地面水平井分段压裂区域超前防治煤矿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，尤其涉及一种地面水平井分段压裂区域超前防治煤矿冲击地压的方法，主要包括：冲击倾向性类型划分、区域防冲井位及井身结构设计、区域防冲压裂设计、防冲效果检验等，通过分段水力压裂，致使坚硬顶板致裂，消除应力集中现象，使顶板断裂能释放，达到对煤层开采时顶板冲击灾害的防治。达到对煤层开采时顶板冲击灾害的防治。达到对煤层开采时顶板冲击灾害的防治。

【技术实现步骤摘要】
地面水平井分段压裂区域超前防治煤矿冲击地压的方法


[0001]本专利技术属于煤炭开采
，尤其涉及一种地面水平井分段压裂区域超前防治煤矿冲击地压的方法。

技术介绍

[0002]我国煤矿开采深度以每年8～16米的速度递增，很多矿井开采深度已超过1000米。随着开采深度的增加，地应力增加。当煤层顶板为稳定厚层状的坚硬顶板时，采煤时由于冒落带高度远小于坚硬顶板厚度时，无法使坚硬顶板破裂垮落。随着采空区范围的扩大，容易引起冲击地压。目前常用的区域防治冲击地压的方法有：大直径钻孔卸压、地面直井压裂坚硬岩层、顶板爆破预裂等。
[0003]大直径钻孔卸压法是一种通过施工钻孔将积聚高压缩能的坚硬顶板破碎、排出，实现软化坚硬顶板结构、消除地层应力集中，从而达到卸压目的。但钻孔卸压法存在压钻、卡钻等问题，并且单次防治范围有限，影响施工安全和效率；地面直井压裂坚硬岩层技术是将压裂液通过液压泵泵入顶板岩层，使得在目标层内形成具有一定几何尺寸的人工裂缝，大面积裂缝也弱化了岩体强度，降低岩层的整体性及其破断强度，减小坚硬岩层运动释放的弹性能，为坚硬顶板工作面安全回采提供了保障。但由于回采工作面影响，低位顶板岩层裂隙较发育，高位岩层局部也存在微裂隙，若高压液体沿裂隙弱面与低位岩层贯通，将造成高压液大量流失，无法达到预期的顶板压裂效果。顶板爆破预裂技术通过顶板爆破措施进行强制断裂，在煤柱上部的顶板岩层中形成粉碎区、破碎带以及裂隙区,一方面可以降低顶板应力峰值强度,另一方面使应力向深部非破碎带转移，降低顶板岩层的能量,促使应力得到释放,降低冲击地压发生的危险性。但该技术，存在安全风险大、操作难度高、易诱发次生灾害等不足。

