濟三煤礦深孔定向水力致裂防沖技術

吳向前 竇林名 賀 虎 張士斌 桂 兵 鄭有雷

（1.中國礦業大學礦業工程學院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008；2.兗州煤業股份有限公司濟三煤礦，山東省濟寧市，272000）

濟三煤礦深孔定向水力致裂防沖技術

吳向前1，2竇林名1賀 虎1張士斌2桂 兵2鄭有雷2

（1.中國礦業大學礦業工程學院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008；2.兗州煤業股份有限公司濟三煤礦，山東省濟寧市，272000）

煤礦堅硬頂板是誘發沖擊礦壓的重要因素，在系統分析了濟三煤礦兩起典型沖擊礦壓發生特點的基礎上，指出了濟三煤礦礦壓特點為堅硬頂板型沖擊礦壓。針對目前治理堅硬頂板技術還存在明顯不足的情況，在引進波蘭定向水力裝備的基礎上，開發了適合濟三煤礦條件下的深孔定向水力致裂防沖技術。通過改進供液與送管工藝，實現了此技術的自動化與孔深限制，極大地拓展了技術的效率與安全性。在63下05與53下07工作面進行了垂直分層與傾斜切斷頂板應用，最大孔深達到了20m，致裂半徑10m以上。鉆屑法監測結果顯示，致裂頂板區域，鉆屑量較致裂前明顯減少，并均低于臨界值。

堅硬頂板 沖擊礦壓 定向致裂 深孔

煤礦沖擊礦壓因其具有發生突然、破壞嚴重的特征，嚴重威脅礦井的安全生產，常造成巨大的經濟損失和人員傷亡。國內外研究均表明，頂板巖層結構，特別是煤層上方堅硬、厚層砂巖頂板是導致沖擊礦壓發生的主要因素之一，沖擊礦壓較嚴重的礦區普遍存在堅硬頂板結構。在我國典型堅硬頂板型沖擊礦壓礦井就有兗州濟寧三號井、大同忻州窯礦、徐州三河尖煤礦、義馬常村煤礦、甘肅華亭煤礦、北京木城澗煤礦等，每年發生堅硬頂板型沖擊礦壓數十起。波蘭西里西亞煤田、德國魯爾礦區沖擊礦壓的主要原因同樣歸于堅硬砂巖頂板，兩國也因此將堅硬砂巖頂板作為沖擊礦壓危險的主要標志。

1 濟三煤礦沖擊礦壓特點

濟三煤礦西部六采區是礦井主力采區，煤層底板標高－600～－710m，煤層厚度1.39～7.25m，平均厚5.5m。煤層頂板以中砂巖、細砂巖、粉砂巖為主，老頂以中砂巖為主，堅硬穩定，厚度達16.77～42.12m，平均厚度26m，堅固性系數f＝8～10，并且全區大范圍直接賦存在煤層上方，根據其他幾個工作面觀測結果，老頂的初次來壓步距大于40m。在6303工作面軌道巷掘進期間發生多起沖擊震動現象，典型的兩次為2004年11月30日與2005年2月14日的軌道巷沖擊，如圖1所示。

經過分析，濟三煤礦六采區沖擊礦壓具有以下特點：（1）沖擊顯現地點為工作面前方100m范圍以內，處于支承壓力影響區；（2）沖擊時間上，與頂板的來壓周期相一致；（3）沖擊地點頂板與煤層離層明顯，頂板較為破碎；（4）沖擊造成的巷道破壞主要是腰線附近煤壁臌出，底板變形不大。綜合以上特點，判斷濟三煤礦來壓為堅硬頂板型沖擊礦壓。堅硬頂板在對煤體的靜力夾持作用以及破斷滑移過程中，形成強烈的震動，導致沖擊礦壓的發生。堅硬頂板型沖擊礦壓發生的兩個因素——頂板巖層的懸頂長度和厚度，懸頂越長，頂板巖層的厚度越厚，積聚的能量就越多，沖擊礦壓就越容易發生。要降低沖擊礦壓發生危險性，需要降低懸頂長度并減小頂板巖層的厚度。

堅硬頂板傳統處理方法主要有深孔爆破、頂板注水軟化兩種方式。這兩種方式均存在嚴重不足，如頂板的深孔卸壓爆破只能在低瓦斯區域使用，并且存在深孔裝藥、封孔等工藝難度較大等制約因素。頂板巖層注水則由于老頂巖層的致密性，巖層滲透性能差而導致效果不明顯。

