一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法技术

本发明专利技术一种井下坚硬顶板的分段水力压裂方法，属于井下坚硬顶板的分段水力压裂方法技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种井下坚硬顶板的分段水力压裂方法的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括如下步骤：采集工作面上部坚硬厚岩层岩样样本，并测试被压裂目标岩层的物理力学性质及地应力状态，得到目标岩层的抗拉强度、铅锤应力及最大水平应力和最小水平应力；设计压裂钻孔的实施方案；根据设计的压裂钻孔的实施方案的压裂钻孔布置形式及钻孔方向，确定施工位置及钻孔实施工艺；根据施工位置及钻孔工艺，确定压裂管分段水力压裂施工工艺完成坚硬目标岩层的整体压裂；本发明专利技术应用于矿井坚硬顶板的开采。

【技术实现步骤摘要】
一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法
本专利技术一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法，属于井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法

技术介绍
坚硬顶板工作面初采期间，随着工作面回采，可能会在采空区大面积悬顶，不能及时垮落从而突然一次性垮落形成“飓风”，对工作面内人员和设备造成极大安全威胁。目前，工作面初采期间强制放顶手段主要有两种：深孔爆破强制放顶和水压致裂强制放顶。前者受应用条件限制，不能用于高瓦斯矿井；后者与前者相比除了能够致裂软化坚硬顶板，通过水的渗入还能在一定程度上降低煤层强度、降低截齿等材料消耗及采煤机消耗，增加煤岩层中的水分，有利于降低煤岩尘、防止煤层自燃。目前对坚硬顶板实施水压致裂一般有两种方式：一是煤层开采前在地面施工L型或垂直长钻孔至坚硬目标岩层，利用水力喷射分段压裂方法进行压裂；另一种是工作面开采过程中在井下两巷或工作面顶板内施工倾斜短钻孔至坚硬顶板目标岩层，若是厚煤层甚至会沿煤层顶板施工工艺巷来布置压裂钻孔。地面L型长钻孔或垂直钻孔施工需要钻透坚硬顶板至地表的整个覆岩岩层，钻进工程量大，费时费工成本较高，只适用于煤层埋深较浅且地质条件简单的矿井应用；井下倾斜短钻孔施工需要每隔一定距离施工数量不等的压裂钻孔，甚至还需另外施工工艺巷，钻孔数量较多工作量大，在工作面实工钻孔还会耽误生产。因此，需要提供一种能够克服在地面施工长钻孔工程量大成本高，以及在井下施工短钻孔数量多耽误生产的不足的，在井下实施上穿层分支水平钻孔来进行坚硬顶板水力压裂的方法。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法的改进。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法，包括如下步骤：步骤一：采集工作面上部坚硬厚岩层岩样样本，并测试被压裂目标岩层的物理力学性质及地应力状态：通过实验方法对目标岩体的物理力学参数进行测试，得到岩样的抗拉强度σt；同时通过实验方法对待压裂岩层的地应力状态进行测试，得到目标岩层的铅锤应力σz及最大水平应力σhmax和最小水平应力σhmin；步骤二：根据步骤一得到的目标岩层的铅锤应力和最大水平应力、最小水平应力，并根据回采巷道系统布置方式，设计压裂钻孔的实施方案；步骤三：根据步骤二中设计的压裂钻孔的实施方案的压裂钻孔布置形式及钻孔方向，确定施工位置及钻孔实施工艺；步骤四：根据步骤三的施工位置及钻孔工艺，确定压裂管分段水力压裂施工工艺完成坚硬目标岩层的整体压裂。所述步骤一中通过实验方法对目标岩体的物理力学参数进行测试的具体步骤如下：步骤1.1：现场采取开采工作面上部的坚硬厚岩层岩样；步骤1.2：通过实验方法对目标岩体的抗拉强度进行测试，所述实验方法包括直接拉伸法或劈裂法，所述直接拉伸法具体通过采用圆柱形试样，在试样的两端通过粘接或夹持的方式连接到拉伸试验机中，然后在试样的两端施加拉伸载荷，使试样产生拉伸破坏，从而得出试样的抗拉强度；所述劈裂法通过采用圆盘形试件，在试样的直径方向上施加载荷，使沿试样直径方向发生破坏，从而得出试样的抗拉强度；所述圆柱形试样的高径比大于2:1，所述圆盘形试件的高径比为1:2。所述步骤二中设计压裂钻孔实施方案的具体步骤如下：步骤2.1：设置压裂钻孔主孔的钻孔布置形式；步骤2.1.1：压裂钻孔主孔沿工作面走向贯穿整个回采区域上方坚硬顶板；步骤2.1.2：压裂钻孔主孔在倾斜方向位于回采工作面中部，压裂钻孔主孔在垂直方向上压裂钻孔距离坚硬目标岩层底板的距离d0小于水力喷射压裂半径d，即d0＜d；步骤2.1.3：当岩层整体厚度小于等于水力喷射压裂半径d的2倍，则将压裂钻孔主孔的位置位于被压裂岩层的中部；步骤2.2：设置压裂钻孔分支孔的钻孔布置形式：压裂钻孔分支孔间距根据顶板设计的周期垮落步距L确定，由于在主孔和分支孔都进行压裂，使得分支钻孔间距L0＜2L；步骤2.3：设置压裂裂缝的布置形式：压裂裂缝的延伸方向垂直于钻孔走向，所需环空管水压力P满足P≥σt+σl，上式中：σt为抗拉强度，σl为钻孔方向正应力；当钻孔设计为水平方向，钻孔方向正应力上式中：θ为钻孔与最大主应力夹角；当钻孔方向在两个水平主应力夹角之内时，钻孔方向正应力的计算公式为：当钻孔方向在两个水平主应力夹角之外取时，钻孔方向正应力的计算公式为：所述步骤三中施工位置及钻孔实施工艺的具体步骤如下：步骤3.1：通过千米定向钻机在本煤层或近距离煤层的最下层煤采区准备巷道布置施工场地；步骤3.2：根据钻杆的自然弯曲规律，采用带有弯角的螺杆马达设计开孔位置进行定向钻孔施工；步骤3.3：现场技术人员根据设计轨迹及岩层具体状况实时调整螺杆钻具工具面向角，实现钻孔轨迹受控精确定向，使钻孔轨迹按照设计要求延伸至预定的目标层水平段，之后在坚硬岩层压裂部位保持水平；步骤3.4：在完成主压裂钻孔施工后，采用后退式分支钻孔施工工艺，在规定的设计位置即步骤2.2中分支孔的钻孔布置形式进行分支钻孔施工，并完成冲孔排渣等工作。所述步骤四中压裂管分段水力压裂施工工艺的具体步骤如下：步骤4.1：分段压裂的施工工艺采用先分支孔后主孔的方式，实施方向采用后退式，采用水力喷射压裂工艺技术，联合完成水力喷射以及环空挤压；步骤4.2：借助于水力喷射压裂，使岩层钻孔壁产生微裂缝，然后通过高压注水泵增加环空注水压力至设计水压；步骤4.3：通过自动伸缩封孔器暂时封闭钻孔中被压裂钻孔段的前后部位，使产生的微裂缝得以扩展。本专利技术相对于现有技术具备的有益效果为：(1)对于矿井埋深较大煤层的坚硬顶板，省去了在地面布置钻透坚硬顶板至地表的整个覆岩岩层长钻孔的工程，直接在井下邻近煤岩层附近就近施工，大大减少钻孔长度，降低施工成本。(2)克服了井下采用倾斜短钻孔压裂坚硬顶板时需要施工钻孔数量多，工作量较大的缺点，对坚硬顶板的压裂工作可在采前一次完成，不必伴随工作面开采一直进行，不影响生产，简化了工艺，节约成本。附图说明下面结合附图对本专利技术做进一步说明：图1为本专利技术的井下上穿层分支水平钻孔坚硬顶板分段水力压裂示意图；图2为本专利技术的钻孔方向正应力计算示意图。具体实施方式如图1和图2所示，本专利技术一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法，包括如下步骤：步骤一：采集工作面上部坚硬厚岩层岩样样本，并测试被压裂目标岩层的物理力学性质及地应力状态：通过实验方法对目标岩体的物理力学参数进行测试，得到岩样的抗拉强度σt；同时通过实验方法对待压裂岩层的地应力状态进行测试，得到目标岩层的铅锤应力σz及最大水平应力σhmax和最小水平应力σhmin；步骤二：根据步骤一得到的目标岩层的铅锤应力和最大水平应力、最小水平应力，并根据回采巷道系统布置方式，设计压裂钻孔的实施方案本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤一：采集工作面上部坚硬厚岩层岩样样本，并测试被压裂目标岩层的物理力学性质及地应力状态：通过实验方法对目标岩体的物理力学参数进行测试，得到岩样的抗拉强度σ

