本發(fā)明涉及煤礦井工開采安全，尤其涉及一種堅硬頂板特厚煤層孤島工作面地面壓裂控制方法。

背景技術(shù)：

1、煤礦堅硬頂板破斷引發(fā)強礦震致災(zāi)是煤炭開采進(jìn)入深部常見的動力災(zāi)害之一，并隨著礦井深度增加而越發(fā)嚴(yán)重。孤島工作面是開采設(shè)計以及工作面接替不合理而造成的三采空的工作面，由于特厚煤層孤島工作面的煤炭遺留量大，基于國民經(jīng)濟(jì)的需求以及國家相關(guān)法律的規(guī)定，特厚煤層孤島工作面煤炭開采成為煤礦企業(yè)面臨的巨大難題。煤層賦存堅硬頂板的孤島工作面堅硬頂板破斷時會伴隨劇烈的沖擊和震動，造成煤礦采場和巷道設(shè)備破壞，造成設(shè)備費用的損失以及增加巷道維護(hù)費用，強礦壓和礦震嚴(yán)重時甚至造成人員傷亡。地面壓裂控制頂板破斷，提前釋放頂板積聚的能量是控制強礦壓和礦震的有效手段之一。

2、目前，地面壓裂成為堅硬頂板特厚煤層孤島工作面礦震和強礦壓的防治手段之一。然而，對于是否需要進(jìn)行地面壓裂以及地面壓裂的壓裂位置判別缺乏相應(yīng)的方法，多采取經(jīng)驗判斷或者以一個固定的距離對堅硬頂板特厚煤層孤島工作面進(jìn)行壓裂，壓裂效果差，也未能準(zhǔn)確判斷壓裂位置，雖然壓裂后取得了一定的效果，但同時也造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。

3、因此，提出一種堅硬頂板特厚煤層孤島工作面地面壓裂控制方法，來解決現(xiàn)有技術(shù)存在的困難，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種堅硬頂板特厚煤層孤島工作面地面壓裂控制方法，解決相關(guān)技術(shù)中堅硬頂板特厚煤層孤島工作面堅硬頂破斷引發(fā)強礦壓和礦震的風(fēng)險、提供是否需要進(jìn)行地面壓裂堅硬頂板控制以及需要進(jìn)行地面壓裂時如何確定堅硬頂板壓裂位置的技術(shù)問題。

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

3、一種堅硬頂板特厚煤層孤島工作面地面壓裂控制方法，包括以下步驟：

4、s1、測量力學(xué)參數(shù)，識別壓裂目標(biāo)層，確定壓裂目標(biāo)層厚度h；

5、s1中，收集礦井初始勘察設(shè)計資料，根據(jù)地質(zhì)鉆孔柱狀圖的巖性，厚度參數(shù)判別能量積聚的目標(biāo)層；

6、對孤島工作面上覆巖層中巖石硬度分級標(biāo)準(zhǔn)中等級大于等于ⅳ級的巖層取芯測量其彈性模量ei、泊松比μi、抗拉強度σni，根據(jù)測量參數(shù)篩選滿足條件的目標(biāo)層厚度；

7、目標(biāo)層的厚度h計算公式為：

8、

9、上式由matlab進(jìn)行循環(huán)，式中，m為強度因子，其值從0開始增加，間隔為0.01，當(dāng)m≥5或h>10時，停止計算；

10、s2、計算堅硬頂板目標(biāo)層破斷釋放的能量u；

11、堅硬頂板破斷釋放的能量u的計算公式為：

12、

13、式中，l為堅硬頂板初次破斷的懸露長度，q為堅硬頂板上覆載荷，e為堅硬頂板彈性模量，d為堅硬頂板抗彎剛度，h為堅硬頂板的厚度，α，β為堅硬頂板下覆彈性地基因子；

14、其中：c＝κga，

15、k為堅硬頂板下覆彈性地基剛度，c為堅硬頂板剪切剛度，b為堅硬頂板單位寬度，g為目標(biāo)層的剪切模量；a為目標(biāo)層的斷面面積，κ為目標(biāo)層截面因子；

16、s3、計算支架沖擊阻力fzj；

17、堅硬頂板破斷導(dǎo)致的沖擊力會作用到液壓支架，支架沖擊阻力fzj的計算公式為：

18、

19、式中，lzj為工作面液壓支架控頂距；γzjd為煤巖直接頂平均容重；dzjd為煤巖直接頂厚度；g為重力加速度；β為覆巖破斷角；bzj為支架中心距；s動載傳遞效率，取值為1/20，kzjd為煤巖直接頂剛度，pd為厚硬頂板承受載荷，l1為目標(biāo)層懸臂長度；

