酸化压裂控制井工矿石灰岩顶板的设备及方法

技术领域

本发明涉及矿山开采技术领域，具体涉及酸化压裂控制井工矿石灰岩顶板的设备及方法。

背景技术

当煤层上方直接赋存或在厚度较薄的直接顶上方赋存有坚硬岩层时，随着煤层的开采，坚硬顶板难以及时垮落，在采空区形成大面积悬顶。大范围悬顶突然垮落易产生冲击荷载、顶板大面积来压、暴风等，甚至诱发冲击地压。非煤井工矿同样存在大量需治理的采空区坚硬悬顶致灾问题。

传统处理采空区悬顶的方法是人工炸药爆破强制放顶。但该方法工程量和炸药量大，成本高，可控性差等，对于高瓦斯矿井具有安全隐患。煤矿安全规程已明令禁止在采动影响区内采用炸药爆破处理坚硬顶板。

煤岩体结构改造是解决煤矿中的坚硬顶板控制、顶煤弱化、冲击矿压、低渗透性煤层瓦斯抽采、煤与瓦斯突出等技术难题涉及的核心共性科学问题。通过水力压裂改造顶板结构，达到控制采空区顶板的及时冒落，成为解决煤矿采空区坚硬顶板的有效技术途径，目前已得到广泛应用，具有显著的技术经济优势。

目前，煤矿井下坚硬顶板水力压裂控制技术应用较多的为致密砂岩顶板控制，采用的坚硬顶板水力压裂控制成套装备的额定压力为60MPa，基本能满足现场坚硬顶板压裂需求。而对于坚硬厚石灰岩顶板控制，常规的水力压裂方法及装备存在以下问题：1.由于石灰岩是以方解石为主要成分的碳酸盐岩，成分单一且固结好，而砂岩是由石英、长石及其它矿物组成，成分复杂，且固结相对较差。因此，致密石灰岩的强度要高于致密砂岩，导致石灰岩顶板水力压裂过程中的破裂压力及施工压力高，现场压裂施工中石灰岩顶板的破裂压力出现超过60MPa的情况。长时间超额定压力工作，高压泵及管路等压裂装备的使用寿命会受到严重损耗，而提高压裂装备的额定压力又会导致设备及材料成本增加。2.坚硬厚石灰岩强度高、完整性好、厚度大，常规水力压裂裂缝张开度较小，水力压裂结束后随着压裂液的返排，在地应力作用下水压裂缝闭合，水压裂缝两侧的岩块仍相互挤压咬合，形成相对稳定的结构，导致压裂后悬顶垮落效果不理想。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了酸化压裂控制井工矿石灰岩顶板的设备及方法，以解决坚硬厚石灰岩顶板水力压裂施工压力高、常规水力压裂后石灰岩悬顶垮落效果不理想等问题，从而降低坚硬厚石灰岩顶板压裂施工压力，改善压裂后的悬顶垮落效果。

根据本发明的目的提出的一种酸化压裂控制井工矿石灰岩顶板的设备，包括酸化压裂泵和封孔装置；所述酸化压裂泵包括酸液箱、配液箱、高压泵、高压泵控制柜、压裂测控仪、高压胶管、高压密封安装杆以及转换接头；所述高压泵与压裂测控仪分别与高压泵控制柜电连接，所述高压胶管一端与高压泵连接，另一端通过转换接头与高压密封安装杆连接，所述高压密封安装杆伸入钻孔内，用于酸液注入；所述高压胶管上设置有流量传感器、浓度传感器、压力传感器、单向阀以及泄压阀，其中，流量传感器、浓度传感器、压力传感器分别与压裂测控仪电连接；所述封孔装置包括封孔器、手压泵以及用于连接封孔器与手压泵的高压细软管。

