段内进行预割缝；
10.s4：在掘进巷道内安装微震监测系统；
11.s5：对压裂孔内设计压裂段进行水力压裂。
12.可选的，所述s1中设计参数包括割缝压力、流量、时间、半径，压裂压力、流量、时间、半径，其中压裂半径不小于2.5倍巷道宽度。
13.可选的，所述s2中压裂孔直径50～100mm，压裂孔长度500～1000m；压裂孔层位距离煤层1.5～2倍压裂半径。
14.可选的，所述s3中压裂段间距不大于压裂半径的1.6倍；压裂孔内最浅处压裂段距离掘进工作面不小于3倍压裂半径。
15.可选的，所述s4中微震监测系统的监测点数量不少于4个；微震监测系统安装时确保监测点不在同一平面或剖面上，能够形成空间布置。
16.可选的，所述s5中采用分体式封孔器进行封孔作业，分体式封孔器为高压分体式封孔器；根据微震监测结果及时优化调整压裂方案；采用由深向浅的方向后退式逐段水力压裂。
17.可选的，所述s3中预割缝采用顶板水砂割缝装置，本发明顶板水砂割缝装置为高压顶板水砂割缝装置；所述顶板水砂割缝装置包括并行设置的供水箱和供砂箱；所述供水箱通过输水管连接有搅拌机，所述供砂箱通过输砂带与所述搅拌机连接，所述搅拌机的出料口通过浆液管连接有浆液泵，该浆液泵为高压浆液泵，所述浆液泵上设置有压力表和流量计，所述浆液泵通过割缝管与位于压裂孔内的割缝旋转机连通，该割缝管为割缝高压管，所述割缝旋转机上设置有劈裂孔。
18.可选的，所述s5中采用顶板水力压裂装置进行水力压裂，顶板水力压裂装置为高压顶板水力压裂装置，所述顶板水力压裂装置包括水箱，所述水箱通过输水管与压裂泵连接，该压裂泵为高压压裂泵，所述压裂泵通过封孔器管和压裂管与压裂孔内布置的分体式封孔器相连，封孔器管为封孔器高压管，压裂管为压裂高压管，分体式封孔器为高压分体式封孔器，所述压裂孔外部的封孔器管上分别设置有封孔器控制阀、封孔器卸压阀、封孔器压力表和封孔器流量计，所述压裂孔外部的压裂管上分别设置有压裂控制阀、压裂卸压阀、压裂压力表和压裂流量计。
19.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
20.本发明提供的区域性源头防控掘进工作面冲击地压的方法，通过区域性顶板水力压裂在掘进工作面上方形成卸压带，保护工作面在低应力区进行掘进作业，源头上消除掘进工作面冲击地压发生的应力条件，避免围岩破坏性卸压导致的巷道断面变形，保障掘进工作面的安全高效推进。
附图说明
21.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。
22.图1为本发明的裂隙发育及方案实施前后应力分布曲线示意图；
23.图2为本发明的高压顶板水砂割缝施工工艺示意图；
24.图3为本发明的高压顶板水力压裂装置位于压裂孔内部部分的结构布置示意图；
25.图4为本发明的高压顶板水力压裂装置位于压裂孔外部部分的结构布置示意图；
26.图5为本发明的割缝—压裂效果示意图。
27.其中：1—顶板；2—煤层；3—巷道；4—压裂孔；5—预割缝；6—压裂缝；7—微震测点；8—压裂前应力分布曲线；9—压裂后应力分布曲线；10—应力转移方向；11—供水箱；12—供砂箱；13—输水管；14—输砂带；15—搅拌机；16—浆液管；17—高压浆液泵；18—压力表；19—流量计；20—割缝高压管；21—割缝旋转机；22—劈裂孔；23—水箱；24—高压压裂泵；25—封孔器高压管；26—压裂高压管；27—封孔器控制阀；28—压裂控制阀；29—封孔器卸压阀；30—压裂卸压阀；31—封孔器压力表；32—压裂压力表；33—封孔器流量计；34—压裂流量计；35—高压分体式封孔器。
具体实施方式
28.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在没有做出创造性劳动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。
29.本发明的目的是提供一种区域性源头防控掘进工作面冲击地压的方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过区域性顶板压裂在掘进工作面上方形成压裂保护层，保护工作面在低应力区进行掘进作业，源头上消除掘进工作面冲击地压发生的应力条件。
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.本发明提供一种区域性源头防控掘进工作面冲击地压的方法。
