[发明专利]一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法

说明书

本发明公开了一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，包括设计压裂钻孔参数、施工压裂钻孔和导向孔、高压射流切割径向弱面、高压射流切割轴向弱面、实施顶板径向水力压裂、实施顶板轴向水力压裂以及判断压裂效果与补充施工这些步骤，本发明将沿空留巷顶板的压裂钻孔分为径向压裂段和轴向压裂段，分段定向压裂来形成近水平和近垂直水力裂缝面，提高顶板垮落效果、减小厚硬顶板悬顶长度、降低巷道围岩承载；分段定向水力压裂较传统的聚能爆破和常规水力压裂技术，可以更好的切顶卸压、保护巷道。

技术领域

本发明涉及巷道围岩控制领域，具体涉及一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法。

背景技术

沿空留巷指的是在工作面开采过后，通过构筑充填体或隔离体的方法保留巷道，继续为下个工作面开采服务。沿空留巷提高了煤炭回收率，避免大量资源浪费，改变通风方式后易于治理瓦斯，巷道直接保留也提高了采掘接替效率，可以实现工作面的安全高效开采。

在沿空留巷存在厚硬顶板时，由于岩层弯曲强度远大于薄和软弱顶板，容易造成巷道上方出现侧向长距离悬顶。巷道在长悬顶板作用下，围岩需要承担更多来自上覆岩层的载荷，造成巷道严重变形、支护体损坏、充填体失效等各种问题。针对这种情况，需要对沿空留巷上方的厚硬顶板进行治理。主流的治理方式是采用聚能爆破和水力压裂技术进行切顶卸压，将巷道上方的长臂梁顶板变为短臂梁顶板，改善巷道围岩的承载环境。然而，聚能爆破技术容易引起次生动载风险，多数矿区审批困难；水力压裂钻孔工程量小，施工效率高，但是往往切顶卸压效果难以保证，需要对施工方法进行改进。

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沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，其能够提高切顶效果，减小巷道围岩承载，降低巷道和充填体的维护成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种沿空留巷厚硬顶板分段定向水力压裂方法，具体包括以下步骤：

S1、设计压裂钻孔参数；施工压裂钻孔，根据压裂钻孔倾斜角度α、切顶高度H_c、单个封孔器长度L_P、封孔距离L_F来确定压裂钻孔长度L_b，计算公式为：L_b＝H_csin^-1α+L_P+L_F/2，压裂钻孔自巷道肩窝处以倾角α、长度L_b施工至指定位置；

S2、施工压裂钻孔和导向孔；根据单个压裂钻孔水力压裂试验测试得出压裂半径，以小于2倍压裂半径的施工间距L_h来布置压裂钻孔，在相邻的两个压裂钻孔中间施工导向孔，导向孔参数与压裂钻孔一致；

S3、高压射流切割径向弱面；选用侧向射流切割设备并将其射流端推送至压裂钻孔内垂直高度为H_c、孔深为L_c的位置后固定，使其无法沿轴向移动，开启侧向射流切割设备，当高压水到达射流端时缓慢旋转侧向射流切割设备使其喷射出的高压射流沿径向切割压裂钻孔，形成环状的径向弱面，然后关闭侧向射流切割设备；

S4、高压射流切割轴向弱面；使侧向射流切割设备后退一个封孔器长度L_P的距离，当侧向射流切割设备的射流端到达孔内垂直高度H_a所在位置后，转动侧向射流切割设备使两侧的射流方向连线与巷道走向一致后将其固定，使其无法沿径向旋转，开启侧向射流切割设备后沿压裂钻孔轴向缓慢后退射流喷嘴，使高压射流沿轴向切割压裂钻孔形成连续轴向弱面，当射流喷嘴退至孔内垂直高度为H_c、孔深为L_c处的位置时，关闭侧向射流切割设备并将其退出压裂钻孔，结束射流切割施工；