优选的，所述封孔器包括膨胀胶囊、金属管、固定套以及滑动套；所述固定套固定连接于金属管的一端；所述滑动套套设于金属管上，并可沿其滑动；所述膨胀胶囊套设于金属管上，其两端分别与固定套和滑动套固定连接；所述滑动套上设置有两端分别连接高压细软管和膨胀胶囊的进水管，按压手压泵，通过高压细软管和进水管，向膨胀胶囊中注入高压水，膨胀胶囊膨胀、纵向收缩，可密封钻孔；所述金属管与高压密封安装杆连接，开启高压泵，酸液通过高压胶管、高压密封安装杆、金属管注入钻孔底部。

优选的，所述膨胀胶囊与滑动套和固定套之间均设置有密封圈。

优选的，所述设备还包括设置于钻孔外的监控摄像头，所述监控摄像头与压裂测控仪电连接。

本发明另外公开的一种使用上述酸化压裂控制井工矿石灰岩顶板的设备进行井工矿石灰岩顶板酸化压裂的方法，包括以下步骤：

步骤一：在工作面架间靠近煤壁侧和靠近采空区侧分别施工一组平行的钻孔。

步骤二：安装酸化压裂泵，进行调试，并按照设计浓度进行酸化压裂液配置。

步骤三：连接封孔器与高压细软管，通过高压密封安装杆将封孔器送入钻孔底部设计封孔位置，按压手压泵通过高压细软管向膨胀胶囊注水使其膨胀、纵向收缩，密封钻孔。

步骤四：依次连接高压密封安装杆、转换接头、高压胶管和高压泵。

步骤五：关闭高压胶管上的泄压阀，开启高压泵，向钻孔里持续注入酸液，当压力传感器所监测的管路压力达到设定值时，停止注入。

步骤六：通过高压胶管上设置的单向阀使钻孔内压裂液保压，酸液通过钻孔壁向周围岩石中渗透。

步骤七：钻孔保压结束后，重新开启高压泵向钻孔中注入酸液，进行石灰岩顶板酸化压裂。

步骤八：压裂结束后，关闭高压泵，通过高压胶管上的单向阀使钻孔内压裂液保压，使缝内高压酸液进一步向裂缝两侧石灰岩孔隙中渗流。

步骤九：保压结束后，打开高压胶管上的泄压阀，卸除管路压力。

步骤十：取出封孔器，安装于下一个钻孔内，重复步骤三-九，直至完成所有钻孔的压裂。

优选的，该方法适用于采空区石灰岩悬顶的压裂和煤层上方石灰岩顶板预裂；若进行采空区石灰岩悬顶压裂时，则将靠近煤壁侧钻孔垂直顶板施工，靠近采空区侧钻孔斜向采空区施工，两组钻孔交错布置；若进行煤层上方石灰岩顶板预裂时，则将靠近采空区侧钻孔垂直顶板，靠近煤壁侧钻孔斜向工作面前方顶板施工，两组钻孔交错布置，并在工作面两端头区域垂直顶板分别施工一组平行的锚索孔。

优选的，步骤二中，酸化压裂的压裂液为15％-20％的稀盐酸。

优选的，步骤五中，当压力传感器所监测的管路压力达到10MPa时，停止酸液注入。

优选的，步骤六和步骤八中，钻孔内压裂液保压5-10min。

优选的，步骤七中，重新开启高压泵向钻孔中注入酸液，进行石灰岩顶板酸化压裂时间为30min。

与现有技术相比，本发明公开的一种酸化压裂控制井工矿石灰岩顶板的设备及方法的优点是：

(1)本发明采用酸化压裂的方式处理矿井石灰岩坚硬顶板，通过酸液对石灰岩的溶蚀，一方面可降低钻孔孔壁的石灰岩强度，进而降低坚硬石灰岩顶板压裂的破裂压力和裂缝扩展压力，最终实现降低坚硬石灰岩顶板压裂的施工压力的目标；另一方面，将酸液作为压裂液进行坚硬石灰岩顶板酸化压裂，在石灰岩顶板内产生大范围人工裂缝的同时，通过酸液与裂缝壁面的接触，溶蚀裂缝壁面，增大人工裂缝的张开度；由于岩石的非均质性，经酸液溶蚀后，裂缝表面会出现不同的溶蚀坑，形成凹凸不平的壁面，压裂结束后随着压裂液的返排，经酸液溶蚀后的人工裂缝形成自支撑，仍会保持较大的张开度，从而降低了压裂后裂缝两侧岩块的咬合作用，有利于悬顶的及时充分垮落，最终实现改善采空区石灰岩悬顶垮落效果的目的。

