【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及煤層綜放開采，具體為一種特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法。
技術介紹
1、能源構成了所有生產活動和日常生活的基礎，國民經濟的持續增長依賴于能源的供應增長。中國既是能源開采大國，也是能源消耗大國，其能源消耗量占全球總消耗量的比例超過10％。煤炭作為中國至關重要的基礎能源，在規劃期間，仍占據能源消費結構的58％，并且這一比重在未來相當長一段時間內都將保持穩定。因此，煤炭在中國的能源戰略中將持續占據核心地位。
2、中國的煤層地質條件極為復雜，其中約有三分之一的煤層上方覆蓋著難以垮落的堅硬頂板，且這些煤層廣泛分布于全國一半以上的礦區之中。特別是在國家重點建設的十四個大型煤炭基地中，大部分礦區都面臨著堅硬頂板難以垮落的問題。當煤層上方存在這樣的堅硬頂板時，頂板的破裂間距增大，致使采場礦壓表現得尤為劇烈。特別是在開采特厚煤層時，由于采場空間大，覆巖移動范圍廣泛，頂板的運動規律變得更為復雜，礦壓表現也更為強烈。煤礦常常會遇到支架壓死、巷道受損等強礦壓顯現問題。現場試驗表明，僅僅通過提高支護強度已無法有效解決這些問題。
3、此外，在高強度的綜放開采過程中，由于瞬間落煤量大，會導致瓦斯瞬間大量涌出。同時，放頂煤開采對采空區的擾動也會使瓦斯從采空區溢出。這些問題使得在開采過程中，工作面、回風巷、上隅角以及后溜尾等區域長時間出現瓦斯超限的情況，嚴重威脅著礦井的安全高效生產。然而，目前針對堅硬頂板與瓦斯災害的治理方法往往只針對單一的災害因素，沒有將兩者結合起來進行綜合治理，未能實現特厚煤層綜放開采堅硬頂板
技術實現思路
1、為解決以上目前針對堅硬頂板與瓦斯災害的治理方法往往只針對單一的災害因素，沒有將兩者結合起來進行綜合治理，未能實現特厚煤層綜放開采堅硬頂板與瓦斯的協同控制，災害治理效率低下，周期長且成本高的問題，本專利技術通過以下技術方案予以實現：一種特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，包括以下具體方法：
2、采集煤礦現場地層組成資料；
3、基于flac3d軟件建立煤礦工作面的數值模擬物理模型，模擬獲取水力壓裂的堅硬頂板的層位；
4、采動應力場反演，確定實施壓裂的時機和鉆孔位置；
5、對大空間采場堅硬頂板地面水力壓裂進行施工；
6、根據采空區瓦斯運移規律，確定鉆井終孔點的位置；
7、采動區鉆孔，獲得地面壓裂井，并兼做抽采井。
8、進一步的，所述采集煤礦現場地層組成資料，具體為：
9、采集煤礦工作面現場地層的組成成分及其物理力學參數。
10、進一步的，所述煤礦工作面的數值模擬物理模型為二維模型，采用軟弱夾層模擬巖層間的交界面，模型的頂部邊界采用自由邊界，底部邊界采用固定邊界，并限制模型左右側的水平位移；
11、通過所述煤礦工作面的數值模擬物理模型分別弱化各層堅硬頂板以模擬水力壓裂弱化堅硬頂板后工作面超前支承應力峰值的變化，并對長壁開采過程中各堅硬頂板破壞釋放的能量與工作面超前支承壓力的峰值的關系進行分析，判斷堅硬頂板層位增高對工作面的影響，以獲取水力壓裂的最佳堅硬頂板的層位。
12、進一步的，通過所述采動應力場反演，分析模擬開采過程中壓裂堅硬頂板層中的應力分布，結合水壓裂縫的擴展規律預判水壓裂縫的擴展方位，依據水壓裂縫擴展形態，確定實施壓裂的時機和鉆孔位置，具體為：
13、通過數值模擬方法，根據實際開采過程中的礦壓數據，反演得到采動應力場的分布情況，再根據得到的數據分析確定實施壓裂的時機和鉆孔位置。
14、進一步的，基于采動應力場反演數據進行分析，并以水壓裂縫的擴展形態為指引，對大空間采場堅硬頂板地面壓裂的技術參數進行優化，獲得最優壓裂流量、壓裂壓力以及壓裂時長。
15、進一步的，所述堅硬頂板地面水力壓裂采用酸化和水力加砂復合壓裂的方式進行施工，具體為：
16、在前置液中加入土酸，土酸為鹽酸和氫氟酸的混合物，鹽酸與堅硬頂板中膠結物反應弱化堅硬頂板中的膠結，氫氟酸與堅硬頂板中的硅酸鹽反應弱化堅硬頂板中的骨架顆粒；
17、前置液反應完成后，對堅硬頂板注入壓裂液進行水力壓裂，通過水力壓裂造縫，致裂堅硬頂板，減少或消除堅硬頂板應力集中現象，所述壓裂液中添加有細砂作為支撐劑。
18、進一步的，還包括：采用微震技術實時監測水壓裂縫的動態擴展過程，具體為：
19、利用微震監測設備進行多級壓裂現場監測，實時監測水力壓裂過程中的微震信號，以獲得水壓裂縫的起裂位置、擴展方向和幾何形態。
20、進一步的，所述根據采空區瓦斯運移規律，確定鉆井終孔點的位置，具體為：
21、采空區瓦斯運移的滲流擴散數學模型以擴散方程、瓦斯涌出匯及滲流基本微分方程作為參考函數，根據伯努利方程和達西定理得鉆井終孔的孔口流量為：
22、
23、q為孔口流量，單位是m/s；μa為采空區管嘴的阻力系數；g為重力加速度，單位是m/s2；za、zb分別是采空區高度和孔口處高度；pa為采空區的壓力，pb為孔口處的壓力，λ為g(ρa-ρb)，其中ρa為采空區瓦斯濃度，ρb為孔口處瓦斯濃度；k為滲透系數；h為高度，單位是m，s為滲流路徑長度；
