一种厚煤层水力压裂切顶沿空留巷方法

技术领域

本发明涉及切顶沿空留巷施工技术领域，具体涉及一种厚煤层水力压裂切顶沿空留巷方法。

背景技术

切顶留巷是一种在工作面开采过后，通过提前处理巷道上方顶板使其自动垮落从而保留原巷道的技术，目前已在薄及中厚煤层中得到成功应用并推广，但在厚煤层中仍应用较少。切顶留巷无需留设煤柱，有利于矿井通风和消除瓦斯积聚作用，采用的主要技术为密集钻孔切顶和聚能爆破切顶。密集钻孔辅助切顶需要施工大量钻孔，在厚煤层中应用会导致工程量过大、切顶效果无法保障；聚能爆破应用于厚煤层切顶留巷时，炸药消耗量大、巷道稳定性差，且容易产生动载冲击风险。基于上述背景，本发明拟采用水力压裂来代替传统切顶手段。水力压裂较上述技术钻孔施工量更小，主要消耗品为工业用水、经济效益好，压裂时的能量级别较小，不会出现次生的煤与瓦斯突出和冲击矿压风险，能够更好的适应厚煤层开采的地质和工程条件。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种厚煤层水力压裂切顶沿空留巷方法，其能够多组压裂钻孔同时或交替水力压裂，节约时间成本、提高采掘接替效率，可以代替聚能爆破技术实现厚煤层开采的安全、高效、快速切顶留巷。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种厚煤层水力压裂切顶沿空留巷方法，具体包括以下步骤：

S1、计算厚煤层切顶高度；通过切顶高度H

S2、施工压裂钻孔；确定压裂钻孔的施工位置，以倾角θ和长度L施工压裂钻孔，压裂钻孔被上覆岩层、基本顶分隔为常规压裂段、定向压裂段和非压裂段；

S3、高压射流切割孔壁；依次连接射流喷嘴、刚性管路、固定支架、柔性管路、高压泵和水箱，形成高压射流切割系统；射流喷嘴上设有流切割装置，将射流喷嘴推送至定向压裂段，开启高压泵并逐步后退射流切割装置，形成沿压裂钻孔轴向的定向人工弱面；

S4、单孔多次水力压裂；将封孔器连接水力压裂系统；将封孔器推送至压裂钻孔中注水封孔形成压裂段，开启高压泵分别在常规压裂段和定向压裂段压裂数次，在上覆岩层形成无规则水力裂缝、在基本顶中形成沿人工弱面起裂的定向水力裂缝面；从压裂钻孔深部至浅部逐步压裂，直至封孔器退出到非压裂段，结束单孔多次压裂工作；

S5、多组压裂钻孔顺序压裂；沿巷道轴向布置多组压裂钻孔，在每个压裂钻孔内分别重复步骤S3、S4，每次在上覆岩层中压裂形成的无规则水力裂缝相互贯穿形成复杂裂缝网，在基本顶中压裂形成的定向水力裂缝面相互合并形成连续定向裂缝面；

S6、切顶留巷及辅助措施；工作面开采后，步骤S3、S4、S5形成的连续定向裂缝面使基本顶的长悬顶板切落，变为短悬顶板和垮落顶板；形成的复杂裂缝网使压裂层位以下的岩层充分垮落形成密实矸石堆；在巷道采空区侧设置单体支柱和挡矸帷幕，实现厚煤层切顶留巷。

优选地，步骤S1中所述的切顶高度计算公式为：H

优选地，步骤S2所述的上表面交点，与留巷边界的水平距离x应小于或等于巷道宽度w的三分之二，所述的倾角θ通过压裂钻孔在巷道内的施工位置、基本顶层位以及水平距离x确定，所述的压裂钻孔长度L等于施工位置沿倾角θ延伸至压裂层位的线段长度。

优选地，步骤S2中，基本顶下表面与压裂钻孔的交点为下表面交点，基本顶上表面与压裂钻孔的交点为上表面交点，下表面交点、上表面交点均位于留巷边界以外。

优选地，步骤S4中，所述水力压裂系统包括依次与封孔器连接的刚性管路、固定支架、柔性管路、高压泵以及水箱。

优选地，步骤S5所述的多组压裂钻孔顺序压裂，应在完成单孔压裂后，在孔底通过堵塞物封堵压裂钻孔，避免煤岩层中的有害气体泄露妨碍正常生产。

本发明的有益效果在于：

本方法采用的水力压裂技术对巷道扰动作用小，能够缓解瓦斯超限，主要消耗井下工业用水且不对环境产生影响，能够多组压裂钻孔同时或交替水力压裂，节约时间成本、提高采掘接替效率，能够代替聚能爆破技术从而降低钻孔施工量、减小工人劳动强度、提高井下经济效益，实现厚煤层开采的安全、高效、快速切顶留巷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的压裂层位与压裂钻孔施工设计示意图(剖面图)；