(2)本发明于压裂前后均进行钻孔保压；压裂前保压，可使酸液通过石灰岩顶板钻孔向孔壁周围岩石孔隙中渗透，降低钻孔孔壁的石灰岩强度，从而降低了后续酸化压裂的施工压力；压裂后保压，可使酸液充分溶蚀裂缝壁面，增大裂缝张开度，进一步改善了采空区石灰岩悬顶垮落效果。

(3)本发明所公开的压裂方法，操作简单，施工方便，安全可靠，有利于石灰岩顶板的及时充分垮落，实现安全可控放顶，保障矿井的安全高效开采，可应用于煤矿及非煤矿井的石灰岩顶板处理，具有广泛的实用性。

(4)本发明所用压裂设备包括酸化压裂泵、封孔装置和监控摄像头，酸化压裂管路与封孔管路独立，避免酸液对封孔器的腐蚀，同时克服了传统单路封孔器容易冲孔的问题，提高了施工的稳定性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为酸化压裂泵结构图。

图2为封孔器结构图。

图3为实施例1中矿井采空区坚硬厚石灰岩悬顶酸化压裂钻孔布置图。

图4为图3中A-A向剖面图。

图5为实施例2中煤层上方石灰岩顶板预裂钻孔布置图。

图6为图5中B-B向剖面图。

图中：1-煤层；2-石灰岩顶板；3-底板；4-回风平巷；41-回风平巷端头锚索钻孔；5-运输平巷；51-运输平巷端头锚索钻孔；6-采煤工作面；7-钻孔；8-封孔器；81-膨胀胶囊；82-封孔器空腔；83-金属管；84-固定套；85-滑动套；86-螺纹接头；87-液压快接头；9-高压密封安装杆；10-转换接头；11-高压胶管；12-高压细软管；13-手压泵；14-泄压阀；15-单向阀；16-压力传感器；17-浓度传感器；18-流量传感器；19-监控摄像头；20-压裂测控仪；21-高压泵；22-配液箱；23-酸液箱；24-高压泵控制柜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

图1-图6示出了本发明较佳的实施例，对其进行了详细的剖析。

如图1、2所示的酸化压裂控制井工矿石灰岩顶板的设备，包括酸化压裂泵、封孔装置以及监控摄像头。

如图1所示，酸化压裂泵包括酸液箱23、配液箱22、高压泵21、高压泵控制柜24、压裂测控仪20、高压胶管11、高压密封安装杆9以及转换接头10。高压泵21与压裂测控仪20分别与高压泵控制柜24电连接，高压胶管11一端与高压泵21连接，另一端通过转换接头10与高压密封安装杆9连接，高压密封安装杆9伸入钻孔7内。开启高压泵21，酸液经过高压胶管11、高压密封安装杆9进入钻孔7。高压胶管11上设置有流量传感器18、浓度传感器17、压力传感器16、单向阀15以及泄压阀14，其中，流量传感器18、浓度传感器17、压力传感器16分别与压裂测控仪20电连接。

如图2所示，封孔装置包括封孔器8、手压泵13以及用于连接封孔器8与手压泵13的高压细软管12。其中，封孔器8包括膨胀胶囊81、金属管83、固定套84以及滑动套85。固定套84固定连接于金属管83的一端。滑动套85套设于金属管83上，并可沿其滑动。膨胀胶囊81套设于金属管83上，其两端分别与固定套84和滑动套85固定连接。滑动套85上设置有进水管，该进水管一端与膨胀胶囊81连通，另一端通过螺纹接头86与高压细软管12连接。按压手压泵13，高压水通过高压细软管12和进水管注入膨胀胶囊81，膨胀胶囊81膨胀、纵向收缩，可封堵钻孔7。金属管83其中一端与高压密封安装杆9通过液压快接头87连接，开启高压泵21，酸液通过高压胶管11、高压密封安装杆9、金属管83注入钻孔7底部。膨胀胶囊81与滑动套85和固定套84之间均设置有密封圈，以防止膨胀胶囊81内高压水泄漏。监控摄像头19设置于钻孔7外，与压裂测控仪20电连接，用于监测钻孔7压裂情况。

