一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法

本发明涉及急倾斜煤矿冲击地压灾害超前防控，更具体的说是涉及一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法。

背景技术：

1、在煤矿开采中，通常把倾角大于45°的煤层归纳为急倾斜煤层，此类煤层在我国分布广泛，约占全国煤炭总储量的15％～20％，其中，西部与西南部矿区50％以上的矿井主采煤层都是急倾斜煤层。由于复杂的地质条件与应力环境，急倾斜煤层在开采过程中冲击地压动力灾害频发，严重制约了急倾斜煤层的安全高效开采。

2、目前，针对急倾斜煤层冲击地压的防控技术，均集中于井下，包括局部集中应力卸压和采场防冲支护两个方面。局部集中应力卸压一般采用井下水力压裂和深孔爆破破坏围岩完整性，诱导围岩积聚的弹性能释放，从而消除局部应力集中，规避冲击地压现象；采场防冲支护通常采用巷道防冲支护结构、防冲液压支架和高强度锚杆(索)等加强采场抵抗冲击地压的能力。两种防控技术能够在一定程度上控制急倾斜煤层冲击地压显现，但存在一定的局限性。随着开采深度与强度的增加，冲击源往往距煤层较远，井下水力压裂和深孔爆破由于作业环境与设备限制，控制效果差且控制范围有限，应用于深部急倾斜煤层开采中后冲击地压仍然时有发生。另外，现有的采场防冲支护设备均属于被动防御，无法从源头消除冲击地压发生，难以保证控制效果。

3、所以，有必要发明一种控制效果好且控制范围广适用于急倾斜煤层冲击地压防控的新方法，对保障急倾斜煤层安全高效开采具有重要意义。

4、因此，提出一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，能够提供一种控制范围广、控制效果好、可操作性强的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，包括以下步骤：

4、基于地表向下钻孔至煤层获取岩芯，记录各岩层岩性与厚度，对获取的岩芯开展力学实验获得各岩层的物理力学参数；

5、基于地表布置测站，对强度超过σ0和厚度达到h的岩层破断运移规律进行监测，在井下液压支架安装压力传感器，对液压支架工作阻力进行监测，计算液压支架动载系数kd；

6、分析岩层破断运移与液压支架动载系数kd的对应关系确定目标压裂层；

7、以倾斜角度α在目标压裂层内部倾斜向下打压裂斜井；

8、构建数值模型，利用随机多边形图对数值模型中的目标压裂层及其上下岩层进行网格划分完成数值模型的构建；

9、对数值模型中的目标压裂层进行地面压裂斜井模拟计算，优化并确定压裂参数；

10、采用高能定向射孔枪垂直压裂斜井方向，以倾斜角度β对目标压裂层进行分段射孔；

11、对射孔段进行封孔、压裂，直至完成目标压裂层的全部压裂。

12、可选的，物理力学参数包括：抗压强度rc、抗剪强度τ、抗拉强度rt、泊松比μ、内摩擦角凝聚力c。

13、可选的，力学实验包括：单轴与三轴压缩实验、三点剪切实验和巴西劈裂实验。

14、可选的，σ0和h的关系为：

15、

16、可选的，液压支架动载系数kd与支架周期来压最大平均阻力p1和支架非周期来压最大平均阻力p2相关，关系式为：

17、可选的，倾斜角度α与目标压裂层垂直于工作面推进方向的倾角θ1相关，关系式为：α＝θ1。

18、可选的，随机多边形图导入数值模型前经过python语言编写代码进行质心化处理。

19、可选的，构建数值模型的具体内容为：

20、根据各岩层的物理力学参数，基于abaqus数值模拟平台建立数值模型，采用外部导入的随机多边形图对数值模型中的目标压裂层及其上下岩层进行网格划分，并基于python语言编程搜寻并构建单元面集合，利用面集合插入cohesive单元，并根据各岩层的物理力学参数确定cohesive单元参数，其余岩层采用平台自带的六面体网格划分；根据目标压裂层处三向应力状态给数值模型施加边界状态，完成数值模型的构建。

21、可选的，倾斜角度β与目标压裂层平行于工作面推进方向的倾角θ2相关，关系式为：β＝θ2。

22、可选的，压裂参数包括：压裂泵泵站压力p、泵站排量v。

23、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，有益效果为：

24、1)地面压裂不受井下作业环境限制，可操作性强；

25、2)地面斜井区域压裂控制范围广，通过优化施工参数可以有效保证压裂效果；

26、3)目标压裂层选取方法简单且精准，能够保证急倾斜煤层冲击地压防控的可靠性；

27、4)目标压裂层超前压裂，可以实现急倾斜煤层冲击地压源头消除的目的。

技术特征：

1.一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，其特征在于，物理力学参数包括：抗压强度rc、抗剪强度τ、抗拉强度rt、泊松比μ、内摩擦角凝聚力c。

3.根据权利要求1所述的一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，其特征在于，力学实验包括：单轴与三轴压缩实验、三点剪切实验和巴西劈裂实验。

4.根据权利要求1所述的一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，其特征在于，σ0和h的关系为：

5.根据权利要求1所述的一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，其特征在于，液压支架动载系数kd与支架周期来压最大平均阻力p1和支架非周期来压最大平均阻力p2相关，关系式为：

6.根据权利要求1所述的一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，其特征在于，倾斜角度α与目标压裂层垂直于工作面推进方向的倾角θ1相关，关系式为：α＝θ1。

7.根据权利要求1所述的一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，其特征在于，随机多边形图导入数值模型前经过python语言编写代码进行质心化处理。

8.根据权利要求1所述的一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，其特征在于，构建数值模型的具体内容为：

9.根据权利要求1所述的一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，其特征在于，倾斜角度β与目标压裂层平行于工作面推进方向的倾角θ2相关，关系式为：β＝θ2。

10.根据权利要求1所述的一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，其特征在于，压裂参数包括：压裂泵泵站压力p、泵站排量v。

技术总结
本发明公开了一种基于地面斜井压裂的急倾斜煤层冲击地压超前防控方法，涉及急倾斜煤矿冲击地压灾害超前防控技术领域。包括：基于钻孔取芯与力学实验获得各岩层物理力学参数；基于岩层破断运移与支架动载系数对应关系确定目标压裂层；基于目标压裂层倾角打倾斜压裂井；基于随机多边形图与Cohesive单元的数值模拟优化并确定压裂参数；基于目标压裂层倾角分段射孔，并封孔、压裂。本发明可实现区域大范围、高效及从源头上消除急倾斜煤层冲击地压的发生。

技术研发人员：于斌,李勇,邰阳,尚子榆
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23