CN115949451A
审中
基于定向钻孔的采煤工作面三角区多灾害协同治理方法
技术领域
[0001]本发明涉及煤矿灾害治理技术领域，具体涉及一种基于定向钻孔的采煤工作面采空区、隅角瓦斯和端头三角区多灾害协同治理方法。
背景技术
[0002]我国煤层地质条件复杂，大多数矿井瓦斯灾害严重，随着开采深度逐年延伸，煤与瓦斯突出危险性与日俱增，同时也引起冲击地压事故频发，对煤矿安全生产造成重大威胁。
[0003]针对冲击地压和煤与瓦斯突出耦合作用下的复合型动力灾害危险性增强、防治技术难度变大，治理成本高。冲击地压不仅能引发局部冒顶，也会诱发采空区瓦斯异常涌出，甚至造成煤与瓦斯突出，这种耦合灾害现象在我国部分矿区已经出现。
[0004]回风巷和工作面切眼连接处的端头三角区煤体和顶板，常处于弹塑性变形状态，当顶板岩性坚硬时，回风巷一侧采空区顶板悬顶面积随工作面推进难以有效控制。特别是具有冲击地压倾向的矿井，回风隅角顶板易形成悬臂梁结构，端头悬顶难以有序垮落，回采过程中三角区顶梁变形、折断、突发，局部冒顶危险更高。同时，回风巷的上隅角也是工作面瓦斯易积聚、浓度易超限的区域，采空区瓦斯随冲击地压显现常逸散出工作面，影响矿井生产。
[0005]国内外对于冲击地压治理及瓦斯灾害治理均进行了大量研究，但针对工作面端头三角区的冲击地压与瓦斯异常涌出、积聚的综合治理方法较少，现有的煤层冲击地压与瓦斯灾害同时治理的措施是通过确定钻孔间距、卸压半径，布置大量短钻孔，分别进行多次注水塑化煤层，并进行注水和瓦斯抽采交替的方法，但是存在工序复杂，钻孔密集，施工不够便捷，且不适用于端头三角区域，不能在回风隅角顶板治理的基础上兼顾对于上隅角瓦斯及采空区瓦斯治理。
发明内容
[0006]本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种基于定向钻孔的采煤工作面三角区多灾害协同治理方法，通过在工作面端头三角区设计布置梳状定向长钻孔，使主孔和分支孔分别处于特定层位、利用大功率压裂泵组对分支孔整段压裂，实现回风隅角上覆坚硬顶板卸压的同时，扩大瓦斯富集区的裂隙发育，增强瓦斯抽采效果，进而解决端头三角区顶板冲击地压灾害和上隅角及采空区瓦斯协同治理成本高、常规抽采或卸压钻孔影响范围有限的问题，实现矿压与瓦斯源头治理，从而降本增效保证煤矿安全生产。
[0007]一种基于定向钻孔的采煤工作面三角区多灾害协同治理方法，包括以下步骤：
[0008]S1、确定采煤工作面三角区的应力集中带；
[0009]对工作面端头的覆岩岩性进行分析，采集回采中工作面的巷道围岩应力数据和瓦斯涌出数据，评价所述三角区瓦斯和冲击地压灾害程度，确定应力集中带。
[0010]具体地，S11、通过钻孔柱状、矿压应力监测系统和巷道瓦斯监测系统分别对应采集地质数据、矿压监测数据和瓦斯数据。
[0011]所述矿压应力监测系统包括应力检测器、瓦斯探测器和信号采集站；所述应力检测器、瓦斯探测器分别与所述信号采集站连接，所述应力检测器用于检测覆岩应力变化，所述瓦斯探测器用于探测瓦斯浓度变化，所述信号采集站用于在应力检测器感应到应力变化信号时采集信息以及瓦斯浓度实时监测。
[0012]S12、将S11中的各所述数据输入预先训练的矿压灾害和瓦斯涌出预警神经网络模型中，得到所述三角区瓦斯和冲击地压灾害程度特征，确定应力集中带，进而为梳状定向钻孔主孔、分支孔布控层位提供依据。
[0013]S2、根据步骤S1，设计梳状定向钻孔主孔、分支孔的布控层位、梳状定向钻孔布控间距；
[0014]具体地，S21、根据钻孔实测法，通过地质钻孔和钻孔窥视仪观测覆岩三带的位置，或者通过采动覆岩三带高度经验公式或数值模拟计算冒落带、裂隙带的高度层位。测算出来的高度层位是一个范围，定义冒落带的高度范围为h1～h2，裂隙带的高度范围为h3～h4。
[0015]S22、根据步骤S21，设计梳状定向钻孔主孔、分支孔的布控层位位置；并确定所述分支孔的布控间距。
[0016]煤层回采后，采空区上覆岩层逐渐破碎、运移、沉降，形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。冒落带到裂隙带受采动影响，裂隙充分发育，此区域瓦斯局部富集，是抽采治理的核心区域。而裂隙带的覆岩一般质地坚硬，厚度较大，不易垮落，是治理冲击地压，解决端头悬顶等灾害的目标层位。
[0017]将梳状定向钻孔主孔层位设计在裂隙带内，布控层位高度为
[0018]梳状定向钻孔分支孔层位设计在冒落带和所述主孔层位之间，所述分支孔的层位高度范围为
[0019]设计梳状定向钻孔分支孔的布控间距L1：根据钻孔压裂后瓦斯抽采有效半径R1和水力压裂有效影响半径R2的计算值，确定所述分支孔的布控间距L1为R1和R2中较小值的2倍，避免治理影响空白区；
[0020]其中，钻孔压裂后瓦斯抽采有效半径R1：
[0021]
[0022]
[0023]公式中:fr为岩体的摩擦因数；
为煤的内摩擦角，(°)；σ0为岩体的应力，MPa，σc为岩体的单轴抗压强度，MPa，r0为钻孔的半径，m。
[0024]其中，水力压裂有效影响半径R2，通过应力降低法或电磁辐射法的测试方法，结合水力压裂大量实践下同泵注压力和压裂注水时间下的影响半径的经验值对比参考获得。
[0025]S23、钻孔施工：施工地点在工作面回风巷道一侧，按所述布控间距L1向垂直于巷道的方向施工梳状定向钻孔，梳状定向钻孔的总长度根据工作面走向长度而定。
[0026]S3、对地质条件动态分析，对所述分支孔探查不断修正；
[0027]根据“三维地震、钻孔柱状、已有巷道揭露地质构造特征”的数据综合分析预测。首先根据地质勘探钻孔所绘制的采掘平面图和地质剖面预测图资料得出压裂区域地质构造特征；其次收集该区域三维地震解释的岩层分界线等高线图和地震时间剖面图，对岩层构造形态进行修正；最后收集井下测量数据，并与三维地震解释成果进行叠合，保证目标岩层层位形态准确性，进而在打钻施工过程，根据“分支孔探查不断修正”的结果，调整钻机角度，控制钻进轨迹精度，保证施工精度能够控制在距离压裂目标位置5m左右。