本发明另外公开的一种使用上述酸化压裂控制井工矿石灰岩顶板的设备进行井工矿石灰岩顶板酸化压裂的方法，适用于采空区石灰岩悬顶的压裂和煤层1上方石灰岩顶板2预裂。

实施例1

酸化压裂控制采空区石灰岩悬顶：

施工煤矿所采煤层1平均厚度3m，煤层1倾角3～8°，煤层1顶板为石灰岩，平均厚度为8m，底板3为泥岩、铝土质泥岩和砂质泥岩，平均厚度4.69m。采煤工作面6切眼设计长度150m，为矩形断面，净宽为7.0m，净高为3.0m，方位角1°。

酸化压裂具体包括以下步骤：

步骤一：如图3、4所示，在采煤工作面6架间靠近煤壁侧垂直顶板施工一组平行的钻孔7，用于酸化压裂切断煤壁支撑，减小石灰岩悬顶垮落步距。在采煤工作面6架间靠近采空区侧施工一组平行的钻孔7，用于酸化压裂充分弱化石灰岩悬顶，两组钻孔7交错布置。靠近煤壁侧钻孔7开孔位置距离煤壁0.5m，终孔位置距离顶板1m，钻孔7长度7m，钻孔7直径50mm。靠近采空区侧钻孔7开孔位置距离液压支架顶梁后端0.5m，终孔位置距离顶板1m，钻孔7长度14m，倾角30°，钻孔7直径50mm。钻孔时，先进行采煤工作面6靠近煤壁侧钻孔7施工，然后进行采煤工作面6靠近采空区侧钻孔7施工，两组钻孔7施工交替进行。压裂顺序与钻孔7施工顺序相同，两者同步进行，平行作业，施工速度匹配，钻孔7可提前施工。

步骤二：安装酸化压裂泵，进行调试，并配置15％-20％的稀盐酸。

步骤三：连接封孔器8与高压细软管12，然后通过多节高压密封安装杆9的连接将封孔器8送入钻孔7底部设计封孔位置。按压手压泵13，通过高压细软管112和进水管向膨胀胶囊81注水，使其膨胀，密封钻孔7。

步骤四：依次连接高压密封安装杆9、转换接头10、高压胶管11以及高压泵21。

步骤五：关闭高压胶管11上的泄压阀14，开启高压泵21，向钻孔7里持续注入酸液，当压力传感器16所监测的管路压力达到10MPa时，停止酸液注入。

步骤六：通过高压胶管11上设置的单向阀15使钻孔7内压裂液保压5-10min，酸液通过钻孔7壁向周围岩石中渗透，降低钻孔7孔壁石灰岩强度，从而降低后续酸化压裂的施工压力。

步骤七：钻孔7保压结束后，重新开启高压泵21向钻孔7中注入酸液，进行30min的石灰岩顶板2酸化压裂。一方面，可通过高压酸液作用，在钻孔7壁产生较多的人工裂缝并扩展，改造石灰岩顶板2结构，破坏其整体性，降低其强度；另一方面，可通过酸液对人工裂缝壁面的溶蚀作用，增大人工裂缝的张开度。

步骤八：压裂结束后，关闭高压泵21，通过高压胶管11上的单向阀15使钻孔7内压裂液保压5-10min，使缝内高压酸液进一步向裂缝两侧石灰岩孔隙中渗流，扩大酸液的溶蚀面积，降低裂缝壁面的强度，进一步增大裂缝张开度，改善压裂后采空区石灰岩悬顶的垮落效果。

