旺格維利回採工作面頂板水力壓裂弱化方法及裝置與流程

2023-11-30 15:48:36 3

本發明涉及煤礦開採技術領域，具體涉及一種旺格維利回採工作面頂板巖層水力壓裂弱化方法及裝置。

背景技術：

我國具有國際先進水平的長壁綜合機械化採煤方法。但我國仍有大量不適合布置長壁工作面的邊角煤塊段。比如，大型井田的邊角煤塊段和不適宜布置綜採工作面的塊段，工作面多為不規則塊段，無法採用長壁綜合機械化採煤法回採。據統計，僅神府東勝礦區的不規則邊角煤塊段及部分小型井田的可採儲量為53219萬噸，佔礦區可採總量的17.24％。而旺格維利採煤法(簡稱旺採)，是一種短壁式開採方法，是回採不規則邊角煤塊段及小型井田煤炭資源的有效方法，該方法符合國家煤炭法規的要求，能夠減少資源浪費，提高資源採出率，是我國煤炭開採方法的有益補充。

旺格維利採煤法的生產系統巷道，主要由盤區巷道(集中巷)、區段平巷、聯巷、支巷和採硐組成。旺採工藝是採用連續採煤機割煤，連續運煤系統(運煤車或梭車)運煤，採用線形支架支護支巷頂板，採取全部跨落法管理頂板的一種採煤方法。該方法適用於井田邊界的邊角煤、不規則區域和不適宜布置綜採的小型井田。

在旺格維利採煤法中，針對難垮頂板，通常採用爆破方法弱化採空區頂板巖層，促使難垮頂板及時垮落，避免大面積懸頂突然一次性垮落形成颶風和強烈衝擊。但爆破方法使用大量火工品，安全性低，爆破產生的co等有毒氣體，汙染井下空氣，威脅工人安全。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是提供一種旺格維利回採工作面頂板巖層水力壓裂弱化方法及裝置，保證回採過程中，難垮頂板巖層能夠及時、安全垮落，避免在採空區形成大面積懸頂，導致一次性垮落產生颶風及強烈衝擊，造成工作面設備損壞、人員傷亡等惡性事故。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種旺格維利回採工作面頂板水力壓裂弱化方法，所述回採工作面的兩端分別設置有聯巷和/或輸運平巷，煤柱設置在兩條相鄰的聯巷之間，或者設置在輸運平巷和與所述輸運平巷相鄰的聯巷之間，在相鄰的煤柱之間設置有區段支巷；其中，所述方法包括如下步驟：

s1：確定所述回採工作面的頂板巖層和煤柱的結構參數；

s2：根據所述頂板巖層和所述煤柱的結構參數，計算水力壓裂鑽孔的基本參數；

s3：根據計算結果，由所述聯巷或輸運平巷或區段支巷向所述煤柱上方的頂板巖層斜向鑽取水力壓裂鑽孔；

s4：在所述水力壓裂鑽孔上的預設位置處進行水力壓裂弱化處理。

其中，所述確定所述回採工作面的頂板巖層的結構參數，具體為：根據所述回採工作面的地質柱狀圖或通過鑽孔窺視，確定所述頂板巖層的結構參數。

其中，所述頂板巖層的結構參數包括所述頂板巖層的厚度、巖體強度、回採工作面採高、巖性、地應力場的大小、煤巖體強度、工作面回採工藝、支架參數中的至少一項。

其中，所述水力壓裂鑽孔的基本參數包括孔的數量、預設位置、孔深、仰角角度、豎直高度、非壓裂段長度、壓裂段長度以及壓裂次數中的至少一項。

其中，所述水力壓裂鑽孔包括第一水力壓裂鑽孔和/或第二水力壓裂鑽孔，所述第一水力壓裂鑽孔與所述煤柱的水平中心線相對應，所述第二水力壓裂鑽孔布置在所述煤柱的水平中心線的兩側。

其中，當所述水力壓裂鑽孔包括第一水力壓裂鑽孔和第二水力壓裂鑽孔時，所述第一水力壓裂鑽孔的仰角角度小於所述第二水力壓裂鑽孔的仰角角度，且所述第一水力壓裂鑽孔的深度大於所述第二水力壓裂鑽孔的深度。

