【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及煤礦開采，具體為一種采煤工作面端頭懸頂水力壓裂方法及系統裝備。
技術介紹
1、堅硬頂板是賦存在煤層直接頂上方厚而穩定、堅硬的石灰巖、砂巖和砂礫巖等巖層。堅硬頂板具有厚度大、整體性強、強度高、結構致密、節理裂隙不發育以及自身承載力強等特點，堅硬頂板巖石的普氏系數一般在5-8，有的甚至超過10。我國煤礦賦存條件中屬于堅硬頂板的煤層約占30％，分布在全國50％以上的礦區。有超過40％的工作面頂板屬于來壓強烈的堅硬難垮頂板，特別是有薄層直接頂的堅硬頂板工作面分布則更為廣泛。
2、在煤礦工作面回采過程中，經常出現巷道端頭或巷道側方堅硬厚頂板不易垮冒，從而形成大面積懸頂的現象。堅硬厚頂板是造成強采動礦壓和巷道變形的主要原因。懸頂問題如果不解決容易造成安全隱患，懸頂突然破斷會造成頂板大面積突然來壓，應力擾動容易引起沖擊礦壓的事故，會在安全問題以及經濟上造成損失。
技術實現思路
1、針對上述存在的技術不足，本專利技術的目的是提供一種采煤工作面端頭懸頂水力壓裂方法及系統裝備。
2、為解決上述技術問題，本專利技術采用如下技術方案：
3、本專利技術提供水力壓裂一種采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，包括以下步驟：
4、s1、測試煤礦工作面頂板物理力學性質，確定頂板巖石堅硬程度，評估端頭懸頂的面積；
5、s2、通過理論分析、數值計算探究注水速率、主應力差、壓裂次序、鉆孔傾角這幾個影響因素對堅硬頂板致裂損傷弱化的影響，為水
6、s3、確定工作面端頭懸頂水力壓裂施工參數；
7、s4、按照確定的施工參數進行水力壓裂施工。
8、優選地，步驟s1中所述的力學性質包括單軸抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度。
9、優選地，步驟s2具體包括如下步驟：
10、s2.1、建立分段水力壓裂數值模型；
11、s2.2、分析分段水力壓裂的高壓流體注入過程，觀察每段裂隙的擴展規律、注入之后滲流的范圍、頂板垮冒情況的變化；
12、s2.3、分析分段水力壓裂敏感性因素，即采用構建分段水力壓裂數值模型，針對注水速率、應力差、壓裂次序、鉆孔傾角四個敏感性因素進行模擬實驗，分析每個敏感性因素對水力壓裂對裂縫擴展規律的影響，針對不同的敏感性因素，采用單一變量法進行模擬實驗，最后得到不同因素影響下的裂縫擴展規律。
13、優選地，步驟s2.1包括以下步驟：
14、s2.1.1、根據巖層分布及鉆孔布置示意圖，采用離散元軟件建立數值計算模型；
15、s2.1.2、確定模型的參數與邊界條件，針對不同的巖性進行分組賦參，賦予不同的力學參數，來模擬裂縫在不同巖體中的擴展情況。
16、優選地，步驟s2.2包括以下步驟：
17、s2.2.1、在模型建立之后，選擇l孔的4個壓裂段來模擬注水的過程，在l孔每一段都完成壓裂之后，對模擬結果進行統計；
18、s2.2.2、確定滲透范圍比和裂隙數量：引入參量“滲透范圍比”，記為ks，定義為每個壓裂段完成注水之后的影響面積比上模型的總面積。滲透范圍比的定義公式為：
19、
20、式中，s1為壓裂段完成注水之后的影響面積，s為模型的總面積；
21、量取模擬結果中藍色區域的面積，然后除以數值模型的總面積即可得到每個壓裂段完成注水之后的滲透范圍比；
22、統計各個壓裂段完成注水之后模型產生的裂隙數量，包括拉伸裂隙和剪切裂隙以及總裂隙。
23、優選地，步驟s3具體包括：
24、s3.1、確定破裂水壓力，水力壓裂理論壓力按下列公式進行計算：
25、p1＝1.3(3σ3-σ1+rt)；
26、式中：p1--直接水力壓裂所需破裂壓力估算值，mpa；
27、σ1--壓裂點最大主應力，mpa；
28、σ3--壓裂點最小主應力，mpa；
29、rt--壓裂點頂板巖層抗拉強度，mpa；
30、s3.2、確定壓裂時間，壓裂時間計算公式如下：
31、
32、式中：α--裂縫的半徑；
33、b--裂縫的寬度；
34、h--裂縫的縫高；
35、n--裂縫的數量；
36、q--壓裂裝置的流量；
37、s3.3、確定鉆孔間距，依據水力壓裂變縫高橢圓形態，根據線彈性斷裂力學裂紋在平面應力狀態下的位移場關系式：
38、
39、式中，σ--縫內液壓力；e為煤巖彈性模量；a為裂縫的長度；
40、將壓裂裂縫視為在縫長度方向連續排列的許多個i型貫穿裂紋的合成。將公式4用于任意一條裂紋可得縫寬方程：
41、
42、再由體積守恒原理可得：
43、
44、式中，h為z方向上的縫高，其應該為變量，考慮到該模式如作變量分析將無解，故認為縫高相等，作簡化分析可得：
45、
46、將σ(x)用平均值σ代替，整理后可得裂縫半徑為：
