高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压方法及设备与流程

1.本发明涉及冲击地压防治技术领域，尤其涉及一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一。随着能源需求加大，采深越来越大，冲击地压威胁越来越严重。部分浅埋煤层回采时，若其上覆顶板中含有厚硬岩层，也容易发生强动压灾害或冲击地压。当前冲击地压的防治手段有很多，如顶板爆破卸压、顶板水力压裂卸压，煤层大直径钻孔卸压等。
3.当前防治冲击地压的顶板水力压裂卸压手段主要是采用架柱式钻机或者普通履带式钻机在巷道中向煤层上方顶板内施工一定间距和深度的钻孔，如附图1所示。这种施工方式有四大缺点：第一个缺点是普通履带式钻机或者架柱式钻机需要在巷道内频繁移动，耗费人力，同时长期占据部分巷道断面，对人员和车辆的通行产生了一定干扰和影响，且增大了通风阻力；第二个缺点是，普通履带式钻机施工的顶板孔只能覆盖巷道两侧有限区域，当工作面长度较长或采场面积较大时候，采场中部绝大部分区域覆盖不到，远场坚硬厚岩层不能得到有效处理，这极大的限制了水力压裂卸压防治冲击地压效果；第三个缺点是，常规的履带式钻机或者架柱式没有定向测量系统，当钻孔深度较大时，钻孔轨迹很容易跑偏，达不到预先设计的层位；第四个缺点是，常规的水力压裂没有预先射流切缝，这导致坚硬致密岩层压裂时需要较大起裂压力，提高了对泵站压力的要求，且常规水力压裂泵站流量较小，制约了卸压效果。


技术实现要素：

4.本发明提供一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质，旨在有效的对工作面中部上覆高位坚硬厚顶板岩层进行弱化处理，同时通过水射流预制裂缝，减少致密硬岩层的起裂压力。
5.为此，本发明的第一个目的在于提出一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压方法，包括：
6.依据实际岩层地质条件，设计平行于巷道的顶板岩层水力压裂钻孔布置方案，确定顶板水力压裂钻孔参数；
7.在顶板岩层水力压裂钻孔布置方案中确定的钻场布置千米定向钻机，并做钻孔准备；其中，设定钻场是将钻机钻孔位置设置于工作面回撤通道内、煤体硐室内或临近巷道内；
8.按照顶板岩层水力压裂钻孔布置方案和顶板水力压裂钻孔参数调整千米定向钻机进行钻孔；钻孔完毕后，在钻杆内放置钢球，通过向钻杆内注水形成水刀，在孔壁上切割出水射流预制裂缝，组装水力压裂工具串，下放至水射流预制裂缝位置逐段进行压裂。
9.其中，顶板水力压裂钻孔参数至少包括钻孔孔径、孔间距、卸压范围、钻孔数量、钻
孔角度；且顶板岩层水力压裂钻孔布置方案设计时，避开巷道围岩支护区。
10.其中，在孔壁上切割出水射流预制裂缝的步骤中，包括：
11.冲洗钻孔，通过拆卸钻杆将钻头退至设计预制裂缝位置，将与专用水射流切缝钻头前端冲渣排水孔相匹配的钢球放置在钻杆内；
12.钻杆连接水变，水变另一端经高压胶管与大流量高压泵相连，开启水泵后，水流驱使钢球堵塞钻头前端冲渣排水孔，从钻头侧壁两细小孔眼射出形成水刀；
13.在旋转马达和钻头转动的双重驱动下，在孔壁上切割出环形裂缝，达到设计射流时间后，停水撤钻杆；
14.重复上述工序，直至钻孔内水射流预制裂缝工作全部完成。
15.其中，钻孔的步骤包括：
16.准备阶段：制定定向钻孔布置方案并准备配套机具，按照制定的定向钻孔布置方案安装钻孔设备并进行测试；
17.钻孔阶段：安装螺杆马达，进行定向钻进；
18.调整阶段：实时测量钻孔深度及钻孔角度，判断是否偏离设计轨迹，若判定发生偏离，则调整螺杆马达的外弯管弯角及工具面向角；调整完成后继续执行钻孔操作至终孔。
19.其中，在执行钻孔的步骤中，利用定向测量，使千米定向钻机施工的顶板水力压裂钻孔达到设计层位，并覆盖整个工作面采场。
20.其中，在执行钻孔的步骤中，钻孔变平段位于拟弱化处理的目标岩层中。
21.其中，钻孔准备的步骤包括：
22.根据顶板岩层水力压裂钻孔布置方案和现场实际情况确定好开孔位置；
23.给千米定向钻机连接供电、供水管路；挖设水仓和排水沟，调整钻机位置，打地锚固定好钻机。
24.本发明的第二个目的在于提出一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压装置，包括：
25.方案设计模块，用于依据实际岩层地质条件，设计平行于巷道的顶板岩层水力压裂钻孔布置方案，确定顶板水力压裂钻孔参数；
26.钻孔准备模块，用于在顶板岩层水力压裂钻孔布置方案中确定的钻场布置千米定向钻机，并做钻孔准备；其中，设定钻场是将钻机钻孔位置设置于工作面回撤通道内、煤体硐室内或临近巷道内；
27.钻孔压裂模块，用于按照顶板岩层水力压裂钻孔布置方案和顶板水力压裂钻孔参数调整千米定向钻机进行钻孔；钻孔完毕后，在钻杆内放置钢球，通过向钻杆内注水形成水刀，在孔壁上切割出水射流预制裂缝，组装水力压裂工具串，下放至水射流预制裂缝位置逐段进行压裂。
28.本发明的第三个目的在于提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现如前述技术方案的方法。
29.本发明的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现前述技术方案的方法。
30.区别于现有技术，本发明提供的高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压方
