一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法技术

本发明专利技术提供了一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，其步骤包括确定目标岩层，确定压裂范围，确定水平井位置，钻井，高压水力定向致裂及巷道布局优化等过程。本发明专利技术提供的一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，能够显著降低煤层开采期间的应力集中程度，使煤体应力始终处于冲击地压发生的临界应力之下，从根本上消除大面积顶板突然断裂造成的严重冲击地压隐患。

A Method of Treatment of Rockburst by Modified Pressure Relief Source of Thick Hard Roof

The invention provides a method for controlling rock burst by modifying the pressure relief source of thick hard roof. The steps include determining the target rock stratum, determining the fracturing range, determining the location of horizontal wells, drilling, high pressure hydraulic directional fracturing and optimization of roadway layout. The invention provides a method for controlling rock burst by modifying the pressure relief source of thick hard roof, which can significantly reduce the stress concentration during coal seam mining, keep the stress of coal body under the critical stress of rock burst, and fundamentally eliminate the potential danger of serious rock burst caused by sudden fracture of large area roof.

【技术实现步骤摘要】
一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法
本专利技术涉及煤矿安全开采
，特别涉及一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法。
技术介绍
据统计，2006年-2018年，我国80％以上的冲击地压事故都发生在具有厚层坚硬顶板的煤层巷道内。尤其在我国西北的神东、陕北和黄陇基地，煤层上方60m以上大都存在50-100m的厚层坚硬顶板。该地区为我国重要的煤炭生产与储备战略基地，目前探明储量近4452亿t，约占全国已探明储量的31％；到2020年，预计三大基地产量共计13.2亿吨，占全国煤炭产量的33.8％。无论资源储量还是开采强度都是全国最大的地区。由于存在厚层坚硬顶板，开采过程中悬顶面积大，造成局部应力集中，其突然断裂更是瞬间释放强烈动载，极易造成群死群伤的恶性冲击地压事故，甚至波及地表，引起地表强烈震动，危害极大。但是，由于坚硬顶板距离煤层远、厚度大，处理难度极大，投入成本高，目前采用的卸压措施，如顶板爆破和水力压裂，施工场所都是位于煤矿井下的巷道及硐室内，只能对小范围内的低位顶板岩层进行局部预裂，对于高位厚层坚硬顶板，上述方法还难以实现大范围处理，这是造成冲击地压事故频繁发生的重要原因之一。因此，如何改变厚层坚硬顶板的物理力学性质，降低其强度和完整性，从根本上消除开采过程中厚层坚硬顶板突然断裂诱发严重冲击地压灾害的威胁，是该条件下冲击地压治理的战略性措施，也是当前煤矿安全生产亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，以有效降低煤层开采期间的悬顶面积和来压强度，从根本上消除下方煤层开采期间面临的严重冲击地压隐患。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，包括如下步骤：确定目标岩层：根据矿井地质资料计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带的高度，对照典型钻孔柱状图在裂隙带高度范围内确定需要进行改性卸压的目标岩层；确定压裂范围：根据本矿井或邻近矿井冲击地压发生历史、矿井地质条件、当前开采情况及近期规划确定存在冲击地压隐患的区域，将所述区域上方的目标岩层作为改性卸压的范围；确定水平井位置：根据所述冲击地压隐患区域确定水平井位置，使水平井的平面投影位于冲击地压隐患区域内，使水平井的垂直投影位于所述目标岩层的中部，并使水平井的延伸方向与最小水平主应力方向保持一致；钻井：先钻立井至所述目标岩层底部，然后向上抬升钻头至需要施工造斜井的起点位置开始钻造斜井至所述目标岩层中部，再在造斜井的终止点沿最小水平主应力方向钻水平井至目标长度，最后固井完成钻井工序；高压水力定向致裂：将射孔与压裂设备送至水平井井底，引爆射流器，在水平井井壁上形成垂直于井壁的裂缝，然后坐封，由地面高压泵车向裂缝内注入压裂液，使裂缝向岩层内部扩展，然后关闭高压泵，完成第一次压裂，最后解封，移动压裂管路至其他待压裂位置，重复坐封与压裂至完成一个水平井的压裂施工，再重复高压水力定向致裂工序完成其他水平井的压裂施工，使目标岩层内形成相互贯通的网状裂隙；巷道布局优化：根据水平井的位置布置巷道，使冲击隐患区的巷道布置在靠近水平井正下方的区域，且使巷道走向尽可能与水平井方向平行。进一步地，所述目标岩层为一层或多层，所有位于所述裂隙带高度范围的、单层厚度大于30m且单轴抗压强度大于60MPa的岩层均为目标岩层。进一步地，所述的用于计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带高度的矿井地质资料可以是现场探测值或理论计算值。进一步地，所述立井、造斜井和水平井的直径不超过300mm。进一步地，所述立井在施工过程中遇到承压含水层或松软破碎岩层时，需抽出钻头及钻杆，下套管到井底位置，并加压注入水泥浆，使套管和立井井壁形成一个整体。进一步地，所述水平井的目标长度是根据需要压裂处理的长度和压裂设备的压裂能力预先计算设定。本专利技术提供的一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，将施工场所布置在地面，采用大功率、高流量水力压裂设备，对目标顶板井下大范围改性卸压，同时将坚硬顶板改性卸压和巷道优化布置相结合，从根本上改善了冲击危险煤层的开采应力环境，使开采煤层冲击危险性显著降低甚至完全消除，且不影响正常采掘作业。并且，本专利技术提供的一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，属于冲击地压战略性治理措施，对我国冲击地压防治技术及理念的进步具有重要意义，社会经济效益显著。附图说明图1为本专利技术实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中选井选层方法示意图；图3为本专利技术实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中的压裂井结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中分段压裂的效果示意图；图5为本专利技术实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中卸压区内冲击危险巷道布置示意图；图6为本专利技术实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中顶板未弱化时对巷道冲击地压的影响示意图；图7为本专利技术实施例提供的厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法中顶板弱化后对巷道冲击地压的影响示意图。具体实施方式参见图1，本专利技术实施例提供的一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，包括如下步骤：确定目标岩层：根据矿井地质资料计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带的高度，对照典型钻孔柱状图在裂隙带高度范围内确定需要进行改性卸压的目标岩层；确定压裂范围：根据本矿井或邻近矿井冲击地压发生历史、矿井地质条件、当前开采情况及近期规划确定存在冲击地压隐患的区域，将所述区域上方的目标岩层作为改性卸压的范围；确定水平井位置：根据所述冲击地压隐患区域确定水平井位置，使水平井的平面投影位于冲击地压隐患区域内，使水平井的垂直投影位于所述目标岩层的中部，并使水平井的延伸方向与最小水平主应力方向保持一致；钻井：先钻立井至所述目标岩层底部，然后向上抬升钻头至需要施工造斜井的起点位置开始钻造斜井至所述目标岩层中部，再在造斜井的终止点沿最小水平主应力方向钻水平井至目标长度，最后固井完成钻井工序；高压水力定向致裂：将射孔与压裂设备送至水平井井底，引爆射流器，在水平井井壁上形成垂直于井壁的裂缝，然后坐封，由地面高压泵车向裂缝内注入压裂液，使裂缝向岩层内部扩展，然后关闭高压泵，完成第一次压裂，最后解封，移动压裂管路至其他待压裂位置，重复坐封与压裂至完成一个水平井的压裂施工，再重复高压水力定向致裂工序完成其他水平井的压裂施工，使目标岩层内形成相互贯通的网状裂隙；巷道布局优化：根据水平井的位置布置巷道，使冲击隐患区的巷道布置在靠近水平井正下方的区域，且使巷道走向尽可能与水平井方向平行。其中，所述目标岩层为一层或多层，所有位于所述裂隙带高度范围的、单层厚度大于30m且单轴抗压强度大于60MPa的岩层均为目标岩层。其中，所述的用于计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带高度的矿井地质资料可以是现场探测值或理论计算值。其中，所述立井、造斜井和水平井的直径不超过300mm。其中，所述立井在施工过程中遇到承压含水层或松软破碎岩层时，需抽出钻头及钻杆，下套管到井底位置，并加压注入水泥浆，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，其特征在于，包括如下步骤：确定目标岩层：根据矿井地质资料计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带的高度，对照典型钻孔柱状图在裂隙带高度范围内确定需要进行改性卸压的目标岩层；确定压裂范围：根据本矿井或邻近矿井冲击地压发生历史、矿井地质条件、当前开采情况及近期规划确定存在冲击地压隐患的区域，将所述区域上方的目标岩层作为改性卸压的范围；确定水平井位置：根据所述冲击地压隐患区域确定水平井位置，使水平井的平面投影位于冲击地压隐患区域内，使水平井的垂直投影位于所述目标岩层的中部，并使水平井的延伸方向与最小水平主应力方向保持一致；钻井：先钻立井至所述目标岩层底部，然后向上抬升钻头至需要施工造斜井的起点位置开始钻造斜井至所述目标岩层中部，再在造斜井的终止点沿最小水平主应力方向钻水平井至目标长度，最后固井完成钻井工序；高压水力定向致裂：将射孔与压裂设备送至水平井井底，引爆射流器，在水平井井壁上形成垂直于井壁的裂缝，然后坐封，由地面高压泵车向裂缝内注入压裂液，使裂缝向岩层内部扩展，然后关闭高压泵，完成第一次压裂，最后解封，移动压裂管路至其他待压裂位置，重复坐封与压裂至完成一个水平井的压裂施工，再重复高压水力定向致裂工序完成其他水平井的压裂施工，使目标岩层内形成相互贯通的网状裂隙；巷道布局优化：根据水平井的位置布置巷道，使巷道布置在靠近水平井正下方的区域，且使巷道走向与水平井方向平行。...