【技术特征摘要】
1.一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：采集工作面上部坚硬厚岩层岩样样本，并测试被压裂目标岩层的物理力学性质及地应力状态：通过实验方法对目标岩体的物理力学参数进行测试，得到岩样的抗拉强度σt；
同时通过实验方法对待压裂岩层的地应力状态进行测试，得到目标岩层的铅锤应力σz及最大水平应力σhmax和最小水平应力σhmin；
步骤二：根据步骤一得到的目标岩层的铅锤应力和最大水平应力、最小水平应力，并根据回采巷道系统布置方式，设计压裂钻孔的实施方案；
步骤三：根据步骤二中设计的压裂钻孔的实施方案的压裂钻孔布置形式及钻孔方向，确定施工位置及钻孔实施工艺；
步骤四：根据步骤三的施工位置及钻孔工艺，确定压裂管分段水力压裂施工工艺完成坚硬目标岩层的整体压裂。


2.根据权利要求1所述的一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法，其特征在于：所述步骤一中通过实验方法对目标岩体的物理力学参数进行测试的具体步骤如下：
步骤1.1：现场采取开采工作面上部的坚硬厚岩层岩样；
步骤1.2：通过实验方法对目标岩体的抗拉强度进行测试，所述实验方法包括直接拉伸法或劈裂法，所述直接拉伸法具体通过采用圆柱形试样，在试样的两端通过粘接或夹持的方式连接到拉伸试验机中，然后在试样的两端施加拉伸载荷，使试样产生拉伸破坏，从而得出试样的抗拉强度；所述劈裂法通过采用圆盘形试件，在试样的直径方向上施加载荷，使沿试样直径方向发生破坏，从而得出试样的抗拉强度；
所述圆柱形试样的高径比大于2:1，所述圆盘形试件的高径比为1:2。


3.根据权利要求2所述的一种井下坚硬顶板的分段水力压裂工作方法，其特征在于：所述步骤二中设计压裂钻孔实施方案的具体步骤如下：
步骤2.1：设置压裂钻孔主孔的钻孔布置形式；
步骤2.1.1：压裂钻孔主孔沿工作面走向贯穿整个回采区域上方坚硬顶板；
步骤2.1.2：压裂钻孔主孔在倾斜方向位于回采工作面中部，压裂钻孔主孔在垂直方向上压裂钻孔距离坚硬目标岩层底板的距离d0小于水力喷射压裂半径d，即d0＜d；
步骤2.1.3：当岩层整体厚度小于...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝朝瑜，李静远，邓存宝，王雪峰，陈曦，张亚超，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14