其中，所述第一水力壓裂鑽孔的仰角為15°至35°，所述第二水力壓裂鑽孔的仰角為45°至60°。

其中，所述水力壓裂鑽孔的豎直高度為採高的4-6倍。

其中，所述在所述水力壓裂鑽孔上的預設位置處進行水力壓裂弱化處理，具體為：在所述第一水力壓裂鑽孔上的預設位置處進行水力壓裂之後，再對所述第二水力壓裂鑽孔上的預設位置處進行水力壓裂弱化處理。

本發明還公開了一種旺格維利回採工作面頂板水力壓裂弱化裝置，所述回採工作面的兩端分別設置有聯巷和/或輸運平巷，煤柱設置在兩條相鄰的聯巷之間，或者設置在輸運平巷和與所述輸運平巷相鄰的聯巷之間，其包括：

參數獲取單元，用於確定回採工作面的頂板巖層和煤柱的結構參數；

計算單元，用於根據頂板巖層和煤柱的結構參數，計算水力壓裂鑽孔的基本參數；

鑽孔單元，用於根據所述計算單元的計算結果，由所述輸運平巷或所述聯巷或所述區段支巷向所述煤柱上方的頂板巖層斜向鑽取水力壓裂鑽孔；

水力壓裂弱化處理單元，用於分別在水力壓裂鑽孔的預設位置處進行水力壓裂弱化處理。

(三)有益效果

本發明通過聯巷和/或輸運平巷，向工作面支行的煤柱上方的頂板巖層9鑽取水力壓裂鑽孔，通過該水力壓裂鑽孔對頂板巖層進行水力壓裂弱化處理，通過水力壓裂弱化煤柱上方的頂板巖層，促使採空區頂板及時垮落，避免在採空區形成大面積懸頂。此外，由於工作面回採前實施水力壓裂弱化頂板巖層作業，因而不影響工作面正常回採。該方法能夠從根本上解決旺採工作面難垮頂板無法及時垮落難題，大幅提升頂板管理的安全性。

附圖說明

圖1示出了根據本發明的水力壓裂鑽孔的布置的一個優選實施例的示意圖；

圖2示出了根據本發明的第一水力壓裂鑽孔的結構示意圖；

圖3示出了根據本發明的第二水力壓裂鑽孔的結構示意圖。

圖中，1、第一水力壓裂鑽孔；2、第二水力壓裂鑽孔；3、聯巷；4、保安煤柱；5、煤柱；6、區段支巷；7、運輸平巷；8、輸運平巷；9、頂板巖層。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。

在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。術語「上」、「下」、「左」、「右」、「內」、「外」、「前端」、「後端」、等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

實施例1

結合圖1至圖3所示，本發明實施例提供的一種旺格維利回採工作面頂板水力壓裂弱化方法，回採工作面的兩端分別設置有聯巷3和/或輸運平巷8，煤柱5設置在兩條相鄰的聯巷3之間或者設置在輸運平巷8和與該輸運平巷8相鄰的聯巷3之間，在相鄰的煤柱5之間設置有區段支巷6，在輸運平巷8的左側還設有運輸平巷7(如圖1所示)，該方法包括以下步驟：

s1：確定回採工作面的頂板巖層9和煤柱5的結構參數。具體為：根據旺格維利回採工作面的鑽孔柱狀圖或通過鑽孔窺視，確定頂板巖層9的結構參數。其中，頂板巖層9的結構參數包括頂板巖層9的厚度、巖體強度、巖石的膨脹係數、回採工作面採高、巖性、地應力場的大小、煤巖體強度、工作面回採工藝、支架參數中的至少一項。而煤柱5的結構參數包括煤柱的寬度和長度等。

s2：根據頂板巖層9和煤柱5的結構參數，確定水力壓裂鑽孔的基本參數。其中，水力壓裂鑽孔的基本參數包括孔的數量、預設位置、孔深、仰角角度、豎直高度、非壓裂段長度、壓裂段長度以及壓裂次數中的至少一項。

例如，可通過頂板巖層9的巖性和地應力場的大小、煤柱5的寬度和長度來計算回採工作面一側壓裂鑽孔的數量；可通過巖石的膨脹係數和工作面採高來計算孔深、豎直高度、仰角角度和壓裂次數，優選地，水力壓裂鑽孔的豎直高度為採高的4-6倍。

