CN111810164B - 一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于坚硬顶板切割技术领域，具体为一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，解决了背景技术中的技术问题，本发明所述基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，首先采用切缝枪3定向切缝，为坚硬顶板切割方向控制提供基础，其次采用水力压裂枪10进行水压致裂增加裂缝扩展，减少坚硬顶板扰动，定向切缝与水压致裂在时间和空间上相互配合，完成对坚硬顶板的定向弱扰动切割。
Description
技术领域
本发明属于坚硬顶板切割技术领域，具体为一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法。
背景技术
煤炭是中国主要的一次能源，因此，矿井的安全高效开采尤为重要。目前存在多种因素影响煤矿的正常生产，例如瓦斯、水、火等。在这些因素中坚硬顶板带来的强矿压问题十分突出。在工作面开采过程中坚硬顶板会大面积悬顶，当达到临界破断步距后，坚硬顶板大面积垮落，造成冲击矿压、瓦斯瞬间压出，给矿井安全高效开采带来巨大隐患。针对坚硬顶板问题，国内一般采用水压致裂或者聚能***两种手段。其中水压致裂的裂缝扩展沿着最大主应力方向，裂缝的形态难以控制，切顶效果存在随机性，而聚能***的对巷道围岩的扰动大，对巷道的维护造成一定的影响，因此，目前急需一种切顶方向可以控制，对围岩扰动小的切顶方法。
发明内容
本发明旨在解决背景技术中的技术问题，提供了一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法。
本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在巷道的一侧钻取与水平面倾斜角度为θ、直径为D1、深度为H的第一钻孔，其中第一钻孔直径D1与坚硬顶板的单轴抗压强度σ相关：D1≥D0σ/σ0，式中，σ0是钻孔对坚硬顶板的单轴抗压强度的敏感系数，σ0为常数，σ0＝5.0MPa， D0是标准钻孔直径，D0＝4.5mm；
步骤二：将宽度为L1、高度为L2的切缝枪推入第一钻孔孔底，同时保证切缝枪的药罩***孔方向与巷道中心线平行；
步骤三：将切缝枪的导爆索引出第一钻孔后，进行封孔；
步骤四：激发导爆索，引爆切缝抢***；
步骤五：在封孔段上钻取直径为D2的第二钻孔，保持第二钻孔与第一钻孔的轴线重合，同时第二钻孔穿透封孔段；
步骤六：通过第二钻孔将水力压裂枪放入第一钻孔中，并对第二钻孔进行封孔；
步骤七：采用压力为P的高压泵站进行压裂，当高压泵站压力突然下降时停止压裂；
步骤八：向巷道的另一端平移S，重复步骤一至步骤七，进行下一轮顶板切割。
优选的，切缝枪为纵截面是“X”形的长条状结构，切缝枪的左侧和右侧均设置有朝内凹陷的锐角药罩口，切缝枪的内部填充有***，***中引出导爆索。切缝***构还可以是现有技术中的其他结构。
优选的，第一钻孔与水平面倾斜角度θ在65°～75°。在这个角度范围内，压裂效果好，而且在这个范围内能尽量减少坚硬顶板扰动。
优选的，第一钻孔深度H保证第一钻孔末端距离坚硬顶板顶部垂直距离为 0.5m～0.8m。这是为了保证裂缝能够尽可能的贯穿坚硬顶板，同时也不会再在岩层间漏液。
优选的，切缝枪的宽度L1为第一钻孔直径D1的0.85～0.95倍。这是为了保证切缝枪能尽可能的产生较深的裂缝，同时也要方便切缝枪的安装。
优选的，切缝枪的高度L2为切缝枪宽度L1的0.4～0.5倍。这是为了保证这个尺寸下的切缝枪，***形成的裂缝的尺寸能够满足后续压裂的要求，同时减少对围岩的损伤，避免出现裂缝扩展难以控制，进而避免产生漏液现象。
优选的，第二钻孔的直径D2是第一钻孔直径D1的0.3～0.4倍。因为第二钻孔是在第一钻孔的封孔段钻开的，故第二钻孔一定比第一钻孔要细，而且为了后续继续封孔，所以D2是D1的0.3～0.4倍是较为合适的。
