一种矿震矿井地面水力压裂合理改造尺寸设计方法及系统

本技术涉及煤矿安全，特别涉及一种矿震矿井地面水力压裂合理改造尺寸设计方法及系统。

背景技术：

1、在煤矿开采过程中，伴随着井下采场开采面积的不断扩大，厚硬覆岩初次破断运动容易引发大能量矿震，大能量矿震灾害的发生给矿井安全生产带来了严重的挑战，同时也给矿震矿井地面上的居民生活带来了极大不便与恐慌。

2、地面水力压裂技术在防治矿震等矿山动力灾害方面显示出显著潜力，该技术通过源头压裂改造工作面上方致灾的厚硬岩层，达到矿震矿井减震效果。但受研究及应用试件等因素的制约，地面水力压裂防治煤矿动力灾害技术体系尚不完善，煤矿厚硬覆岩地面水力压裂改造缺乏依据。

3、如何科学、合理、准确地设计矿震矿井地面水力压裂改造尺寸，对于丰富煤矿地面水力压裂防治煤矿动力灾害技术体系、指导煤矿安全生产、解除矿井驻地居民矿震恐慌有重大意义。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种矿震矿井地面水力压裂合理改造尺寸设计方法及系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、本技术提供一种矿震矿井地面水力压裂合理改造尺寸设计方法，包括：步骤s101、获取未采取压裂措施时压裂岩层初次破断运动对地面产生的残余矿震能量以及对井下压裂工作面产生的残余矿震能量，并根据预设的层位识别模型，确定所述矿震矿井目标压裂岩层的层位；步骤s102、确定所述矿震矿井的目标压裂岩层的压裂岩层组体积、所述目标压裂岩层的压裂岩层组走向长度、所述目标压裂岩层的压裂岩层组倾向长度、所述目标压裂岩层的压裂岩层组垂向高度；步骤s103、在所述矿震矿井的地面水力压裂的合理改造范围中，选定多组改造尺寸，并分别确定每组改造尺寸对应的压裂岩层组运动对地面产生的残余矿震能量，以及对井下压裂工作面产生的残余矿震能量； 其中，为正整数，；步骤s104、根据每组改造尺寸对应的压裂岩层组运动对地面产生的残余矿震能量，以及对井下压裂工作面产生的残余矿震能量，基于预设的参数评价模型，确定每组改造尺寸对应的所述矿震矿井的地面水力压裂减震效果最终评价参数，并根据所述最终评价参数小于预设评价阈值时对应的改造尺寸对所述矿震矿井进行地面水力压裂改造。

4、优选的，在步骤s101中，基于预先构建的层位识别模型，根据所述矿震矿井的目标压裂工作面上覆层关键层的压裂层位识别参数，确定所述矿震矿井的目标压裂岩层的层位；其中，为正整数。

5、优选的，按照公式：

6、；

7、确定第层关键层的压裂层位识别参数；其中，为第层关键层运动过程中的震动波释放效率；为第层关键层的自重及其上部关键层附加单位长度折算载荷；为第层关键层的初次破断步距；为第层关键层的悬空跨度；为第层关键层的运动矿震波衰减系数；为第层关键层的运动震源点至所述矿震矿井地面最近建筑物的距离；为第层关键层的弹性模量；为第层关键层的岩层厚度；

8、为第层关键层的运动震源点至所述矿震矿井井下目标压裂工作面的距离；

9、为第层关键层与地面最近建筑物处产生的残余矿震能量在所述矿震矿井地面水力压裂层位识别过程中的权重；为第层关键层与井下目标压裂工作面处产生的残余矿震能量在所述矿震矿井地面水力压裂层位识别过程中的权重；均为正整数，。

10、优选的，按照公式：

11、；

12、确定所述矿震矿井的目标压裂岩层的层位；

13、其中，表示正整数，为正整数；为第层关键层的压裂层位识别参数。

14、优选的，在步骤s102中，按照公式：

15、；

16、确定所述目标压裂岩层的压裂岩层组体积；

17、其中，为所述矿震矿井所在位置的矿震控制临界等级；为所述矿震矿井目标压裂岩层的运动矿震波衰减系数；为所述矿震矿井目标压裂岩层的压裂岩层组运动震源点至所述矿震矿井地面最近建筑物的距离；为所述矿震矿井目标压裂岩层运动过程中震动波释放效率；为所述矿震矿井目标压裂岩层的容重；为所述矿震矿井目标压裂工作面上覆关键层的采动沉降系数；为所述矿震矿井目标压裂工作面的采高。