巖層的定向水力致裂技術則有其獨特的優勢，對頂板巖層可以進行定向切割、分層，從而降低頂板巖層的整體性厚度以及強度，對頂板型沖擊礦壓具有極強的針對性。波蘭部分煤礦應用了此項技術，取得了顯著效果，國內煤礦則僅有大同進行了相關試驗，但沒有取得實質進展。目前國內僅對類似技術進行了理論研究，但是沒有進行現場應用研究。本文研究了堅硬頂板的深孔定向致裂技術，解決了一系列難題，并在63下05與53下07工作面進行了成功應用，為此項技術的大規模推廣應用奠定了基礎。

2 定向水力致裂技術原理與工藝

2.1 定向水力致裂頂板機理

根據彈性力學理論可知，在圓形鉆孔中注入高壓水，在地應力場與水壓作用下，圓孔表面會出現拉應力，當拉應力超過巖石抗拉強度后，將形成拉裂紋使巖體致裂，在高壓水的繼續作用下，逐步向深部延伸。利用這種高壓注水壓裂技術時，裂紋能否形成取決于應力場與巖體的抗拉強度，巖體抗拉強度較大時，需要的高壓水壓力較高，這也是國內高壓水致裂頂板鮮有成功的主要原因；裂紋擴展的防治受控于最小主應力方向，不能根據防沖的要求實現定向斷裂，防沖效果有限，且存在頂板安全隱患。而人工切槽定向致裂技術則能很好地解決以上兩個難題。利用專用刀具，在鉆孔中切割出一個尖銳的楔形槽面，然后注入高壓液體，在切槽尖端，出現高拉應力集中，將巖石破壞。數值模擬顯示，裂紋將沿著切割面擴展，并且擴展速度較快，實現頂板定點定向分層分塊致裂，能夠極大地提高防沖效率與安全性。定向致裂示意圖見圖2。

圖2 定向致裂原理示意圖

2.2 定向水力致裂工藝技術

定向水力致裂的實現包括以下主要設備：高壓泵、高壓管路與控制閥、鉆機、定向割槽刀具、封孔器，以及壓力表、流量計、鉆孔窺視儀等輔助觀測設備。其中，高壓泵與管路等設備可以利用綜采工作面乳化液泵站系統，無需另外購買，封孔器使用BIMBAR－4型，最大膨脹尺寸52mm，大氣狀態下最大工作壓力30MPa，孔徑45mm時最大工作壓力40MPa，刀具為波蘭進口。定向致裂系統連接示意圖見圖3。定向致裂工藝主要包括施工致裂與控制鉆孔、切割預裂縫、封孔、注高壓水致裂、致裂效果檢驗。

圖3 定向致裂系統組成圖

3 現場應用

定向水力致裂技術先后在濟三煤礦63下05與53下07工作面進行了垂直分層與傾斜切割致裂試驗與應用，致裂深度與擴展半徑分別超過了20m與10m，取得了顯著效果。

53下07綜放工作面位于五采區西北部，西鄰53下06（北）采空區，東鄰53下07（南）工作面（未回采），北側為西部輔運巷。工作面老頂為細砂巖及中砂巖，厚度為6.58～28.32m，平均厚度為14.68m，成分為石英石，f＝8～10。經鑒定，53下07工作面具有沖擊地壓鉆進危險性。在工作面前方150m向停采線方向50m范圍內進行了垂直與傾斜致裂鉆進。鉆孔布置見圖4。

首先致裂1＃鉆孔，鉆孔鉆出后，將鉆頭換成專用割槽刀具，進行割槽，完成后，首先利用鉆孔窺視儀窺視，以判斷預裂縫切割效果，如果切割處無預裂縫則必須重新切割。然后，利用鉆機將封孔器與供液鋼管送入鉆孔中部至孔底位置后，開啟乳化液泵站注液。當注入高壓水后，聽到巖石破裂聲音，由近及遠，2min后在距離1＃致裂孔4.5m遠的1＃控制孔有乳化液流出，水流由小到大，至淋雨狀。2＃致裂孔中注入高壓乳化液，5min后，1＃控制孔開始有乳化液流出。3＃致裂鉆孔為傾斜鉆孔，其方位為垂直工作面巷道走向方向，仰角75°，朝向煤壁。割槽完成后，注液約4min，距離3＃致裂孔4.5m的2＃的控制孔有大量乳化液流出，等待一段時間后，仔細觀測周圍頂板中并無乳化液從錨桿（索）中流出，說明此處頂板巖層完整。關閉供液閥后，控制孔中乳化液半小時后方才流完。