步骤九：保压结束后，打开高压胶管11上的泄压阀14，卸除管路压力。

步骤十：卸除膨胀胶囊81内水压，取出封孔器8，安装于下一个钻孔7内，重复步骤三-九，直至完成所有钻孔7的压裂。

实施例2

酸化预裂煤层上方石灰岩顶板2，弱化其强度，促使其随着煤层1的开采，及时充分垮落，避免在架后采空区形成大范围悬顶，进而从根本上消除采空区悬顶致灾隐患。

施工煤矿所采煤层1平均厚度5m，煤层1顶板为石灰岩，平均厚度为12m。采煤工作面6切眼设计长度200m，净宽为7.6m，净高为3.2m。采用联合支护方式。

酸化压裂具体包括以下步骤：

步骤一：如图5、6所示，在采煤工作面6架间靠近采空区侧垂直顶板施工一组平行的钻孔7，用于酸化压裂切断煤壁支撑，减小石灰岩悬顶垮落步距。在采煤工作面6架间靠近煤壁侧斜向采煤工作面6前方顶板施工一组平行的钻孔7，用于酸化压裂充分弱化石灰岩顶板2，两组钻孔7交错布置。靠近采空区侧钻孔7开孔位置距离液压支架顶梁后端0.5m，终孔位置距离顶板1m，钻孔7长度11m，钻孔7直径50mm。靠近煤壁侧钻孔7开孔位置距离煤壁0.5m，终孔位置距离顶板1m，钻孔7长度22m，倾角30°，钻孔7直径50mm。在采煤工作面6两端头运输平巷5和回风平巷4中分别垂直顶板施工一组运输平巷端头锚索钻孔51和一组回风平巷端头锚索钻孔41，开孔位置距离煤柱0.5m，终孔位置距离顶板1m，孔长度11m，孔直径32mm。钻孔时，先进行工作面靠近采空区侧钻孔7施工，然后进行工作面靠近煤柱侧钻孔7施工，两组钻孔7施工交替进行，最后进行两端头锚索孔施工。压裂顺序与钻孔7施工顺序相同，两者同步进行，平行作业，施工速度匹配，钻孔7可提前施工。

步骤二：安装酸化压裂泵，进行调试，并配置15％-20％的稀盐酸。

步骤三：连接封孔器8与高压细软管12，然后通过多节高压密封安装杆9的连接将封孔器8送入钻孔7底部设计封孔位置。按压手压泵13，通过高压细软管12和进水管向膨胀胶囊81注水，使其膨胀，密封钻孔7。

步骤四：依次连接高压密封安装杆9、转换接头10、高压胶管11以及高压泵21。

步骤五：关闭高压胶管11上的泄压阀14，开启高压泵21，向钻孔7里持续注入酸液，当压力传感器16所监测的管路压力达到10MPa时，停止酸液注入。

步骤六：通过高压胶管11上设置的单向阀15使钻孔7内压裂液保压5-10min，酸液通过钻孔7壁向周围岩石中渗透，降低钻孔7孔壁石灰岩强度，从而降低后续酸化压裂的施工压力。

步骤七：钻孔7保压结束后，重新开启高压泵21向钻孔7中注入酸液，进行30min的石灰岩顶板2酸化压裂。一方面，可通过高压酸液作用，在钻孔7壁产生较多的人工裂缝并扩展，改造石灰岩顶板2结构，破坏其整体性，降低其强度；另一方面，可通过酸液对人工裂缝壁面的溶蚀作用，增大人工裂缝的张开度。

步骤八：压裂结束后，关闭高压泵21，通过高压胶管11上的单向阀15使钻孔7内压裂液保压5-10min，使缝内高压酸液进一步向裂缝两侧石灰岩孔隙中渗流，扩大酸液的溶蚀面积，降低裂缝壁面的强度，进一步增大裂缝张开度，改善压裂后石灰岩顶板2的垮落效果。

步骤九：保压结束后，打开高压胶管11上的泄压阀14，卸除管路压力。

步骤十：卸除膨胀胶囊81内水压，取出封孔器8，安装于下一个钻孔7内，重复步骤三-九，直至完成所有钻孔7的压裂。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。