本發(fā)明涉及礦產(chǎn)開采，具體涉及工作面回采下伏采區(qū)大巷圍巖變形水壓致裂控制方法。

背景技術(shù)：

1、對于大埋深條件下的下伏采區(qū)大巷工作面跨采，工作面回采過程中，上覆巖層回轉(zhuǎn)變形，基本頂發(fā)生周期破斷，頂板巖層積聚的應(yīng)變能突然釋放，致使采動應(yīng)力通過強度大、剛度大、整體性好的基本底巖層傳遞至工作面下方的采區(qū)大巷，改變下伏采區(qū)大巷的圍巖應(yīng)力環(huán)境，極易出現(xiàn)圍巖大變形、支護(hù)構(gòu)件破斷失效等現(xiàn)象，導(dǎo)致采區(qū)大巷面臨圍巖控制難題。

2、受大埋深和采掘擾動的影響，工作面下伏采區(qū)大巷處于高地應(yīng)力環(huán)境中，為減小工作面動壓對采區(qū)上山的影響，傳統(tǒng)的措施是加大采區(qū)大巷保護(hù)煤柱的寬度，然而無法有效釋放高應(yīng)力，煤柱處應(yīng)力集中，使得原本破碎的煤柱發(fā)生更大的變形破壞，同時工作面有效采出煤炭資源量減少。采用被動支護(hù)方式如u型鋼，具有成本高昂、維護(hù)困難且施工條件苛刻的缺點。采用主動支護(hù)形式如錨索、錨桿支護(hù)，錨桿大部分處在強度劣化區(qū)內(nèi)，難以發(fā)揮支護(hù)作用，錨索受力過大，接近極限破斷力，安全性低。在上述主動支護(hù)條件下，圍巖松動劣化范圍進(jìn)一步擴大，巷道圍巖大變形現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，頂板控制更加困難。

3、傳統(tǒng)的深部巷道圍巖控制方法，僅實現(xiàn)巷道圍巖變形控制的末端防治，無法從源頭解決深部開采巷道變形的高應(yīng)力問題，圍巖控制效果有限。頂板人為弱化是深部巷道實現(xiàn)采動應(yīng)力弱化與阻斷的有效方法，傳統(tǒng)弱化厚硬頂板的方法是人工爆破強制放頂或頂板預(yù)裂，具有工程量、炸藥量大和污染作業(yè)環(huán)境的缺點，且高瓦斯礦井對打眼放炮具有極大的安全隱患。近年來，水壓致裂方法處理厚硬頂板取得了較快的發(fā)展，現(xiàn)場實踐已證實水壓致裂對于頂板弱化具有良好效果。

4、水壓致裂通過鉆孔注入高壓水，在流固耦合作用下，鉆孔孔壁產(chǎn)生破裂并擴展，這些裂縫改變了巖體的性質(zhì)，弱化巖體的力學(xué)性能，降低頂板巖石的整體強度。近年來水壓致裂技術(shù)在煤礦行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其中包括堅硬頂板水壓致裂控制，處理初次放頂、端頭懸頂問題和保護(hù)臨空巷道等、堅硬頂煤弱化、處理上覆采空區(qū)遺留煤柱、煤層增透和沖擊地壓防治等，并取得了良好的應(yīng)用效果。水壓致裂弱化頂板的核心在于針對具體的工作面開采布置條件，設(shè)計壓裂鉆孔布置方式和壓裂層位。

5、然而針對工作面下伏的高應(yīng)力采區(qū)大巷頂板變形控制難題，沒有形成針對性水力致裂控制思路。因此，急需一種考慮工作面下伏采區(qū)大巷特點的針對性水力致裂控制思路，以解決工作面下伏采區(qū)大巷的圍巖變形控制難題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要實現(xiàn)的技術(shù)目的：針對工作面回采下伏采區(qū)大巷進(jìn)行圍巖變形控制，減小工作面開采對下伏采區(qū)大巷的影響，進(jìn)而保障下伏采區(qū)大巷工作面安全、高效生產(chǎn)。

2、為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)手段：

3、一種工作面回采下伏采區(qū)大巷圍巖變形水壓致裂控制方法，通過壓裂基本頂減弱采動動壓應(yīng)力源和壓裂基本底阻斷應(yīng)力傳遞路徑兩個方面，實現(xiàn)減小采動動壓對下伏采區(qū)大巷的影響，首先在回采工作面回風(fēng)平巷和運輸平巷向基本頂巖層施工鉆孔并進(jìn)行水壓致裂，弱化基本頂厚硬巖層，通過減小基本頂破斷的來壓步距，實現(xiàn)從源頭減小工作面開采動壓；然后在下伏采區(qū)大巷和上山中施工鉆孔至基本底巖層，進(jìn)行水力割縫定向水壓致裂，在采區(qū)大巷和采區(qū)上山上方的基本底巖層中形成弱結(jié)構(gòu)面，實現(xiàn)阻斷采動動壓向下伏采區(qū)大巷和上山的應(yīng)力傳播路徑，減小下伏采區(qū)大巷和上山的變形量；

4、具體包括以下步驟：

5、s1、開展地質(zhì)勘探與巖心采樣：在底板大巷、底板上山、工作面運輸平巷和回風(fēng)平巷中施工豎直向上的煤層頂?shù)装鍘r性探測孔，開展實驗室?guī)r石力學(xué)性質(zhì)測試，所述實驗室?guī)r石力學(xué)性質(zhì)測試包括：單軸抗壓強度、抗拉強度、泊松比、彈性模量和剪切模量；根據(jù)不同層位巖石的物理力學(xué)性質(zhì)確定基本頂巖層和基本底巖層，作為后續(xù)壓裂的目標(biāo)巖層；收集基本頂周期來壓步距；

