水力致裂技术在处理坚硬顶板中的试验研究

毛明亮

（华晋焦煤有限责任公司 沙曲矿，山西 柳林033300）

坚硬顶板采场与普通采场其主要区别是矿山压力显现程度不同，开采实践和理论研究表明，坚硬顶板采场矿压显现更为剧烈〔1〕。坚硬顶板工作面顶板岩性致密、强度高，若不对其进行弱化处理会在采空区上方形成大面积的悬顶，这些顶板岩层会因弯曲、变形积聚大量的弹性能，当突然垮落时弹性能会瞬间释放，给工作面、采区甚至整个矿井带来严重的破坏，此外，坚硬顶板还是诱导冲击地压的重要因素。文献显示，我国有35%左右的煤层属于坚硬顶板煤层，覆盖在50%以上的矿区，故如何控制坚硬顶板一直是煤炭开采界的重要研究课题〔2〕。目前我国处理坚硬顶板的方法有煤柱支撑法、强制放顶法和顶板弱化法，其中支撑法存在煤炭损失率高，强制放顶法存在工程量大、安全隐患多等弊端〔3－4〕；顶板弱化法包括爆破弱化和注水弱化两种，前者工序复杂，施工难度大，且难以适应高瓦斯矿井，后者施工简单，成本低，对开采影响较小，推广应用前景较好。

1 水力致裂弱化顶板原理

理论分析认为，水对岩石的作用主要表现在水压和水化学损伤两个方面，其中水压可以减少岩体内部摩擦阻力，促进其内部节理裂隙的发育，同时还造成岩体产生渗透变形；后者是指水可以对岩体裂纹面的内聚力和内摩擦角进行影响，造成岩体裂纹面抗剪强度较低〔2〕。从损伤力学角度对注水弱化顶板进行分析，首先注入顶板的高压水产生裂隙，原生裂隙在水力作用下不断扩大，这样造成岩体内矿物颗粒的黏结性大大降低，最终导致顶板岩层强度的降低。从动力学角度分析，高压水进入岩体后，改变了原岩体物理特性和内部微观结构，削弱了矿物颗粒的联系性，同时腐蚀矿物质晶体，造成岩体膨胀变形，导致岩体强度降低。通过上述分析可知，水力致裂弱化顶板就是利用水对岩体产生的多重弱化作用。

2 水力致裂工艺

在采用水力致裂技术处理坚硬顶板时，需要用到高压注水泵、地质钻机、锚杆钻机、封口器、配套阀门、钻孔窥视仪等。根据水力致裂要求，需要在需弱化顶板打设致裂钻孔和观察孔，前者用于注水弱化顶板，后者用以观察水力致裂效果。致裂钻孔和观察孔施工工艺为：在实验顶板中利用地质钻机打设Φ48mm致裂钻孔，孔深根据顶板岩体厚度确定，钻孔打设完毕后利用窥视仪观测钻孔质量，当钻孔内壁出现裂隙、离层等情况时需要重新选定区域进行打钻；当致裂钻孔满足要求时，利用切槽刀具在钻孔顶部打出楔形槽；最后利用锚杆钻机在所打设的致裂钻孔附近3～12m打设观察孔，用以观测顶板受高压水作用产生的致裂半径。致裂钻孔完工后，根据工作面埋深和钻孔参数合理确定注水压力，然后将封口器和高压软管深入致裂钻孔顶部楔形槽内，确保封口器封口效果后开始注水，直至致裂钻孔周围观察孔出现水流，且水流有浊变清，有小变大后方可停止注水。

3 顶板弱化试验

3.1 试验顶板概况

以5＃煤层坚硬顶板为研究对象，实验区为15306工作面。该工作面煤层均厚为3.7m，煤层向上依次为石灰岩、粉砂岩、石灰岩、细粒砂岩及石灰岩（见图1）。该工作面顶板灰岩和细粒砂岩致密性较好，强度和硬度较高，其中石灰岩和细粒砂岩的抗拉强度分别为6MPa和5MPa，弹性模型分别为35GPa和13GPa。

图1 15306工作面综合地质柱状图

3.2 水力致裂顶板工艺实施

3.2.1 致裂实验方案的确定

为了更好地掌握水力致裂弱化坚硬顶板的效果，在工作面机巷选择顶板条件较好、作业空间较大的顶板区域作为实验区域。在选定的试验区域布置1＃和2＃两个致裂钻孔，两钻孔间距为25m；在1＃致裂钻孔附近布置11＃、12＃、和13＃观测孔，分别距离1＃钻孔2m、4m和6m；在2＃致裂钻孔附近布置21＃、22＃和23＃观测孔，分别距离2＃钻孔4m、8m和12m。根据15306工作面顶板岩性条件，将1＃致裂钻孔深度确定为5m，1＃致裂孔周围观测孔深9 m，2＃致裂钻孔深度确定为9m，周围观测孔深13m，用以掌握致裂钻孔对石灰岩和细粒砂岩的致裂效果，实验方案见图2。

