本发明属于煤矿区矿压灾害治理，涉及一种基于单口地面井的坚硬顶板岩层群全空间治理方法。
背景技术：
1、我国煤炭资源储备丰富，随着其开采强度的显著增加，随之煤矿开采地质条件呈现更加复杂工况。煤矿采掘过程来自煤层回采工作面上覆煤层坚硬顶板岩层群强矿压灾害显现，煤层工作面顶板存在一层或多层完整厚岩层，其力学特征表现为：强度大、分层厚度大、整体性好，抗拉强度高于普通岩层，煤层工作面推进过程中该层位顶板常悬而不垮，当悬伸达到极限跨距后即会产生顶板瞬间大尺度垮落，造成煤层回采工作面来压剧烈，严重制约煤矿井下安全高效开采，严重威胁着生命财产安全。因此，在煤炭开采之前必须进行煤层回采工作面上覆坚硬顶板岩层群矿压灾害治理，以避免频繁发生矿压灾害，进而实现降低由矿压灾害带来的严重经济损失。
2、迄今，煤矿区矿压灾害治理的手段主要是采用分段水力压裂顶板弱化技术，根据井下与地面治理场所选取不同可分为：煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术与地面水平井分段压裂技术。采用煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术进行顶板矿压灾害治理，其钻取的一个定向长钻孔轨迹较长，能够延伸至整个煤层回采工作面走向上，但是该技术需要超前采掘出施工巷道，因此难以满足煤矿采掘接续紧张冲突问题。采用地面水平井分段压裂技术进行顶板矿压灾害治理，其能够有效实现巷道及煤层工作面采掘或回采的超前矿压治理，有效解决煤矿采掘接续紧张冲突问题，但是煤矿区的煤层埋深度较浅，埋深度大多数位于数百米左右，其上覆顶板坚硬岩层群埋深度更加浅，因此采用地面水平井分段压裂所钻取的地面水平井的水平段长度为数百米，难以实现延伸至整个上千米的煤层工作面走向上，故此，位于煤层回采工作面上所对应的顶板坚硬岩层群矿压灾害治理需要布设两口水平井，由于需要钻取两口水平井，致使该技术治理矿压灾害成本较高。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于单口地面井的坚硬顶板岩层群全空间治理方法，解决上述煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术治理矿压灾害的采掘接续紧张冲突问题，以及地面水平井分段压裂技术治理矿压灾害所需钻取多一口地面水平井致使成本较高等问题。
2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
3、一种基于单口地面井的坚硬顶板岩层群全空间治理方法，包括以下步骤：
4、步骤1，确定煤层回采工作面上覆顶板坚硬关键岩层，从下到上依次为关键岩层a、关键岩层b、关键岩层c；同时精准确定煤层回采工作面、各个顶板坚硬关键岩层距离地面的垂向距离；
5、步骤2，利用测点放样仪器测量煤层回采工作面边界四角点的大地坐标，以确定煤层回采工作面区域的边界范围分布，然后根据所测量的煤层回采工作面边界四角点的大地坐标数据计算出煤层回采工作面中心点a的大地坐标，最后位于地面利用测点放样仪器精准圈定出煤层回采工作面中心点a正上方投影于地面的坐标点b的位置，确定该坐标点b作为待钻取直井的井口位置；
6、步骤3，基于步骤1所获取的煤层回采工作面、各个顶板坚硬关键岩层距离地面的垂向距离参数，在步骤2所给定的地面坐标点b位置钻取一口直井并钻进至关键岩层a以下，下入套管利用纯水泥浆封固套管，其中钻进至关键岩层a以下的井段作为预留井段；