47、
48、輸入q、t、e、σ、h,得到鉆孔間距d為：
49、
50、式中，a為水壓裂縫半徑；k為裂縫疊加系數。
51、優選地，步驟s4包括：
52、s4.1、利用鉆機在堅硬頂板進行鉆孔，鉆進至堅硬巖層需要壓裂段后停止鉆進；
53、s4.2、將鉆孔封隔器和注水管推進至水力壓裂段；
54、s4.3、利用手動泵為封隔器加壓使膠筒膨脹，達到封孔目的；
55、s4.4、施工前需先檢查水力壓裂高壓泵及高壓管路連接情況，檢查完畢后，將封隔器與膠管相連接，并連接注水鋼管穿入鉆孔中，注水鋼管全部穿入鉆孔后，將手動泵壓力打到10-12mpa，使封孔器與孔壁接觸并固定，并利用孔口鎖緊固定注水鋼管；
56、s4.5、施工鉆孔：從兩巷回采超前支架位置開始，每隔一個鉆孔間距距離布置一組鉆孔，分別為孔h、孔l，鉆孔呈三花布置，鉆孔h貼煤柱幫豎直向上施工，開孔位置距離煤幫0.4-0.6m，深度根據堅硬頂板厚度確定；鉆孔l貼回采幫豎直向上施工，開孔位置距離煤幫0.4-0.6m，深度根據堅硬頂板厚度確定，避開超前支架支承位置，使用鉆機垂直向工作面超前段頂板上方施工；
57、s4.6、致裂鉆孔：每退出2-3節無縫鋼管致裂一次，每個鉆孔分段壓裂次數根據鉆孔長度確定，每次保壓注水時間不少于25min；
58、s4.7、開泵緩慢加壓，并記錄水泵壓力最大值，持續保壓25-30min，記錄壓裂過程中水泵的壓力變化以及現場顯現情況；
59、s4.8、壓裂25-30min后緩慢卸壓，壓力完全解除后停止水泵，并將高壓管路與注水鋼管分離；等待注水鋼管中水流變小后，將手動泵卸壓；等待鉆孔出水后可拆卸注水剛管；本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，步驟S1中所述的力學性質包括單軸抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度。
3.如權利要求1所述的采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，步驟S2具體包括如下步驟：
4.如權利要求3所述的采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，步驟S2.1包括以下步驟：
5.如權利要求3所述的采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，步驟S2.2包括以下步驟：
6.如權利要求1所述的采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，步驟S3具體包括：
7.如權利要求1所述的采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，步驟S4包括：
8.一種采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工系統裝備，其特征在于，包括依次連接的高壓水系統、壓力傳感器、三通閥門、泄壓閥、高壓水鋼管、封隔器，所述三通閥門的三端分別與壓力傳感器、泄壓閥、高壓水鋼管頂端連接，所述封隔器包括頂部封隔器、底部封隔
9.如權利要求8所述的采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工系統裝備，其特征在于，所述高壓水系統包括依次連接的水箱、氣液增壓泵、排水管和高壓泵。
...【技術特征摘要】
1.一種采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，步驟s1中所述的力學性質包括單軸抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度。
3.如權利要求1所述的采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，步驟s2具體包括如下步驟：
4.如權利要求3所述的采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，步驟s2.1包括以下步驟：
5.如權利要求3所述的采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工方法，其特征在于，步驟s2.2包括以下步驟：
6.如權利要求1所述的采煤工作面端頭...
【專利技術屬性】
技術研發人員：馬言，呂楊，種照輝，劉會，葛兵兵，王碩，喻臣鈰，
申請(專利權)人：安徽省皖北煤電集團有限責任公司，
類型：發明
國別省市：
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