[发明专利]一种预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法

权利要求书

1.一种预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：通过地面钻孔取芯和物探的方法，确定采区煤岩层的性质和组成情况，通过实验室试验确定上下煤层间距及层间各岩层的物理力学性质及岩石学特性；

步骤二：根据上一步骤确定的上下煤层间距确定的钻孔的深度，根据坚硬火成岩的力学性质确定压裂泵提供的压力，根据火成岩的矿物组成及化学成分确定所用酸溶液的浓度；

步骤三：通过分析支架承受的极限强度与支架承受的实际强度比较，确定火成岩坚硬顶板的允许破断距，并依此确定钻孔间距；

步骤四：确定好钻孔间距后，实施钻工作业时，为保证良好的压裂效果，同时避免下煤层开采过程中出现切顶现象，钻孔需与垂直方向呈15°～45°角；

步骤五：按照上述步骤完成钻孔后，利用压裂酸化机组向钻孔内注入酸溶液并对钻孔进行压裂和软化；

步骤六：完整压裂和软化作业后，将钻孔中残余酸溶液进行回收；

步骤七：完成一次压裂后，随着上部煤层工作面推进到预先设定好的压裂距离时重复上述步骤，继续对火成岩坚硬顶板进行压裂。

2.根据权利要求1所述的预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，其特征在于：步骤一所确定的采区煤岩层的性质和组成情况包括火成岩的侵入层位和厚度；层间岩层的物理力学性质包括火成岩的基本强度参数：抗压强度、抗拉强度和抗剪强度；岩石学特性包含火成岩的矿物组成及其含量，包括碳酸盐类矿物的含量。

3.根据权利要求1所述的预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，其特征在于：步骤二确定的钻孔深度为上下两层煤的层间距，钻孔直径为75～100mm。

4.根据权利要求1所述的预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，其特征在于：步骤二确定的酸溶液的浓度需根据火成岩中所含碳酸盐类矿物的含量确定，而火成岩中碳酸盐类矿物的含量可通过X射线衍射分析获得。

5.根据权利要求1所述的预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，其特征在于：钻孔间距由如下公式确定：

式中：p₀为支架允许承受的极限强度；L_k为支架控顶距；m为作顶板厚度；γ为顶板岩石容重。

6.根据权利要求1所述的预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，其特征在于：步骤三压裂泵提供的压力根据火成岩的强度及其所处层位确定，该压力由以下公式确定：

其中：p_b为钻孔岩壁的破裂压力，MPa；

p_o为岩石的孔隙压力，MPa；

e_f为岩石的拉伸应力强度，即破裂应力，MPa；

e_h为地层最小水平主应力，MPa；

e_H为地层最大水平主应力，MPa；

Z为孔隙弹性常数；

O_c为岩石的触点孔隙度，％；

这些参数通过实验室试验测得；

根据该公式计算所得火成岩坚硬顶板允许破断距即为钻孔间距。

7.根据权利要求1所述的预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，其特征在于：步骤五涉及的压裂酸化机组由压裂泵、数控系统、管路系统和压裂液储集装置组成；通过压裂泵将浓度为15％～28％的HCl溶液泵入钻孔中，设置好泵送压力，对火成岩坚硬顶板进行压裂，同时利用酸溶液与火成岩中所含的碳酸盐类矿物进行的反应软化火成岩，完成压裂后将钻孔中的酸溶液进行回收。