7、步骤4，在步骤3所钻取的直井内下入钻具组合，在侧钻点a进行套管侧钻开分支水平孔，分支水平孔钻进位于最下覆的关键岩层a中；侧钻点a位于关键岩层a上部与关键岩层b下部之间的范围，分支水平孔水平段着陆点于关键岩层a内，该分支水平孔水平段钻进深度至关键岩层a的走向右边界端部位置；
8、步骤5，在地面下入分段压裂工具串进入到步骤4所钻取的分支水平孔末端，进行分段射孔水力压裂施工，采用后退式分段压裂施工，在该分支水平孔分段压裂施工结束后，形成水力裂缝网络，该水力裂缝网络能起到卸压作用，进而达到矿压灾害治理的目的，最后在该分支水平孔侧钻点a处下入桥塞密封已经实施分段压裂结束的分支水平孔；
9、步骤6，在步骤5侧钻点a的位置垂向上提3～5m作为下一个分支水平孔的侧钻点b，该侧钻点b位于关键岩层a上部与关键层b下部之间的范围，在直井内下入钻具组合至侧钻点b深度处进行套管侧钻开分支水平孔钻进，该套管侧钻开分支水平孔钻进位于最下覆的关键岩层a中，此次所取的分支水平孔轨迹方位与步骤4所钻取的分支水平孔轨迹方位在水平投影上偏差180°，该分支水平孔水平段钻进深度至关键岩层a走向左侧的边界端部位置；
10、步骤7，对于步骤6所钻取关键岩层a中分支水平孔进行后退式分段射孔水力压裂施工，在压裂施工结束后，位于该分支水平孔侧钻点b处下入桥塞密封已经实施分段压裂结束的分支水平孔；
11、步骤8，对于步骤1所确定的关键岩层b、关键岩层c，分别采用上述步骤4至步骤7工艺过程进行卸压矿压灾害治理；
12、步骤9，基于上述步骤4至步骤8对关键岩层a、关键岩层b、关键岩层c存在造成矿压灾害可能性进行有效治理。
13、本发明还包括如下技术特征：
14、具体的，所述步骤3中，直井孔深钻进至关键岩层a以下约5～10m。
15、具体的，所述各关键岩层对应分支水平孔着陆点在水平投影上至同等深度直井的该段长度存在矿压灾害治理的盲区，对该盲区的治理包括以下步骤：在地面下入压裂工具串进入直至直井底部所预留的5～10m的预留井段内，进行分段射孔压裂，在位于关键岩层所在深度的直井段内进行分段射孔压裂施工，且采用后退式分段压裂施工，最终形成的所有水力裂缝网络均能起到卸压作用，进而高效实现煤层回采工作上覆全空间内顶板坚硬岩层群矿压灾害治理。
16、具体的，所述直井内分段射孔压裂施工时所下入的坐封器距离各关键岩层顶板或底板垂向距离为1～2m处，同时距离顶板的位置低于所治理关键岩层分支水平孔的侧钻点。
17、具体的，所述步骤8中，关键岩层b的两个侧钻点位于关键岩层b上部与关键岩层c下部之间的范围，关键岩层b的两个分支水平孔水平段着陆点位于关键岩层b内，两个分支水平孔水平段钻进深度分别至关键岩层b的走向左边界及右边界端部位置。
18、具体的，所述步骤8中，关键岩层c的两个侧钻点位于关键岩层c上部与地面下部之间的范围，关键岩层c的两个分支水平孔水平段着陆点位于关键岩层c内，两个分支水平孔水平段钻进深度分别至关键岩层c的走向左边界及右边界端部位置。
19、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
20、1.本发明只需钻取一口地面直井，然后通过位于直井内特定位置设计侧钻点进行侧钻开分支孔钻进及分段水力压裂施工即可实现煤层回采工作面上覆全空间内顶板坚硬岩层群可能造成的矿压灾害治理。
21、2.本发明只需位于煤层回采工作面上部地面钻取一口地面直井，避免了直井段重复钻井，无需钻取更多直井或者水平井，使得矿压灾害治理成本较低。
