[发明专利]采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水力致裂方法，尤其是一种用于煤矿井下控制采煤工作面端头悬顶的水力致裂方法。

背景技术

煤岩体结构改造是解决煤矿中的坚硬顶板、冲击矿压、低渗透性煤层瓦斯抽采、煤与瓦斯突出、坚硬顶煤弱化等技术难题涉及的核心共性科学问题。通过水力致裂改造顶板岩体结构，达到控制工作面顶板的及时冒落，成为解决煤矿开采岩层控制的关键技术之一。

煤矿开采过程中由于顶板坚硬，虽然采空区中部的大部分顶板能够及时垮落，但是在采煤工作面端头，由于回采巷道煤柱侧巷帮的支撑，容易出现端头悬顶。端头悬顶多为沿巷道走向的窄长板悬顶形式，悬顶面积一般大于几十平方米。从矿压控制角度来讲端头悬顶一般不会对工作面造成冲击破坏，但当悬顶突然垮落时会把采空区的有毒有害气体突然挤出采空区、挤入采煤工作面，造成工作面安全问题；尤其是对于高瓦斯矿井，采空区的瓦斯被突然挤入采煤工作面，造成工作面瓦斯超限，影响工作面安全、高效生产。同时，端头悬顶突然破断垮落，冒落岩块间的碰撞可能会产生火花，存在诱导采空区内积聚瓦斯爆炸的安全隐患。采煤工作面的采空区有害气体多为CO和CH₄，炸药爆破控制端头的悬顶容易造成次生灾害并且施工、管理复杂。水力致裂控制采煤工作面端头悬顶成为安全可行的技术之一。

发明内容

技术问题：本发明目的是针对水力致裂技术中存在的应用问题，提供了一种简单、安全、高效的控制采煤工作面端头悬顶的小孔径水力致裂方法。

技术方案：本发明的采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂方法，包括以下步骤：

a.通过采煤工作面采高和顶板碎胀系数确定钻孔深度H，然后在采煤工作面端头施工一个深度为H的钻孔，进行水力致裂，得到裂缝扩展距离，结合巷道支护强弱，确定致裂钻孔的间距L；

b.使用锚索钻机，按照钻孔深度H、钻孔间距L在回采巷道中向顶板施工一排或多排孔径为的小孔径钻孔，施工的一排钻孔或多排钻孔中的第一排钻孔开口位置距离回采巷道煤柱侧巷帮0～500mm；

c.从距离采煤工作面最近的钻孔开始，采用小孔径高压密封安装管将小孔径封孔器送至小孔径钻孔的设定深度进行封孔，然后在小孔径高压密封安装管外露端连接由致裂管路、压力表、截止阀和高压泵构成的致裂装置，依次对小孔径钻孔进行水力致裂；

d.开启高压泵和截止阀依次对小孔径钻孔进行水力致裂，当压力表显示水压力小于1MPa时，水力致裂完毕，关闭高压泵和截止阀。

所述的钻孔间距L为1～2倍的裂缝扩展距离。

所述多排小孔径钻孔为1-3排，排距之间的距离为0.5～1.5倍的裂缝扩展距离。

所述的小孔径钻孔的钻孔深度H为2～4倍的采煤工作面采高。

所述一排或多排钻孔的小孔径钻孔的钻孔深度H一致或深浅长短交替布置。

有益效果：本发明根据采煤工作面端头顶板的支护体系和整体稳定性特点，结合水力致裂的裂缝扩展规律，确定采用主要沿巷道帮切断端头顶板+弱化端头顶板锚固体整体力学性能的控制思路，形成水力致裂钻孔布置的设计方法。研制设计了基于锚索钻机的小孔径钻孔水力致裂的成套设备，特别是小孔径高压密封安装管和小孔径封孔器。对于孔深超过4m的致裂孔可以采用深孔后退式致裂工艺保障裂缝扩展的均匀性。该基于锚索钻机的小孔径水力致裂方法也可以在工作面架间端面顶板内施工，用于控制工作面中部采空区的悬顶。本发明在采煤工作面回采巷道内采用锚索钻机施工一排或多排小孔径钻孔，通过确定合理的钻孔位置、钻孔深度以及相应的水力致裂参数，通过锚索钻机施工钻孔，用高压泵对顶板进行高压水力致裂，改造顶板结构并弱化顶板强度，控制采煤工作面端头顶板的及时冒落，保证了采煤工作面的安全生产。其方法简单方便、工作量小。

附图说明

图1是本发明的实施例一结构示意图；

图2是本发明的实施例二结构示意图；

图3是本发明中的小孔径高压密封安装管结构示意图；

图4是本发明中的小孔径封孔器结构示意图。

图中：1-回采巷道，2-顶板，3-小孔径钻孔，4-小孔径封孔器，5-小孔径高压密封安装管，6-压力表，7-截止阀，8-致裂管路，9-高压泵，10-采煤工作面，4-1-封孔器外螺纹接口，4-2-单向阀，5-1-外螺纹接口，5-2-内螺纹接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述：