法，通过设计顶板岩层水力压裂钻孔布置方案，将钻孔布置在了常规水力压裂孔无法覆盖到的高位远场坚硬厚顶板岩层中，有效的对工作面中部上覆高位坚硬厚顶板岩层进行弱化处理，避免钻机来回搬家、避免钻机长期占用行人行车巷道断面、减少了通风阻力；区别于常规的水力压裂钻孔布置方式及起裂方式以实现远场厚硬岩层区域卸压防治冲击地压方法，在退杆过程中通过水射流预制裂缝，减少致密硬岩层的起裂压力。
附图说明
31.本发明的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
32.图1是现有技术中常规的水力压裂钻孔布置方式示意图。
33.图2是本发明提供的一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压方法的流程示意图。
34.图3是本发明提供的一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压方法中顶板水力压裂钻孔布置方式示意图。
35.图4是本发明提供的一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压方法中千米定向钻机钻进的流程示意图。
36.图5是本发明提供的一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压方法中专用水射流切缝钻头的结构示意图。
37.图6是本发明提供的一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压方法中压裂工具串的结构示意图。
38.图7是本发明提供的一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压装置的结构示意图。
39.图8是本发明提供的一种非临时性计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
40.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
41.图2为本发明实施例所提供的一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压方法的流程示意图。包括：
42.步骤101：依据实际岩层地质条件，设计平行于巷道的顶板岩层水力压裂钻孔布置方案，确定顶板水力压裂钻孔参数。
43.本发明针对高位岩层射流联合压裂区域卸压的情况，依据实际高位岩层地质条件，设计顶板岩层水力压裂钻孔布置方案。本发明的顶板岩层水力压裂钻孔布置方案用于确定实际岩层环境钻孔时的钻孔参数及钻孔位置。在本发明的实施例中，顶板岩层水力压裂钻孔布置方案可根据实际岩层地质条件和物理力学参数建模和数值模拟，即建立实际岩层的三维模型，通过在实际岩层的虚拟三维模型中模拟执行预定的钻孔操作，确定最优的钻孔参数。
44.在本发明中，钻孔参数至少包括钻孔孔径、孔间距、卸压范围、钻孔数量、钻孔角
度。通过在三维模型中调整不同尺寸的钻孔孔径、孔间距、钻孔角度及不同数量的钻孔数量，以使模型中的岩层钻孔卸压范围达到最佳。
45.需要注意的是，在设计顶板岩层水力压裂钻孔布置方案时，钻孔布置需要避开巷道围岩体支护区。
46.步骤102：在顶板岩层水力压裂钻孔布置方案中确定的钻场布置千米定向钻机，并做钻孔准备。
47.设定钻场是将钻机钻孔位置设置于工作面回撤通道内、煤体硐室内或临近巷道内。
48.在图1所示的现有处理方案中，顶板水力压裂卸压手段主要是采用架柱式钻机或者履带式钻机，巷道中向煤层上方顶板内施工一定间距和深度的钻孔，其钻孔需要在巷道内停留钻设，容易造成交通堵塞；再者普通履带式钻机施工的顶板孔只能覆盖巷道两侧有限区域，当工作面长度较长或采场面积较大时候，采场中部绝大部分区域覆盖不到，远场坚硬厚岩层不能得到有效处理，这极大的限制了水力压裂卸压防治冲击地压效果；且常规的履带式钻机或者架柱式没有定向测量系统，当钻孔深度较大时，钻孔轨迹很容易跑偏，达不到预先设计的层位，常规的水力压裂没有预先射流切缝，这导致坚硬致密岩层压裂时需要较大起裂压力，提高了对泵站压力的要求，且常规水力压裂泵站流量较小，制约了卸压效果。
49.本发明中用千米定向钻机代替常规的履带式钻机和架柱式钻机，千米定向钻机钻进是利用导向系统使得顶板水力压裂钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。同时孔底导向装置实时监测钻孔参数，进而确定孔底螺杆马达的造斜方向。千米定向钻机钻进可以避免常规履带钻机打钻过程中钻头钻杆下沉从而导致钻孔轨迹偏离设计轨迹的问题。为避免现有技术缺陷，本发明技术方案中将千米定向钻机布置在不影响行人通车的临近巷道内或者硐室钻场内。
50.利用定向测量系统使得千米定向钻机施工的顶板水力压裂钻孔能够精准达到设计层位并覆盖整个工作面采场，如附图3所示。
51.选定钻机钻场后，在选定位置安装设置千米定向钻机及其配套设备，具体的，包括如下步骤：
52.根据顶板岩层长水平水力压裂钻孔布置方案和现场实际情况确定好开孔位置；
53.给千米定向钻机连接供电、供水管路；挖设水仓和排水沟，调整钻机位置，打地锚固定好钻机。
54.根据顶板水力压裂钻孔布置方案和现场实际情况确定好开孔位置后，给钻机接好供电、供水管路、挖好水仓和排水沟，调整钻机位置，打地锚固定好钻机，组装好专用水射流切缝钻头、旋转马达、钻杆等工具串，准备钻进。
