一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法与流程

1.本发明涉及煤矿井下安全技术领域，尤其涉及一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法。

背景技术：

2.随着我国煤矿开采装备、技术水平的不断提高及安全监管体系的日趋完善，煤矿安全事故得到有效控制，安全事故起数及死亡人数逐年下降。但煤矿生产过程中，顶板事故、水害、采空区遗留瓦斯抽放、厚硬煤层顶煤冒放性差造成资源浪费且易引发瓦斯积聚及自燃等问题，仍然是矿井安全生产的防治难题，多数矿井多灾害并存。
3.现有的防治技术，基本为单一灾害针对性分类防治，治理工程量大，灾害防治工程之间相互干扰，大幅降低了灾害防治效果，且防治措施实施叠加周期长，制约矿井采掘接续。本发明提出了一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治技术，以进行矿井多灾害的协同有效治理，保障煤矿安全高效生产。

技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法。
5.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
6.一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，其包括：
7.确定灾害控制层，所述灾害控制层包括：水害控制岩层、强矿压或冲击地压灾害控制岩层、三角区悬顶控制层和自燃灾害控制煤层；
8.确定压裂钻孔的主孔布置层位；
9.根据所述主孔布置层位布置双梳状钻孔，且双梳状钻孔的上行分支孔向上延伸至位于最上方的灾害控制层内，下行分支孔向下延伸至自燃灾害控制煤层内；
10.施工所述双梳状钻孔；
11.所述双梳状钻孔施工完成后，将压裂设备输送至双梳状钻孔内进行分层分区压裂。
12.作为发明的一种实施方式，所述确定灾害控制层包括：
13.根据矿井水文地质报告及物探资料确定水害控制岩层，获得水害控制岩层底部距煤层的距离ha；
14.根据回采过程中采空区三角区垮落情况，结合煤层地质柱状资料煤层确定坚硬顶板的强矿压或冲击地压灾害控制岩层，获得强矿压或冲击地压灾害控制岩层底部距煤层的距离hb、以及水害控制岩层的厚度hb；
15.根据煤层开采。。确定三角区悬顶控制层，获得三角区悬顶控制层底部距煤层的距离hc、以及三角区悬顶控制层的厚度hc；
16.根据煤层自燃倾向性鉴定结果和力学参数确定自燃灾害控制煤层。
17.作为发明的一种实施方式，所述根据地质勘察资料确定坚硬顶板的强矿压或冲击地压灾害控制岩层，包括：
18.根据地质勘察资料获取每个岩层的厚度、容重和弹性模量；
19.从煤层上方第一层开始向上逐层计算，依次将每个岩层作为待计算岩层，当确定第m层待计算岩层满足下述公式时，将第m+1层的岩层作第1层坚硬岩层；从第m+1层岩层开始，继续按照下述计算公式向上逐级计算，获取满足下述公式的所有n层坚硬岩层；
[0020][0021]
其中，hi，γi，ei分别为第i岩层的厚度、容重和弹性模量(i＝1,2,
…
,m)。
[0022]
根据矿方已采工作面微震监测数据，确定坚硬岩层中的强矿压或冲击地压灾害控制层。
[0023]
作为发明的一种实施方式，采用下述公式获取每一层坚硬岩层的微震事件平均能量ei：ei＝∑ej÷
x；其中，ei为第i层坚硬岩层的微震事件平均能量(i＝1,2,
…
,n)，x为微震事件次数，ej为单次微震事件能量(j＝1,2,
…
,x)；
[0024]
确定出最大微震事件平均能量，将最大威震时间平均能量对应的坚硬岩层作为强矿压或冲击地压灾害控制层。
[0025]
作为发明的一种实施方式，所述确定压裂钻孔的主孔布置层位包括：
[0026]
当ha为min(ha，hb，hc)时，主孔布置在水害控制岩层的岩层下边界，且主孔的层位h
主
满足公式：ha＜h
主
＜ha+0.5m。
[0027]
作为发明的一种实施方式，所述确定压裂钻孔的主孔布置层位还包括：
[0028]
当h
a＞
min(ha，hb，hc)时，主孔布置在水害控制岩层下一临近灾害控制层的层位，且主孔的层位h
主
满足公式：
[0029]h主
＝max(hb，hc)+0.5h
max(b，c)
，其中，h
max(b，c)
为水害主控层位下一临近灾害控制层的厚度。