技术实现思路

[0004]针对目前煤矿坚硬顶板存在大面积冲击倾向性的问题，采用传统的钻孔卸压工程量大、无法超前治理等问题，亟需设计出一种安全、高效、超前区域防治煤矿冲击地压的方法，为超前防治煤矿冲击地压提供重要保障。为了能快速、有效的防治煤矿坚硬顶板的冲击地压，本专利技术为了能快速、有效的防治不同条件下煤矿坚硬顶板的冲击地压，提出了地面水平井分段压裂区域超前防治煤矿冲击地压的方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种地面水平井分段压裂区域超前防治煤矿冲击地压的方法，包括以下步骤：
[0007]S1.进行地质勘测，根据上覆岩层中顶板岩层的分布情况，分别测量煤层顶板岩体中每层岩体的抗拉强度、块体密度、弹性模量并记录；
[0008]S2.冲击倾向性类型划分：根据S1中测得的数据，根据公式(1)计算单位宽度上覆岩层荷载，公式如下：
[0009][0010]式中：q为单位宽度上覆岩层荷载，MPa；E
i
(i＝1,2,
···
,n)为上覆第i层岩体的弹性模量，MPa；h
i
(i＝1,2,
···
,n)为上覆第i层岩体的厚度，m；ρ
i
(i＝1,2,
···
,n)为上覆第i层岩体的块体密度，kg/m3；g为重力加速度，N/kg；当第n+1层对第1层的荷载小于第n层对第1层的载荷时，计算终止，取第n层的计算结果；再根据单位宽度上覆岩层荷载和公式(2)计算单一顶板岩层弯曲能量指数：
[0011][0012]式中：U
WQ
为单一顶板弯曲能量指数，kJ；R
t
为岩石试件的抗拉强度，MPa；h为单一顶板厚度，m；E为岩石试件的弹性模量，MPa；再根据单一顶板岩层弯曲能量指数和公式(3)计算复合顶板弯曲能量指数：
[0013][0014]式中：U
WQS
为复合顶板弯曲能量指数，kJ；U
WQi
为第i层弯曲能量指数，kJ；n为顶板分层数，复合顶板厚度取至煤层上顶板30m；计算出顶板弯曲能量指数后，进行顶板岩层冲击倾向性分类，分类标准见表1：
[0015]类别I类II类III类冲击倾向无弱强弯曲能量指数/kJU
WQS
≤1515＜U
WQS
≤120120＜U
WQS
[0016]若冲击倾向为I类，则不需要防治，若冲击倾向为II类，采用传统的防治方法即可，当冲击倾向性为III类时，采用本专利技术工艺进行防治；
[0017]S3.确定冲击地压防治范围和目标岩层层位：根据前期煤田勘探孔资料，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进行计算，计算公式如下：
[0018][0019]式中：L
C
为顶板初次来压步距，m；k为岩层的龟裂系数，k＝0.25～0.75,无量纲；σ
t
为顶板岩层抗拉强度，MPa；h为顶板岩层厚度，m；q为顶板所受载荷，kN；E
i
为上覆第i层岩体的弹性模量，MPa；h
i
为上覆第i层岩体的厚度,m；γ
i
为上覆第i层岩体的容重,kN/m3；周期来压步距计算如下：
[0020][0021]式中：L
z
为顶板岩层周期来压步距，m；h为顶板岩层厚度，m；σ
t
为顶板岩层抗拉强
度，MPa；q为顶板所受载荷，kN；根据计算结果确定两水平段之间的间距不大于220+L
z
，水平井水平段长度800米，选取坚硬顶板作为目的层并在此基础上进行井身结构设计，其中一开钻至稳定基岩以下10m，J55套管下至基岩以下10m，水泥浆返深至地面；二开钻至目的层上部450m处开始造斜，以狗腿度6
°
/30m钻至目的层后水平钻进，直至到达设计水平段长度，二开结构内下入P110套管；
[0022]S4.区域防冲压裂设计：
[0023]3)压裂材料选择：根据测井地层数据，选用定向射孔+泵送桥塞光套管压裂的复合压裂工艺进行分段压裂作业，采用深穿透加强弹进行射孔作业，射孔有效深度800mm以上，选用活性水作为压裂施工液体，选用20～40目石英砂作为支撑剂；
[0024]4)压裂点及规模设计：分段压裂时簇间距不大于100+L
z
，根据周期来压步距，以半周期来压步距为间距进行射孔，射孔长度为1m，射孔方向为定向两翼射孔；S5.根据以上步骤指导进行地面钻井并进行分段压裂；
[0025]S6.压裂过程中采用压裂井微地震裂缝监测评价系统进行煤层顶板岩层水力压裂实时监测，直至压裂施工结束，根据水力压裂监测结果，检验防冲效果。
[0026]进一步的，分段压裂时，通过地面压裂车向待压裂段泵入高压压裂液并不断加压，采用泵注桥塞，实现分段压裂，且压裂施工排量为14m3/min，压裂施工液量为1000m3。
[0027]进一步的，所述压裂井微地震裂缝监测评价系统包括裂缝实时监测系统、微震检波器、信号放大器、无线发射传输接收器、高精度GPS、PC计算机。
[0028]进一步的，检验防冲效果具体操本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地面水平井分段压裂区域超前防治煤矿冲击地压的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.进行地质勘测，根据上覆岩层中顶板岩层的分布情况，分别测量煤层顶板岩体中每层岩体的抗拉强度、块体密度、弹性模量并记录；S2.冲击倾向性类型划分：根据S1中测得的数据，根据公式(1)计算单位宽度上覆岩层荷载，公式如下：式中：q为单位宽度上覆岩层荷载，MPa；E
i
(i＝1,2,
···
,n)为上覆第i层岩体的弹性模量，MPa；h
i
(i＝1,2,
···
,n)为上覆第i层岩体的厚度，m；ρ
i
(i＝1,2,
···
,n)为上覆第i层岩体的块体密度，kg/m3；g为重力加速度，N/kg；当第n+1层对第1层的荷载小于第n层对第1层的载荷时，计算终止，取第n层的计算结果；再根据单位宽度上覆岩层荷载和公式(2)计算单一顶板岩层弯曲能量指数：式中：U
WQ
为单一顶板弯曲能量指数，kJ；R
t
为岩石试件的抗拉强度，MPa；h为单一顶板厚度，m；E为岩石试件的弹性模量，MPa；再根据单一顶板岩层弯曲能量指数和公式(3)计算复合顶板弯曲能量指数：式中：U
WQS
为复合顶板弯曲能量指数，kJ；U
WQi
为第i层弯曲能量指数，kJ；n为顶板分层数，复合顶板厚度取至煤层上顶板30m；计算出顶板弯曲能量指数后，进行顶板岩层冲击倾向性分类，分类标准见表1：向性分类，分类标准见表1：S3.确定冲击地压防治范围和目标岩层层位：当冲击倾向性为III类时，根据前期煤田勘探孔资料，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进行计算，计算公式如下：式中：L
C
为顶板初次来压步距，m；k为岩层的龟裂系数，k＝0.25～0.75,无量纲；σ
t
为顶
板岩层抗拉强度，MPa；h为顶板岩层厚度，m；q为顶板所受载荷，kN；E
i
为上覆第i层岩体的弹性模量，MPa；h
i
为上覆第i层岩体的厚度,m；γ
i
为上覆第i层岩体的容重,kN/m3；周期来压步距计算如下：式中：L
z
...

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