[0028]S4、设计梳状定向钻孔分段压裂的分支孔个数和长度，对顶板梳状定向钻孔主孔钻进施工，对所述分支孔压裂改造。
[0029]具体地，S41、根据压裂目标岩层的岩性与厚度，设计梳状定向钻孔分支孔从梳状定向钻孔主孔向下延伸的分支孔长度，根据水力压裂有效影响半径R2，确定分支点间距为2R2，根据压裂段梳状定向钻孔主孔长度P，确定所述分支孔的个数为P/2R2。
[0030]S42、根据步骤S3，通过定向钻孔施工装备随钻测量和孔底马达钻进施工调参系统，完成梳状定向钻孔主孔、分支孔的施钻；钻孔尾端分支孔28施工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。
[0031]最终控制梳状定向钻孔主孔垂向误差在±0.5m，水平±2m，梳状定向钻孔分支孔垂向误差在±5m。
[0032]完成孔尾端分支孔施工，采用“后退式”工艺，分支点通过调整孔底马达的面向角，在设计点处留设。
[0033]重复S42步骤，直至施工钻孔首端分支孔，完成梳状定向钻孔主孔、分支孔施钻过程。
[0034]S43、分支段压裂改造，将压裂工具串通过定向钻机输送至梳状定向钻孔主孔末端的分支孔与所述主孔交接点之间，作为第一段压裂的设计位置。
[0035]如图5所示，所述压裂工具串包括丢手，封隔器1，限流器，封隔器2，引鞋。采用两个封隔器坐封的双封单卡工艺，在梳状定向钻孔主孔和分支孔交点的前后两侧进行坐封，压裂施工完成后，卸压排水，完成对所述分支孔的压裂改造。
[0036]优选地，S4中所述分段压裂的压裂液为清水，泵注压力维持在13MPa至25MPa。
[0037]S44、采用后退式拖动压裂工具串，不断重复S43的过程，完成所有所述分支孔压裂，进而形成多个压裂段，当高压压裂液达到3MPa后封隔器实现完全坐封，继续增压压力达到5MPa后，限流器打开，实现压裂段的压裂施工；压裂施工过程中，高压压裂液不断注入顶板岩层中，促使作用于岩层的水压力逐渐升高，当压力大于岩层破裂压力后，岩层的弹性余能以动能形式释放，表现为岩体压缩破裂、引起振动等动力现象，促使岩层产生新的裂缝系统，破坏岩层整体完整性，降低其强度；进而在坚硬岩层产生立体裂隙网络，对冲击地压顶板覆岩治理优化，并在采动裂隙带增加瓦斯运移通道改造。
[0038]S5、梳状定向钻孔压裂后封孔抽采及瓦斯抽采参数确定。
[0039]S51、钻孔孔径由钻机的施钻能力及压裂工具串的直径确定在于对梳状定向钻孔瓦斯抽采负压及封孔方式参数确定。顶板梳状定向钻孔裂隙带需要抽采的瓦斯其浓度和压力相对较小，顶部定向长钻孔抽采负压在克服钻孔摩擦阻力与局部阻力后，残余的负压需要远低于采场负压，才能实现大流量抽采的目标；根据设计单孔抽采瓦斯混合量和钻孔直径、钻孔长度，以及钻孔变形情况，可以估算定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯需要的抽采负压，钻孔初始截面视为圆形，抽采瓦斯需要克服的阻力值可参考抽放管路阻力计算公式，对部分参数进行修正完成；局部阻力根据直管阻力损失的15％估算。抽放管路阻力计算公式：Hm＝9.81gQ2gγgL/(KgD5)
[0040]式中：Hm——管路摩擦阻力，Pa；
[0041]L——负压段管路长度，m；
[0042]Q——抽放管内混合瓦斯流量，m3/h；
[0043]γ——混合瓦斯对空气的密度比；
[0044]K——与管径有关的系数；
[0045]D——抽放管内径，cm；
[0046]正常顺煤层穿煤层抽采钻孔抽采负压为13kPa，根据现场实践的经验值采空区瓦斯抽采属于开放式抽采。
[0047]优选地，抽采负压一般小于13kPa。
[0048]S52、顶板梳状定向钻孔：在钻孔开口位置下放总长度不小于30m有缝钢管作为封孔管，封孔段长度略小于封孔管总长度；根据现场经验需要的封孔长度应为15m至30m；优选地，封口剂为聚氨酯或者马丽散，封孔剂为水泥砂浆或者黄泥。
[0049]S53、将顶板梳状定向钻孔连接抽采管路系统，在孔口管道安装气体压力表，电子流量监测器，调节抽采系统负压，观察压力表示数，当压力表示数与抽采系统调节负压趋于稳定和一致时，证明封孔良好，否则返回重复S52，增加封孔深度和质量，直至封孔结果良好。
[0050]S6、瓦斯抽采动态控制和矿压显现实时监测；
[0051]通过压裂后的孔内瞬变电磁法连续探查顶板梳状定向钻孔水力压裂影响范围，确定压裂效果。在工作面回采过程中，梳状定向钻孔逐渐深入采空区，末端岩层段钻孔变形塌孔，造成钻孔有效抽采长度减少，进而调节抽采系统，动态改变负压大小，降低抽采能量损耗。
[0052]在回采过程中，实时监测巷道顶板位移、顶板应力计等矿压监测数据，以及抽采管路和工作面瓦斯浓度，记录对比压裂治理前后的冲击地压和瓦斯抽采治理效果。
[0053]优选地，梳状定向钻孔的主孔长度范围为200m至2000m，梳状定向钻孔分支孔长度范围为40-150m，梳状定向钻孔分支孔的个数为3-10个。
[0054]优选地，S4中梳状定向钻孔分段水力压裂技术，通过定向钻进分支孔进行导向，及两个封隔器封孔，通过裸眼“整体坐封、逐级解封”分段压裂技术实现压裂裂隙延伸方向定向控制，对目标岩层进行充分卸压，形成三维立体裂隙网络，有效控制顶板垮落。
[0055]优选地，S4中所述分段水力压裂的压裂液为清水，泵注压力维持在13MPa至25MPa。
[0056]优选地，S5中梳状定向钻孔的瓦斯抽采参数包括，钻孔长度、钻孔孔径、抽采负压、抽采时间、抽采流量、抽采浓度。封孔材料和参数包括封孔剂、钻孔套管、封孔长度，封孔强度。
[0057]优选地，水力压裂影响范围探查常通过采样测定煤层全水分变化来确定，但常规采样工作量大且碎软煤层采样困难常，基于此通过瞬变电磁剖面探测探查钻孔压裂前后钻孔径向范围内含水性的变化情况，富水性均匀，电阻率等值线呈层状；富水区电阻率值降低，等值线为扭曲、变形等，根据沿钻孔轴向连续探测的径向一定范围内含水性的变化，确定水力压裂的影响半径。