图2 15306工作面水力致裂顶板钻孔布置示意

3.2.2 注水致裂实验的实施

根据水力致裂试验方案在选定的区域向顶板打设1＃和2＃致裂钻孔，当钻孔质量符合注水实验要求时在钻孔顶部利用切槽刀具切出楔形槽，然后在致裂钻孔周围根据设计方案打设观察孔，最后将注水高压软管深入楔形槽顶部，并用封口器固定。将注水泵、供水管道和高压软管连接完毕后开始注水，两致裂钻孔采用分开注水方式，注水泵选用BRW80／35型泵，该泵流量为80L／min，压力可调范围为12～35MPa，可以满足注水要求，注水结束以观察孔出现稳定清水为准，若一直不出现清水，注水时间为3～8min为准。

3.3 水力致裂坚硬顶板过程及其效果分析

当开始对1＃致裂钻孔进行注水时，注水压力缓慢增高，当注水约1.5min时听到钻孔内传来岩层劈裂声响，过了0.5min左右，11＃观察孔出现浑浊白色液体流出，水流逐渐增大，又过了0.5min左右，12＃观察孔也出现了11＃观察孔相似的现象，在注水约3.5min时，13＃观察孔出现浑浊白色液体，但流量明显低于11＃和12＃观察孔流量，随着注水时间的进一步延长，3个观察孔流出的液体均变澄清，但3个钻孔水流流量依次减小。在注水期间，每隔10s观测一次注水压力，注水压力随时间变化情况见图3。由图3可知，随着注水时间的增长，注水压力逐渐增大，在注水50s左右时注水压力达到峰值23MPa，然后随着注水工作的继续，注水压力逐渐降低，直至稳定在11～12MPa附近。

当开始对2＃致裂钻孔注水时，随着注水时间的延续，注水压力逐渐增高，当注水约2min时从致裂钻孔内传来岩层劈裂声响，紧接着在21＃观察孔流出浑浊白色液体，水流随注水时间延续逐渐增大，且水流逐渐由浑变清，当注水3.5min时，2＃观察孔出现浑浊水流，水流由滴水状态变为线状，再变为细流状，继续对2＃致裂钻孔进行注水，21＃和22＃钻孔水流逐渐趋于稳定，但23＃观察孔始终无液体流出。在注水期间，每隔10s观测一次注水压力，注水压力随时间变化情况见图3。由图3可知，随着注水时间的增长，注水压力逐渐增大，在注水时间为60s左右时注水压力达到峰值23MPa，然后随着注水工作的继续，注水压力逐渐降低，直至稳定在11～13MPa附近。

图3 15306工作面顶板致裂孔压力随观测时间变化情况

为了掌握水力致裂弱化顶板效果，在该1＃和2＃致裂孔附近进行钻屑实验，结果显示，在对1＃致裂孔高压注水后，其周围的13＃观测孔不久有乳化液留出，并逐步加大流量，证明其在6m范围内裂隙扩展明显，即致裂半径达8m，而2＃致裂孔加大注水压力，致裂效果更佳。在距离2＃致裂孔12m远的23＃观测孔，也在一定时间后出现了乳化液流出现象，因此其有效致裂半径达12m。且在随后的打钻过程中未曾出现以往的夹钻、卡钻现象，且煤粉生成量较少，说明通过水力致裂的实施确实改变了顶板物理岩性，降低了其强度和整体性。另外在注水过程中有明显的矿压显现即顶板下沉和破裂声。

4 结语

水力致裂是弱化顶板的有效方法，在采用水力致裂技术处理坚硬顶板时，需在掌握顶板岩性的基础上，合理确定致裂钻孔的具体参数、注水压力和注水时间。通过采用水力致裂对顶板进行预先弱化，可以较好地控制顶板，降低顶板垮落步距和顶板集中应力，降低工作面煤体支承压力，有助于消除因顶板大面悬顶而产生的灾害，是工作面安全回采的重要保障。

〔1〕闰少宏，宁 宇，康立军，等 .用水力压裂处理坚硬顶板的机理及实验研究〔J〕.煤矿学报，2000，25（1）：32－35.

〔2〕梁大海 .坚硬顶板注水软化机理研究〔D〕.太原：太原理工大学，2006.

〔3〕刘洪伟，李君利 .坚硬顶板弱化技术综述〔J〕.煤炭技术，2009，28（2）：50－51.

〔4〕董福凯 .顶板弱化处理在开采坚硬顶板煤层中的应用〔J〕.中国煤炭工业，2011，（12）：38－39.