一种地面复合压裂防治煤矿硬顶冲击地压的方法技术

本发明专利技术属于煤炭开采技术领域，尤其涉及一种地面复合压裂防治煤矿硬顶冲击地压的方法，本发明专利技术属于煤炭开采技术领域，通过土酸酸化以达到对目标岩层的化学弱化，结合大排量水力压裂物理致裂目标岩层，减少或消除煤层上方巨厚坚硬顶板岩石应力集中现象，达到煤层开采时防治顶板冲击灾害的目的。治顶板冲击灾害的目的。治顶板冲击灾害的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种地面复合压裂防治煤矿硬顶冲击地压的方法


[0001]本专利技术属于煤炭开采
，尤其涉及一种地面复合压裂防治煤矿硬顶冲击地压的方法。

技术介绍

[0002]当前，我国煤矿开采深度逐步向深部转移，开采条件急剧恶化，且随着机械化程度不断提高，开采强度随之增大，煤矿冲击地压事故频发。特别是在埋深较大且赋存坚硬顶板的区域，冲击灾害时有发生，严重制约矿井安全高效开采与优质产能释放。目前常用的冲击地压防治方法有钻孔卸压法、爆破卸压法、水力压裂等措施。
[0003]钻孔卸压法是通过实施大直径钻孔扩大煤层顶板岩石塑性区，形成塑性弱化带，促使巷道支承应力向深部转移，从而使巷道围岩处于地应力区。但钻孔卸压法存在压钻、卡钻等问题，并且，相较于爆破和水力压裂措施卸压范围存在局限性，影响施工安全和效率。顶板深孔爆破作为目前冲击矿井最常用的顶板岩层卸压方法，存在安全风险大、操作难度高、易诱发次生灾害等不足。水力压裂技术是打钻至坚硬岩层，通过深穿透加强弹完成对坚硬岩层的射孔造缝作业，随后地面泵车向钻孔内泵入高压压裂液压开坚硬岩层。从施工位置的角度划分，可以分为地面水力压裂和井下水力压裂。相较于以上两种顶板冲击灾害防治措施，水力压裂具有卸压面积广、施工步骤简便、施工安全性高等优势，但面对胶结度较高、应力集中的坚硬岩层，仍存在无法完全卸压坚硬岩层的风险。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种复合压裂快速防冲击地压方法是将岩层酸化与地面水力压裂相结合，采用土酸(HCL+HF)注入，使HCL与砂岩中胶结物进行反应弱化砂岩胶结，HF与砂岩中的硅酸盐弱化砂岩中的骨架颗粒，以实现关键层的化学弱化。通过大排量水力压裂造缝，压开关键层，减少或消除关键层应力集中现象。但岩层的厚度、强度、采煤厚度等条件差异，导致复合压裂的关键参数存在不同。为了能快速、有效的防治不同条件下煤矿坚硬顶板的冲击地压，本次提出了一种地面复合压裂防治煤矿硬顶冲击地压的方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种地面复合压裂防治煤矿硬顶冲击地压的方法，包括以下步骤：
[0007]S1、根据需要处理冲击地压危险性的目标工作面边界范围确定防冲工作面位置；S2、根据防冲工作面位置采用阶梯法进行防冲井位优选，具体为：
[0008]1)根据工作面采掘情况和前期已有煤田勘探孔资料，结合采煤厚度、煤层顶板岩性数据，基于矿压显现理论，利用“板”模型对工作面的初次来压步距和周期来压步距进行计算，计算公式如下：
[0009][0010]式中，L
初
为顶板初次来压步距；M
p
为顶板单位极限弯矩；k为岩层的龟裂系数，k＝0.25～0.75；σ
t
为岩层抗拉强度；h为顶板岩层厚度；q为顶板载荷；E
i
为第i层岩层的弹性模量；h
i
为第i层岩层的厚度；γ
i
为第i层岩层的容重；
[0011][0012]式中，L
周
为顶板岩层周期来压步距；h为顶板岩层厚度；σ
t
为顶板岩层抗拉强度；q为顶板岩层载荷；
[0013]2)实验室测试复合压裂下顶板坚硬岩层主应力方向及压裂影响范围，采用GPS进行地面定位，进行现场实际踏勘，初步确定复合压裂防冲井位；
[0014]3)根据压裂影响范围，进行其他防冲井的布置，其他防冲井布置时，两口井的压裂影响范围的盲区不超过1个周期来压的步距；
[0015]4)对地面布置井进行实际踏勘，综合考虑地面、井下情况，对井位进行微调，在此基础上进行井身结构设计。当地面满足直井施工条件时，进行直井施工；不满足直井施工条件时，采用定向井进行施工；
[0016]S3、根据目标工作面上覆岩层导水裂隙带高度确定压裂层位范围，然后对煤层顶板目标岩层层位进行优选，选取范围内坚硬岩层作为目标压裂层位；
[0017]S4、地面钻机根据压裂设计的钻孔位置依次垂直打孔直至完成所有钻孔，钻孔的深度和直径根据地层条件确定；
[0018]S5、采用深穿透加强弹射孔作业，在目标坚硬岩层造长缝，如有多个目标压裂层位，则使用封隔器将待压裂段密封；