[0058]与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0059]1、本发明通过一种基于定向孔一孔多用的工作面三角区多灾害协治方法，实现了工作面端头三角区冲击地压灾害、采空区瓦斯抽采的协同治理，克服了现有技术中防治冲击地压钻孔和瓦斯抽采钻孔治理区域小、工程量大、成本高，且相互干扰等问题。
[0060](1)冒落带与裂隙带之间裂隙通道发育，瓦斯富集，但冒落带上部裂隙以离层裂隙发育为主，中下部裂隙多是破断裂隙，冒落带更容易被顶部裂隙带压实，钻孔不易维护，抽采周期短，致使瓦斯抽采效率低。因此通过定向孔的梳状分支孔进行瓦斯抽采。
[0061](2)裂隙带的覆岩通常由于坚硬、层厚、原生裂隙较少，难垮落，易导致端头悬顶，但在此层位布置抽采钻孔，虽然瓦斯抽采效果受限，但成孔质量较高，钻孔稳定性强，该层位也是卸压钻孔的最佳治理区域，因此通过定向孔的梳状主孔进行坚硬顶板卸压弱化，分支孔进行瓦斯抽采。
[0062](3)基于定向钻进的顶板梳状定向钻孔，其主孔和分支孔在特定的层位分别发挥不同的作用，分支孔和主孔形成的钻孔主体瓦斯抽采效果更佳，当回采过后，深入采空区的分支孔因顶板运移塌孔失效后，主孔和剩余梳状分支孔可以保留更长时间进行有效抽采。
[0063](4)通过大功率压裂泵组对顶板梳状定向钻孔分段水力压裂，会在分支孔的导向下实现钻孔卸压和压裂产生三维裂隙的卸压的多效耦合，有效增大了目标岩体裂隙，释放覆岩积聚压力，减弱冲击倾向。
[0064](5)同时顶板梳状定向钻孔水力压裂，是通过注入清水卸压，绿色环保，在抽采时钻孔管理维护便捷，可以根据施钻长度实现区域治理。
附图说明
[0065]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。
[0066]图1为本发明的操作步骤流程图；
[0067]图2为本发明中回采前单个顶板梳状定向钻孔分段水力压裂布孔的纵向透视图；
[0068]图3为本发明中回采过程中单个顶板梳状定向钻孔分段水力压裂布孔的纵向透视图；
[0069]图4为本发明中多个顶板梳状定向钻孔分段压裂的布孔俯视图。
[0070]图5为本发明中单个顶板梳状定向钻孔的首个分支段压裂示意图。
[0071]附图标记：
[0072]1-封孔管；2-梳状定向钻孔主孔；3-梳状定向钻孔分支孔；4-分支孔压裂坐封位置；5-目标岩层；6-老顶；7-直接顶；8-煤层；9-裂隙带；10-裂隙；11-冒落带；12-运输巷；13-隅角；14-采空区；15-顶板梳状定向钻孔1；16-顶板梳状定向钻孔2；17-钻场1；18-钻场2；19-回风巷；20-定向钻机施钻后留下的钻孔；21-推送油管；22-钻孔首端分支孔；23-丢手；24-封隔器1；25-限流器；26-封隔器2；27-引鞋；28-钻孔尾端分支孔。
具体实施方式
[0073]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0074]因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0075]如图1至图5所示，一种基于定向钻孔的采煤工作面三角区多灾害协同治理方法，包括以下步骤：
[0076]S1、确定采煤工作面三角区的应力集中带；
[0077]对工作面端头的覆岩岩性进行分析，采集回采中工作面的巷道围岩应力数据和瓦斯涌出数据，评价所述三角区瓦斯和冲击地压灾害程度，确定应力集中带。
[0078]具体地，S11、通过钻孔柱状、矿压应力监测系统和巷道瓦斯监测系统分别对应采集地质数据、矿压监测数据和瓦斯数据。
[0079]所述矿压应力监测系统包括应力检测器、瓦斯探测器和信号采集站；所述应力检测器、瓦斯探测器分别与所述信号采集站连接，所述应力检测器用于检测覆岩应力变化，所述瓦斯探测器用于探测瓦斯浓度变化，所述信号采集站用于在应力检测器感应到应力变化信号时采集信息以及瓦斯浓度实时监测。
[0080]S12、将S11中的各所述数据输入预先训练的矿压灾害和瓦斯涌出预警神经网络模型中，得到所述三角区瓦斯和冲击地压灾害程度特征，确定应力集中带，进而为梳状定向钻孔主孔2、分支孔布控层位提供依据。
[0081]S2、根据步骤S1，设计梳状定向钻孔主孔2、分支孔的布控层位、梳状定向钻孔布控间距；
[0082]具体地，S21、根据钻孔实测法，通过地质钻孔和钻孔窥视仪观测覆岩三带的位置，或者通过采动覆岩三带高度经验公式或flac3d或UDEC软件数值模拟出冒落带11、裂隙带9的高度层位，测算出来的高度层位是一个范围，定义冒落带11的高度范围为h1～h2，裂隙带9的高度范围为h3～h4。
[0083]如图2和图3所示，根据地层信息和钻孔柱状图中显示的岩层岩性和岩层厚度，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》推荐公式结合实践经验，如表1所示，计算出垮落带(即冒落带)高度和断裂带(即裂隙带)高度。
[0084]表1.垮落带高度和断裂带高度经验计算公式
[0085]
[0086]注：M-采高，m；n-煤分层层数；Ha-垮落带最大高度，m；Hc-断裂带最大高度，m。
[0087]S22、根据步骤S21，设计梳状定向钻孔主孔2、分支孔的布控层位位置；并确定所述分支孔的布控间距。
[0088]煤层回采后，采空区14上覆岩层逐渐破碎、运移、沉降，形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。冒落带11到裂隙带9受采动影响，裂隙10充分发育，此区域瓦斯局部富集，是抽采治理的核心区域。而裂隙带9的覆岩一般质地坚硬，厚度较大，不易垮落，是治理冲击地压，解决端头悬顶等灾害的目标层位。
[0089]其中软弱岩层指单轴抗压强度为10-20MPa的泥岩、泥质砂岩等；中硬岩层指单轴抗压强度为20-40MPa的砂岩、泥质灰岩、砂质泥岩、砂质页岩、页岩等；坚硬岩层指单轴抗压强度为40-80MPa的石英砂岩、石灰岩、砂质泥岩、砾岩等；厚岩层指厚度大于3m的岩层。
[0090]所述梳状定向钻孔主孔2层位设计在裂隙带9内，布控层位高度为