20、s4、計算堅硬頂板初次破斷時的距離懸頂距離重點的距離l0，l0的計算公式為：

21、

22、s5、計算堅硬頂板的周期破斷步距l(xiāng)p，堅硬頂板初次破斷后，隨著工作面推進(jìn)會形成周期破斷，周期破斷步距l(xiāng)p的計算公式為：

23、

24、式中，l1堅硬頂板周期懸露長度；

25、s6、判斷是否進(jìn)行壓裂，判斷進(jìn)行壓裂的條件為u≥1×107j或者fzj≥25000kn，若不滿足壓裂條件，則步驟到此結(jié)束，判定頂板不需要壓裂；若條件滿足，進(jìn)入s7；

26、s7、確定地面壓裂位置，計算堅硬頂板的能量密度分布；

27、s8、從工作面中部打鉆孔，對能量積聚最高的位置進(jìn)行地面壓裂，釋放積聚的能量。

28、上述的方法，可選的，s6中，判斷是否進(jìn)行壓裂，首先取l的長度為5m，10m，15m…代入步驟s2和步驟s3，如果l≤l0時滿足條件u≥1×107j或者fzj≥25000kn，則將l作為壓裂步距，進(jìn)行步驟s7；否則將l0，lp帶入步驟s2和步驟s3中，確定堅硬頂板破斷釋放的能量u、以及支架的沖擊阻力fzj，若不滿足壓裂條件，則步驟到此結(jié)束，判定頂板不需要壓裂；若條件滿足，進(jìn)行步驟s7。

29、上述的方法，可選的，s7中，確定地面壓裂位置，計算堅硬頂板的能量密度分布，其計算公式為：

30、

31、根據(jù)s6中確定的壓裂步距代入上式，根據(jù)能量積聚最大的位置以及壓裂步距確定的步距大小進(jìn)行比較，取較小者作為壓裂位置。

32、上述的方法，可選的，s8中，沿著工作面中部布置水平井，根據(jù)s7中確定的壓裂位置依次進(jìn)行壓裂。

33、經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種堅硬頂板特厚煤層孤島工作面地面壓裂控制方法，具有以下有益效果：本發(fā)明提供的堅硬頂板特厚煤層孤島工作面地面壓裂控制方法，通過測量孤島工作面上方賦存的不同層位不同厚度的堅硬頂板確定目標(biāo)層厚度，計算堅硬頂板破斷釋放的能量，能量釋放后傳遞到工作面液壓支架上的沖擊載荷，計算堅硬頂板破斷的初次破斷步距、周期破斷步距；將破斷步距代入能量公式和液壓支架沖擊阻力公式，判斷是否需要進(jìn)行地面壓裂，若需要地面壓裂，則計算其彈性能密度，根據(jù)彈性能密度積聚最大的位置為壓裂位置對堅硬頂板進(jìn)行壓裂。

技術(shù)特征：

1.一種堅硬頂板特厚煤層孤島工作面地面壓裂控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種堅硬頂板特厚煤層孤島工作面地面壓裂控制方法，其特征在于，

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種堅硬頂板特厚煤層孤島工作面地面壓裂控制方法，其特征在于，

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種堅硬頂板特厚煤層孤島工作面地面壓裂控制方法，其特征在于，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種堅硬頂板特厚煤層孤島工作面地面壓裂控制方法，涉及煤礦井工開采安全技術(shù)領(lǐng)域。包括：測量力學(xué)參數(shù)，識別壓裂目標(biāo)層，確定壓裂目標(biāo)層厚度；計算堅硬頂板目標(biāo)層破斷釋放的能量U；計算支架沖擊阻力F<subgt;zj</subgt;；計算堅硬頂板初次破斷時的距離懸頂距離重點的距離L<subgt;0</subgt;；計算堅硬頂板的周期破斷步距L<subgt;p</subgt;；判斷是否進(jìn)行壓裂；確定地面壓裂位置，計算堅硬頂板的能量密度分布；從工作面中部打鉆孔，對能量積聚最高的位置進(jìn)行地面壓裂，釋放積聚的能量。本發(fā)明可以判斷孤島工作面是否需要進(jìn)行地面壓裂，若需地面壓裂，則計算其彈性能密度，根據(jù)彈性能密度積聚最大的位置為壓裂位置對堅硬頂板進(jìn)行壓裂。

技術(shù)研發(fā)人員：王磊,尚子榆,邰陽,張興國,劉宏杰,張文陽,孟祥斌,張艷群
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17