[0030]
作为发明的一种实施方式，所述双梳状钻孔中任意两个相邻的分支孔间距l为压裂半径r
压
的2倍。
[0031]
作为发明的一种实施方式，所述所述双梳状钻孔施工完成后，将压裂设备输送至双梳状钻孔内进行分层分区压裂，包括：
[0032]
在水害控制岩层内加支撑剂进行压裂施工；
[0033]
在强矿压或冲击地压灾害控制岩层内加高粘度压裂液进行压裂施工；
[0034]
在三角区悬顶控制层内进行加磨料定向控规模极近距离喷射施工；
[0035]
在自燃灾害控制煤层内定向喷射以及添加阻燃压裂液施工。
[0036]
作为发明的一种实施方式，所述方法还包括：通过所述双梳状钻孔抽采煤层瓦斯及采空区瓦斯。
[0037]
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0038]
本发明提供的多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，实现单孔多效，减小钻孔无效进尺，提高钻孔利用率，降低施工周期，规避不同治理方式相互影响，实现多灾害耦合协同源头治理，降低治理成本。
[0039]
另外，可将已形成的用于连通顶板及煤层的超前治理钻孔作为煤层瓦斯及采空区瓦斯抽采通道，从而能够解决煤层及采空区瓦斯抽采困难的问题。
附图说明
[0040]
图1是本发明提供的一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法的流程图。
[0041]
图2是本发明提供的一种灾害控制层的示意图。
[0042]
图3是本发明提供的另一种灾害控制层的示意图。
[0043]
图4是本发明提供的另一种灾害控制层的治理范围示意图。
[0044]
其中：1-水害控制岩层，2-强矿压或冲击地压灾害控制岩层，3-三角区悬顶控制层，4-自燃灾害控制煤层，5-治理范围。
具体实施方式
[0045]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
[0046]
本发明提供了一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，如图1所示，方法包括：
[0047]
步骤s1、确定灾害控制层，所述灾害控制层包括：水害控制岩层、强矿压或冲击地压灾害控制岩层、三角区悬顶控制层和自燃灾害控制煤层。
[0048]
确定前述四种灾害控制层的方式主要包括：
[0049]
步骤s101、根据矿井水文地质报告及物探资料确定水害控制岩层，获得水害控制岩层底部距煤层的距离ha。
[0050]
矿井水文地质报告及物探资料中即会提示该层属于水害控制岩层，工作人员也可依据前述资料获得ha，本发明实施例对此不再具体赘述。
[0051]
需要说明的是，煤层指代的是开采煤层，当该煤层为自燃灾害控制煤层时，该煤层即为自燃灾害控制煤层。
[0052]
步骤s102、根据地质勘察资料确定坚硬顶板的强矿压或冲击地压灾害控制岩层，获得强矿压或冲击地压灾害控制岩层底部距煤层的距离hb、以及水害控制岩层的厚度hb。
[0053]
其中，根据地质勘察资料确定坚硬顶板的强矿压或冲击地压灾害控制岩层的步骤包括：
[0054]
步骤s1021、根据地质勘察资料获取每个岩层的厚度、容重和弹性模量；
[0055]
从煤层上方第一层开始向上逐层计算，依次将每个岩层作为待计算岩层，当确定第m层待计算岩层满足下述公式时，将第m+1层的岩层作第1层坚硬岩层；从第m+1层岩层开始，继续按照下述计算公式向上逐级计算，获取满足下述公式的所有n层坚硬岩层；
[0056][0057]
其中，hi，γi，ei分别为第i岩层的厚度、容重和弹性模量(i＝1,2,
…
,m)；
[0058]
步骤s1022、根据矿方已采工作面微震监测数据，确定坚硬岩层中的强矿压或冲击
地压灾害控制层。
[0059]
具体地，采用下述公式获取每一层坚硬岩层的微震事件平均能量ei：ei＝∑ej÷
x；其中，ei为第i层坚硬岩层的微震事件平均能量(i＝1,2,
…
,n)，x为微震事件次数，ej为单次微震事件能量(j＝1,2,
…
,x)；
[0060]
确定出最大微震事件平均能量em＝max(e1，e2，
…
,en)，将最大威震时间平均能量em对应的坚硬岩层作为强矿压或冲击地压灾害控制层。
[0061]
