水力致裂技術在處理堅硬頂板中的試驗研究

毛明亮

（華晉焦煤有限責任公司 沙曲礦，山西 柳林033300）

堅硬頂板采場與普通采場其主要區別是礦山壓力顯現程度不同，開采實踐和理論研究表明，堅硬頂板采場礦壓顯現更為劇烈〔1〕。堅硬頂板工作面頂板巖性致密、強度高，若不對其進行弱化處理會在采空區上方形成大面積的懸頂，這些頂板巖層會因彎曲、變形積聚大量的彈性能，當突然垮落時彈性能會瞬間釋放，給工作面、采區甚至整個礦井帶來嚴重的破壞，此外，堅硬頂板還是誘導沖擊地壓的重要因素。文獻顯示，我國有35%左右的煤層屬于堅硬頂板煤層，覆蓋在50%以上的礦區，故如何控制堅硬頂板一直是煤炭開采界的重要研究課題〔2〕。目前我國處理堅硬頂板的方法有煤柱支撐法、強制放頂法和頂板弱化法，其中支撐法存在煤炭損失率高，強制放頂法存在工程量大、安全隱患多等弊端〔3－4〕；頂板弱化法包括爆破弱化和注水弱化兩種，前者工序復雜，施工難度大，且難以適應高瓦斯礦井，后者施工簡單，成本低，對開采影響較小，推廣應用前景較好。

1 水力致裂弱化頂板原理

理論分析認為，水對巖石的作用主要表現在水壓和水化學損傷兩個方面，其中水壓可以減少巖體內部摩擦阻力，促進其內部節理裂隙的發育，同時還造成巖體產生滲透變形；后者是指水可以對巖體裂紋面的內聚力和內摩擦角進行影響，造成巖體裂紋面抗剪強度較低〔2〕。從損傷力學角度對注水弱化頂板進行分析，首先注入頂板的高壓水產生裂隙，原生裂隙在水力作用下不斷擴大，這樣造成巖體內礦物顆粒的黏結性大大降低，最終導致頂板巖層強度的降低。從動力學角度分析，高壓水進入巖體后，改變了原巖體物理特性和內部微觀結構，削弱了礦物顆粒的聯系性，同時腐蝕礦物質晶體，造成巖體膨脹變形，導致巖體強度降低。通過上述分析可知，水力致裂弱化頂板就是利用水對巖體產生的多重弱化作用。

2 水力致裂工藝

在采用水力致裂技術處理堅硬頂板時，需要用到高壓注水泵、地質鉆機、錨桿鉆機、封口器、配套閥門、鉆孔窺視儀等。根據水力致裂要求，需要在需弱化頂板打設致裂鉆孔和觀察孔，前者用于注水弱化頂板，后者用以觀察水力致裂效果。致裂鉆孔和觀察孔施工工藝為：在實驗頂板中利用地質鉆機打設Φ48mm致裂鉆孔，孔深根據頂板巖體厚度確定，鉆孔打設完畢后利用窺視儀觀測鉆孔質量，當鉆孔內壁出現裂隙、離層等情況時需要重新選定區域進行打鉆；當致裂鉆孔滿足要求時，利用切槽刀具在鉆孔頂部打出楔形槽；最后利用錨桿鉆機在所打設的致裂鉆孔附近3～12m打設觀察孔，用以觀測頂板受高壓水作用產生的致裂半徑。致裂鉆孔完工后，根據工作面埋深和鉆孔參數合理確定注水壓力，然后將封口器和高壓軟管深入致裂鉆孔頂部楔形槽內，確保封口器封口效果后開始注水，直至致裂鉆孔周圍觀察孔出現水流，且水流有濁變清，有小變大后方可停止注水。

3 頂板弱化試驗

3.1 試驗頂板概況

以5＃煤層堅硬頂板為研究對象，實驗區為15306工作面。該工作面煤層均厚為3.7m，煤層向上依次為石灰巖、粉砂巖、石灰巖、細粒砂巖及石灰巖（見圖1）。該工作面頂板灰巖和細粒砂巖致密性較好，強度和硬度較高，其中石灰巖和細粒砂巖的抗拉強度分別為6MPa和5MPa，彈性模型分別為35GPa和13GPa。

圖1 15306工作面綜合地質柱狀圖

3.2 水力致裂頂板工藝實施

3.2.1 致裂實驗方案的確定

為了更好地掌握水力致裂弱化堅硬頂板的效果，在工作面機巷選擇頂板條件較好、作業空間較大的頂板區域作為實驗區域。在選定的試驗區域布置1＃和2＃兩個致裂鉆孔，兩鉆孔間距為25m；在1＃致裂鉆孔附近布置11＃、12＃、和13＃觀測孔，分別距離1＃鉆孔2m、4m和6m；在2＃致裂鉆孔附近布置21＃、22＃和23＃觀測孔，分別距離2＃鉆孔4m、8m和12m。根據15306工作面頂板巖性條件，將1＃致裂鉆孔深度確定為5m，1＃致裂孔周圍觀測孔深9 m，2＃致裂鉆孔深度確定為9m，周圍觀測孔深13m，用以掌握致裂鉆孔對石灰巖和細粒砂巖的致裂效果，實驗方案見圖2。

