[发明专利]煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种矿井下煤层顶板坚硬岩层的破裂方法，具体是一种煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法。

背景技术

在我国煤矿开采中诱发的煤岩动力灾害问题一直十分突出。其中冲击矿压是最棘手的一种煤岩动力灾害。研究表明冲击矿压多发生在具有坚硬顶板的煤层中，尤其是在具有厚度大、强度高、结构致密的坚硬厚层砂岩顶板中。而对综采工作面煤层顶板中坚硬中砂岩层定向处理弱化是防止冲击矿压的有效途径。采用普通钻孔炸药爆破方法会形成较强烈的冲击波，对煤岩体造成较大的应力扰动，存在诱导动力灾害的隐患，对局部围岩的破坏较大，不易实现定向处理。水力致裂技术最早应用在石油工程来提高贫油井的产量，目前被广泛应用于现代煤炭开采等领域，显示出广泛的工业应用价值。但是，在现有的一些常规煤层水力致裂的过程中，裂缝的扩展都表现出了时间和空间的不均匀性，因此，借助于水力致裂的基本概念，研究开发一种针对2-3米厚坚硬中砂岩层且参数更为合理、致裂效果更好的水力致裂方法作为解决煤矿开采中诱发的煤岩动力灾害问题的关键技术之一，就显得尤为重要了。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种参数更为合理、致裂效果更好的水力致裂方法，具体是一种煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层的水力致裂方法，包括如下步骤：

1）分别在机巷和风巷超前工作面靠两巷外帮侧的巷道顶板上距离巷帮0.5-1.5m的位置沿巷道轴线方向施工一排观测钻孔，观测钻孔垂直顶板向上开设，每排观测钻孔包括若干组观测孔，每组观测钻孔包括两个观测钻孔：第一观测钻孔和第二观测钻孔，每排的所有观测钻孔间距都为8m；通过岩层钻孔探测仪对观测钻孔进行探测，确定煤层顶板上方中2-3米厚坚硬中砂岩层的分布情况；

2）在巷道顶板上每排观测钻孔的连线上采用直径42mm钻头施工组数和该排观测钻孔组数相同的致裂钻孔，每组致裂钻孔包括两个致裂钻孔：第一致裂钻孔和第二致裂钻孔，每组致裂钻孔的第一致裂钻孔位于相对应观测钻孔组的第一观测钻孔的左侧且二者间距为3m，每组致裂钻孔的第二致裂钻孔位于相对应观测钻孔组的第二观测钻孔的左侧且二者间距为3m；每组致裂钻孔的第一致裂钻孔和第二致裂钻孔都是与巷帮面平行并且向采空区方向倾斜的倾斜钻孔，第一致裂钻孔与巷道顶板的夹角为25°-35°，第二致裂钻孔与巷道顶板的夹角为40°-50°，第一、二致裂钻孔的深度延伸至中厚且坚硬岩层的中间位置；通过开槽钻头在第一致裂钻孔内开设一个楔形环槽，该楔形环槽位于第一致裂钻孔孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层的中间位置；通过开槽钻头在第二致裂钻孔内开设两个楔形环槽，其中两个楔形环槽相距1m且位于第二致裂钻孔孔底同时也是2-3米厚坚硬中砂岩层的中间位置（致裂钻孔内开楔形环槽时，先更换孔底开楔形环槽钻头，再送入钻孔，开动钻机，钻机向前钻动，钻头两侧的刀片张开，刀片张开的同时钻头转动，在钻孔孔底形成楔形环槽。开槽后，钻杆停止向前钻动，改为向后钻动，刀片收缩进入开槽钻头内；退出钻杆及钻头，即完成开槽钻孔的施工。其中，所述的楔形环槽钻头为现有公知产品，其结构和使用时本领域技术人员熟知的）；

3）首先将注水封孔器连接高压管路，高压管路另一端连接致裂泵，然后将注水封孔器置于每组致裂钻孔的第一、二致裂钻孔孔底，最后开启致裂泵通过注水封孔器对第一、二致裂钻孔进行注水致裂，封孔段长度为２ｍ；第一致裂钻孔的注水致裂分四个阶段，每个阶段的致裂时间分别为：230-235s、100-105s、35-40s、45-50s，每个阶段的水压力峰值分别为50-51MPa、43-44MPa、40-41MPa、38-39MPa；第二致裂钻孔的注水致裂分两个阶段，每个阶段的致裂时间分别为：25-30s、55-60s，每个阶段的水压力峰值分别为37-38MPa、31-32MPa；在水力致裂过程中通过煤矿井下水力致裂监测仪进行实时监测。

本发明中的各参数是针对煤层顶板中2-3米厚坚硬中砂岩层通过大量的理论分析计算和数值模拟计算而优选出的。

进一步地，所述的致裂泵采用南京六合煤矿机械有限公司生产的BZW200/56型注水泵，公称流量200L/min,公称压力56Mpa。该泵能实现较远距离的电控操作，为操作人员的安全提供了保障。