优选的，高压泵站的压力P与坚硬顶板的普氏系数f相关：当0<f<4时，P大于等于40MPa但小于60MPa；当4≤f<8时，P大于等于60MPa；当f≥8时， P＝60+(f-8)P0以上，P0是标准压力，P0＝5.6MPa。高压泵站的压力过大，会导致成本过高，存在浪费；泵站压力小了，坚硬顶板压不开，故按照高压泵站的压力 P与坚硬顶板的普氏系数f有关度来设定高压泵站的压力P的大小，压裂效果好。
优选的，步骤六中对第二钻孔采用橡胶封孔，橡胶封孔能保证封孔效果好，不容易导致水流侧漏。
优选的，步骤八中平移距离S为2.5～3m，这是为了保证相邻钻空间裂缝贯穿。
本发明所述方法中，步骤一的第一钻孔直径D1与坚硬顶板的单轴抗压强度σ相关这可以保证后续的切缝枪能够产生一定深度的裂缝。
本发明的有益效果是：本发明所述方法操作简易，成本较低；解决了只采用水压致裂时裂缝的形态难以控制以及只采用聚能***的对巷道围岩的扰动大的问题；首先采用切缝枪定向切缝，为坚硬顶板切割方向控制提供基础，其次采用压裂枪进行水压致裂增加裂缝扩展，减少坚硬顶板扰动，定向切缝与水压致裂在时间和空间上相互配合，完成对坚硬顶板的定向弱扰动切割。
附图说明
图1为实施本发明所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法时的临空巷道切缝枪切缝布置图。
图2为图1中I-I的剖面图。
图3为所述切缝***构示意图。
图4为实施本发明所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法时的临空临空巷道压裂图。
图中：1-临空巷道，2-第一钻孔，3-切缝枪，4-药罩口，5-巷道中心线，6- 导爆索，7-***，8-封孔段，9-第二钻孔，10-水力压裂枪，11-橡胶，12-高压泵站。
具体实施方式
参照图1、2、3、4，对本发明所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法进行详细说明。
实施例：某矿临空巷道1，该临空巷道1上方20m存在一层厚度为8m的坚硬顶板。坚硬顶板的单轴抗压强度σ为90MPa，普氏系数f为9；那么本发明所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法的具体步骤如下：
步骤一：在临空巷道1的一侧钻取与水平面倾斜角度为θ为65°、直径D1为81mm、深度H为31.5m的第一钻孔2，其中第一钻孔2直径D1与坚硬顶板的单轴抗压强度σ相关：D1≥D0σ/σ0，式中，σ0是钻孔对坚硬顶板的单轴抗压强度的敏感系数，σ0为常数，σ0＝5.0MPa，D0是标准钻孔直径，D0＝4.5mm；第一钻孔2的深度H满足第一钻孔2末端距离坚硬顶板顶部垂直距离0.5m～0.8m；具体如图1所示；
步骤二：将宽度L1为72.9mm、高度L2为29.2mm的切缝枪3推入第一钻孔 2孔底，同时保证药罩口4射孔方向与临空巷道1中心线平行；宽度L1为第一钻孔2直径D1的0.9倍，高度L2为宽度L1的0.4倍，如图2所示；切缝枪3为纵截面是“X”形的长条状结构，切缝枪3的左侧和右侧均设置有朝内凹陷的锐角药罩口(4)，切缝枪3的内部填充有***7，***7中引出导爆索6，切缝枪3 的结构如图3所示；
步骤三：将切缝枪3的导爆索6引出第一钻孔2后，进行封孔；
步骤四：激发导爆索6，引爆切缝抢***7；
步骤五：在封孔段8上钻取直径D2为24mm的第二钻孔9，保持第二钻孔9 与第一钻孔2的轴线重合，同时第二钻孔9穿透封孔段8；第二钻孔9的直径D2为约第一钻孔2直径的0.3倍；如图4所示；
步骤六：通过第二钻孔9将水力压裂枪10放入第一钻孔2中，并对第二钻孔9进行封孔；如图4所示；
步骤七：采用压力P为65.6MPa的高压泵站12进行压裂，当高压泵站12压力突然下降时停止压裂；因为普氏系数f为9，根据高压泵站12的压力P与坚硬顶板的普氏系数f相关度可得：当f≥8时，P＝60+(f-8)P0以上，P0是标准压力， P0＝5.6MPa，即P＝60+(9-8)*5.6＝65.6MPa；
步骤八：向临空巷道1的另一端平移S为3m，重复步骤一至步骤七，进行下一轮顶板切割。
