本发明涉及煤矿井下安全技术领域，具体涉及一种坚硬顶板梳状长钻孔分段压裂巷道变形源头治理方法。
背景技术：
中国煤层赋存条件非常复杂，煤层坚硬顶板普遍发育，占全国煤层的1/3，且分布在1/2以上的矿区。该类顶板在回采过程中，大面积悬顶且难以自然冒落，当悬顶达到一定面积，突然冒落，一次垮落的面积较大，支承压力和顶板压力也不断增大，并伴随着强烈的周期来压等动力现象发生，造成工作面支架压死、设备损坏，受采动影响巷道底鼓、帮鼓变形严重，原有支护失效，甚至发生危及人身安全的恶性事故。其中巷道变形是一类容易造成施工困难、延误工期、增加工程成本，甚至造成工程终止的重要地质灾害，由于巷道变形而导致的灾害事故屡见不鲜，故巷道围岩变形一直是困扰煤炭事业的关键难题之一。
在长期大强度的开采中，浅部煤炭资源储量逐渐减少，煤炭开采深度增加，据统计，中国煤矿开采深度每年增加8～12m，坚硬顶板引起的巷道围岩变形加剧、围岩收敛变形加快，支架损坏加重，巷道翻修量剧增，使得深部巷道的稳定、维护变得异常困难。针对以上问题，目前主要有围岩支护技术(被动支护)、围岩加固技术(主动支护)、联合支护技术及常规压裂技术。通过加大支护，提高巷道围岩的抵抗能力，能够一定程度上减缓巷道变形程度，但无法从动力源头消除能量来源，在高强度回采过程中，依然会产生一定规模的变形，进入深部开采后，巷道开挖支护后，裂隙萌生和扩展的速度快，短时间内岩体即被次生裂隙切割成小碎块，随后发生各种形式的支护失效形式，如锚杆拉断、喷层折断、u型钢支护严重扭曲等。尤其是在坚硬顶板大面积悬顶条件下，突然垮落，积聚于顶板及煤层内的能量快速释放，大幅增大来压强度，造成采场中的工作面和两巷的支护结构大面积折损破坏。传统短钻孔水力压裂技术存在钻探施工精度低、有效压裂长度短、裸眼封孔效果较差等问题，难以有效解决巷道来压变形问题。
据此，本发明的设计者针对以上问题，通过深入研究和设计，利用定向长钻孔轨迹精准控制和开分支技术，在坚硬岩层中预先实施定向超长钻孔(600m以上)，结合多分支技术，实现层位精准可控、三维立体联通人工裂隙系统，有效弱化坚硬顶板，实现随采随垮，促使巷道与其两侧实体煤体应力能量的有效隔离，消除或减弱巷道变形程度，解决坚硬顶板大面积悬顶造成的巷道变形灾害，并克服上述技术缺陷。
技术实现要素：
为了克服现有加强支护和常规压裂等解决坚硬顶板引起的巷道变形存在的问题，实现更为有效的顶板弱化巷道变形控制管理，本发明提出了一种坚硬顶板梳状长钻孔分段压裂巷道变形源头治理方法，包括以下步骤：
s1：压裂钻孔平面位置和压裂钻孔剖面位置的选定；
s101：将压裂钻孔平面布置于临近工作面的应力升高区域；
s102：根据研究区岩层力学特征，利用关键层判识理论以识别治理区域关键坚硬岩层分布位置，结合井下实际跟踪监测的顶板悬顶情况和垮落特征，确定钻孔布置剖面参数以获得压裂钻孔剖面位置；
s2：主孔施工；
s201：根据治理巷道岩性剖面分布、力学特征、地应力特征的地质信息，将钻孔布置于s1中的压裂钻孔平面位置和压裂钻孔剖面位置；
s202：利用定向钻孔施工装备和地质信息，通过随钻测量和孔底马达钻进施工调参系统，获取钻孔三维空间轨迹信息，精准控制钻孔位于目标层位；
s3：主孔第一段压裂：
将压裂工具串通过定向钻机输送至主孔第一段压裂的设计位置，采用两个封隔器坐封的双封单卡工艺进行压裂施工；
s4：第一分支孔钻探施工：
s401：根据施工区域压裂裂缝延展半径r，确定分支点间距为2r，并计算单孔开分支数目s/2r；