圖2 15306工作面水力致裂頂板鉆孔布置示意

3.2.2 注水致裂實驗的實施

根據水力致裂試驗方案在選定的區域向頂板打設1＃和2＃致裂鉆孔，當鉆孔質量符合注水實驗要求時在鉆孔頂部利用切槽刀具切出楔形槽，然后在致裂鉆孔周圍根據設計方案打設觀察孔，最后將注水高壓軟管深入楔形槽頂部，并用封口器固定。將注水泵、供水管道和高壓軟管連接完畢后開始注水，兩致裂鉆孔采用分開注水方式，注水泵選用BRW80／35型泵，該泵流量為80L／min，壓力可調范圍為12～35MPa，可以滿足注水要求，注水結束以觀察孔出現穩定清水為準，若一直不出現清水，注水時間為3～8min為準。

3.3 水力致裂堅硬頂板過程及其效果分析

當開始對1＃致裂鉆孔進行注水時，注水壓力緩慢增高，當注水約1.5min時聽到鉆孔內傳來巖層劈裂聲響，過了0.5min左右，11＃觀察孔出現渾濁白色液體流出，水流逐漸增大，又過了0.5min左右，12＃觀察孔也出現了11＃觀察孔相似的現象，在注水約3.5min時，13＃觀察孔出現渾濁白色液體，但流量明顯低于11＃和12＃觀察孔流量，隨著注水時間的進一步延長，3個觀察孔流出的液體均變澄清，但3個鉆孔水流流量依次減小。在注水期間，每隔10s觀測一次注水壓力，注水壓力隨時間變化情況見圖3。由圖3可知，隨著注水時間的增長，注水壓力逐漸增大，在注水50s左右時注水壓力達到峰值23MPa，然后隨著注水工作的繼續，注水壓力逐漸降低，直至穩定在11～12MPa附近。

當開始對2＃致裂鉆孔注水時，隨著注水時間的延續，注水壓力逐漸增高，當注水約2min時從致裂鉆孔內傳來巖層劈裂聲響，緊接著在21＃觀察孔流出渾濁白色液體，水流隨注水時間延續逐漸增大，且水流逐漸由渾變清，當注水3.5min時，2＃觀察孔出現渾濁水流，水流由滴水狀態變為線狀，再變為細流狀，繼續對2＃致裂鉆孔進行注水，21＃和22＃鉆孔水流逐漸趨于穩定，但23＃觀察孔始終無液體流出。在注水期間，每隔10s觀測一次注水壓力，注水壓力隨時間變化情況見圖3。由圖3可知，隨著注水時間的增長，注水壓力逐漸增大，在注水時間為60s左右時注水壓力達到峰值23MPa，然后隨著注水工作的繼續，注水壓力逐漸降低，直至穩定在11～13MPa附近。

圖3 15306工作面頂板致裂孔壓力隨觀測時間變化情況

為了掌握水力致裂弱化頂板效果，在該1＃和2＃致裂孔附近進行鉆屑實驗，結果顯示，在對1＃致裂孔高壓注水后，其周圍的13＃觀測孔不久有乳化液留出，并逐步加大流量，證明其在6m范圍內裂隙擴展明顯，即致裂半徑達8m，而2＃致裂孔加大注水壓力，致裂效果更佳。在距離2＃致裂孔12m遠的23＃觀測孔，也在一定時間后出現了乳化液流出現象，因此其有效致裂半徑達12m。且在隨后的打鉆過程中未曾出現以往的夾鉆、卡鉆現象，且煤粉生成量較少，說明通過水力致裂的實施確實改變了頂板物理巖性，降低了其強度和整體性。另外在注水過程中有明顯的礦壓顯現即頂板下沉和破裂聲。

4 結語

水力致裂是弱化頂板的有效方法，在采用水力致裂技術處理堅硬頂板時，需在掌握頂板巖性的基礎上，合理確定致裂鉆孔的具體參數、注水壓力和注水時間。通過采用水力致裂對頂板進行預先弱化，可以較好地控制頂板，降低頂板垮落步距和頂板集中應力，降低工作面煤體支承壓力，有助于消除因頂板大面懸頂而產生的災害，是工作面安全回采的重要保障。

〔1〕閏少宏，寧 宇，康立軍，等 .用水力壓裂處理堅硬頂板的機理及實驗研究〔J〕.煤礦學報，2000，25（1）：32－35.

〔2〕梁大海 .堅硬頂板注水軟化機理研究〔D〕.太原：太原理工大學，2006.

〔3〕劉洪偉，李君利 .堅硬頂板弱化技術綜述〔J〕.煤炭技術，2009，28（2）：50－51.

〔4〕董福凱 .頂板弱化處理在開采堅硬頂板煤層中的應用〔J〕.中國煤炭工業，2011，（12）：38－39.