55.将千米定向钻机调试完毕后，正式进入步骤103中的钻孔执行步骤。
56.步骤103：按照顶板岩层水力压裂钻孔布置方案和顶板水力压裂钻孔参数调整千米定向钻机进行钻孔；钻孔完毕后，在钻杆内放置钢球，通过向钻杆内注水形成水刀，在孔壁上切割出水射流预制裂缝，组装水力压裂工具串，下放至水射流预制裂缝位置逐段进行压裂。
57.按照顶板岩层长水平水力压裂钻孔布置方案中确定的钻孔参数，控制钻机开始钻
孔，钻孔步骤如图4所示：
58.准备阶段：制定定向钻孔方案并准备配套机具，按照制定的定向钻孔方案安装钻孔设备并进行测试；
59.钻孔阶段：安装螺杆马达，进行定向钻进；
60.调整阶段：实时测量钻孔深度及钻孔角度，判断是否偏离设计轨迹，若判定发生偏离，则调整螺杆马达的外弯管弯角及工具面向角；调整完成后继续执行钻孔操作至终孔。
61.钻孔施工完毕后仔细冲孔，通过拆卸钻杆将钻头退至设计预制裂缝位置，而后将水变从钻杆上取下，将与专用水射流切缝钻头前端冲渣排水孔相匹配(钢球直径大于排水孔直径)的钢球放置在钻杆内，接上水变，水变另一端经高压胶管与大流量高压泵相连。开启大流量高压注水泵，水流驱使钢球堵住专用钻头前端冲渣排水孔后，水流从钻头侧壁两细小孔眼射出形成水刀，在旋转马达和钻头转动的同时，在孔壁上切割出环形裂缝。达到设计射流时间后，停水撤钻杆。重复上述工序，直至钻孔内水射流预制裂缝工作全部完成。
62.专用水射流切缝钻头上除了前端的冲渣排水孔外，在其侧壁上对称布置了两个细小孔眼，如图5所示，细小孔眼壁采用特殊防护以避免高压水流过时孔眼直径变大。正常打钻阶段，钻杆内水流主要从钻头前端冲渣排水孔流出，射流切缝阶段，钻杆内水流只从钻头侧壁两个细小孔眼流出，形成超高压水柱，在螺杆马达和钻头转动下，超高压水柱起到切刀的作用，在孔壁上割出环形预制裂缝。钻杆内水流由前端冲渣排水孔向细小孔眼的转换通过在钻杆内投钢球实现。
63.如图6所示，组装水力压裂工具串，下放至预制裂缝位置逐段进行压裂。
64.如图7，本发明还提出一种高位岩层射流联合压裂区域卸压防治冲击地压装置，包括：
65.方案设计模块310，用于依据实际岩层地质条件，设计平行于巷道的顶板岩层水力压裂钻孔布置方案，确定顶板水力压裂钻孔参数；
66.钻孔准备模块320，用于在顶板岩层水力压裂钻孔布置方案中确定的钻场布置千米定向钻机，并做钻孔准备；其中，设定钻场是将钻机钻孔位置设置于工作面回撤通道内、煤体硐室内或临近巷道内；
67.钻孔压裂模块330，用于按照顶板岩层水力压裂钻孔布置方案和顶板水力压裂钻孔参数调整千米定向钻机进行钻孔；钻孔完毕后，在钻杆内放置钢球，通过向钻杆内注水形成水刀，在孔壁上切割出水射流预制裂缝，组装水力压裂工具串，下放至水射流预制裂缝位置逐段进行压裂。
68.为了实现实施例，本发明还提出另一种计算机设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现如本发明实施例的高位岩层射流联合压裂区域卸压的冲击地压防治。
69.如图8所示，非临时性计算机可读存储介质包括指令的存储器810，接口830，指令可由高位岩层射流联合压裂区域卸防治冲击地压装置的处理器820执行以完成方法。可选地，存储介质可以是非临时性计算机可读存储介质，例如，非临时性计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。
70.为了实现实施例，本发明还提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例的高位岩层射流联合压裂区
域卸压的冲击地压防治。
71.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对所述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
72.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
73.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
74.在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
75.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在所述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
76.本技术领域的普通技术人员可以理解实现所述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
77.此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以
是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。所述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
78.所述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，所述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对所述实施例进行变化、修改、替换和变型。