当然，若最大微震事件平均能量存在两个或者两个以上相同的数值，则将该数值对应的所有的威震时间平均能量对应的坚硬岩层作为强矿压或冲击地压灾害控制层。
[0062]
在获得强矿压或冲击地压灾害控制岩层后，将强矿压或冲击地压灾害控制岩层所包含的岩层总厚度作为强矿压或冲击地压灾害控制岩层的厚度hb，将强矿压或冲击地压灾害控制岩层中位于最下方岩层与煤层的最小距离作为hb。
[0063]
步骤s103、根据回采过程中采空区三角区垮落情况，结合煤层地质柱状资料煤层确定三角区悬顶控制层，获得三角区悬顶控制层底部距煤层的距离hc、以及三角区悬顶控制层的厚度hc；
[0064]
步骤s104、根据煤层自燃倾向性鉴定结果或力学参数确定自燃灾害控制煤层。自燃倾向性鉴定结果即显示煤层是否为自燃灾害控制煤层，工作人员可依据此确定当前是否煤层为自燃灾害控制煤层。
[0065]
步骤s2、确定压裂钻孔的主孔布置层位。
[0066]
本发明中，针对每个灾害控制层与煤层之间的距离不同，提供了两种方式来确定主孔布置层位。
[0067]
方式一、如图2所示，当ha为min(ha，hb，hc)时，主孔布置在水害控制岩层的岩层下边界，且主孔的层位h
主
满足公式：ha＜h
主
＜ha+0.5m。
[0068]
方式二、如图3所示，当h
a＞
min(ha，hb，hc)时，主孔布置在水害控制岩层下一临近灾害控制层的层位，且主孔的层位h
主
满足公式：
[0069]h主
＝max(hb，hc)+0.5h
max(b，c)
，其中，h
max(b，c)
为水害主控层位下一临近灾害控制层的厚度。
[0070]
步骤s3、根据主孔布置层位布置双梳状钻孔。
[0071]
其中，双梳状钻孔的上行分支孔向上延伸至位于最上方的灾害控制层内，下行分支孔向下延伸至自燃灾害控制煤层内。
[0072]
双梳状包括主孔、若干上行分支孔、以及若干下行分支孔，任意两个相邻上行分支孔间距l为压裂半径r
压
的2倍，同样的，任意两个相邻下行分支孔间距l也为压裂半径r
压
的2倍。其中，针对不同的灾害控制层，其压裂半径r
压
可由工作人员可根据开采过程的地质参数和开采参数确定，确定方式为本领域技术人员所常采用的，本发明实施例在此不再赘述。
[0073]
其主孔的长度，上行分支孔的数量和下行分支孔可根据实际需要来确定，本发明实施例对此不作具体限定。
[0074]
步骤s4、施工所述双梳状钻孔。
[0075]
施工方式可采用现有技术中所公开的，本发明实施例对此不作限定。
[0076]
步骤s5、所述双梳状钻孔施工完成后，将压裂设备输送至双梳状钻孔内进行分层分区压裂。
[0077]
本发明中，针对不同的灾害控制层进行了不同的防治措施，在一种可能的实现方式中，如图4所示，具体如下：
[0078]
①
针对水害控制岩层，其主要为富水砂岩层水害问题，因此在该层内加支撑剂进行压裂施工，形成人造裂缝的疏放水通道，大幅提高疏放水效率，缩短疏放水周期。
[0079]
②
针对强矿压或冲击地压灾害控制岩层，其主要为厚层坚硬砂岩顶板引发强矿压或冲击地压动力灾害问题，因此在该层内加高粘度压裂液进行压裂施工，形成三维裂缝网络，有效降低岩体强度的同时，破坏岩体完整性，达到强矿压或冲击地压动力灾害超前防治的目的。
[0080]
③
针对三角区悬顶控制层，其主要是回采过程中所存在的三角区悬顶问题，在该层内进行加磨料定向控规模极近距离喷射，形成人工断裂线，通过水力压裂扩大断裂线规模，达到三角区顶板随采随落效果；
[0081]
④
针对自燃灾害控制煤层，其主要问题为：煤层厚硬、综放开采过程中顶煤冒放性差，难以冒落，资源浪费大，煤体易自燃。在该层内定向喷射以及添加阻燃压裂液，通过采用定向喷射与阻燃压裂液压裂的方式，有效弱化煤体的同时，遏制煤体自燃。
[0082]
另外，本发明采用分层分区分段压裂，在对当前区域压裂完成后，进行反洗，保证泵组内部清洁后，再进行下一区域压裂。
[0083]
本发明实施例提供的方法，实现单孔多效，减小钻孔无效进尺，提高钻孔利用率，降低施工周期，规避不同治理方式相互影响，实现多灾害耦合协同源头治理，降低治理成本。
[0084]
进一步地，在压裂完成后，其还可包括步骤s6、通过所述双梳状钻孔抽采煤层瓦斯及采空区瓦斯。
[0085]
具体地，可将已形成的用于连通顶板及煤层的超前治理钻孔作为煤层瓦斯及采空区瓦斯抽采通道，从而能够解决煤层及采空区瓦斯抽采困难的问题，以对瓦斯灾害进行防治，进一步增加了防治区域，达到了多区域协同防治效果。