22、3.本发明通过一个直井眼开分支实现两侧坚硬顶板的弱化治理，避免了依靠单一水平井治理时，岩层埋深浅造成水平井钻进时水垂比过高、水平段钻进难度大的问题。
23、4.本发明采用位于直井内钻取一个分支孔后，实时紧跟着对该分支孔实施分段水力压裂施工，该压裂施工无虑考虑裂缝形态即水平裂缝或者垂向裂缝，只要能能够形成裂缝就能够起到坚硬顶板弱化目的，因此钻孔布设无需考虑最小水平主应力及最大水平主应力大小及方向，待分段压裂施工结束后，采用桥塞封住该分支孔，无需压裂排水施工作业，继续进行下一个分支孔的侧钻及压裂施工，相比现有技术，采用该方式能够有效确保每个分支水平孔均能够实现分段水力压裂。
24、5.本发明中各个分支水平孔钻进及压裂施结束后，最终位于直井内进行了分段水力压裂治理着陆点至着陆点同等深度直井段长的盲区，相比与现有技术忽略盲区治理，该方法能够实现全方位、全空间范围的无空白带矿压灾害治理。
25、6.本发明位于地面治理煤层回采工作面上覆全空间内顶板坚硬岩层群可能造成的矿压灾害治理，将施工环境从煤矿井下转移至地面，有效改善工人施工环境，同时位于地面能够实现巷道未采掘前的超前治理矿压灾害。
26、7.本发明将侧钻井眼水平段布置在工作面中间，有利于裂缝向井筒两侧均衡扩展，促进坚硬顶板均匀弱化治理，避免采煤过程中的应力集中。
27、8.本发明通过一口直井+多个侧钻分支井眼分段压裂实现纵向上多个坚硬顶板岩层的压裂弱化治理，实现低位坚硬顶板、高位坚硬顶板的全空间同步治理。
1.一种基于单口地面井的坚硬顶板岩层群全空间治理方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于单口地面井的坚硬顶板岩层群全空间治理方法，其特征在于，所述步骤3中，直井(8)孔深钻进至关键岩层a(4)以下约5～10m。
3.如权利要求2所述的基于单口地面井的坚硬顶板岩层群全空间治理方法，其特征在于，所述各关键岩层对应分支水平孔(11)着陆点(10)在水平投影上至同等深度直井(8)的该段长度存在矿压灾害治理的盲区(17)，对该盲区(17)的治理包括以下步骤：在地面(1)下入压裂工具串进入直至直井(8)底部所预留的5～10m的预留井段内，进行分段射孔压裂，在位于关键岩层所在深度的直井(8)段内进行分段射孔压裂施工，且采用后退式分段压裂施工，最终形成的所有水力裂缝网络(13)均能起到卸压作用，进而高效实现煤层回采工作上覆全空间内顶板坚硬岩层群矿压灾害治理。
4.如权利要求3所述的基于单口地面井的坚硬顶板岩层群全空间治理方法，其特征在于，所述直井(8)内分段射孔压裂施工时所下入的坐封器(16)距离各关键岩层顶板或底板垂向距离为1～2m处，同时距离顶板的位置低于所治理关键岩层分支水平孔的侧钻点。
5.如权利要求1所述的基于单口地面井的坚硬顶板岩层群全空间治理方法，其特征在于，所述步骤8中，关键岩层b(3)的两个侧钻点位于关键岩层b(3)上部与关键岩层c(2)下部之间的范围，关键岩层b(3)的两个分支水平孔水平段着陆点位于关键岩层b(3)内，两个分支水平孔水平段钻进深度分别至关键岩层b(3)的走向左边界及右边界端部位置。
6.如权利要求1所述的基于单口地面井的坚硬顶板岩层群全空间治理方法，其特征在于，所述步骤8中，关键岩层c(2)的两个侧钻点位于关键岩层c(2)上部与地面(1)下部之间的范围，关键岩层c(2)的两个分支水平孔水平段着陆点位于关键岩层c(2)内，两个分支水平孔水平段钻进深度分别至关键岩层c(2)的走向左边界及右边界端部位置。
