本發(fā)明涉及堅硬頂板治理技術(shù)，具體涉及一種水力壓裂治理堅硬頂板的方法。

背景技術(shù)：

我國煤炭資源豐富，煤層賦存條件相對復雜，全國煤礦中屬堅硬頂板的煤層約占三分之一，且分布在50％以上的礦區(qū)，如山西大同礦區(qū)、陽方口礦區(qū)、晉城礦區(qū)；北京城子礦；四川天池煤礦；以及棗莊、通化、鶴崗、神府、東勝等煤田都存在有堅硬頂板。堅硬頂板在開采過程中往往難以冒落而造成大面積懸空，且易積聚大量的能量造成應(yīng)力過度集中，從而易導致強礦壓顯現(xiàn)和沖擊地壓，一旦突然垮落則將造成強大的沖擊氣流，并對井下安全生產(chǎn)帶來嚴重的隱患。

目前常采用的堅硬頂板治理方法大致可以歸為四類：支撐法、爆破法、注水軟化法和水力壓裂法。其中，支撐法是一種傳統(tǒng)的被動的支撐堅硬頂板的方法，其不能從根本上治理堅硬頂板，只能從支撐堅硬頂板角度來避免堅硬頂板突然冒落；爆破法可使頂板破斷垮落，消除應(yīng)力集中，釋放頂板聚積的彈性能，從而減少沖擊地壓發(fā)生的可能和避免堅硬頂板大面積懸空的危害，但爆破法施工工序復雜、成本高、污染井下空氣，甚至可能引發(fā)瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故，故不安全；注水軟化法較安全，可在井下平行作業(yè)，對生產(chǎn)影響小，但對于組成堅硬頂板的砂巖或石灰?guī)r單純的注水軟化效果并不明顯。水力壓裂治理堅硬頂板的方法是通過壓裂鉆孔向目標層注入高壓水以破壞堅硬頂板巖石的完整性，其對堅硬頂板的作用主要表現(xiàn)為壓裂，其次還有軟化的作用。水力壓裂的方法相對于支撐法是一種主動的方法，相對于爆破法更安全，相對于注水軟化法效果更顯著，故而本發(fā)明提出一種水力壓裂治理堅硬頂板的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，以實現(xiàn)利用水力壓裂治理堅硬頂板的目的，本發(fā)明提供一種水力壓裂治理堅硬頂板的方法。根據(jù)壓裂目標層地應(yīng)力分布狀態(tài)的不同而選取相應(yīng)不同的壓裂方式，在堅硬頂板中產(chǎn)生壓裂裂縫，以便堅硬頂板能適時垮落，從而避免堅硬頂板大面積懸而不落以致突然垮落造成強沖擊氣流和 強礦壓顯現(xiàn)的危害。

為達本發(fā)明上述目的，一種水力壓裂治理堅硬頂板的方法包含以下步驟：

(1)測量欲壓裂堅硬頂板的應(yīng)力狀態(tài)；

在進行水力壓裂鉆孔施工之前，先進行地應(yīng)力測試，明確欲壓裂堅硬頂板的應(yīng)力狀態(tài)?？紤]到在淺地層中幾乎不會出現(xiàn)水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力相等的靜水壓力狀態(tài)，故只考慮水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力小于垂直應(yīng)力這兩種情況。

(2)根據(jù)所獲得的應(yīng)力狀態(tài)選取相應(yīng)的兩種不同的壓裂方案；

若欲壓裂的堅硬頂板的應(yīng)力狀態(tài)為水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，則采用垂直鉆孔水力噴射分層壓裂的方法將壓裂目標層分為多層進行壓裂；若壓裂目標層的應(yīng)力狀態(tài)為水平應(yīng)力小于垂直應(yīng)力，則采用L型鉆孔水力噴射分段壓裂方法對目標層進行壓裂。