所述分支孔层位设计在冒落带11和所述主孔层位之间，所述分支孔的层位高度范围为
[0091]通过将梳状定向钻孔主孔2层位设计在裂隙带9内，分支孔层位设计在冒落带11和所述主孔层位之间，并基于大功率压裂泵组的压裂效果进一步优化层位设计，实现一孔多用、多灾害协同治理。
[0092]设计梳状定向钻孔分支孔3的布控间距L1：根据钻孔压裂后瓦斯抽采有效半径R1和水力压裂有效影响半径R2的计算值，确定所述分支孔的布控间距L1为R1和R2中较小值的2倍，避免治理影响空白区；
[0093]其中，钻孔压裂后瓦斯抽采有效半径R1：
[0094]
[0095]
[0096]公式中:fr为岩体的摩擦因数；
为煤的内摩擦角，(°)；σ0为岩体的应力，MPa，σc为岩体的单轴抗压强度，MPa，r0为钻孔的半径，m。
[0097]其中，水力压裂有效影响半径R2，通过应力降低法或电磁辐射法的测试方法，结合水力压裂大量实践下同泵注压力和压裂注水时间下的影响半径的经验值对比参考获得。
[0098]S23、钻孔施工：施工地点在工作面回风巷19道一侧，按所述布控间距L1向垂直于巷道的方向施工梳状定向钻孔，梳状定向钻孔的总长度根据工作面走向长度而定。
[0099]S3、对地质条件动态分析，在施工过程对所述分支孔探查不断修正；
[0100]根据“三维地震、钻孔柱状、已有巷道揭露地质构造特征”对地质条件动态分析。首先根据地质勘探钻孔所绘制的采掘平面图和地质剖面预测图资料得出压裂区域地质构造特征；其次收集该区域三维地震解释的岩层分界线等高线图和地震时间剖面图，对岩层构造形态进行修正；最后收集井下测量数据，并与三维地震解释成果进行叠合，保证目标岩层层位形态准确性，进而在打钻施工过程，根据“分支孔探查不断修正”的结果，调整钻机角度，控制钻进轨迹精度，保证施工精度能够控制在距离压裂目标位置5m左右。
[0101]S4、设计梳状定向钻孔分段压裂的分支孔个数和长度，对顶板梳状定向钻孔主孔2钻进施工，对所述分支孔压裂改造。
[0102]具体地，S41、根据压裂目标岩层的岩性与厚度，设计梳状定向钻孔分支孔3从梳状定向钻孔主孔2向下延伸的分支孔长度，根据水力压裂有效影响半径R2，确定分支点间距为2R2，根据压裂段梳状定向钻孔主孔长度P，确定所述分支孔的个数为P/2R2。
[0103]图2和图3所示，目标岩层5一侧有支孔压裂坐封位置4，老顶6、直接顶7和煤层8依次排布，设计梳状定向钻孔主孔2长500m至600m，水平段每隔60m开分支，共施工梳状定向钻孔分支孔5个；将梳状定向钻孔分支孔3长度设计40m至60m。
[0104]S42、根据步骤S3，通过定向钻孔施工装备随钻测量和孔底马达钻进施工调参系统，完成梳状定向钻孔主孔2、分支孔的施钻；钻孔尾端分支孔28施工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。
[0105]最终控制梳状定向钻孔主孔2垂向误差在±0.5m，水平±2m，梳状定向钻孔分支孔3垂向误差在±5m。
[0106]完成孔尾端分支孔施工，采用“后退式”工艺，分支点通过调整孔底马达的面向角，在设计点处留设。
[0107]重复S42步骤，直至施工钻孔首端分支孔22，完成梳状定向钻孔主孔2、分支孔施钻过程。
[0108]S43、分支段压裂改造，将压裂工具串通过定向钻机输送至梳状定向钻孔主孔2末端的分支孔与所述主孔交接点之间，作为第一段压裂的设计位置。
[0109]多个顶板梳状定向钻孔分段压裂的布孔如图4所示，包括运输巷12、隅角13、采空区14、顶板梳状定向钻孔15、顶板梳状定向钻孔2 16、钻场1 17钻场2 18、回风巷19。
[0110]如图5所示，定向钻机施钻后留下的钻孔20，所述压裂工具串包括推送油管21，钻孔首端分支孔22，丢手23，封隔器124，限流器25，封隔器2 26，引鞋27，钻孔尾端分支孔28。采用两个封隔器坐封的双封单卡工艺，在梳状定向钻孔主孔2和分支孔交点的前后两侧进行坐封，压裂施工完成后，卸压排水，完成对所述分支孔的压裂改造。
[0111]优选地，S4中所述分段压裂的压裂液为清水，泵注压力维持在13MPa至25MPa。
[0112]S44、采用后退式拖动压裂工具串，不断重复S43的过程，完成所有所述分支孔压裂，进而形成多个压裂段，当高压压裂液达到3MPa后封隔器实现完全坐封，继续增压压力达到5MPa后，限流器打开，实现压裂段的压裂施工；压裂施工过程中，高压压裂液不断注入顶板岩层中，促使作用于岩层的水压力逐渐升高，当压力大于岩层破裂压力后，岩层的弹性余能以动能形式释放，表现为岩体压缩破裂、引起振动等动力现象，促使岩层产生新的裂缝系统，破坏岩层整体完整性，降低其强度；进而在坚硬岩层产生立体裂隙10网络，对冲击地压顶板覆岩治理优化，并在采动裂隙带9增加瓦斯运移通道改造。
[0113]S5、梳状定向钻孔压裂后封孔抽采及瓦斯抽采参数确定。
[0114]S51、钻孔孔径由钻机的施钻能力及压裂工具串的直径确定在于对梳状定向钻孔瓦斯抽采负压及封孔方式参数确定。顶板梳状定向钻孔裂隙带9需要抽采的瓦斯其浓度和压力相对较小，顶部定向长钻孔抽采负压在克服钻孔摩擦阻力与局部阻力后，残余的负压需要远低于采场负压，才能实现大流量抽采的目标；根据设计单孔抽采瓦斯混合量和钻孔直径、钻孔长度，以及钻孔变形情况，可以估算定向长钻孔裂隙带9抽采瓦斯需要的抽采负压，钻孔初始截面视为圆形，抽采瓦斯需要克服的阻力值可参考抽放管路阻力计算公式，对部分参数进行修正完成；局部阻力根据直管阻力损失的15％估算。抽放管路阻力计算公式：Hm＝9.81gQ2gγgL/(KgD5)
[0115]式中：Hm——管路摩擦阻力，Pa；
[0116]L——负压段管路长度，m；
[0117]Q——抽放管内混合瓦斯流量，m3/h；
[0118]γ——混合瓦斯对空气的密度比；
[0119]K——与管径有关的系数；
[0120]D——抽放管内径，cm；
[0121]正常顺煤层穿煤层抽采钻孔抽采负压为13kPa，根据现场实践的经验值采空区14瓦斯抽采属于开放式抽采，优选地，抽采负压一般小于13kPa。