優選地，為了保證難跨頂板巖層9充分弱化，水力壓裂鑽孔包括第一水力壓裂鑽孔1和第二水力壓裂鑽孔2，該第一水力壓裂鑽孔1與煤柱5的水平中心線相對應，該第二水力壓裂鑽孔2布置在煤柱5的水平中心線的兩側。優選地第一水力壓裂鑽孔1的仰角角度小於所述第二水力壓裂鑽孔2的仰角角度，且第一水力壓裂鑽孔1的深度大於所述第二水力壓裂鑽孔2的深度。此外，優選第一水力壓裂鑽孔1的仰角β'為15°-35°，所述第二水力壓裂鑽孔2的仰角β為45°-60°。所述第一水力壓裂鑽孔1的深度l'為25-50m，所述第二水力裂鑽孔2的深度l為20-40m。壓裂次數為5-15次。

需要說明的是，本領域的技術人員應當理解，當煤柱5的寬度和長度較小時，也可僅設置1個第一水力壓裂鑽孔1或者僅設置2個第二水力壓裂鑽孔2，此外，水力壓裂鑽孔的具體位置和數量可根據具體情況具體設計。

s3：根據步驟s2的計算結果，由所述聯巷3或輸運平巷8或區段支巷6向所述煤柱5上方的頂板巖層9斜向鑽取水力壓裂鑽孔；

s4：在所述水力壓裂鑽孔上的預設位置處進行水力壓裂弱化處理。具體地：在水力壓裂鑽孔的孔道內開設至少一個切槽，其中，切槽的數量與壓裂次數相同；將封孔器推送到切槽處進行封孔；向封孔器形成的封隔段內注入高壓水，以使切槽的兩側開裂並形成裂縫，即隨著封隔段中水壓和水量的不斷增大，切槽處將產生應力集中的現象，當該應力大於起裂壓力時，切槽兩側的楔形槽尖端會發生破裂，並形成裂縫。通過對每個水力壓裂鑽孔的孔道內所有切槽依次進行水力壓裂，可使各個切槽產生的切槽裂縫相互貫通，最終在頂板巖層9形成一個的破壞區域，從而可破壞頂板巖層9的完整性，在旺採工作面回採煤柱時，促使採空區頂板及時垮落，避免在採空區形成大面積懸頂。工作面回採前實施水力壓裂弱化頂板巖層9作業，不影響工作面正常回採。該方法能夠從根本上解決旺採工作面難垮頂板無法及時垮落難題，大幅提升頂板管理的安全性。

下面通過採用旺格維利採煤法進行採煤的工作面為例，對本實施例的水力壓裂弱化方法進行說明：

s1、確定回採工作面的頂板巖層9和煤柱5的結構參數：在該實施例中，頂板巖層9包括由下至上分布的中粒砂巖、粉砂巖、細粒砂巖和粉砂巖，其厚度分別為2.7m、8.8m、8.4m和10.5m。工作面支行中煤柱的寬度為10m，左工作面支行中煤柱的長度為30～80m，中工作面支行中煤柱的長度為30～100m，右工作面支行中煤柱的長度為30～80m。

s2、根據所述頂板巖層9和所述煤柱5的結構參數，計算水力壓裂鑽孔的基本參數：通過計算得知需要在左工作面支行的兩側分別開設3個水力壓裂鑽孔，這3個水力壓裂鑽孔包括1個第一水力壓裂鑽孔1和2個第二水力壓裂鑽孔2，在中工作面支行的左側開設1個第一水力壓裂鑽孔1，在中工作面支行的右側開設2個第二水力壓裂鑽孔2，同樣地，在右工作面支行的左側開設1個第一水力壓裂鑽孔1，在右工作面支行的右側開設2個第二水力壓裂鑽孔2。其中，第一水力壓裂鑽孔1的深度l'為33.2m、仰角角度β'為25°、壓裂次數為9次；第二水力壓裂鑽孔2的深度l為26.8m、仰角角度β為48°、壓裂次數為6次。