[0019]S6、水力压裂泵注参数优化：将浓度为10～15％的盐酸和浓度为3～8％的氢氟酸按照10～15：3～8的比例配置酸液，将酸液和清水以1:0.5～0.75的比例混合配制压裂液，通过地面压裂车向待压裂段泵入高压压裂液并不断加压，扩展目标岩层缝网；
[0020]S7、裂缝扩张达到预定长度后停止加压，将压裂液在目标岩层中留存24
‑
48小时，以实现对目标岩层的化学弱化效果，随后再通过水力压裂造缝，压开关键层；
[0021]S8、将封隔器取出进行下一目标岩层的压裂作业；
[0022]S9、重复步骤S6
‑
S8步骤，按照设计的压裂顺序对其余目标层进行压裂直至所有目标层压裂完毕，对复合压裂的煤层顶板岩层缝网实时监测，检验防冲效果。
[0023]进一步的，所述煤层顶板目标岩层层位优选包括：
[0024]1)查阅煤矿生产地质资料，进行煤岩体强度试验后，选取目标工作面覆岩导水裂隙带高度计算公式，测井获取导水裂隙带范围内煤层顶板覆岩力学参数；
[0025]2)根据确定的煤层上覆岩层倒水裂隙带范围，从煤层开始，由下到上确定覆岩中
坚硬岩层的位置，具体根据各岩层挠度确定导水裂隙带范围内所有坚硬岩层位置，具体计算为：假设煤层上方第1层岩层为坚硬岩层，第1层上方n层都与之协调变形，而n+1层不与之协调变形，则n+1层即为第二层坚硬岩层，因此n+1层坚硬岩层的挠度要比下一岩层更小，则通过公式可以表示为：
[0026][0027]式中：E
i
、E
n+1
分别为第i层、第n+1层岩层的弹性模量；h
i
、h
n+1
分别为第i层、第n+1层岩层的厚度；γ
i
、γ
n+1
分别为第i层、第n+1层岩层的容重；
[0028]3)根据公式(3)计算结果结合岩层断裂步距公式综合判断目标岩层位置，断裂步距L
i
越大的岩层确定为目标岩层位置，所述岩层断裂步距公式为：
[0029][0030]式中：L
i
为第i层坚硬岩层的断裂步距；h
i
为第i层岩层的厚度；q
i
为第i层坚硬岩层的载荷；R
i
为第i层坚硬岩层的抗拉强度；
[0031]进一步的，泵注排量为14.0m3/min。
[0032]本专利技术具有的优点是：
[0033]1.本专利技术设计了一种煤矿开采过程中，利用地面复合压裂措施防治煤矿巨厚坚硬顶板条件下的冲击地压的方法。通过结合化学弱化和物理致裂，达到减少或消除煤层覆岩坚硬顶板岩石应力集中现象，达到对对煤层开采时顶板冲击灾害的防本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地面复合压裂防治煤矿硬顶冲击地压的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据需要处理冲击地压危险性的目标工作面边界范围确定防冲工作面位置；S2、根据防冲工作面位置采用阶梯法进行防冲井位优选，具体为：1)根据工作面采掘情况和前期已有煤田勘探孔资料，结合采煤厚度、煤层顶板岩性数据，基于矿压显现理论，利用“板”模型对工作面的初次来压步距和周期来压步距进行计算，计算公式如下：式中，L
初
为顶板初次来压步距；M
p
为顶板单位极限弯矩；k为岩层的龟裂系数，k＝0.25～0.75；σ
t
为岩层抗拉强度；h为顶板岩层厚度；q为顶板载荷；E
i
为第i层岩层的弹性模量；h
i
为第i层岩层的厚度；γ
i
为第i层岩层的容重；式中，L
周
为顶板岩层周期来压步距；h为顶板岩层厚度；σ
t
为顶板岩层抗拉强度；q为顶板岩层载荷；2)实验室测试复合压裂下顶板坚硬岩层主应力方向及压裂影响范围，采用GPS进行地面定位，进行现场实际踏勘，初步确定复合压裂防冲井位；3)根据压裂影响范围，进行其他防冲井的布置，其他防冲井布置时，两口井的压裂影响范围的盲区不超过1个周期来压的步距；4)对地面布置井进行实际踏勘，综合考虑地面、井下情况，对井位进行微调，在此基础上进行井身结构设计，当地面满足直井施工条件时，进行直井施工；不满足直井施工条件时，采用定向井进行施工；S3、根据目标工作面上覆岩层导水裂隙带高度确定压裂层位范围，然后对煤层顶板目标岩层层位进行优选，选取范围内坚硬岩层作为目标压裂层位；S4、地面钻机根据压裂设计的钻孔位置依次垂直打孔直至完成所有钻孔，钻孔的深度和直径根据地层条件确定；S5、采用深穿透加强弹射孔作业，在目标坚硬岩层造长缝，如有多个目标压裂层位，则使用封隔器将待压裂段密封；S6、水力压裂泵注参数优化：将浓度为10～15％的盐酸和浓度为3～8％的氢氟酸按照10～15：3～8的比例配置酸液，将酸液和清水以1:0.5～0.75的比例混合配制压裂液，通过地面压裂车向待压裂段...

【专利技术属性】
技术研发人员：王保玉，吕闰生，赵锦程，倪小明，朱林，王娟，高迪，刘顺喜，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：