煤矿顶板钻、切、裂、爆治理方法

技术领域

本发明涉及煤层上覆厚硬顶板治理技术领域，具体地，涉及一种煤矿顶板钻、切、裂、爆治理方法。

背景技术

由于深部煤层冲击地压、顶板等动力灾害发生过程复杂、影响因素叠加较多，目前对于深部煤层动力灾害的研究尚未达到机理清晰、规律明确的程度，但对于深部煤层动力灾害发生条件的认识基本一致，认为顶板高度的应力集中和破坏时释放的巨大能量是动力灾害发生的必要条件之一。因此，对深部煤层采取一定的治理措施，破坏顶板的储能结构、弱化储能条件对于深部煤层动力灾害防控至关重要。

目前，顶板的防控处理方式主要包括自然垮落法、顶板爆破法、顶板水力压裂法等，其中自然垮落法往往垮落步距大，垮落易造成动力灾害显现。顶板爆破法、顶板水力压裂法则被广泛推广应用，但受到方法自身特征、适用条件、工艺流程等的差异，顶板爆破法、顶板水力压裂法应用过程中，效果和作用范围有限，难以满足现场动力灾害治理实际需求。

鉴于现有的顶板防控治理方法都有自身的技术特点和适用性，但是面对井下复杂多变的地质条件时，很难做到很高的普适性。因此，提供一种具有普适性、工作量低、工艺流程简单、操作方便的顶板治理方法势在必行。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明实施例提出一种煤矿顶板钻、切、裂、爆治理方法，该煤矿顶板钻、切、裂、爆治理方法的普适性好、工作量低、工艺流程简单、操作方便，为厚硬顶板的治理防护提供了新的治理工艺，且经济效果显著。

本发明实施例的煤矿顶板钻、切、裂、爆治理方法包括以下步骤：

S1：确定作业区域，然后在作业区域施工钻孔；

S2：利用高压水完成对钻孔的切割以在所述钻孔的孔壁形成初始裂隙；

S3：将所述钻孔分为多个钻孔段，沿着从内至外的方向逐次对每个所述钻孔段压裂以使所述初始裂隙发育为定向裂隙和密集裂隙；

S4：对所述钻孔探孔，然后在所述钻孔内装药并完成爆破。

在一些实施例中，在步骤S1中，所述钻孔的施工包括以下步骤：

利用常压水实现对岩壁的湿润和岩粉的清洗；

待完成全孔钻进作业后，停钻并继续通入第一时长的所述常压水以完成对所述钻孔的清洗。

在一些实施例中，在步骤S2中，对钻孔的切割包括以下步骤：在钻孔清洗后，将所述常压水切换为高压水，然后在钻孔工具后退的过程中驱使所述钻孔工具旋转或抽拉以完成对所述钻孔的孔壁的切割。