技术特征：

1.一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，其特征在于，方法包括：确定灾害控制层，所述灾害控制层包括：水害控制岩层、强矿压或冲击地压灾害控制岩层、三角区悬顶控制层和自燃灾害控制煤层；确定压裂钻孔的主孔布置层位；根据所述主孔布置层位布置双梳状钻孔，且双梳状钻孔的上行分支孔向上延伸至位于最上方的灾害控制层内，下行分支孔向下延伸至自燃灾害控制煤层内；施工所述双梳状钻孔；所述双梳状钻孔施工完成后，将压裂设备输送至双梳状钻孔内进行分层分区压裂。2.根据权利要求1所述的一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，其特征在于，所述确定灾害控制层包括：根据矿井水文地质报告及物探资料确定水害控制岩层，获得水害控制岩层底部距煤层的距离h
a
；根据地质勘察资料、物探探测数据确定坚硬顶板的强矿压或冲击地压灾害控制岩层，获得强矿压或冲击地压灾害控制岩层底部距煤层的距离h
b
、以及水害控制岩层的厚度h
b
；根据回采过程中采空区三角区垮落情况，结合煤层地质柱状资料煤层确定三角区悬顶控制层，获得三角区悬顶控制层底部距煤层的距离h
c
、以及三角区悬顶控制层的厚度h
c
；根据煤层自燃倾向性鉴定结果或力学参数确定自燃灾害控制煤层。3.根据权利要求2所述的一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，其特征在于，所述根据地质勘察资料、物探探测数据确定坚硬顶板的强矿压或冲击地压灾害控制岩层，包括：根据地质勘察资料获取每个岩层的厚度、容重和弹性模量；从煤层上方第一层开始向上逐层计算，依次将每个岩层作为待计算岩层，当确定第m层待计算岩层满足下述公式时，将第m+1层的岩层作第1层坚硬岩层；从第m+1层岩层开始，继续按照下述计算公式向上逐级计算，获取满足下述公式的所有n层坚硬岩层；其中，h
i
，γ
i
，e
i
分别为第i岩层的厚度、容重和弹性模量(i＝1,2,
…
,m)；根据矿方已采工作面微震监测数据，确定坚硬岩层中的强矿压或冲击地压灾害控制层。4.根据权利要求3所述的一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，其特征在于，所述根据矿方已采工作面微震监测数据，确定坚硬岩层中的强矿压或冲击地压灾害控制层包括：采用下述公式获取每一层坚硬岩层的微震事件平均能量e
i
：e
i
＝∑e
j
÷
x；其中，e
i
为第i层坚硬岩层的微震事件平均能量(i＝1,2,
…
,n)，x为微震事件次数，e
j
为单次微震事件能量(j＝1,2,
…
,x)；确定出最大微震事件平均能量，将最大威震时间平均能量对应的坚硬岩层作为强矿压或冲击地压灾害控制层。5.根据权利要求2所述的一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，其
特征在于，所述确定压裂钻孔的主孔布置层位包括：当h
a
为min(h
a
，h
b
，h
c
)时，主孔布置在水害控制岩层的岩层下边界，且主孔的层位h
主
满足公式：h
a
＜h
主
＜h
a
+0.5m。6.根据权利要求5所述的一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，其特征在于，所述确定压裂钻孔的主孔布置层位还包括：当h
a＞
min(h
a
，h
b
，h
c
)时，主孔布置在水害控制岩层下一临近灾害控制层的层位，且主孔的层位h
主
满足公式：h
主
＝max(h
b
，h
c
)+0.5h
max(b，c)
，其中，h
max(b，c)
为水害主控层位下一临近灾害控制层的厚度。7.根据权利要求1所述的一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，其特征在于，所述双梳状钻孔中任意两个相邻的分支孔间距l为压裂半径r
压
的2倍。8.根据权利要求1所述的一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，其特征在于，所述所述双梳状钻孔施工完成后，将压裂设备输送至双梳状钻孔内进行分层分区压裂，包括：在水害控制岩层内加支撑剂进行压裂施工；在强矿压或冲击地压灾害控制岩层内加高粘度压裂液进行压裂施工；在三角区悬顶控制层内进行加磨料定向控规模极近距离喷射施工；在自燃灾害控制煤层内定向喷射以及添加阻燃压裂液施工。9.根据权利要求1所述的一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，其特征在于，所述方法还包括：通过所述双梳状钻孔抽采煤层瓦斯及采空区瓦斯，以对瓦斯灾害进行防治。

技术总结

本发明涉及一种多灾害定向长钻孔单孔多效主动区域协同防治方法，方法包括：确定灾害控制层，所述灾害控制层包括：水害控制岩层、强矿压或冲击地压灾害控制岩层、三角区悬顶控制层和自燃灾害控制煤层；确定压裂钻孔的主孔布置层位；根据所述主孔布置层位布置双梳状钻孔，且双梳状钻孔的上行分支孔向上延伸至位于最上方的灾害控制层内，下行分支孔向下延伸至自燃灾害控制煤层内；施工所述双梳状钻孔；所述双梳状钻孔施工完成后，将压裂设备输送至双梳状钻孔内进行分层分区压裂。采用该方法能够规避不同治理方式相互影响，实现多灾害耦合协同源头治理，降低治理成本。降低治理成本。降低治理成本。