(3)選取鉆孔位置及鉆孔參數(shù)并施工壓裂鉆孔；

無論采取何種壓裂方法，都將壓裂鉆孔平行于工作面長度方向布置，并使鉆孔的深度達到壓裂目標層的下部；鉆孔間距為d，取值為水力噴射壓裂半徑的2倍，該值可通過現(xiàn)場打鉆孔探測得到；鉆孔個數(shù)為n，

n＝l/d

式中，l為工作面長度。

當采用垂直鉆孔水力噴射分層壓裂方法時，分層壓裂的間距Δh1取值為1m；當采用L型鉆孔水力噴射分段壓裂方法時，鉆孔水平段沿工作面推進方向平行于目標層布置，出于對經(jīng)濟效益和壓裂效果的考慮，分段壓裂間距Δh2可取為工作面控頂距。

(4)進行水力壓裂堅硬頂板。

水力壓裂鉆孔完成后就可以開始進行壓裂作業(yè)了，從鉆孔底部開始逆鉆孔施工方向拖動壓裂管柱進行分層或分段壓裂作業(yè)。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明是利用在不同的地應(yīng)力狀態(tài)下進行水力壓裂形成的壓裂裂縫的不同，選取相應(yīng)的兩種不同的壓裂方案以形成水平或垂直裂縫，通過合理布置鉆孔間距和壓裂間距來實現(xiàn)裂縫的貫通，從而達到以下有益效果：

1)視地應(yīng)力不同這一具體情況采取相應(yīng)的兩種不同的壓裂方案更具有針對性、靈活和全面；

2)更易于產(chǎn)生貫通壓裂裂縫，削弱堅硬頂板的完整性；

3)通過控制壓裂進程可使堅硬頂板得到有控制的弱化，使其強度降低；

4)堅硬頂板能適時垮落，縮短頂板來壓步距，減少工作面強礦壓顯現(xiàn)，避免頂板大面積懸而不落以致突然垮落的危害。

附圖說明

圖1為垂直鉆孔水力噴射分層壓裂示意圖

圖2為垂直鉆孔水力噴射分層壓裂平行工作面剖面圖

圖3為L型鉆孔水力噴射分段壓裂示意圖

圖4為L型鉆孔水力噴射分段壓裂示意圖

圖5為L型鉆孔水力噴射分段壓裂垂直工作面剖面圖

附圖標記：1-垂直鉆孔；2-壓裂裂縫；3-L型鉆孔；l-工作面長度；d-壓裂鉆孔間距；Δh1-分層壓裂間距；Δh2-分段壓裂間距；A-L型鉆孔垂直段；B-L型鉆孔造斜段；C-L型鉆孔水平段；R-L型鉆孔轉(zhuǎn)彎半徑。

具體實施方式

本發(fā)明是鑒于我國許多大型煤礦賦存有堅硬頂板且有治理堅硬頂板的需求而提出的。旨在根據(jù)欲壓裂堅硬頂板的應(yīng)力狀態(tài)的不同而選取相應(yīng)不同的壓裂方案，以便能形成更加有效壓裂煤層上覆堅硬頂板的壓裂裂縫，以弱化堅硬頂板，最終實現(xiàn)堅硬頂板的適時破斷，縮短來壓步距，減少強礦壓顯現(xiàn)，避免堅硬頂板大面積懸而不落以致突然垮落造成強沖擊氣流和強礦壓顯現(xiàn)的危害。

具體實施過程結(jié)合附圖進行如下說明：

(1)測量欲壓裂堅硬頂板的應(yīng)力狀態(tài)；

在進行水力壓裂鉆孔施工之前，先明確欲壓裂的堅硬頂板的應(yīng)力狀態(tài)，因為在淺地層中幾乎不會出現(xiàn)水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力相等的靜水壓力狀態(tài)，故只考慮水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力小于垂直應(yīng)力這兩種情況，并根據(jù)這兩種情況制定不同的壓裂方案。