s402：输送定向钻进成套工具至孔内的第一分支施工位置；
s403：利用计算机远程监测和显示系统掌握和调整钻孔轨迹；
s404：第一分支孔的施工采用“后退式”工艺以及钻进方法采用侧钻分支法；依据分支设计参数，通过随钻测量和孔底马达调整系统钻遇直接顶岩层，终孔；
s5：第一分支孔压裂施工：
将压裂工具串通过定向钻机输送至第一分支施工位置，采用双封单卡工艺进行压裂施工；压裂施工完成后，卸压排水，退出所有工具串；
s6：主孔第二段压裂；
将压裂工具串通过定向钻机输送至主孔第二段压裂的设计位置，采用两个封隔器坐封的双封单卡工艺进行压裂施工；压裂施工完成后，卸压排水，退出所有工具串；
s7：第二分支孔钻探及压裂施工；
按照s4对第二分支施工位置钻探施工，按照s5对对第二分支施工位置压裂施工；
s8：按照s6和s7进行施工，直至主孔的所有设计位置完成压裂施工以及所有分支施工位置完成钻探施工和压裂施工，最后退出孔内所有工具。
优选地，所述封隔器为膨胀坐封器。
优选地，主孔进行超前回采600m以上的定向长钻孔一次成孔。
优选地，分支孔的数量为8-12个。
优选地，定向钻孔施工装备结合井底罗盘电视监视器和综合计算机远程监测系统，以实现钻孔轨迹的精准控制。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的坚硬顶板梳状定向长钻孔分段压裂源头治理技术，从巷道变形的动力源头进行了治理，促使巷道与临近工作面或采空区的动力载荷有效隔断，消除或减弱了巷道承受的动静载荷，有效控制巷道变形。
2.采用定向长钻孔成套装备和技术，可实现钻孔轨迹的精准控制于坚硬目标层位，保证压裂裂缝有效发育于目标层位，提高压裂弱化效果。
3.通过坚硬顶板梳状定向长钻孔主孔和多点分支的逐段压裂，可实现单孔超前工作面回采600m以上进行大于8个分支和12个压裂段的顶板分段压裂弱化施工，实现巷道变形的超前有效控制，保证回采安全，提高回采效率。
4.坚硬顶板梳状定向长钻孔分段压裂后，可建立压裂层位三维立体裂隙体系，降低目标层位岩层的强度。且分支孔压裂弱化，延伸压裂钻孔裂缝发育垂向展布规模，实现了坚硬岩层与直接顶的裂缝体系耦合，结合采掘扰动，可实现坚硬顶板岩层的有效垮落，对上覆岩层形成有效支撑，并形成与巷道煤柱耦合的水平支撑力，提高巷道整体强度，为临近工作面回采，提供良好的施工条件。
5.通过该方法实施后，可大幅降低围岩变形和破坏程度，避免或减弱了巷道底鼓及片帮等现象。同时整个工作面坚硬顶板的有效垮落，降低了巷道岩层压力承受的工作面传递压力，简化巷道支护方式，大幅减小巷道返修工程量，极大程度的降低巷道维护成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本实施例施工过程中巷道的平面图示意图；
图2为本实施例中主孔第一段压裂的设计位置压裂施工示意图；
图3为本实施例中第一分支孔的压裂施工示意图；
图4为本实施例中主孔第二段压裂的设计位置压裂施工示意图；
图5为本实施例中单个梳状长钻孔分段压裂施工示意图。
附图中，1-主孔第一段压裂的设计位置，2-压裂工具串，3-高压管柱，4-主孔，5-第一分支孔，6-压裂裂缝，7-主孔第二段压裂的设计位置，8-第二分支孔，9-粉砂岩，10-细砂岩，11-泥岩，12-巷道。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1至图5所示，本实施例以粉砂岩9、细砂岩10和泥岩11的地质情况为例，在巷道12的侧壁进行施工。本实施例提供了一种坚硬顶板梳状长钻孔分段压裂巷道变形源头治理方法，包括以下步骤：