6、s2、在工作面運輸平巷和回風(fēng)平巷中以扇形布孔方式布置壓裂鉆孔：壓裂鉆孔的終孔位置是步驟s1中確定的所述基本頂巖層；扇形鉆孔組中每個鉆孔的終孔間距15~20?m，相鄰鉆場間距為10~15?m，小于基本頂周期來壓步距；一組扇形孔是終孔位置連線在垂直于工作面推進(jìn)方向的一條直線；一組扇形孔全部布置在運輸平巷或回風(fēng)平巷，或者運輸平巷和回風(fēng)平巷均布置，具體開孔位置視施工條件確定；

7、s3、布置壓裂系統(tǒng)：供液管路持續(xù)為水箱供壓裂液，水箱中壓裂液通過靜壓水頭進(jìn)入高壓泵，壓裂液一部分通過高壓泵加壓進(jìn)入高壓膠管流向高壓密封鉆桿，另一部分通過回水膠管回到水箱；高壓膠管中接三通，連接泄壓閥，用于卸壓；高壓膠管中連接水壓力和流量監(jiān)測傳感器，用于在壓裂過程中實施監(jiān)測管路內(nèi)的水壓力和流量；

8、s4、壓裂本鉆孔最深的目標(biāo)壓裂巖層：將單向閥推送至目標(biāo)壓裂巖層中，開啟高壓泵，壓裂目標(biāo)巖層一定時間，弱化基本頂厚硬巖層，減小基本頂破斷的來壓步距，從源頭減小工作面開采動壓；

9、s5、本鉆孔壓裂結(jié)束，管路卸壓，壓裂第二段目標(biāo)巖層：當(dāng)水壓力監(jiān)測傳感器的實時水壓力持續(xù)小于5?mpa，或相鄰鉆孔或頂板出水超過8分鐘，關(guān)閉高壓泵，打開高壓膠管連接的泄壓閥，對管路進(jìn)行卸壓；若本鉆孔存在多層目標(biāo)壓裂巖層，采用后退式分段壓裂，退出部分鉆桿使單向閥退至第二段目標(biāo)巖層位置，繼續(xù)壓裂本鉆孔的第二段目標(biāo)巖層，單孔壓裂重復(fù)前述操作，直到完成本鉆孔所有目標(biāo)巖層的壓裂；

10、s6、在底板上山中豎直向上施工鉆孔至基本底巖層，進(jìn)行水力割縫定向水壓致裂：將割縫鉆頭用鉆機送至目標(biāo)壓裂層位，注入高壓水，鉆桿原地轉(zhuǎn)動t分鐘，維持水壓力20~30mpa，形成徑向水力割縫后，退出鉆桿，更換水力致裂封隔器，在目標(biāo)壓裂層位進(jìn)行壓裂，進(jìn)行s3~s5步驟，形成水平弱結(jié)構(gòu)面，阻斷采動動壓從工作面向下伏采區(qū)上山的應(yīng)力傳播路徑，減小采區(qū)上山的變形量；

11、s7、在底板大巷中豎直向上施工鉆孔至基本底巖層，重復(fù)s6步驟，進(jìn)行水力割縫定向水壓致裂，阻斷采動動壓向下伏采區(qū)大巷的應(yīng)力傳播路徑，減小采區(qū)大巷的變形量，延長其服務(wù)年限。

12、在步驟s1中，選定多個目標(biāo)巖層。

13、在步驟s2中，對于布置在工作面運輸平巷和回風(fēng)平巷的壓裂鉆孔，采用定向鉆機施工定向長鉆孔，代替扇形孔，減少鉆孔施工工程量。

14、在步驟s3中，所述壓裂液為清水或粘度為0.15%~0.3%的瓜膠溶液。

15、在步驟s4中，工作面運輸平巷和回風(fēng)平巷中的鉆孔壓裂時間在工作面距離推進(jìn)方向最近的上山200?m以前。

16、在步驟s4中，壓裂時長根據(jù)巖層的物理力學(xué)性質(zhì)確定，厚硬砂巖層的壓裂時長為25~30?min，厚硬泥巖層的壓裂時長為10~15?min。

17、在步驟s6中，鉆桿原地轉(zhuǎn)動t分鐘，所述t的取值范圍為8~12分鐘。

18、在步驟s7中，底板大巷的鉆孔壓裂時間在工作面推進(jìn)至與該鉆孔水平距離200?m之前。

19、本發(fā)明的有益效果是：

20、針對工作面回采下伏采區(qū)大巷圍巖大變形、難控制的工程難題，以“源頭弱化、路徑阻斷”為水壓致裂控制下伏采區(qū)大巷圍巖大變形的理念，通過水壓致裂弱化基本頂厚硬巖層，減小基本頂破斷的來壓步距，實現(xiàn)從源頭減小工作面開采動壓；在下伏采區(qū)大巷和上山中施工鉆孔至基本底巖層，進(jìn)行水力割縫定向水壓致裂，在采區(qū)大巷和采區(qū)上山上方的基本底巖層中形成弱結(jié)構(gòu)面，實現(xiàn)阻斷采動動壓向下伏采區(qū)大巷和上山的應(yīng)力傳播路徑，減小下伏采區(qū)大巷和上山的變形量。

21、通過上述兩個方面實現(xiàn)對工作面回采下伏采區(qū)大巷圍巖的變形控制，保障了下伏采區(qū)大巷回采工作面的安全生產(chǎn)，具有簡單高效、施工方便、成本低和無污染的特點。

22、同時因工作面回采過程無需大面積留設(shè)保護(hù)煤柱，減小了煤炭資源的浪費。