24、采空區內的煤層瓦斯的擴散運動遵循三維多孔介質內的擴散方程，即瓦斯涌出匯微分方程組，瓦斯涌出匯微分方程組為：
25、
26、c為采空區內煤層瓦斯體積百分比濃度；t為時間，單位是s；為哈密頓算子；為彌散系數；為采空區風流滲流速度；c'為冒落矸石析出的瓦斯濃度；w為瓦斯分布源強度；
27、將涌出源帶入滲流基本微分方程組得：
28、
29、其中，a為ν為混合氣體運動粘性系數，單位是m2/s，g為重力加速度，單位是m/s2；b為β為幾何形狀系數，n為孔隙度，d為介質當量直徑，單位是m，e為滲透標量系數；p為靜壓力；z為采空區高度，單位是m；h靜為靜水頭；b為量綱修正系數；φ為煤巖體中的孔隙度；c為等溫吸附常數；其中e為常數，b0為衰減率，t0為初始時間，t1為衰減時間；h為采空區的冒落高度；
30、設定煤巖體的孔隙度不隨時間和壓力變化，將鉆井終孔的孔口流量、瓦斯涌出匯微分方程組和基于涌出源的滲流基本微分方程組聯立，獲得邊界條件，根據數值解算，獲得采空區瓦斯濃度隨時間變化的規律；
31、根據雷諾數對流態的判別，在原始滲流率下，瓦斯在煤層中形成線性滲流，滲流位移距離為l1：
32、
33、ρ為流體密度；k為滲透率；δp為壓力差；μ為氣體動力粘度；re為雷諾數；
34、氣體流速低于線性滲流時的流速時，氣體存在啟動壓力梯度λ0，當壓力梯度大于啟動壓力梯度時，煤層中瓦斯運移為非線性滲流，滲流位移距離為l2：
35、
36、瓦斯的抽采半徑為本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于，包括以下具體方法：
2.根據權利要求1所述的特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于：所述采集煤礦現場地層組成資料，具體為：
3.根據權利要求1所述的特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于：所述煤礦工作面的數值模擬物理模型為二維模型，采用軟弱夾層模擬巖層間的交界面，模型的頂部邊界采用自由邊界，底部邊界采用固定邊界，并限制模型左右側的水平位移；
4.根據權利要求1所述的特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于：通過所述采動應力場反演，分析模擬開采過程中壓裂堅硬頂板層中的應力分布，結合水壓裂縫的擴展規律預判水壓裂縫的擴展方位，依據水壓裂縫擴展形態，確定實施壓裂的時機和鉆孔位置，具體為：
5.根據權利要求4所述的特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于：基于采動應力場反演數據進行分析，并以水壓裂縫的擴展形態為指引，對大空間采場堅硬頂板地面壓裂的技術參數進行優化，獲得最優壓裂流量、壓裂壓力以及壓裂時長。
6.
7.根據權利要求6所述的特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于，還包括：采用微震技術實時監測水壓裂縫的動態擴展過程，具體為：
8.根據權利要求1所述的特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于：所述根據采空區瓦斯運移規律，確定鉆井終孔點的位置，具體為：
9.根據權利要求8所述的特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于，所述邊界條件包括：
...【技術特征摘要】
1.一種特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于，包括以下具體方法：
2.根據權利要求1所述的特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于：所述采集煤礦現場地層組成資料，具體為：
3.根據權利要求1所述的特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于：所述煤礦工作面的數值模擬物理模型為二維模型，采用軟弱夾層模擬巖層間的交界面，模型的頂部邊界采用自由邊界，底部邊界采用固定邊界，并限制模型左右側的水平位移；
4.根據權利要求1所述的特厚煤層綜放開采堅硬頂板-瓦斯協同控制方法，其特征在于：通過所述采動應力場反演，分析模擬開采過程中壓裂堅硬頂板層中的應力分布，結合水壓裂縫的擴展規律預判水壓裂縫的擴展方位，依據水壓裂縫擴展形態，確定實施壓裂的時機和鉆孔位置，具體為：
5.根據權利要求4所述的特厚煤層綜放...
【專利技術屬性】
技術研發人員：郭浩森，畢朝琦，朱順順，佟佳琦，陳履毅，張慧琴，張明奇，任奇祥，宋勇，
申請(專利權)人：華東交通大學，
類型：發明
國別省市：
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