圖4 53下07工作面定向致裂布置圖

利用壓力表觀測到的高壓管路中的壓力變化如圖5所示（圖中的數據大約每10s觀測一次），第1min范圍內，壓力迅速增加到最大壓力，當到了50s的時候，開始致裂，致裂延時將近2min，當到了150s的時候，致裂過程結束，隨之壓力處于一個平衡期，在11MPa上下波動。為了驗證1＃致裂孔是否已經達到最大致裂半徑，在1＃鉆孔致裂平衡后，停止供液并卸壓，當壓力表中的壓力顯示為0MPa時，再次加壓供液，壓力一直穩定在10MPa左右，正如第一次加壓后，壓力穩定在平衡區域時，可以通過水箱中乳化液變化判斷裂紋是否繼續發展，當水箱中乳化液不再減少時，可以確定已經達到最大致裂半徑，但是致裂半徑值很難精確確定，目前只能通過觀測孔大致判斷，誤差可以控制在0.5m以內。

圖5 致裂過程中壓力變化曲線

4 防沖效果驗證

為了驗證水力致裂對煤巖層的卸壓效果，在對1＃致裂孔致裂前，在致裂鉆孔附近位置打煤粉鉆，并觀測鉆屑量大小。結果顯示，在鉆進過程中出現了吸鉆、卡鉆等煤巖動力效應，且煤粉量高于臨界煤粉量，說明此處為高應力區域。在水力致裂結束后，在致裂范圍內又打煤粉鉆，進行鉆屑測定，在打鉆過程中沒有出現動力效應，煤粉量在臨界煤粉量以下，這說明水力致裂能人為地形成一個弱面，破壞厚硬巖層的整體性，改變其物理屬性，降低其強度，使局部應力釋放，大大降低其沖擊性，從而能夠有效防止沖擊礦壓的發生。

5 結論

（1）引進了波蘭定向水力致裂裝備，開發了適合濟三煤礦條件的深孔致裂防沖技術，革新了定向水力致裂工藝，實現了自動化，突破了致裂孔深度限制，提供了此技術的效率與安全性。

（2）在濟三煤礦兩工作面應用了垂直與傾斜致裂防沖技術，所需最大致裂壓力24MPa，致裂深度20m，致裂半徑超過10m。

（3）鉆屑法驗證了致裂頂板后，鉆屑量減少，沖擊危險性降低。

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Technology of directional hydraulic fracture for rock－burst prevention in Jisan coal mine

Wu Xiangqian1，2，Dou Linming1，He Hu1，Zhang Shibin2，Gui Bing2，Zheng Youlei2

（1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.Jisan Coal Mine，Yanzhou Coal Mining Company Ltd.，Jining，Shandong 272000，China）

Hard and thick roof is the main factor inducing rock－burst disaster in coal mines.The systematic analysis of characteristics and laws of two rock－burst events in Jisan coal mine indicated that two accidents all belong to hard－roof rock burst.Aimed at the defects of present methods for hard roof control，the directional hydraulic equipment was introduced and the technology of rock－burst prevention was developed for Jisan coal mine.The automation and the hole－depth control were achieved by improvement of liquid supplying and pipe moving techniques，greatly enhancing the efficiency and safety.The vertical and inclined fracturing was conducted at No.63lower05and 53lower07longwall working face.The maximum of hole－depth reached to 20mand the fracturing radius exceeded 10m.Drilling cuttings method was used to verify the rock－burst prevention effect.The results showed that the quantity of drilling cuttings decreased obviously and was lower than the critical value in the hydraulic fractured roof area，suggesting the validity of roof rock－burst prevention.

hard roof，rockburst，hydraulic directional fracturing，deep hole

TD322.1

A

吳向前（1966－），男，山東泰安人，工程技術應用研究員，碩士，現任兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦礦長。

（責任編輯 梁子榮）