s3、按照第一水力壓裂鑽孔1和第二水力壓裂鑽孔2的基本參數，在相鄰的保安煤柱4之間的區段1內沿聯巷3或輸運平巷8的長度方向、在頂板巖層9朝向聯巷3或輸運平巷8的一側鑽取第一水力壓裂鑽孔1和/或第二水力壓裂鑽孔2。具體地，首先在第一工作面支行的左工作面支行的右端和聯巷處鑽取第一個第一水力壓裂鑽孔1，接著在第二工作面支行的左工作面支行的右端和聯巷處鑽取第二個第一水力壓裂鑽孔1，直至將區段一的第五個工作面支行的左工作面支行右端全部鑽取第五個第一水力壓裂鑽孔1，然後在第五個工作面支行的中工作面支行的左端和聯巷處鑽取第一水力壓裂鑽孔1，在第四個工作面支行的中工作面支行的左端和聯巷處鑽取第一水力壓裂鑽孔1，依次開設剩餘的第一水力壓裂鑽孔1。然後，第一工作面支行的左工作面支行的右端從區段支巷6鑽取兩個第二水力壓裂鑽孔2，接著在第二工作面支行的左工作面支行的右端從區段支巷6鑽取兩個第二水力壓裂鑽孔2，直至將區段一的第五工作面支行的左工作面支行右端從區段支巷6鑽取兩個第二水力壓裂鑽孔2，然後在第五個工作面支行的中工作面支行的右端從區段支巷6鑽取第二水力壓裂鑽孔2，在第四個工作面支行的中工作面支行的右端從區段支巷6鑽取第二水力壓裂鑽孔2，依次開設剩餘的第二水力壓裂鑽孔2。

s4、在所述水力壓裂鑽孔上的預設位置處進行水力壓裂弱化處理首先，採用切槽鑽頭，沿著由孔底至孔口的方向每隔2m在第一水力壓裂鑽孔1的孔道內開設9個切槽，也就是說每個第一水力壓裂鑽孔1的壓裂次數為9次，壓裂段長度l2'為26.5m，非壓裂段長度l1'為6.7m；然後，將封孔器推送到每個切槽處進行封孔；接著，通過高壓泵向各個封孔器形成的封隔段中注入高壓水，隨著封隔段中水壓和水量的不斷增大，切槽處將產生應力集中的現象，當該應力大於起裂壓力時，切槽兩側的楔形槽尖端會發生破裂，形成裂縫；然後，同樣地，採用切槽鑽頭，沿著由孔底至孔口的方向每隔2m在第二水力壓裂鑽孔2的孔道內開設6個切槽，也就是說每個第二水力壓裂鑽孔2的壓裂次數為6次，壓裂段長度l2為21.3m，非壓裂段長度l1為5.5m；然後，將封孔器推送到每個切槽處進行封孔；接著，通過高壓泵向各個封孔器形成的封隔段中注入高壓水，隨著封隔段中水壓和水量的不斷增大，切槽處將產生應力集中的現象，當該應力大於起裂壓力時，切槽兩側的楔形槽尖端會發生破裂，形成裂縫；最後，各個裂縫相互貫通，在頂板巖層9形成一個破壞區域，可將頂板巖層9弱化，從而可破壞頂板巖層9的完整性，在旺採工作面回採煤柱時，促使採空區頂板及時垮落，避免在採空區形成大面積懸頂。工作面回採前實施水力壓裂弱化頂板巖層9作業，不影響工作面正常回採。該方法能夠從根本上解決旺採工作面難垮頂板無法及時垮落難題，大幅提升頂板管理的安全性。

需要說明的是，鑽取第一水力壓裂鑽孔1、鑽取第二水力壓裂鑽孔2以及對第一水力壓裂鑽孔1進行壓裂、對第二水力壓裂鑽孔2進行壓裂的順序可根據具體情況進行調整。優選地，先鑽取第一水力壓裂鑽孔1，在鑽取其它第一水力壓裂鑽孔1時可同時對已經鑽取完成的第一水力壓裂鑽孔1進行壓裂，完成單孔多次壓裂之後，逐步對剩餘的第一水力壓裂鑽孔1進行壓裂，直至將第一水力壓裂鑽孔全部壓裂，然後鑽取第二水力壓裂鑽孔2，在鑽取其它第二水力壓裂鑽孔2時可同時對已經鑽取完成的第二水力壓裂鑽孔2進行壓裂，完成單孔多次壓裂之後，逐步對剩餘的第二水力壓裂鑽孔2進行壓裂，直至將第二水力壓裂鑽孔2全部壓裂。

實施例2

本發明還提供了一種旺格維利回採工作面頂板水力壓裂弱化裝置，該裝置包括：

參數獲取單元，用於確定回採工作面的頂板巖層9和煤柱5的結構參數；

計算單元，用於根據頂板巖層9和煤柱5的結構參數，計算水力壓裂鑽孔的基本參數；

鑽孔單元，用於根據所述計算單元的計算結果，由所述輸運平巷或聯巷向煤柱5上方的頂板巖層9斜向鑽取水力壓裂鑽孔；

水力壓裂弱化處理單元，用於在水力壓裂鑽孔上的預設位置處進行水力壓裂弱化處理。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。