【技术特征摘要】
1.一种厚层坚硬顶板改性卸压源头治理冲击地压的方法，其特征在于，包括如下步骤：确定目标岩层：根据矿井地质资料计算煤层开采的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带的高度，对照典型钻孔柱状图在裂隙带高度范围内确定需要进行改性卸压的目标岩层；确定压裂范围：根据本矿井或邻近矿井冲击地压发生历史、矿井地质条件、当前开采情况及近期规划确定存在冲击地压隐患的区域，将所述区域上方的目标岩层作为改性卸压的范围；确定水平井位置：根据所述冲击地压隐患区域确定水平井位置，使水平井的平面投影位于冲击地压隐患区域内，使水平井的垂直投影位于所述目标岩层的中部，并使水平井的延伸方向与最小水平主应力方向保持一致；钻井：先钻立井至所述目标岩层底部，然后向上抬升钻头至需要施工造斜井的起点位置开始钻造斜井至所述目标岩层中部，再在造斜井的终止点沿最小水平主应力方向钻水平井至目标长度，最后固井完成钻井工序；高压水力定向致裂：将射孔与压裂设备送至水平井井底，引爆射流器，在水平井井壁上形成垂直于井壁的裂缝，然后坐封，由地面高压泵车向裂缝内注入压裂液，使裂缝向岩层内部扩展，然后关闭高压泵，完成第一次压裂，最后解封，移动压裂管路至其他待压裂位置，重复坐封与压裂...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐刚，夏永学，潘俊锋，尹希文，杜涛涛，王元杰，
申请(专利权)人：天地科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11