s1：压裂钻孔平面位置和压裂钻孔剖面位置的选定。
s101：将压裂钻孔平面布置于临近工作面的应力升高区域。通过压裂弱化，削弱应力集中位置能量，促使应力向邻近工作面或采空区转移，且实现应力的均布化，降低巷道作用压力。
s102：根据研究区岩层力学特征，利用关键层判识理论以识别治理区域关键坚硬岩层分布位置，结合井下实际跟踪监测的顶板悬顶情况和垮落特征，确定钻孔布置剖面参数以获得压裂钻孔剖面位置。
s2：超长、精准定向主孔4施工。
s201：根据治理巷道岩性剖面分布、力学特征、地应力特征的地质信息，将钻孔布置于s1中的压裂钻孔平面位置和压裂钻孔剖面位置。
s202：利用定向钻孔施工装备和地质信息，通过随钻测量和孔底马达钻进施工调参系统，获取钻孔三维空间轨迹信息，精准控制钻孔位于目标层位；进行超前回采600m以上的定向长钻孔一次成孔。
s3：主孔第一段压裂：
将压裂工具串2通过定向钻机输送至主孔第一段压裂的设计位置1，采用两个封隔器坐封的双封单卡工艺进行压裂施工。即通过高压管柱3和高压压裂泵组持续注水，两个封隔器首选膨胀坐封，继续注水增压，当压力达到设计值后，封隔器间导水控压器打开，进行该压裂段的压裂施工。压裂施工完成后，卸压排水，退出所有工具串。
s4：第一分支孔5钻探施工：
s401：根据施工区域压裂裂缝6延展半径r，确定分支点间距为2r，并计算单孔开分支数目s/2r。其中，s为钻孔可压裂段长，s＝l-d，d为钻孔进入压裂目标层位前长度。
s402：输送定向钻进成套工具至孔内的第一分支施工位置。
s403：利用计算机远程监测和显示系统，实时、准确掌握和调整钻孔轨迹，精准控制钻孔轨迹。
s404：第一分支孔5的施工采用“后退式”工艺，分支点主要通过调整孔底马达的工具面向角直接在设计点处留设。钻进方法采用侧钻分支法，依据分支设计参数，通过随钻测量和孔底马达调整系统，严格控制分支孔施工精度，钻遇直接顶岩层，终孔。
s5：第一分支孔5压裂施工。
将压裂工具串2通过定向钻机输送至第一分支施工位置，采用双封单卡工艺进行压裂施工；压裂施工完成后，卸压排水，退出所有工具串；
s6：主孔第二段压裂；
将压裂工具串2通过定向钻机输送至主孔第二段压裂的设计位置7，采用两个封隔器坐封的双封单卡工艺进行压裂施工；压裂施工完成后，卸压排水，退出所有工具串。
s7：第二分支孔8钻探及压裂施工。
按照s4对第二分支施工位置钻探施工，按照s5对对第二分支施工位置压裂施工。
s8：按照s6和s7进行施工，直至主孔的所有设计位置完成压裂施工以及所有分支施工位置完成钻探施工和压裂施工，最后退出孔内所有工具。
本方法主要的效果在于：从巷道变形的动力源头进行超前弱化治理，使巷道与临近工作面或采空区的动力载荷有效隔断，消除或减弱了巷道承受的动静载荷，有效控制巷道变形。通过坚硬顶板梳状定向长钻孔主孔和多点分支的逐段压裂，可实现单孔超前工作面回采600m以上进行大于8个分支和12个压裂段的顶板分段压裂弱化施工，实现巷道变形的超前有效控制，保证回采安全，提高回采效率。在顶板梳状定向长钻孔分段压裂后，可建立压裂层位三维立体裂隙体系，降低目标层位岩层的强度。且分支孔的压裂弱化，延伸了压裂钻孔裂缝发育垂向展布规模，实现了坚硬岩层与直接顶的裂缝体系耦合，结合采掘扰动，可实现坚硬顶板岩层的有效垮落对上覆岩层形成有效支撑，并形成与巷道煤柱耦合的水平支撑力，提高巷道整体强度，为临近工作面回采，提供良好的施工条件。