图2a为本发明实施例提供的定向压裂段内的定向人工弱面示意图(与巷道轴向垂直的剖面)；

图2b为本发明实施例提供的定向压裂段内的定向人工弱面示意图(沿巷道轴向剖面)；

图3a为本发明实施例提供的单孔多次水力压裂施工示意图；

图3b为本发明实施例提供的单孔多次水力压裂形成定向水力裂缝面的施工示意图；

图4为本发明实施例提供的多组压裂钻孔顺序压裂施工示意图；

图5为本发明实施例提供的压裂后的切顶留巷效果示意图。

附图标记说明：

1-压裂层位；2-压裂钻孔，2.1-常规压裂段、2.2-定向压裂段、2.3-非压裂段，2.a-第一压裂钻孔，2.b-第二压裂钻孔，2.c-第三压裂钻孔，3-施工位置；4.1-基本顶下表面，4.2-基本顶上表面；5-留巷边界；6.1-下表面交点，6.2-上表面交点；7.1-射流喷嘴；7.2-流切割装置，7.3-定向人工弱面，8.1-刚性管路，8.2-固定支架，8.3-柔性管路；9.1-封孔器，9.2-压裂段，9.3-无规则水力裂缝，9.4-定向水力裂缝面，9.5-复杂裂缝网，9.6-连续定向裂缝面；10-堵塞物，11.1-短悬顶板，11.2-垮落顶板，12-矸石堆，13-单体支柱，14-挡矸帷幕，15、水箱，16、高压泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

设矿的厚煤层工作面开采厚度为5.2m，煤岩体平均碎胀系数为1.4，采用一次采全高方式，采出率为95％，工作面开采顶板下沉量为0.2m，底板鼓出量为0.1m，巷道宽5.0m、高3.0m，直接顶厚度2.3m，基本顶厚度6.8m。

如图1至图5所示，一种厚煤层水力压裂切顶沿空留巷方法，主要步骤如下：

S1、通过切顶高度的计算公式，得出切顶高度

S2、压裂钻孔2的施工位置3确定为巷道肩窝处，基本顶下表面4.1与压裂钻孔2的交点为下表面交点6.1，基本顶上表面4.2与压裂钻孔2的交点为上表面交点6.2，下表面交点6.1、上表面交点6.2均位于留巷边界5以外，确定上表面交点6.2与留巷边界5的水平距离x为3m(小于巷道宽度5.0m的2/3)，计算压裂钻孔2倾角

S3、依次连接射流喷嘴7.1、刚性管路8.1、固定支架8.2、耐高压的柔性管路8.3(破坏压力80MPa以上)、高压泵16(额定压力70MPa以上、流量180L/min)和容量4.5立方米水箱15，形成高压射流切割系统；射流喷嘴7.1上设有流切割装置7.2，将射流喷嘴7.1推送至定向压裂段2.2，开启高压泵16并逐步后退流切割装置7.2，形成沿压裂钻孔2轴向、缝宽0.5mm、缝深5～10cm的定向人工弱面7.3，如图2a、图2b所示；

S4、依次连接直径A-30封孔器9.1(直径60mm)、刚性管路8.1、固定支架8.2、耐高压的柔性管路8.3(破坏压力80MPa以上)、高压泵16(额定压力70MPa以上、流量180L/min)和容量4.5立方米水箱15，形成水力压裂系统；将封孔器9.1推送至压裂钻孔2中注水封孔形成压裂段9.2，开启高压泵16分别在常规压裂段2.1压裂2次、定向压裂段2.2压裂4次，在上覆岩层形成无规则水力裂缝9.3、在基本顶中形成沿人工弱面7.3起裂的定向水力裂缝面9.4；从压裂钻孔2底部逐步压裂，直至封孔器9.1退出到孔深4.7m的非压裂区域，结束单孔多次压裂工作，如图3a、图3b所示；

S5、沿巷道轴向每隔12m布置一组压裂钻孔2，共三组分别为第一压裂钻孔2.a，第二压裂钻孔2.b以及第三压裂钻孔2.c；在每组压裂钻孔2内分别重复步骤S3、S4，每次在上覆岩层压裂中形成的无规则水力裂缝9.3相互贯穿形成复杂裂缝网9.5，在基本顶中压裂形成的定向水力裂缝面9.4相互合并形成连续定向裂缝面9.6，如图4所示；

S6、工作面开采后，上方顶板垮落形成采空区；步骤S3、S4、S5形成的连续定向裂缝面9.6使基本顶变为短悬顶板11.1和垮落顶板11.2，形成的复杂裂缝网9.5使压裂层位1以下的顶板岩层充分垮落形成密实矸石堆12；在巷道采空区侧设置单体支柱13和挡矸帷幕14，防止矸石混入巷道影响生产。

上述的水力压裂切顶留巷方法可代替聚能爆破，施工效率更高、安全风险更低，有利于提高厚煤层开采效率及降低瓦斯超限，推动了厚煤层安全高效切顶留巷的进一步发展。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。