[發明專利]一種多維度水力壓裂煤層頂板優化停采線的方法

有效

• 申請號: 201910600608.0
• 申請日: 2019-07-04
• 公開（公告）號: CN110295880B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 何青源;徐金海;曹悅;張曉悟;張帥;李歡恒;徐森茂;陶鑫
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21B43/26
• 分類號: E21B43/26
• 代理公司: 徐州市三聯專利事務所 32220
• 代理人: 何君

本發明公開一種多維度水力壓裂煤層頂板優化停采線的方法，包括以下步驟，步驟一：獲取工作面地質條件和頂板巖層結構特征，計算工作面超前支承壓力影響范圍及影響強度；步驟二：在待壓裂巖體處于工作面超前支承壓力影響范圍外時進行一次壓裂，形成一系列水平方向水力裂紋；步驟三在待壓裂巖體處于工作面超前支承壓力影響范圍內時進行二次壓裂，形成一系列垂直方向水力裂紋，切斷頂板巖層。該方法能夠在工作面末采結束后，避免或削弱工作面超前支承壓力對準備巷道的影響，達到優化停采線的目的，減少煤炭資源損失，有可控性強、安全可靠、操作簡便、成本低的優點。

技術領域

本發明涉及煤礦堅硬頂板管理，具體涉及在逆斷層地應力條件下的一種多維度水力壓裂煤層頂板優化停采線的方法。

背景技術

煤礦地下開采時需在井下開掘大量巷道。其中，采區準備巷道服務于整個采區多個工作面的運煤、行人或通風，巷道的穩定性對煤礦高效、安全生產至關重要。工作面回采過程中產生超前支承壓力，對工作面前方的采區準備巷道造成影響，因此需人為地設置一條停采線。若停采線與準備巷道之間距離過長，會導致過多的煤炭損失，降低資源采出率；若停采線與準備巷道之間距離過短，準備巷道容易受工作面前方支承壓力影響產生較大變形、甚至破壞。

現有技術中，專利公開號為CN106321049A、名稱為“利用水力壓裂卸壓優化停采線位置的方法及裝置”的專利公開了一種利用水力壓裂卸壓優化煤礦工作面停采線的方法，通過由采區準備巷道向停采線附近頂板巖層沿準備巷道軸向方向開鑿一系列間距為10~20m的水力壓裂鉆孔對工作面頂板進行壓裂卸壓，進而優化停采線位置。然而，該方法存在以下缺陷：1）現場條件下，與工作面相鄰的采區巷道通常為運煤巷道，運煤皮帶機的存在限制了鉆孔和壓裂施工的空間，因此該方法現場操作性有限；2）需沿準備巷道軸向方向開鑿大量水力壓裂鉆孔，增加了人力、時間和經濟成本；3）該方法雖然使用了特制刀具在水力壓裂鉆孔內部進行切槽處理，對水力裂紋的起裂過程進行定向，但是忽略了地應力對水力裂紋起裂后擴展軌跡的影響，在某些地應力條件下并不能如預期的在頂板巖層中制造出一系列垂直方向的水力裂紋，難以達到切斷頂板巖層的目的。專利公開號為CN106150503A、名稱為“一種水力壓裂治理堅硬頂板的方法”的專利明確指出水力裂紋沿著垂直于最小地應力方向的平面擴展。在逆斷層地應力條件下，常規的水力壓裂技術只能制造出一系列水平方向的水力裂紋。

理想情況下，水力壓裂切頂卸壓的目的是在頂板巖層內制造出一系列垂直方向或傾斜方向的水力裂紋，從而破壞采空區頂板的“懸臂梁”結構，降低工作面支承壓力對周邊巷道的影響。專利公開號為CN102852522A、名稱為“煤礦巷道卸壓水力壓裂方法及裝置”的專利公開了一種通過水力壓裂技術致裂卸壓煤柱上方頂板的方法，該方法忽略了頂板巖體內應力狀態對水力裂紋擴展軌跡的影響，難以針對不同地應力條件實現頂板巖體的有效壓裂。專利公開號為CN103953343A、名稱為“一種對煤層堅硬頂板控制放頂的方法”的專利提出利用一系列短間距布置的壓裂孔，配合水力割縫技術在壓裂孔內進行定向切割，實現對水力裂紋的定向控制。該方法的缺點是：1）水力割縫技術需要使用昂貴的壓裂設備，包括壓裂泵和割縫鉆頭；2）水力割縫工序和大量短間距布置的壓裂孔增加了施工的經濟成本、人力成本和時間成本；3）同樣忽略了地應力對水力裂紋擴展軌跡的控制，缺乏實踐證據表明該方法能夠在不同地應力條件下對水力裂紋的擴展軌跡進行有效控制。專利公開號為CN106368701A、名稱為“利用水力壓裂卸壓控制回采巷道留巷的方法及裝置”的專利提出利用在水力壓裂鉆孔內預制人造切槽的方式對水力裂紋進行定向控制，達到有效致裂的目的。然而，大量實驗室實驗、數值模擬和現場觀測結果表明預制切槽只能在大約兩倍鉆孔直徑范圍內對水力裂紋的起裂方向進行定向，水力裂紋起裂后持續擴展的軌跡受巖體內局部應力狀態影響，沿著垂直于最小主應力方向的平面進行擴展。因此，水力壓裂需考慮切頂位置局部應力條件。