在一些实施例中，在步骤S3中，对每个所述钻孔段的压裂包括以下步骤：

缓慢提升水的压力以通过两个封隔器的膨胀实现对两个封隔器之间的所述钻孔段的密封；

继续提升水的压力至设计压力，然后向两个所述封隔器之间通入第二时长的高压水以完成对所述钻孔段的压裂。

在一些实施例中，所述设计压力通过以下公式计算获得：

P＝P

ΔP＝ΔP

＝1.0509×10

式中：P为设计压力；Pc为岩石启裂压力；ΔP为总体管路压降；K

在一些实施例中，在步骤S4中，所述装药和爆破包括以下步骤：

通过推杆将炸药柱和炮头推送至钻孔内，并直至完成整个所述钻孔的装配作业；

在完成装药后，对所述钻孔进行封孔；

待用于封孔的材料凝固稳定后，通过预留的注液管向所述钻孔内注水并直至水压达到设定阈值；

连接母线并实行爆破。

在一些实施例中，所述推杆的材质为绝缘材质；

和/或，每个所述炸药柱均对应一个所述炮头；

和/或，所述设定阈值为0.5～1Mpa。

在一些实施例中，所述钻孔的装药量通过以下公式计算获得：

Q＝ql

式中：Q为装药量，单位为千克(kg)；l

在一些实施例中，通过作业系统进行过程监测，所述监测系统包括显示器、电源和多个传感器，多个所述传感器包括如下至少一种：位移传感器、水压传感器、流量传感器。

在一些实施例中，所述作业系统包括高压泵组，所述高压泵组与水管相连，所述高压泵组用于将所述水管内的常压水加压为高压水。

附图说明

图1是本发明实施例的治理方法的流程示意图。

图2是本发明实施例的钻孔的初始裂隙的横切裂隙的示意图。

图3是本发明实施例的钻孔的初始裂隙的纵切裂隙的示意图。

图4是本发明实施例的钻孔的初始裂隙的整体示意图。

图5是本发明实施例的在压裂时的钻孔内部的结构示意图。

图6是本发明实施例的在爆破时的钻孔内部的结构示意图。

图7是本发明实施例的作业系统的示意图。

图8是本发明实施例的在进行爆破时的现场布置示意图。

图9是本发明实施例的在进行钻切预裂时的现场布置示意图。

附图标记：

钻孔1；横切裂隙2；纵切裂隙3；封隔器4；推杆5；定向裂隙6；密集裂隙7；装药段8；封控段9；顶板10；注液管11；爆破引线12；水管13；高压泵组14。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的煤矿顶板10钻、切、裂、爆治理方法(以下简称治理方法)包括以下步骤：

S1：确定作业区域，然后在作业区域施工钻孔1。具体地，可以首先在回采巷道的顶板10上确定出作业区域，回采巷道具体可以为回风巷或运输巷。然后可以通过钻孔1工具在作业区域内进行钻孔1，优选地，钻孔1倾斜向下布置。

S2：利用高压水完成对钻孔1的切割以在所述钻孔1的孔壁形成初始裂隙。具体地，高压水的水压应不低于50MPa，在完成钻孔1后，可以利用高压水并通过钻孔1工具后退式的方式进行切缝作业，切缝后，可以在钻孔1的孔壁上形成初始裂隙。如图2至图4所示，初始裂隙可以包括横切裂隙2和纵切裂隙3。其中横切裂隙2是进行定向扩展，且主要是对厚硬顶板10进行分层处理，裂隙扩展半径较大，一般为5m～20m。纵切裂隙3是进行密集扩展，且主要是破坏厚硬顶板10的完整性，在钻孔1径向一定范围内形成密集裂隙7簇，裂隙扩展半径相对较小，一般为3m～10m。

S3：将所述钻孔1分为多个钻孔1段，沿着从内至外的方向逐次对每个所述钻孔1段压裂以使所述初始裂隙发育为定向裂隙6和密集裂隙7。例如，可以沿着钻孔1的延伸方向将钻孔1分为三个、四个、五个等数量的钻孔1段，然后可以沿着从钻孔1的孔底至孔口的方向(从内至外)的方向依次对每个钻孔1段进行压裂。压裂时，可以利用高压水作用于每个钻孔1段的初始裂隙处，在液体压力与流量等叠加作用下，结合初始裂隙形态特征，可以使得初始裂隙进一步发育并演化出不同尺度的定向裂隙6与密集裂隙7，具体如图5和图6所示。

S4：对所述钻孔1探孔，然后在所述钻孔1内装药并完成爆破。例如，可以通过探孔设备完成对钻孔1的探孔作业，通过探孔作业可以查看钻孔1是否出现塌孔，若塌孔则需要重新进行钻孔1并进行后续的切割和压裂。若未出现塌孔，则可以向钻孔1内装填炸药并完成爆炸。

本发明的处理方法的集合了现有的顶板10防护的各种处理手段的优点，且能够适应各种复杂状况下的普适性好、工作量低、工艺流程简单、操作方便，为厚硬顶板10的治理防护提供了新的治理工艺，且经济效果显著。