[0122]S52、顶板梳状定向钻孔抽采负压高，需要更高的封孔质量。在钻孔开口位置下放总长度不小于30m有缝钢管作为封孔管1，封孔段长度略小于封孔管1总长度；根据现场经验需要的封孔长度应为15m至30m，优选地，封口剂为聚氨酯或者马丽散，封孔剂为水泥砂浆或者黄泥。
[0123]S53、将梳状定向钻孔连接抽采管路系统，在孔口管道安装气体压力表，电子流量监测器，调节抽采系统负压，观察压力表示数，当压力表示数与抽采系统调节负压趋于稳定和一致时，证明封孔良好，否则返回重复S52，增加封孔深度和质量，直至封孔结果良好。
[0124]S6、瓦斯抽采动态控制和矿压显现实时监测。
[0125]通过压裂后的孔内瞬变电磁法连续探查梳状定向钻孔水力压裂影响范围，确定压裂效果。在工作面回采过程中，梳状定向钻孔逐渐深入采空区14，末端岩层段钻孔变形塌孔，造成钻孔有效抽采长度减少，进而调节抽采系统，动态改变负压大小，降低抽采能量损耗。
[0126]在回采过程中，实时监测巷道顶板位移、顶板应力计等矿压监测数据，以及抽采管路和工作面瓦斯浓度，记录对比压裂治理前后的冲击地压和瓦斯抽采治理效果。
[0127]本发明的原理是，通过在工作面端头三角区设计布置梳状定向钻孔，使梳状定向钻孔主孔2和分支孔分别处于特定层位，即把主孔布置在裂隙带9的坚硬岩层中，保证钻孔成孔质量和使用寿命，从主孔延伸的梳状分支孔，沟通裂隙带9和冒落带11之间的瓦斯富集区，增强瓦斯抽采范围；利用大功率压裂泵组对分支孔整段压裂，梳状定向钻孔水力压裂增加上覆坚硬岩层裂隙10和弱面，压裂注水可以减小岩石层间黏聚力，高压水后形成水锲，可以增加岩石中的裂隙10弱面，压裂后岩石的强度将显著降低，使隅角13顶板及时垮落，从而减小顶板悬露和垮落面积。在实现覆岩应力转移和释放的同时，压裂产生的裂隙10通道，增加主孔和分支孔之间的岩层裂隙10，提高岩层的透气性和采空A区的瓦斯抽采效率，降低了上隅角13瓦斯超限的风险。实现了一孔多用、降本增效的目的。本发明的方法简单，易于操作，能够充分利用钻孔的多种功效，避免了现有技术中钻孔施工存在重复性和浪费性。
[0128]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。
[0018]梳状定向钻孔分支孔层位设计在冒落带和所述主孔层位之间，所述分支孔的层位高度范围为
[0019]设计梳状定向钻孔分支孔的布控间距L1：根据钻孔压裂后瓦斯抽采有效半径R1和水力压裂有效影响半径R2的计算值，确定所述分支孔的布控间距L1为R1和R2中较小值的2倍，避免治理影响空白区；
[0020]其中，钻孔压裂后瓦斯抽采有效半径R1：
[0021]
[0022]
[0023]公式中:fr为岩体的摩擦因数；为煤的内摩擦角，(°)；σ0为岩体的应力，MPa，σc为岩体的单轴抗压强度，MPa，r0为钻孔的半径，m。
[0024]其中，水力压裂有效影响半径R2，通过应力降低法或电磁辐射法的测试方法，结合水力压裂大量实践下同泵注压力和压裂注水时间下的影响半径的经验值对比参考获得。
[0025]S23、钻孔施工：施工地点在工作面回风巷道一侧，按所述布控间距L1向垂直于巷道的方向施工梳状定向钻孔，梳状定向钻孔的总长度根据工作面走向长度而定。
[0026]S3、对地质条件动态分析，对所述分支孔探查不断修正；
[0027]根据“三维地震、钻孔柱状、已有巷道揭露地质构造特征”的数据综合分析预测。首先根据地质勘探钻孔所绘制的采掘平面图和地质剖面预测图资料得出压裂区域地质构造特征；其次收集该区域三维地震解释的岩层分界线等高线图和地震时间剖面图，对岩层构造形态进行修正；最后收集井下测量数据，并与三维地震解释成果进行叠合，保证目标岩层层位形态准确性，进而在打钻施工过程，根据“分支孔探查不断修正”的结果，调整钻机角度，控制钻进轨迹精度，保证施工精度能够控制在距离压裂目标位置5m左右。
[0028]S4、设计梳状定向钻孔分段压裂的分支孔个数和长度，对顶板梳状定向钻孔主孔钻进施工，对所述分支孔压裂改造。
[0029]具体地，S41、根据压裂目标岩层的岩性与厚度，设计梳状定向钻孔分支孔从梳状定向钻孔主孔向下延伸的分支孔长度，根据水力压裂有效影响半径R2，确定分支点间距为2R2，根据压裂段梳状定向钻孔主孔长度P，确定所述分支孔的个数为P/2R2。
[0030]S42、根据步骤S3，通过定向钻孔施工装备随钻测量和孔底马达钻进施工调参系统，完成梳状定向钻孔主孔、分支孔的施钻；钻孔尾端分支孔28施工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。
[0031]最终控制梳状定向钻孔主孔垂向误差在±0.5m，水平±2m，梳状定向钻孔分支孔垂向误差在±5m。
[0032]完成孔尾端分支孔施工，采用“后退式”工艺，分支点通过调整孔底马达的面向角，在设计点处留设。
[0033]重复S42步骤，直至施工钻孔首端分支孔，完成梳状定向钻孔主孔、分支孔施钻过程。
[0034]S43、分支段压裂改造，将压裂工具串通过定向钻机输送至梳状定向钻孔主孔末端的分支孔与所述主孔交接点之间，作为第一段压裂的设计位置。
[0035]如图5所示，所述压裂工具串包括丢手，封隔器1，限流器，封隔器2，引鞋。采用两个封隔器坐封的双封单卡工艺，在梳状定向钻孔主孔和分支孔交点的前后两侧进行坐封，压裂施工完成后，卸压排水，完成对所述分支孔的压裂改造。
[0036]优选地，S4中所述分段压裂的压裂液为清水，泵注压力维持在13MPa至25MPa。
[0037]S44、采用后退式拖动压裂工具串，不断重复S43的过程，完成所有所述分支孔压裂，进而形成多个压裂段，当高压压裂液达到3MPa后封隔器实现完全坐封，继续增压压力达到5MPa后，限流器打开，实现压裂段的压裂施工；压裂施工过程中，高压压裂液不断注入顶板岩层中，促使作用于岩层的水压力逐渐升高，当压力大于岩层破裂压力后，岩层的弹性余能以动能形式释放，表现为岩体压缩破裂、引起振动等动力现象，促使岩层产生新的裂缝系统，破坏岩层整体完整性，降低其强度；进而在坚硬岩层产生立体裂隙网络，对冲击地压顶板覆岩治理优化，并在采动裂隙带增加瓦斯运移通道改造。
