[发明专利]一种煤层群高位顶板水力压裂井下施工方法

说明书

本发明公开了一种煤层群高位顶板水力压裂井下施工方法，属于煤炭开采领域；其步骤包括：确认上位煤层的高位顶板；计算高位顶板悬顶大小及上位煤柱的承载区和破裂区；判定压裂点坐标并施工L型压裂钻孔；完成高位顶板的水力压裂施工；其中，钻孔施工和水力压裂参数随着矿井地质条件变化而有所差异；通过本发明的实施，可以减小高位顶板悬顶长度、破断块度，缓解工作面强动载矿压显现和降低切顶压架事故风险，是一种经济合理、安全可行的水力压裂井下施工方法。

技术领域

本发明涉及煤炭开采领域，具体涉及一种煤层群高位顶板水力压裂井下施工方法。

背景技术

煤层群开采中，上位煤层往往会留下保护采区和大巷的残留煤柱，起到传递高位顶板载荷的作用，底板区域内会出现应力集中现象。下位工作面开采至煤柱下方时，会造成一系列问题：（1）工作面处于应力升高区，支架压力高，支护效果差；（2）残留煤柱上方顶板可能出现二次破断，形成的垂直剪切力引起下位工作面切顶压架事故；（3）煤柱长期受高静载作用，容易出现大面积垮塌，引发煤层群层间顶板的整体结构失稳和下位工作面的强矿压显现。

为预防工作面出现的强矿压和压架风险，传统手段一般采用炸药爆破，破坏残留煤柱的完整性，使得下位工作面未开采时上方煤柱和顶板已经失稳，从而提高开采的安全性。但爆破技术安全性差、污染程度高，施工过程中可能引发冲击矿压事故，甚至会沟通上位采空区瓦斯和易燃气体造成火灾和有害气体泄漏等，限制了其应用范围。针对这一问题，本发明拟引进水力压裂进行高位顶板预裂，对煤层群下行开采的载荷源头进行治理，该方法成本小于炸药爆破的30%，具有压裂取水便捷、无额外污染源、设备可重复使用且损耗率低、压裂步骤简单等多项优点。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种煤层群高位顶板水力压裂井下施工方法，其缓解了经由上位煤柱传导形成的工作面和回采巷道的强矿压显现，对高位顶板水力压裂切顶后，保护了主要关键层的结构稳定性，工作面在推进过程来压强度明显减小，无强烈的动载作用，压架灾害风险降低，地表下沉更加均匀。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种煤层群高位顶板水力压裂井下施工方法，具体包括以下步骤：

a. 调研开采煤层上方的上位煤柱和高位顶板对应的层位、厚度、强度参数；

b. 通过“固支梁”、“关键层”力学模型计算高位顶板开采后形成的垮落顶板、长悬顶板的块体长度，确定上位煤柱中因上覆载荷产生的破裂区、承载区宽度；

c. 设计压裂钻孔和n个压裂点，其中上位煤柱宽度方向上的中部位置为压裂点的X轴坐标、长度方向上沿破裂区与承载区的过渡带为压裂点的Y轴坐标群，设第k个压裂点对应的Y轴坐标为yk,长悬顶板垂直方向的中部位置为压裂点的Z轴坐标，设各个压裂点对应的坐标为(x, yk, z)；

d. 从工作面一侧的回采巷道对应x坐标点，沿Z方向施工L型压裂钻孔的竖直段至z坐标点，然后沿Y方向施工压裂钻孔的水平段，水平段的压裂钻孔长度小于工作面的倾向长度；

e. 在工作面一侧的回采巷道前后距离s处重复步骤d，形成两组新的压裂钻孔，参照步骤c，对应的两组新的压裂点的坐标分别为（x+s, yk, z）和（x-s, yk, z）；

f. 在三组压裂钻孔内，根据压裂点的坐标进行水力压裂施工，形成多组X轴方向的裂隙面和Y轴方向的裂隙面以及裂隙网络；原长悬顶板压裂后变为短悬顶板和压裂破断块体。

优选地，步骤a中分别通过钻孔取芯、孔内窥视和室内力学实验获取上位煤柱和高位顶板对应的层位、厚度以及强度参数。

优选地，步骤d中压裂钻孔选用其他回采巷道施工至各个压裂点。