在一些实施例中，在步骤S1中，所述钻孔1的施工包括以下步骤：

S11：利用常压水实现对岩壁的湿润和岩粉的清洗。例如，在利用钻头进行钻孔1的过程中，可以向钻孔1内供入常压水，由此，一方面可以实现对钻头的冷却，另一方面可以实现对岩粉的清洗，可以提高钻孔1效率。常压水的水压可以为3Mpa～4Mpa，如图8和图9所示，巷道内可以布置有用于输送常压水的水管13，常压水可以经由水管13输送至钻孔1内。

S13：待完成全孔钻进作业后，停钻并继续通入第一时长的所述常压水以完成对所述钻孔1的清洗。例如，在钻孔1完成后，可以停钻1min～2min(第一时长)，在停钻的过程中可以继续向钻孔1内注入常压水，从可以实现对钻孔1的清洗。

在一些实施例中，在步骤S2中，对钻孔1的切割包括以下步骤：在钻孔1清洗后，将所述常压水切换为高压水，然后在钻孔1工具后退的过程中驱使所述钻孔1工具旋转或抽拉以完成对所述钻孔1的孔壁的切割。

具体地，钻孔1工具可以包括钻切一体化射流切割器(简称切割器)，该切割器可以包括钻头和高压喷头，且切割器的内部可以设有控制阀。使用时，切割器可以与钻杆连接固定，借助切割器的钻头可以实现钻孔1作业，在钻孔1作业时，控制阀开启，常压水可以经由控制阀流至钻头处。在切割作业时，通入的高压水会将控制阀关闭，此时，高压水会从高压喷头喷出，借由高压水可以实现对钻孔1的孔壁的切割作业。由于钻切一体化射流切割器可以现有技术，此处不再赘述。

需要说明的是，高压喷头设于切割器的侧面，当切割器转动时，高压水可以实现对横切裂隙2的切割，当切割器沿着钻孔1抽拉时，高压水可以实现对纵切裂隙3的切割。

在一些实施例中，在步骤S3中，对每个所述钻孔1段的压裂包括以下步骤：

S31：缓慢提升水的压力以通过两个封隔器4的膨胀实现对两个封隔器4之间的所述钻孔1段的密封。具体地，在完成对钻孔1的切割作业后，可以将切割器取出，然后可以利用钻杆或推杆5将封堵压裂器送入钻孔1内。如图5所示，封堵压裂器可以包括封隔器4，封隔器4在充入液体后会发生膨胀，从而可以实现对钻孔1的密封封堵。

需要说明的是，封堵压裂器可以包括两个封隔器4，当封堵压裂器送入相应的钻孔1段内后，可以向两个封隔器4内通入常压水，从而使得两个封隔器4膨胀，进而可以在两个封隔器4中间形成密闭空间。

S32：继续提升水的压力至设计压力，然后向两个所述封隔器4之间通入第二时长的高压水以完成对所述钻孔1段的压裂。具体地，当封堵压裂器完成对钻孔1的封堵后，可以将水送入两个封隔器4之间的密闭空间内，当两个膨胀封隔器4之间所形成的密闭空间内的液体压力超过初始裂隙开裂所需极限压力时，初始裂隙会进一步扩展并向深部延伸。

在液体压力与流量等叠加作用下，结合初始裂隙形态特征，可以形成并发育出不同尺度的定向裂隙6与密集裂隙7。需要说明的是，在压裂的过程可以持续30min～60min(第二时长)，从而保证了压裂的充分性，保证了压裂的品质和效果。

在一些实施例中，设计压力通过以下公式计算获得：

P＝P

ΔP＝ΔP

＝1.0509×10

式中：

P为设计压力；Pc为岩石启裂压力；ΔP为总体管路压降；K

在一些实施例中，在步骤S4中，所述装药和爆破包括以下步骤：

S41：通过推杆5将炸药柱和炮头推送至钻孔1内，并直至完成整个所述钻孔1的装配作业。例如，如图5所示，推杆5的材质为绝缘材质，具体可以为绝缘炮棍，在装填炸药的过程中，每个炸药柱均对应设置有一个炮头，通过分段的方式完成全钻孔1的装药作业，装填后，在钻孔1内形成装药段8，具体如图6所示。