[0038]S5、梳状定向钻孔压裂后封孔抽采及瓦斯抽采参数确定。
[0039]S51、钻孔孔径由钻机的施钻能力及压裂工具串的直径确定在于对梳状定向钻孔瓦斯抽采负压及封孔方式参数确定。顶板梳状定向钻孔裂隙带需要抽采的瓦斯其浓度和压力相对较小，顶部定向长钻孔抽采负压在克服钻孔摩擦阻力与局部阻力后，残余的负压需要远低于采场负压，才能实现大流量抽采的目标；根据设计单孔抽采瓦斯混合量和钻孔直径、钻孔长度，以及钻孔变形情况，可以估算定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯需要的抽采负压，钻孔初始截面视为圆形，抽采瓦斯需要克服的阻力值可参考抽放管路阻力计算公式，对部分参数进行修正完成；局部阻力根据直管阻力损失的15％估算。抽放管路阻力计算公式：Hm＝9.81gQ2gγgL/(KgD5)
[0040]式中：Hm——管路摩擦阻力，Pa；
[0041]L——负压段管路长度，m；
[0042]Q——抽放管内混合瓦斯流量，m3/h；
[0043]γ——混合瓦斯对空气的密度比；
[0044]K——与管径有关的系数；
[0045]D——抽放管内径，cm；
[0046]正常顺煤层穿煤层抽采钻孔抽采负压为13kPa，根据现场实践的经验值采空区瓦斯抽采属于开放式抽采。
[0047]优选地，抽采负压一般小于13kPa。
[0048]S52、顶板梳状定向钻孔：在钻孔开口位置下放总长度不小于30m有缝钢管作为封孔管，封孔段长度略小于封孔管总长度；根据现场经验需要的封孔长度应为15m至30m；优选地，封口剂为聚氨酯或者马丽散，封孔剂为水泥砂浆或者黄泥。
[0049]S53、将顶板梳状定向钻孔连接抽采管路系统，在孔口管道安装气体压力表，电子流量监测器，调节抽采系统负压，观察压力表示数，当压力表示数与抽采系统调节负压趋于稳定和一致时，证明封孔良好，否则返回重复S52，增加封孔深度和质量，直至封孔结果良好。
[0050]S6、瓦斯抽采动态控制和矿压显现实时监测；
[0051]通过压裂后的孔内瞬变电磁法连续探查顶板梳状定向钻孔水力压裂影响范围，确定压裂效果。在工作面回采过程中，梳状定向钻孔逐渐深入采空区，末端岩层段钻孔变形塌孔，造成钻孔有效抽采长度减少，进而调节抽采系统，动态改变负压大小，降低抽采能量损耗。
[0052]在回采过程中，实时监测巷道顶板位移、顶板应力计等矿压监测数据，以及抽采管路和工作面瓦斯浓度，记录对比压裂治理前后的冲击地压和瓦斯抽采治理效果。
[0053]优选地，梳状定向钻孔的主孔长度范围为200m至2000m，梳状定向钻孔分支孔长度范围为40-150m，梳状定向钻孔分支孔的个数为3-10个。
[0054]优选地，S4中梳状定向钻孔分段水力压裂技术，通过定向钻进分支孔进行导向，及两个封隔器封孔，通过裸眼“整体坐封、逐级解封”分段压裂技术实现压裂裂隙延伸方向定向控制，对目标岩层进行充分卸压，形成三维立体裂隙网络，有效控制顶板垮落。
[0055]优选地，S4中所述分段水力压裂的压裂液为清水，泵注压力维持在13MPa至25MPa。
[0056]优选地，S5中梳状定向钻孔的瓦斯抽采参数包括，钻孔长度、钻孔孔径、抽采负压、抽采时间、抽采流量、抽采浓度。封孔材料和参数包括封孔剂、钻孔套管、封孔长度，封孔强度。
[0057]优选地，水力压裂影响范围探查常通过采样测定煤层全水分变化来确定，但常规采样工作量大且碎软煤层采样困难常，基于此通过瞬变电磁剖面探测探查钻孔压裂前后钻孔径向范围内含水性的变化情况，富水性均匀，电阻率等值线呈层状；富水区电阻率值降低，等值线为扭曲、变形等，根据沿钻孔轴向连续探测的径向一定范围内含水性的变化，确定水力压裂的影响半径。
[0058]与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0059]1、本发明通过一种基于定向孔一孔多用的工作面三角区多灾害协治方法，实现了工作面端头三角区冲击地压灾害、采空区瓦斯抽采的协同治理，克服了现有技术中防治冲击地压钻孔和瓦斯抽采钻孔治理区域小、工程量大、成本高，且相互干扰等问题。
[0060](1)冒落带与裂隙带之间裂隙通道发育，瓦斯富集，但冒落带上部裂隙以离层裂隙发育为主，中下部裂隙多是破断裂隙，冒落带更容易被顶部裂隙带压实，钻孔不易维护，抽采周期短，致使瓦斯抽采效率低。因此通过定向孔的梳状分支孔进行瓦斯抽采。
[0061](2)裂隙带的覆岩通常由于坚硬、层厚、原生裂隙较少，难垮落，易导致端头悬顶，但在此层位布置抽采钻孔，虽然瓦斯抽采效果受限，但成孔质量较高，钻孔稳定性强，该层位也是卸压钻孔的最佳治理区域，因此通过定向孔的梳状主孔进行坚硬顶板卸压弱化，分支孔进行瓦斯抽采。
[0062](3)基于定向钻进的顶板梳状定向钻孔，其主孔和分支孔在特定的层位分别发挥不同的作用，分支孔和主孔形成的钻孔主体瓦斯抽采效果更佳，当回采过后，深入采空区的分支孔因顶板运移塌孔失效后，主孔和剩余梳状分支孔可以保留更长时间进行有效抽采。
[0063](4)通过大功率压裂泵组对顶板梳状定向钻孔分段水力压裂，会在分支孔的导向下实现钻孔卸压和压裂产生三维裂隙的卸压的多效耦合，有效增大了目标岩体裂隙，释放覆岩积聚压力，减弱冲击倾向。
[0064](5)同时顶板梳状定向钻孔水力压裂，是通过注入清水卸压，绿色环保，在抽采时钻孔管理维护便捷，可以根据施钻长度实现区域治理。
附图说明
[0065]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。
[0066]图1为本发明的操作步骤流程图；
[0067]图2为本发明中回采前单个顶板梳状定向钻孔分段水力压裂布孔的纵向透视图；
[0068]图3为本发明中回采过程中单个顶板梳状定向钻孔分段水力压裂布孔的纵向透视图；
[0069]图4为本发明中多个顶板梳状定向钻孔分段压裂的布孔俯视图。
[0070]图5为本发明中单个顶板梳状定向钻孔的首个分支段压裂示意图。
[0071]附图标记：