32.该方法包括步骤如下：
33.s1：进行顶板割缝和压裂预试验，确定割缝及压裂设计参数；
34.s2：在巷道上方岩层中施工定向长距离压裂钻孔；
35.s3：确定压裂孔内压裂位置，并在每个压裂段内进行预割缝；
36.s4：在掘进巷道内安装高精度微震监测系统；
37.s5：对压裂孔内设计压裂段进行水力压裂。
38.下面结合具体实施例予以说明。
39.s1：选择一处顶板完好区域进行顶板高压水砂割缝和高压水力压裂预试验，共进行3次重复试验，确定顶板岩层的割缝压力、流量、时间、半径，压裂压力、流量、时间、半径，其中压裂半径不小于13m。
40.s2：在掘进巷道3上方顶板1中施工水平压裂孔4，压裂孔4设计如图1、图2所示，压裂孔4直径50～100mm、长度100～200m，压裂孔4层位距离煤层2为20～25m。
41.s3：当压裂孔4钻进预定深度后，将高压顶板水砂割缝装置按图2所示进行安装，高压顶板水砂割缝装置包括供水箱11、供砂箱12、输水管13、输砂带14、搅拌机15、浆液管16、高压浆液泵17、压力表18、流量计19、割缝高压管20、割缝旋转机21。割缝作业前将供水箱11、供砂箱12充装完毕(割缝期间要求水、砂持续供应)，供水箱11、供砂箱12通过输水管13、输砂带14分别与搅拌机15连接，搅拌机15通过浆液管16连接高压浆液泵17，高压浆液泵17上设置压力表18和流量计19，高压浆液泵17后连接割缝高压管20，割缝高压管20接入割缝旋转机21后，送入压裂孔4。
42.将割缝旋转机21送入压裂孔4内最深处压裂段后，运行高压顶板水砂割缝装置，高压水砂通过旋转割缝机21上的劈裂孔22，旋转切割岩体产生预割缝5，每处压裂段进行两次割缝，预割缝效果如图1、图2所示。采用预试验确定的割缝—压裂参数，按照压裂间距不大于1.6倍压裂半径的原则设计压裂段位置(最浅处压裂段距离掘进迎头不小于3倍压裂半径)，在压裂孔内按照由深向浅的方向重复以上割缝流程直至所有压裂段完成预割缝工序。
43.s4：在巷道3内不同位置安装微震测点7，如图1、图2所示监测点数量不少于4个，安装时确保监测点不在同一平面或剖面上，能够形成空间布置。
44.s5：压裂孔4内所有设计压裂段的预割缝5施工完毕后，退出压裂孔4内的割缝高压管20和割缝旋转机21，将高压顶板水力压裂装置按照图3和图4所示进行安装，高压顶板水
力压裂装置包括水箱23、输水管13、高压压裂泵24、封孔器高压管25、压裂高压管26、封孔器控制阀27、压裂控制阀28、封孔器卸压阀29、压裂卸压阀30、封孔器压力表31、压裂压力表32、封孔器流量计33、压裂流量计34、高压分体式封孔器35。水力压裂前将水箱23充装完毕(压裂期间要求对水箱持续供水)，水箱通过输水管13与高压压裂泵24连接，高压压裂泵通过封孔器高压管25、压裂高压管26与压裂孔4内布置的高压分体式封孔器35相连，压裂孔4外部的封孔器高压管25上布置了封孔器控制阀27、封孔器卸压阀29、封孔器压力表31和封孔器流量计33，压裂孔4外部的压裂高压管26上布置了压裂控制阀28、压裂卸压阀30、压裂压力表31和压裂流量计34。
45.将高压分体式封孔器35送入压裂孔4内最深处压裂段后，运行高压顶板水力压裂装置，高压水通过高压压裂泵24、封孔器高压管25进入高压分体式封孔器35，经过封孔器控制阀27、封孔器卸压阀29、封孔器压力表31和封孔器流量计33的监测与调控后完成压裂段的封孔作业；随后通过高压压裂泵24将高压水通过压裂高压管26输送至高压分体式封孔器35密封的压裂段，通过压裂控制阀28、压裂卸压阀30、压裂压力表31和压裂流量计34的监测与调控后完成压裂孔4最深处(第一段)压裂段的压裂作业，压裂过程中根据高精度微震监测结果及时优化调整压裂参数，完成本段压裂作业之后，采用压裂孔4由深向浅的方向后退式逐段重复以上作业流程直至完成全部压裂(最后压裂段距离掘进迎头不小于3倍压裂半径)，压裂效果如图1、图5所示，压裂缝6从预割缝5开始向压裂孔4周围扩展，巷道3压裂前应力分布曲线8峰值转移，根据应力转移方向10，最终形成压裂后应力分布曲线9，顶板压裂带下方的巷道3位于低应力区进行掘进作业，降低了掘进工作面四周的应力水平，可有效防控掘进工作面冲击地压。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
47.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。