S42：在完成装药后，对所述钻孔1进行封孔。具体地，可以借助封口材料对钻孔1的孔口进行密封，封口后在钻孔1内形成封控段9，从而保证了钻孔1在爆炸时的密封性。

S43：待用于封孔的材料凝固稳定后，通过预留的注液管11向所述钻孔1内注水并直至水压达到设定阈值。设定阈值可以为0.5～1Mpa，当注入的水压达到该范围后，可以停止注水并关闭注液管11上的阀门。由此，通过保压爆破技术能够进一步提升爆破的“震冲作用”效果。

S44：待一切工序准备完毕后，将爆破引线12连接母线，然后将人员撤离并实行爆破。在一些实施例中，所述钻孔1的装药量通过以下公式计算获得：

Q＝ql

式中：Q为装药量，单位为千克(kg)；l

在一些实施例中，通过作业系统进行过程监测，所述监测系统包括显示器、电源和多个传感器，多个所述传感器包括如下至少一种：位移传感器、水压传感器、流量传感器。

例如，如图7所示，电源具体可以为便携式本安电源，传感器具体可以包括位移传感器、切割水压传感器、预裂水压传感器、预裂流量传感器、保压压力传感器。传感器可以安装在相应的管路、管道、钻孔1等位置，从而方便了采集相应的数据信息。

作业系统还可以包括采集器，传感器采集的数据可以传输至采集器处，然后可以经由显示器显示，从而方便了直观了解操作过程中的各项参数，保证了操作的精度，避免了误差较大的情况。

在一些实施例中，所述作业系统包括高压泵组14，所述高压泵组14与水管13相连，所述高压泵组14用于将所述水管13内的常压水加压为高压水。例如，如图8和图9所示，巷道内可以布置有水管13，水管13为常压水管13并沿着巷道的延伸方向延伸布置。作业时可以借助锚钻机进行钻孔1作业，锚钻机和常压水管13之间可以设有两个管路，两个管路分别为第一管路和第二管路，其中第一管路可以直接将常压水管13与锚钻机相连，从而满足了供应常压水的使用需要，高压泵组14可以安装在第二管路上，由此，水管13内的常压水可以经由高压泵组14加压，然后输送至锚钻机处，从而满足了供应高压水的使用需要。

可选地，如图8和图9所示，第一管路和第二管路上均设有控制阀，从而方便了控制管路的启闭。

下面描述本发明一个具体示例。

1)首先开展钻孔1作业，此时应用井下常规供水，水压为3MPa～4MPa，供水流经控制阀(钻切一体化射流切割器上的控制阀)并从钻头的端头流出，从而起到湿润岩壁和清洗钻进岩粉的作用，直至完成全孔的钻进作业，停钻1min～2min，继续注水对钻孔1进行清洗。

2)钻孔1冲洗干净后，开始后退式切缝作业，将钻杆末端连接的常规供水更换为高压水(水压不低于50MPa)，高压水作用下控制阀(钻切一体化射流切割器上的控制阀)关闭，关闭后高压水从喷头射出，形成“水刀”，通过旋转和抽拉钻杆，完成钻孔1切割作业，形成横纵交错的初始裂缝网络，见图4所示。通过这种后退式分段切割，即可完成全钻孔1的切缝作业。

3)将单管路调压式封堵压裂器与高压推杆5密封连接，通过钻机推送至距离钻孔1孔底最近的预裂点位，同时应用高压橡胶管将高压清水泵与高压推杆5密封连接，形成完整的预裂系统。

4)开启泵站，先缓慢提升至开启压力(一般为5～10MPa，主要由两端封隔器4中间的控制阀控制)，确保两封隔器4正常膨胀，同时在两封隔器4中间形成密闭空间。

5)当两膨胀封隔器4所形成密闭空间内液体压力超过初始裂隙开裂所需极限压力时，横纵裂隙进一步扩展，向深部延伸。在液体压力与流量等叠加作用下，结合初始裂隙形态特征，形成不同尺度的定向裂隙6与密集裂隙7，持续预裂时间一般为30～60min。