[0072]1-封孔管；2-梳状定向钻孔主孔；3-梳状定向钻孔分支孔；4-分支孔压裂坐封位置；5-目标岩层；6-老顶；7-直接顶；8-煤层；9-裂隙带；10-裂隙；11-冒落带；12-运输巷；13-隅角；14-采空区；15-顶板梳状定向钻孔1；16-顶板梳状定向钻孔2；17-钻场1；18-钻场2；19-回风巷；20-定向钻机施钻后留下的钻孔；21-推送油管；22-钻孔首端分支孔；23-丢手；24-封隔器1；25-限流器；26-封隔器2；27-引鞋；28-钻孔尾端分支孔。
具体实施方式
[0073]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0074]因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0075]如图1至图5所示，一种基于定向钻孔的采煤工作面三角区多灾害协同治理方法，包括以下步骤：
[0076]S1、确定采煤工作面三角区的应力集中带；
[0077]对工作面端头的覆岩岩性进行分析，采集回采中工作面的巷道围岩应力数据和瓦斯涌出数据，评价所述三角区瓦斯和冲击地压灾害程度，确定应力集中带。
[0078]具体地，S11、通过钻孔柱状、矿压应力监测系统和巷道瓦斯监测系统分别对应采集地质数据、矿压监测数据和瓦斯数据。
[0079]所述矿压应力监测系统包括应力检测器、瓦斯探测器和信号采集站；所述应力检测器、瓦斯探测器分别与所述信号采集站连接，所述应力检测器用于检测覆岩应力变化，所述瓦斯探测器用于探测瓦斯浓度变化，所述信号采集站用于在应力检测器感应到应力变化信号时采集信息以及瓦斯浓度实时监测。
[0080]S12、将S11中的各所述数据输入预先训练的矿压灾害和瓦斯涌出预警神经网络模型中，得到所述三角区瓦斯和冲击地压灾害程度特征，确定应力集中带，进而为梳状定向钻孔主孔2、分支孔布控层位提供依据。
[0081]S2、根据步骤S1，设计梳状定向钻孔主孔2、分支孔的布控层位、梳状定向钻孔布控间距；
[0082]具体地，S21、根据钻孔实测法，通过地质钻孔和钻孔窥视仪观测覆岩三带的位置，或者通过采动覆岩三带高度经验公式或flac3d或UDEC软件数值模拟出冒落带11、裂隙带9的高度层位，测算出来的高度层位是一个范围，定义冒落带11的高度范围为h1～h2，裂隙带9的高度范围为h3～h4。
[0083]如图2和图3所示，根据地层信息和钻孔柱状图中显示的岩层岩性和岩层厚度，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》推荐公式结合实践经验，如表1所示，计算出垮落带(即冒落带)高度和断裂带(即裂隙带)高度。
[0084]表1.垮落带高度和断裂带高度经验计算公式
[0085]
[0086]注：M-采高，m；n-煤分层层数；Ha-垮落带最大高度，m；Hc-断裂带最大高度，m。
[0087]S22、根据步骤S21，设计梳状定向钻孔主孔2、分支孔的布控层位位置；并确定所述分支孔的布控间距。
[0088]煤层回采后，采空区14上覆岩层逐渐破碎、运移、沉降，形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。冒落带11到裂隙带9受采动影响，裂隙10充分发育，此区域瓦斯局部富集，是抽采治理的核心区域。而裂隙带9的覆岩一般质地坚硬，厚度较大，不易垮落，是治理冲击地压，解决端头悬顶等灾害的目标层位。
[0089]其中软弱岩层指单轴抗压强度为10-20MPa的泥岩、泥质砂岩等；中硬岩层指单轴抗压强度为20-40MPa的砂岩、泥质灰岩、砂质泥岩、砂质页岩、页岩等；坚硬岩层指单轴抗压强度为40-80MPa的石英砂岩、石灰岩、砂质泥岩、砾岩等；厚岩层指厚度大于3m的岩层。
[0090]所述梳状定向钻孔主孔2层位设计在裂隙带9内，布控层位高度为所述分支孔层位设计在冒落带11和所述主孔层位之间，所述分支孔的层位高度范围为
[0091]通过将梳状定向钻孔主孔2层位设计在裂隙带9内，分支孔层位设计在冒落带11和所述主孔层位之间，并基于大功率压裂泵组的压裂效果进一步优化层位设计，实现一孔多用、多灾害协同治理。
[0092]设计梳状定向钻孔分支孔3的布控间距L1：根据钻孔压裂后瓦斯抽采有效半径R1和水力压裂有效影响半径R2的计算值，确定所述分支孔的布控间距L1为R1和R2中较小值的2倍，避免治理影响空白区；
[0093]其中，钻孔压裂后瓦斯抽采有效半径R1：
[0094]
[0095]
[0096]公式中:fr为岩体的摩擦因数；为煤的内摩擦角，(°)；σ0为岩体的应力，MPa，σc为岩体的单轴抗压强度，MPa，r0为钻孔的半径，m。
[0097]其中，水力压裂有效影响半径R2，通过应力降低法或电磁辐射法的测试方法，结合水力压裂大量实践下同泵注压力和压裂注水时间下的影响半径的经验值对比参考获得。
[0098]S23、钻孔施工：施工地点在工作面回风巷19道一侧，按所述布控间距L1向垂直于巷道的方向施工梳状定向钻孔，梳状定向钻孔的总长度根据工作面走向长度而定。
[0099]S3、对地质条件动态分析，在施工过程对所述分支孔探查不断修正；
[0100]根据“三维地震、钻孔柱状、已有巷道揭露地质构造特征”对地质条件动态分析。首先根据地质勘探钻孔所绘制的采掘平面图和地质剖面预测图资料得出压裂区域地质构造特征；其次收集该区域三维地震解释的岩层分界线等高线图和地震时间剖面图，对岩层构造形态进行修正；最后收集井下测量数据，并与三维地震解释成果进行叠合，保证目标岩层层位形态准确性，进而在打钻施工过程，根据“分支孔探查不断修正”的结果，调整钻机角度，控制钻进轨迹精度，保证施工精度能够控制在距离压裂目标位置5m左右。
[0101]S4、设计梳状定向钻孔分段压裂的分支孔个数和长度，对顶板梳状定向钻孔主孔2钻进施工，对所述分支孔压裂改造。
[0102]具体地，S41、根据压裂目标岩层的岩性与厚度，设计梳状定向钻孔分支孔3从梳状定向钻孔主孔2向下延伸的分支孔长度，根据水力压裂有效影响半径R2，确定分支点间距为2R2，根据压裂段梳状定向钻孔主孔长度P，确定所述分支孔的个数为P/2R2。