18、优选的，在步骤s102中，按照公式：

19、；

20、确定所述目标压裂岩层的压裂岩层组走向长度、所述目标压裂岩层的压裂岩层组倾向长度、所述目标压裂岩层的压裂岩层组垂向高度；

21、其中，为所述矿震矿井目标压裂岩层距离目标压裂工作面的垂向高度；为所述矿震矿井目标压裂工作面的上覆岩层的移动角；为所述矿震矿井目标压裂岩层的悬空跨度；

22、为所述矿震矿井目标压裂岩层的厚度；为所述矿震矿井的目标压裂岩层的层位。

23、优选的，在步骤s103中，按照公式：

24、；

25、确定第组改造尺寸对应的压裂岩层组运动对地面产生的残余矿震能量，以及对井下压裂工作面产生的残余矿震能量；

26、其中，为正整数；；为所述矿震矿井目标压裂岩层运动过程中震动波释放效率；为所述矿震矿井目标压裂岩层的容重；为所述矿震矿井目标压裂岩层上覆关键层的采动沉降系数；为所述矿震矿井目标压裂岩层的采高；为所述矿震矿井目标压裂岩层的运动矿震波衰减系数；为所述矿震矿井目标压裂岩层第 i组改造尺寸对应的压裂岩层组的运动震源点距离地表最近建筑物的距离；为所述矿震矿井目标压裂岩层第 i组改造尺寸对应的压裂岩层组运动震源点距离井下目标压裂岩层的距离。

27、优选的，步骤s104包括，按照公式：

28、；

29、确定第 i组改造尺寸对应的所述矿震矿井的地面水力压裂减震效果最终评价参数；

30、其中，为第组改造尺寸对应的压裂岩层组运动对地面产生的残余矿震能量，  为第组改造尺寸对应的压裂岩层组运动对井下压裂工作面产生的残余矿震能量；

31、为所述矿震矿井目标压裂岩层初次破断运动对地面最近建筑物产生的残余矿震能量；为所述矿震矿井目标压裂岩层初次破断运动对目标压裂工作面产生的残余矿震能量；

32、为第组改造尺寸对应的所述矿震矿井地面水力压裂地表中层减震效果评价参数；为第组改造尺寸对应的所述矿震矿井地面水力压裂井下中层减震效果评价参数；为地表中层减震效果评价参数在第 i组改造尺寸对应的所述矿震矿井的地面水力压裂减震效果最终评价过程中的权重；为井下中层减震效果评价参数在第 i组改造尺寸对应的所述矿震矿井的地面水力压裂减震效果最终评价过程中的权重。

33、本技术实施例还提供一种矿震矿井地面水力压裂合理改造尺寸设计系统，包括：压裂岩层识别单元，配置为获取未采取压裂措施时压裂岩层初次破断运动对地面产生的残余矿震能量以及对井下压裂工作面产生的残余矿震能量，并根据预设的层位识别模型，确定所述矿震矿井目标压裂岩层的层位；改造范围单元，配置为确定所述矿震矿井的目标压裂岩层的压裂岩层组体积、所述目标压裂岩层的压裂岩层组走向长度、所述目标压裂岩层的压裂岩层组倾向长度、所述目标压裂岩层的压裂岩层组垂向高度；能量计算单元，配置为在所述矿震矿井的地面水力压裂的合理改造范围中，选定多组改造尺寸，并分别确定每组改造尺寸对应的压裂岩层组运动对地面产生的残余矿震能量，以及对井下压裂工作面产生的残余矿震能量； 其中，为正整数，；改造评价单元，配置为根据每组改造尺寸对应的压裂岩层组运动对地面产生的残余矿震能量，以及对井下压裂工作面产生的残余矿震能量，基于预设的参数评价模型，确定每组改造尺寸对应的所述矿震矿井的地面水力压裂减震效果最终评价参数，并根据所述最终评价参数小于预设评价阈值时对应的改造尺寸对所述矿震矿井进行地面水力压裂改造。

34、有益效果：

35、本技术实施例提供的矿震矿井地面水力压裂合理改造尺寸设计方法中，首先，获取未采取压裂措施时压裂岩层初次破断运动对地面产生的残余矿震能量以及对井下压裂工作面产生的残余矿震能量，并根据预设的层位识别模型，确定矿震矿井目标压裂岩层的层位；接着，确定矿震矿井的地面水力压裂的合理改造范围，即确定矿震矿井的目标压裂岩层的压裂岩层组体积、目标压裂岩层的压裂岩层组走向长度、目标压裂岩层的压裂岩层组倾向长度、以及目标压裂岩层的压裂岩层组垂向高度；然后，在地面水力压裂的合理改造范围中，选定多组改造尺寸，并分别确定每组改造尺寸对应的压裂岩层组运动对地面产生的残余矿震能量，以及对井下压裂工作面产生的残余矿震能量；最后，根据每组改造尺寸对应的压裂岩层组运动对地面产生的残余矿震能量、以及对井下压裂工作面产生的残余矿震能量，基于预设的参数评价模型，确定每组改造尺寸对应的矿震矿井的地面水力压裂减震效果最终评价参数，并根据最终评价参数小于预设评价阈值时对应的改造尺寸对矿震矿井进行地面水力压裂改造。

36、籍以，在矿震矿井地面水力压裂改造过程中，充分考虑地面建筑物保护及井下工作面减震工作，为地面水力压裂技术防治矿震的合理改造尺寸设计、现场压裂实际施工停止时机的选择提供了科学合理的理论指导，杜绝了盲目设计可能造成的资源浪费与错失最佳减震时机等问题，保证了压裂减震效果，保障了井下工作面的安全高效生产，有助于降低矿井驻地居民的矿震心理恐慌，对于实际的压裂施工具有重要的实践指导意义。