【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及巷道围岩稳定性控制，具体来说是一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法。
技术介绍
1、近年来，厚硬顶板条件下的煤层开采问题越来越棘手，厚硬顶板具有强度高、完整性好、节理裂隙发育程度低以及不易破断垮落等特点，导致厚硬顶板矿压显现波及的范围大、层位高、作用时间集中、间隔时间较长等。因此，在不采取应对措施的情况下，厚硬顶板下煤层开采极易产生顶板悬露跨距长、悬露面积大的问题。由于厚硬顶板工作面端头及其后方大面积悬顶，使得采场、巷道及区段煤柱等长时间处在高应力、高扰动的状态，造成采场矿压显现强烈、煤柱失稳及巷道变形破坏严重等不良后果，情况严重会诱发冲击矿压、工作面压架、片帮冒顶、煤与瓦斯突出等动力灾害，严重威胁着煤矿的安全与高效生产。
2、如图1所示，沿空掘巷1是煤矿常用的回采巷道布置和维护技术，即沿上区段采空区2边缘留设煤柱3掘进下区段工作面4的回采巷道。通过减小上区段采空区2与下区段工作面4之间煤柱3的宽度，能够提高采区回采率，延长矿井服务年限，为实现矿井高产高效创造有利条件。如图2所示，沿空掘巷1由于受上区段采空区2覆岩及下区段工作面4采动影响，往往造成沿空掘巷1变形破坏。特别是厚硬顶板条件下的采煤工作面，更容易造成工作面端头及其后方大面积悬顶，巷道顶板岩层受力持续增大，导致沿空掘巷1变形破坏严重、支护困难，严重影响巷道的正常安全使用。沿空掘巷1变形破坏的主要原因是上区段采空区2侧的煤柱3承载了采空区上方部分覆岩压力，在下区段工作面4巷道掘进及采动影响的叠加作用下侧向支承压力升高，导致沿
3、切顶可以有效切断沿空掘巷1顶板与采空区的联系，将巷道顶板由“长臂梁”结构转变为“短臂梁”结构，阻断采空区侧向支承压力向沿空掘巷1顶板的传递，降低沿空掘巷1顶板的受力程度，有利于下一个工作面巷道沿空掘进及沿空掘巷1围岩的稳定性控制。同时，切顶还可以有效降低工作面端头、采空区大面积悬顶而引起的冲击矿压、巷道严重变形破坏等问题。目前，国内外采用的切顶技术主要有钻孔爆破、水力压裂、密集钻孔等，均是对巷道顶板岩层的整体性及稳定性进行破坏而缩短其悬顶长度及跨落步距，从而降低沿空掘巷1顶板所受载荷，达到保护下方巷道围岩稳定性的目的。
4、钻孔爆破主要是通过钻孔内炸药爆炸来破坏钻孔周边一定范围内岩层的完整性，实现顶板岩层的破断切落，阻断顶板应力传递，降低巷道顶板压力；密集钻孔主要是通过钻孔与钻孔之间裂缝的联通，实现顶板岩层在覆岩载荷和自重作用下的自动切落，降低巷道顶板压力；水力压裂是通过向钻孔内注入高压水，在岩层内产生贯通裂缝，实现顶板岩层的破断切落，降低巷道顶板压力。爆破切顶卸压时效性较好，但卸压范围不易掌握，且操作流程比较复杂，尤其对于爆炸物的安全存取与使用及操作人员的要求较为严格，对所需的通风系统、防尘系统及防火工作等配套工程要求严格。密集钻孔切顶虽然能实现巷道顶板的破断，但与爆破切顶及水压压裂切顶相比，工程量较大，巷道达到卸压效果所需时间较长，且前期巷道变形量较大。水力压裂切顶卸压在具有较好时效性的同时，其操作相对于爆破切顶卸压简单、安全，且工程量远小于密集钻孔切顶，但水力压裂时裂缝起裂及其扩展方向不好掌控。
5、为此，本专利技术提出了一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，该方法在实现巷道顶板切顶卸压、防止工作面端头及其后方大面积悬顶的同时，还有利于维护工作面超前段巷道顶板的稳定性；同时，通过在相邻两个水力压裂孔之间设置一个引裂孔，克服了水力压裂时裂缝起裂及其扩展方向不好掌控的问题，实现了巷道顶板低密度浅孔水力压裂切顶卸压，减少了钻孔施工工程量，维护了巷道围岩稳定性。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提出了一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，通过工作面端头随采随切，在实现巷道顶板切顶卸压、防止工作面端头及其后方大面积悬顶的同时，还有利于维护工作面超前段巷道顶板的稳定性；利用水力压裂切顶卸压，在保证切顶卸压具有较好时效性的同时，克服了钻孔爆破和密集钻孔切顶卸压的不足；另外，通过在相邻两个水力压裂孔之间设置一个引裂孔，克服了水力压裂时裂缝起裂及其扩展方向不好掌控的问题，实现了巷道顶板低密度浅孔水力压裂切顶卸压，减少了钻孔施工工程量，维护了巷道围岩稳定性。
2、为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：随工作面推进在工作面端头区域实施水力压裂，实现随采随切；在水力压裂切顶卸压过程中，相邻水力压裂孔之间增设一个引裂孔，所述引裂孔位于相邻水力压裂孔连线的中间位置，其钻孔参数与水力压裂孔相同，引裂孔不进行水力压裂，仅用于水力压裂时裂隙起裂和扩展方向的引导。
3、所述水力压裂孔、引裂孔的钻孔垂直倾角为α，其计算公式为：
4、
5、式(1)中，l为悬臂梁长度；lr为巷道宽度；m为煤层厚度；单位均为米。
6、所述水力压裂孔、引裂孔的钻孔垂直深度，即切顶的垂直高度h切应不小于煤层厚度m与直接顶厚度h直和基本顶厚度h基之和，即
7、h切cosα≥m+h直+h基 (2)
8、其中直接顶厚度h直计算公式为：
9、