另外，本实施例采用超长定向钻孔成孔装备和技术，结合井底罗盘电视监视器，综合计算机远程监测系统，可实现钻孔轨迹的精准控制，降低岩孔段距离，提高煤层钻遇率。准确掌握钻孔覆盖范围，合理评价抽采影响范围，保证掘进安全。通过本方法后，可大幅降低围岩变形和破坏程度，避免或减弱了巷道底鼓及片帮等现象。同时整个工作面坚硬顶板的有效垮落，降低了巷道岩层压力承受的工作面传递压力，简化巷道支护方式，大幅减小巷道返修工程量，极大程度的降低巷道维护成本。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
1.一种坚硬顶板梳状长钻孔分段压裂巷道变形源头治理方法，其特征在于：包括s1：压裂钻孔平面位置和压裂钻孔剖面位置的选定；
s101：将压裂钻孔平面布置于临近工作面的应力升高区域；
s102：根据研究区岩层力学特征，利用关键层判识理论以识别治理区域关键坚硬岩层分布位置，结合井下实际跟踪监测的顶板悬顶情况和垮落特征，确定钻孔布置剖面参数以获得压裂钻孔剖面位置；
s2：主孔施工：
s201：根据治理巷道岩性剖面分布、力学特征、地应力特征的地质信息，将钻孔布置于s1中的压裂钻孔平面位置和压裂钻孔剖面位置；
s202：利用定向钻孔施工装备和地质信息，通过随钻测量和孔底马达钻进施工调参系统，获取钻孔三维空间轨迹信息，精准控制钻孔位于目标层位；
s3：主孔第一段压裂：
将压裂工具串通过定向钻机输送至主孔第一段压裂的设计位置，采用两个封隔器坐封的双封单卡工艺进行压裂施工；
s4：第一分支孔钻探施工：
s401：根据施工区域压裂裂缝延展半径r，确定分支点间距为2r，并计算单孔开分支数目s/2r；
s402：输送定向钻进成套工具至孔内的第一分支施工位置；
s403：利用计算机远程监测和显示系统掌握和调整钻孔轨迹；
s404：第一分支孔的施工采用“后退式”工艺以及钻进方法采用侧钻分支法；依据分支设计参数，通过随钻测量和孔底马达调整系统钻遇直接顶岩层，终孔；
s5：第一分支孔压裂施工；
将压裂工具串通过定向钻机输送至第一分支施工位置，采用双封单卡工艺进行压裂施工；压裂施工完成后，卸压排水，退出所有工具串；
s6：主孔第二段压裂；
将压裂工具串通过定向钻机输送至主孔第二段压裂的设计位置，采用两个封隔器坐封的双封单卡工艺进行压裂施工；压裂施工完成后，卸压排水，退出所有工具串；
s7：第二分支孔钻探及压裂施工；
按照s4对第二分支施工位置钻探施工，按照s5对对第二分支施工位置压裂施工；
s8：按照s6和s7进行施工，直至主孔的所有设计位置完成压裂施工以及所有分支施工位置完成钻探施工和压裂施工，最后退出孔内所有工具。
2.根据权利要求1所述的坚硬顶板梳状长钻孔分段压裂巷道变形源头治理方法，其特征在于：所述封隔器为膨胀坐封器。
3.根据权利要求1所述的坚硬顶板梳状长钻孔分段压裂巷道变形源头治理方法，其特征在于：主孔进行超前回采600m以上的定向长钻孔一次成孔。
4.根据权利要求1所述的坚硬顶板梳状长钻孔分段压裂巷道变形源头治理方法，其特征在于：分支孔的数量为8-12个。
5.根据权利要求1所示的坚硬顶板梳状长钻孔分段压裂巷道变形源头治理方法，其特征在于：定向钻孔施工装备结合井底罗盘电视监视器和综合计算机远程监测系统，以实现钻孔轨迹的精准控制。
技术总结