6)完成第一预裂点后，撤压，后退至第二预裂点，重复上述步骤，直至完成全钻孔1的压裂作业。最后一点预裂结束后，将钻孔1内的预裂设备全部取出，探孔，确保钻孔1无塌孔，具备装药条件。

7)将做好防水处理的炸药柱及炮头通过绝缘炮棍依次推送至钻孔1内，每一段炸药柱必须包含一个炮头，分段按设计完成全钻孔1的装药作业，钻孔1内装药量计算方法：根据爆破岩层层位、厚度、强度等综合确定，然后计算装药量，一般单孔装药量不超过100kg。

8)完成全钻孔1装药后，按设计完成封孔作业，需要提前预留好注液管11，封孔材料凝固稳定后，通过预留的注液管11向钻孔1内注水，当水压达到0.5～1MPa时，停止注水，关闭钻孔1孔口截止阀。

9)连接爆破母线，撤人，启动爆破。

下面描述本发明另一个具体示例。

1)编制煤矿井下“钻-切-裂-爆”综合治理方案设计。

2)定位开孔，将“钻-切一体化射流切割器”一端与钻头连接，一端与钻杆连接，按设计完成全钻孔1的施工作业。需要说明的是，这里可以采用钻-切一体化射流切割器，一次性成孔后，不退杆条件下完成射流切割作业，也可以先完成钻孔1作业，在更换射流切割器完成切割作业。

3)停钻，并将常压水更换为高压水，利用从射流口高速喷射的高压水刀切割作用，在钻孔1内形成一定尺寸的横纵交错切割裂隙，按设计完成全钻孔1的切缝作业。

4)将“钻-切一体化射流切割器”从钻孔1中退出，应用高压注液钻杆将“双端封堵压裂器”推送至孔内，自孔底开始，分段式后退压裂，确保每次压裂射流口在切缝附近，高压水作用下，切缝进一步扩展延伸，完成全钻孔1的预裂作业。

5)退出“双端封堵压裂器”，应用推杆5将装有炸药的聚能管(或PVC管等)推送至设计位置，过程中一定要注意两点：一是，所应用的炸药需防水；二是，制作的炮头一定要防水，防水压力不低于10MPa。

6)爆破孔封孔，封孔期间将一根高压胶管自炸药末端引出，待封孔稳定后，通过此高压胶管向孔内注水，待孔内水压回升至0.5～1MPa时，停止注水，然后闭死孔口总阀。需要说明的是，保压注水压力可以调整，即可以根据现场实际条件选择合适的保压压力，一般不超过5MPa。实际操作过程中可以选择保压爆破，也可以选择常规的爆破手段，爆破爆破有利于充分发挥预裂作业所形成的预裂裂隙。

7)撤人，警戒起爆。

本发明的治理方法具有以下有益效果：

1、动力灾害治理技术的巨大进步

现阶段独立的超前深孔预爆破、聚能爆破、双端封堵水力压裂、定向水力压裂等治理技术难以满足复杂多变的现场赋存条件，突破各技术壁垒，通过核心工具串形成大型综合治理技术对煤岩动力灾害的治理意义重大。

2、避“缺”保“优”，充分发挥各技术优势

通过工艺流程的精准控制，充分发挥液体压力、高压震冲作用、波动冲击作用等对裂隙扩展的增幅作用，区域同等卸压效果情况下，整体工作量降低不低于20％。

3、优化的工艺流程，去“冗”留“精”，简单方便

现阶段，竞争对手所用的常规水力压裂技术，切缝环节一般为机械切缝，在每完成1个点的切缝与压裂工作，需要拆卸钻杆3次，当需要单孔多次切缝与压裂时，所需要的工序是相当多的，如果在加上聚能爆破，仅繁重工序就不具备广泛推广的价值和意义，而本发明中所包含的一体化压裂钻头有效解决了这一问题。

4、本发明所包含的保压爆破，为全新的治理工艺，现阶段煤岩动力灾害治理方面，暂无可形成有效竞争力的方法和工艺，对经营而言，具备形成新的增长点的条件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。