10、式(3)中，m为煤层厚度，单位为米；sa为基本顶下位岩梁触矸处的沉降量，单位为米；ka为垮落岩层的碎胀系数。
11、因此，切顶高度h切的计算公式为：
12、
13、即
14、所述水力压裂孔间距d根据单一钻孔在进行水力压裂后所产生的裂隙扩展长度r的两倍来计算，即
15、d＝2r (6)
16、水力压裂裂隙扩展长度r计算公式为：
17、
18、式(7)中，θ为裂隙扩展方向与水平方向的夹角；ti为张开扩展形态裂隙的强度因子；tii为滑开扩展形态裂隙的强度因子；σθ为裂隙的切向应力。
19、则，水力压裂孔间距d的计算公式为：
20、
21、本专利技术根据采煤速度、相邻水力压裂孔的间距，决定每次切顶卸压时水力压裂孔、引裂孔的数量。
22、本专利技术利用工作面端头液压支架的液压泵为水力压裂提供动力，不需要单独设置水力压裂加压泵，现场操作更加快捷、方便。
23、单孔水力压裂次数根据顶板岩层的结构和厚度确定压裂的次数，从钻孔底部逐步向孔口分段压裂。
24、单次水力压裂时间根据周围钻孔出水情况以及水力压裂曲线确定，当水力压裂曲线压力显著降低后，停止水力压裂作业。
25、与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
26、(1)水力压裂由于压裂时所产生裂隙的方向无法精准控制，导致水力压裂切顶卸压效果不佳，在相邻两个水力压裂孔之间增设一个引裂孔，引导水力压裂时所产生裂隙的方向，从而实现水力压裂裂隙起裂和扩展方向的有效控制。
27、(2)设计的相邻两个水力压裂孔之间的间距较传统水力压裂孔之间本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，随工作面推进在工作面端头区域实施水力压裂，实现随采随切；在水力压裂切顶卸压过程中，相邻水力压裂孔之间增设一个引裂孔，所述引裂孔位于相邻水力压裂孔连线的中间位置，其钻孔参数与水力压裂孔相同，引裂孔不进行水力压裂，仅用于水力压裂时裂隙起裂和扩展方向的引导。
2.根据权利要求1所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，所述水力压裂孔、引裂孔的钻孔垂直倾角为α，其计算公式为：
3.根据权利要求2所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，所述水力压裂孔、引裂孔的钻孔垂直深度，即切顶的垂直高度H切应不小于煤层厚度m与直接顶厚度H直和基本顶厚度H基之和，即
4.根据权利要求3所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，其中直接顶厚度H直计算公式为：
5.根据权利要求1所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，所述水力压裂孔间距D根据
6.根据权利要求5所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，水力压裂裂隙扩展长度R计算公式为：
7.根据权利要求1所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，根据采煤速度、相邻水力压裂孔的间距，决定每次切顶卸压时水力压裂孔和引裂孔的数量。
8.根据权利要求1所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，利用工作面端头液压支架的液压泵为水力压裂提供动力。
9.根据权利要求1所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，单孔水力压裂次数根据顶板岩层的结构和厚度确定压裂的次数，从钻孔底部逐步向孔口分段压裂。
10.根据权利要求1所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，单次水力压裂时间根据周围钻孔出水情况以及水力压裂曲线确定，当水力压裂曲线压力显著降低后，停止水力压裂作业。
...【技术特征摘要】
1.一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，随工作面推进在工作面端头区域实施水力压裂，实现随采随切；在水力压裂切顶卸压过程中，相邻水力压裂孔之间增设一个引裂孔，所述引裂孔位于相邻水力压裂孔连线的中间位置，其钻孔参数与水力压裂孔相同，引裂孔不进行水力压裂，仅用于水力压裂时裂隙起裂和扩展方向的引导。
2.根据权利要求1所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，所述水力压裂孔、引裂孔的钻孔垂直倾角为α，其计算公式为：
3.根据权利要求2所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，所述水力压裂孔、引裂孔的钻孔垂直深度，即切顶的垂直高度h切应不小于煤层厚度m与直接顶厚度h直和基本顶厚度h基之和，即
4.根据权利要求3所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，其中直接顶厚度h直计算公式为：
5.根据权利要求1所述的一种工作面端头随采随切的低密度浅孔水力压裂切顶卸压护巷方法，其特征在于，所述水力压裂...
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