以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在临空巷道(1)的一侧钻取与水平面倾斜角度为θ、直径为D1、深度为H的第一钻孔(2)，其中第一钻孔(2)直径D1与坚硬顶板的单轴抗压强度σ相关：D1≥D0σ/σ0，式中，σ0是钻孔对坚硬顶板的单轴抗压强度的敏感系数，σ0为常数，σ0＝5.0MPa，D0是标准钻孔直径，D0＝4.5mm；
步骤二：将宽度为L1、高度为L2的切缝枪(3)推入第一钻孔(2)孔底，同时保证切缝枪(3)的药罩口(4)射孔方向与临空巷道(1)中心线平行；
步骤三：将切缝枪(3)的导爆索(6)引出第一钻孔(2)后，进行封孔；
步骤四：激发导爆索(6)，引爆切缝枪(3)***(7)；
步骤五：在封孔段(8)上钻取直径为D2的第二钻孔(9)，保持第二钻孔(9)与第一钻孔(2)的轴线重合，同时第二钻孔(9)穿透封孔段(8)；
步骤六：通过第二钻孔(9)将水力压裂枪(10)放入第一钻孔(2)中，并对第二钻孔(9)进行封孔；
步骤七：采用压力为P的高压泵站(12)进行压裂，当高压泵站(12)压力突然下降时停止压裂；
步骤八：向临空巷道(1)的另一端平移S，重复步骤一至步骤七，进行下一轮顶板切割。
2.根据权利要求1所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，其特征在于，切缝枪(3)为纵截面是“X”形的长条状结构，切缝枪(3)的左侧和右侧均设置有朝内凹陷的锐角药罩口(4)，切缝枪(3)的内部填充有***(7)，***(7)中引出导爆索(6)。
3.根据权利要求1所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，其特征在于，第一钻孔(2)与水平面倾斜角度θ在65°～75°。
4.根据权利要求1所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，其特征在于，第一钻孔(2)深度H保证第一钻孔(2)末端距离坚硬顶板顶部垂直距离为0.5m～0.8m。
5.根据权利要求1所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，其特征在于，切缝枪(3)的宽度L1为第一钻孔(2)直径D1的0.85～0.95倍。
6.根据权利要求1所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，其特征在于，切缝枪(3)的高度L2为切缝枪(3)宽度L1的0.4～0.5倍。
7.根据权利要求1所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，其特征在于，第二钻孔(9)的直径D2是第一钻孔(2)直径D1的0.3～0.4倍。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，其特征在于，高压泵站(12)的压力P与坚硬顶板的普氏系数f相关：当0<f<4时，P大于等于40MPa但小于60MPa；当4≤f<8时，P大于等于60MPa；当f≥8时，P＝60+(f-8)P0以上，P0是标准压力，P0＝5.6MPa。
9.根据权利要求8所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，其特征在于，步骤六中对第二钻孔(9)采用橡胶(11)封孔。
10.根据权利要求9所述的一种基于射孔和水力压裂的坚硬顶板切割方法，其特征在于，步骤八中平移距离S为2.5～3m。
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Address after: 037003 xinpingwang mining area, Taiyuan City, Shanxi Province Applicant after: Jinneng holding Coal Group Co.,Ltd. Address before: 037003 Wangxiao North Street, Xinping, Datong City, Shanxi Province Applicant before: Datong Coal Mine Group Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |