本發(fā)明涉及煤礦開采，具體為一種采煤工作面端頭懸頂水力壓裂方法及系統(tǒng)裝備。

背景技術(shù)：

1、堅硬頂板是賦存在煤層直接頂上方厚而穩(wěn)定、堅硬的石灰?guī)r、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(jié)構(gòu)致密、節(jié)理裂隙不發(fā)育以及自身承載力強等特點，堅硬頂板巖石的普氏系數(shù)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(qū)。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?shù)膱杂岔敯骞ぷ髅娣植紕t更為廣泛。

2、在煤礦工作面回采過程中，經(jīng)常出現(xiàn)巷道端頭或巷道側(cè)方堅硬厚頂板不易垮冒，從而形成大面積懸頂?shù)默F(xiàn)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(yīng)力擾動容易引起沖擊礦壓的事故，會在安全問題以及經(jīng)濟上造成損失。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述存在的技術(shù)不足，本發(fā)明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(tǒng)裝備。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明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(xué)性質(zhì)，確定頂板巖石堅硬程度，評估端頭懸頂?shù)拿娣e；

5、s2、通過理論分析、數(shù)值計算探究注水速率、主應(yīng)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，為水力壓裂現(xiàn)場施工設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)；

6、s3、確定工作面端頭懸頂水力壓裂施工參數(shù)；

7、s4、按照確定的施工參數(shù)進行水力壓裂施工。

8、優(yōu)選地，步驟s1中所述的力學(xué)性質(zhì)包括單軸抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度。

9、優(yōu)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(shù)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(guī)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(gòu)建分段水力壓裂數(shù)值模型，針對注水速率、應(yīng)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(guī)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(guī)律。

13、優(yōu)選地，步驟s2.1包括以下步驟：

14、s2.1.1、根據(jù)巖層分布及鉆孔布置示意圖，采用離散元軟件建立數(shù)值計算模型；

15、s2.1.2、確定模型的參數(shù)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(xué)參數(shù)，來模擬裂縫在不同巖體中的擴展情況。

16、優(yōu)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(jié)果進行統(tǒng)計；

18、s2.2.2、確定滲透范圍比和裂隙數(shù)量：引入?yún)⒘俊皾B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(jié)果中藍色區(qū)域的面積，然后除以數(shù)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(tǒng)計各個壓裂段完成注水之后模型產(chǎn)生的裂隙數(shù)量，包括拉伸裂隙和剪切裂隙以及總裂隙。

23、優(yōu)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(yīng)力，mpa；

28、σ3--壓裂點最小主應(yīng)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(shù)量；

36、q--壓裂裝置的流量；

37、s3.3、確定鉆孔間距，依據(jù)水力壓裂變縫高橢圓形態(tài)，根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)裂紋在平面應(yīng)力狀態(tài)下的位移場關(guān)系式：

38、

39、式中，σ--縫內(nèi)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(xù)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(yīng)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(shù)。

51、優(yōu)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(jù)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(jù)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(jié)無縫鋼管致裂一次，每個鉆孔分段壓裂次數(shù)根據(jù)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(xù)保壓25-30min，記錄壓裂過程中水泵的壓力變化以及現(xiàn)場顯現(xiàn)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；

60、s4.9、拆卸注水剛管使封隔器后退至設(shè)計距離后重復(fù)步驟s4.6-s4.8進行后續(xù)的壓裂，在壓裂完成后逐段拆卸注水鋼管直至取出封隔器，并恢復(fù)支架的狀態(tài)。

61、本發(fā)明還提供一種采煤工作面端頭懸頂水力壓裂施工系統(tǒng)裝備，包括依次連接的高壓水系統(tǒng)、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、底部封隔器和位于頂部封隔器、底部封隔器之間的連接封隔器。

62、優(yōu)選地，所述高壓水系統(tǒng)包括依次連接的水箱、氣液增壓泵、排水管和高壓泵。

63、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明使用水力壓裂方法，將高壓流體注入目標(biāo)巖層，從而產(chǎn)生裂縫或使天然裂縫重啟，改造巖層結(jié)構(gòu)，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達到弱化端頭堅硬頂板并及時垮落的目的，降低頂板來壓強度，保證了工作面安全。