(2)根據(jù)所獲得的應(yīng)力狀態(tài)選取相應(yīng)的兩種不同的壓裂方案；

若欲壓裂堅硬頂板的應(yīng)力狀態(tài)為水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力時，較易形成水平壓裂裂縫，故采用垂直鉆孔水力噴射分層壓裂的方法將壓裂目標層分為多層進行壓 裂；若測試到的欲壓裂堅硬頂板的應(yīng)力狀態(tài)為水平應(yīng)力小于垂直應(yīng)力時，較易形成垂直壓裂裂縫，故采用L型鉆孔水力噴射分段壓裂方法對目標層進行壓裂。

(3)選取鉆孔位置及鉆孔參數(shù)并施工壓裂鉆孔；

無論采取何種壓裂方法，都將壓裂鉆孔平行于工作面布置，并使鉆孔的深度達到壓裂目標層的下部，以便使堅硬頂板在拉應(yīng)力作用下，從堅硬頂板下表面開始斷裂。鉆孔間距為d，取值為水力噴射壓裂半徑的2倍，可由現(xiàn)場實測得到；鉆孔個數(shù)為n，并且滿足

n＝l/d

式中，l為工作面長度。

當采用垂直鉆孔水力噴射分層壓裂方法時，根據(jù)波蘭的頂板分類方法，頂板特征指數(shù)L取值為35～60時為開裂頂板，頂板局部掉塊、松軟，由下限至上限逐漸堅硬，易成為冒落頂板；當L取值為60～130時為好的頂板，由下限至上限逐漸為較穩(wěn)定到穩(wěn)定的極好頂板，勞動條件很好，較難冒落；而L取值為130～250時則為堅硬頂板。根據(jù)其頂板分類方法，頂板特征指數(shù)為：

L＝0.016DR_m

式中，D—巖石平均分層厚度，mm；

R_m—巖體抗壓強度，MPa。

因為治理堅硬頂板的目的在于弱化堅硬頂板，使其能適時破斷垮落，而不至于大面積懸空，也避免使堅硬頂板被過度弱化而不便于支護，故取壓裂后的堅硬頂板的頂板特征指數(shù)L為60～130的均值95。又因為堅硬頂板的抗壓強度一般在60～200MPa間變化，所以得到巖石平均分層厚度D

$D\≤\frac{95}{0.016\×60}\≈99mm$

故在此取分層壓裂間距Δh1為1m，垂直壓裂鉆孔布置及壓裂示意圖如圖1、圖2所示。

當采用L型鉆孔水力噴射分段壓裂方法時，首先進行L型鉆孔施工，采用液壓頂驅(qū)鉆機在地面鉆孔位置利用先進的定向鉆進技術(shù)進行垂直段施工后再調(diào)整回轉(zhuǎn)器角度進行造斜段施工(如圖3所示)，為使壓裂弱化堅硬頂板的效果顯 著，在欲壓裂堅硬頂板下部將鉆桿調(diào)整到沿工作面推進方向且平行于該堅硬頂板的位置進行鉆進。水力壓裂時，由于相鄰壓裂鉆孔的存在，會對壓裂裂縫的擴展起到一定的誘導作用，故可將壓裂鉆孔間距d適當取小一些，以便能形成貫穿整排壓裂鉆孔的壓裂裂縫，從而提高壓裂效果。出于對經(jīng)濟效益和壓裂效果的考慮，分段壓裂間距Δh2可取值為工作面控頂距，L型壓裂鉆孔布置及壓裂示意圖如圖4、圖5所示。

(4)進行水力壓裂堅硬頂板；

水力壓裂鉆孔完成后就可以開始進行壓裂作業(yè)了，從鉆孔底部開始逆鉆孔施工方向拖動壓裂管柱進行分層或分段壓裂作業(yè)。

本發(fā)明較之以往的壓裂方法考慮得更為全面，壓裂方法選擇更為靈活，壓裂作業(yè)更具有針對性，更便于形成有利于弱化煤層上覆堅硬頂板的壓裂裂縫，以弱化堅硬頂板，最終實現(xiàn)堅硬頂板的適時破斷，縮短頂板來壓步距，減少工作面強礦壓顯現(xiàn)，利于煤礦井下安全生產(chǎn)。