[0103]图2和图3所示，目标岩层5一侧有支孔压裂坐封位置4，老顶6、直接顶7和煤层8依次排布，设计梳状定向钻孔主孔2长500m至600m，水平段每隔60m开分支，共施工梳状定向钻孔分支孔5个；将梳状定向钻孔分支孔3长度设计40m至60m。
[0104]S42、根据步骤S3，通过定向钻孔施工装备随钻测量和孔底马达钻进施工调参系统，完成梳状定向钻孔主孔2、分支孔的施钻；钻孔尾端分支孔28施工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。
[0105]最终控制梳状定向钻孔主孔2垂向误差在±0.5m，水平±2m，梳状定向钻孔分支孔3垂向误差在±5m。
[0106]完成孔尾端分支孔施工，采用“后退式”工艺，分支点通过调整孔底马达的面向角，在设计点处留设。
[0107]重复S42步骤，直至施工钻孔首端分支孔22，完成梳状定向钻孔主孔2、分支孔施钻过程。
[0108]S43、分支段压裂改造，将压裂工具串通过定向钻机输送至梳状定向钻孔主孔2末端的分支孔与所述主孔交接点之间，作为第一段压裂的设计位置。
[0109]多个顶板梳状定向钻孔分段压裂的布孔如图4所示，包括运输巷12、隅角13、采空区14、顶板梳状定向钻孔15、顶板梳状定向钻孔2 16、钻场1 17钻场2 18、回风巷19。
[0110]如图5所示，定向钻机施钻后留下的钻孔20，所述压裂工具串包括推送油管21，钻孔首端分支孔22，丢手23，封隔器124，限流器25，封隔器2 26，引鞋27，钻孔尾端分支孔28。采用两个封隔器坐封的双封单卡工艺，在梳状定向钻孔主孔2和分支孔交点的前后两侧进行坐封，压裂施工完成后，卸压排水，完成对所述分支孔的压裂改造。
[0111]优选地，S4中所述分段压裂的压裂液为清水，泵注压力维持在13MPa至25MPa。
[0112]S44、采用后退式拖动压裂工具串，不断重复S43的过程，完成所有所述分支孔压裂，进而形成多个压裂段，当高压压裂液达到3MPa后封隔器实现完全坐封，继续增压压力达到5MPa后，限流器打开，实现压裂段的压裂施工；压裂施工过程中，高压压裂液不断注入顶板岩层中，促使作用于岩层的水压力逐渐升高，当压力大于岩层破裂压力后，岩层的弹性余能以动能形式释放，表现为岩体压缩破裂、引起振动等动力现象，促使岩层产生新的裂缝系统，破坏岩层整体完整性，降低其强度；进而在坚硬岩层产生立体裂隙10网络，对冲击地压顶板覆岩治理优化，并在采动裂隙带9增加瓦斯运移通道改造。
[0113]S5、梳状定向钻孔压裂后封孔抽采及瓦斯抽采参数确定。
[0114]S51、钻孔孔径由钻机的施钻能力及压裂工具串的直径确定在于对梳状定向钻孔瓦斯抽采负压及封孔方式参数确定。顶板梳状定向钻孔裂隙带9需要抽采的瓦斯其浓度和压力相对较小，顶部定向长钻孔抽采负压在克服钻孔摩擦阻力与局部阻力后，残余的负压需要远低于采场负压，才能实现大流量抽采的目标；根据设计单孔抽采瓦斯混合量和钻孔直径、钻孔长度，以及钻孔变形情况，可以估算定向长钻孔裂隙带9抽采瓦斯需要的抽采负压，钻孔初始截面视为圆形，抽采瓦斯需要克服的阻力值可参考抽放管路阻力计算公式，对部分参数进行修正完成；局部阻力根据直管阻力损失的15％估算。抽放管路阻力计算公式：Hm＝9.81gQ2gγgL/(KgD5)
[0115]式中：Hm——管路摩擦阻力，Pa；
[0116]L——负压段管路长度，m；
[0117]Q——抽放管内混合瓦斯流量，m3/h；
[0118]γ——混合瓦斯对空气的密度比；
[0119]K——与管径有关的系数；
[0120]D——抽放管内径，cm；
[0121]正常顺煤层穿煤层抽采钻孔抽采负压为13kPa，根据现场实践的经验值采空区14瓦斯抽采属于开放式抽采，优选地，抽采负压一般小于13kPa。
[0122]S52、顶板梳状定向钻孔抽采负压高，需要更高的封孔质量。在钻孔开口位置下放总长度不小于30m有缝钢管作为封孔管1，封孔段长度略小于封孔管1总长度；根据现场经验需要的封孔长度应为15m至30m，优选地，封口剂为聚氨酯或者马丽散，封孔剂为水泥砂浆或者黄泥。
[0123]S53、将梳状定向钻孔连接抽采管路系统，在孔口管道安装气体压力表，电子流量监测器，调节抽采系统负压，观察压力表示数，当压力表示数与抽采系统调节负压趋于稳定和一致时，证明封孔良好，否则返回重复S52，增加封孔深度和质量，直至封孔结果良好。
[0124]S6、瓦斯抽采动态控制和矿压显现实时监测。
[0125]通过压裂后的孔内瞬变电磁法连续探查梳状定向钻孔水力压裂影响范围，确定压裂效果。在工作面回采过程中，梳状定向钻孔逐渐深入采空区14，末端岩层段钻孔变形塌孔，造成钻孔有效抽采长度减少，进而调节抽采系统，动态改变负压大小，降低抽采能量损耗。
[0126]在回采过程中，实时监测巷道顶板位移、顶板应力计等矿压监测数据，以及抽采管路和工作面瓦斯浓度，记录对比压裂治理前后的冲击地压和瓦斯抽采治理效果。
[0127]本发明的原理是，通过在工作面端头三角区设计布置梳状定向钻孔，使梳状定向钻孔主孔2和分支孔分别处于特定层位，即把主孔布置在裂隙带9的坚硬岩层中，保证钻孔成孔质量和使用寿命，从主孔延伸的梳状分支孔，沟通裂隙带9和冒落带11之间的瓦斯富集区，增强瓦斯抽采范围；利用大功率压裂泵组对分支孔整段压裂，梳状定向钻孔水力压裂增加上覆坚硬岩层裂隙10和弱面，压裂注水可以减小岩石层间黏聚力，高压水后形成水锲，可以增加岩石中的裂隙10弱面，压裂后岩石的强度将显著降低，使隅角13顶板及时垮落，从而减小顶板悬露和垮落面积。在实现覆岩应力转移和释放的同时，压裂产生的裂隙10通道，增加主孔和分支孔之间的岩层裂隙10，提高岩层的透气性和采空A区的瓦斯抽采效率，降低了上隅角13瓦斯超限的风险。实现了一孔多用、降本增效的目的。本发明的方法简单，易于操作，能够充分利用钻孔的多种功效，避免了现有技术中钻孔施工存在重复性和浪费性。
[0128]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。
