楊春生

（同忻煤礦，山西大同 037003）

同忻煤礦堅(jiān)硬頂板水力致裂技術(shù)研究應(yīng)用

楊春生

（同忻煤礦，山西大同 037003）

針對(duì)同忻煤礦石炭紀(jì)堅(jiān)硬頂板條件以及開采以來不斷顯現(xiàn)的各種強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，在同忻礦一盤區(qū)5105工作面尾巷煤柱側(cè)采位1 045 m處開始，垂直于煤壁以仰角39°～45°間隔20 m左右打了一系列深40 m的直徑50 mm擴(kuò)孔73 mm的鉆孔。2013年2月1日開始依次封孔加壓注水，絕大多數(shù)注水成功。12號(hào)和13號(hào)孔用深孔探測(cè)儀可以明顯看到封孔以上及孔底開槽處巖石裂開縫，用KBD5電磁輻射監(jiān)測(cè)儀在高壓泵注水前后與注水孔及孔周圍每隔10 m測(cè)試一點(diǎn)，先后共20組數(shù)據(jù)，收集數(shù)據(jù)分析可以明顯看到應(yīng)力在減弱。

沖擊地壓；水力致裂；巖石裂開；電磁輻射監(jiān)測(cè)；應(yīng)力減弱

隨著煤炭事業(yè)的發(fā)展，綜采采煤工藝的更新以及放頂煤技術(shù)的廣泛應(yīng)用，煤炭開采的深度也逐年增加，各種煤巖動(dòng)力災(zāi)害問題更加突出，主要有沖擊地壓也稱巖爆以及各種程度的強(qiáng)礦壓。同忻煤礦所采石炭二疊紀(jì)煤層同樣也賦存有堅(jiān)硬頂板，而沖擊地壓又主要發(fā)生在厚度大、強(qiáng)度高、整體性好、結(jié)構(gòu)致密的堅(jiān)硬厚砂巖煤層里，它不斷積聚能量，當(dāng)?shù)V體與圍巖系統(tǒng)的力學(xué)平衡狀態(tài)破壞后所釋放的能量大于其破壞所消耗能量時(shí)，產(chǎn)生蝴蝶效應(yīng)瞬間爆發(fā)，威力大，破壞性強(qiáng)[1-2]。常用的防治沖擊地壓的方法有向巖層注軟化劑，打卸壓孔等，比較有效的是鉆孔卸載爆破，但無論是低瓦斯礦井還是高瓦斯礦井都應(yīng)該盡量避免爆破，兩害取一害，乃不得已為之。而水力致裂技術(shù)的研發(fā)卻為建設(shè)本質(zhì)安全型礦井帶來福音，在對(duì)沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害問題的防治上產(chǎn)生了積極的作用[3-6]。

由安裝桿連接的管路進(jìn)去煤巖體，封孔器封孔，孔底用開槽鉆頭割縫，通過高壓水泵給力。在煤巖體產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力致使巖體裂開甚至擴(kuò)展，主要起到卸載的作用。其次大量的水進(jìn)入巖體，通過水對(duì)巖石的各種物理化學(xué)作用，潛移默化的降低著巖石的力學(xué)性能。通過水力致裂降低頂板巖石的整體強(qiáng)度，使頂板及時(shí)垮落，減小頂板來壓強(qiáng)度，從而防治沖擊地壓等各種煤巖動(dòng)力災(zāi)害。

1 試驗(yàn)方案

堅(jiān)硬頂板水力致裂試驗(yàn)在同忻礦8105工作面尾巷5105實(shí)施，從1 045 m處開始，在巷道煤柱側(cè)每隔20 m打一深孔，并在孔底割縫，各孔參數(shù)如表1所示。在1 180 m處設(shè)泵站，主要設(shè)備有高壓水泵，水箱，水力致裂監(jiān)測(cè)儀。

表1 水力致裂孔參數(shù)

1.1 工作面概況和地質(zhì)條件

同忻礦一盤區(qū)8105工作面東部為實(shí)煤區(qū)；北部為8106工作面（采空區(qū)）；西部為三條盤區(qū)大巷；南部為8104工作面。對(duì)應(yīng)上覆蓋侏羅紀(jì)9、11、12、14號(hào)煤層，大部分為采空區(qū)。8105工作面東部對(duì)應(yīng)地面為小海溝及溝兩面的山坡和平地；西部對(duì)應(yīng)地面為杏樹溝以東的山坡、山梁及平地。8105工作面對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為1 187.6～1 303 m，工作面標(biāo)高810～784 m，蓋山厚度為377.6～519 m。

1.2 水力致裂現(xiàn)場(chǎng)具體實(shí)施步驟

由217地質(zhì)隊(duì)打好水力致裂孔并在孔底用開槽鉆頭開槽切縫，用長(zhǎng)1 m的安裝桿連接封孔器，由封孔器一側(cè)深入致裂巖層，安裝桿另一側(cè)連接高壓注水管，高壓管路及安裝桿要用木楔子以及鐵絲固定好，高壓管路要裝有卸壓安全閥。

致裂開始前，沿高壓管路檢查是否固定完好，高壓水管連接處銷子是否完好，卸壓安全閥必須保持關(guān)閉狀態(tài)，在致裂區(qū)域前后20 m設(shè)立警戒線防止致裂時(shí)有行人通過。由專業(yè)技術(shù)人員在水力致裂操作臺(tái)開關(guān)水泵及觀測(cè)壓力數(shù)據(jù)。水力致裂時(shí)在孔口20 m外設(shè)專人觀察注水區(qū)域。

1.3 水力致裂現(xiàn)場(chǎng)注意事項(xiàng)

1）水力致裂孔和安裝桿要用木楔子和粗鐵絲固定好，防止注水時(shí)沖孔傷人。

2）水力致裂高壓管路用粗鐵絲固定好，銷子必須完好，卸壓安全閥必須在水力致裂前成關(guān)閉狀態(tài)，并在注水結(jié)束時(shí)及時(shí)打開卸壓再拆高壓水管及安裝桿，防止高壓傷人。

3）安裝桿及封孔器連接時(shí)必須注意兩通上密封圈是否完好，連接管路的銷子應(yīng)該加強(qiáng)固定，防止在注水時(shí)安裝桿斷開使封孔器和安裝桿丟入孔中，導(dǎo)致孔廢桿壞，水力致裂無法進(jìn)行。

4）在安裝和拆除安裝桿和封孔器時(shí)應(yīng)注意工作人員在兩側(cè)作業(yè)，不要站在孔證對(duì)面，防止各種突發(fā)情況如煤炮等導(dǎo)致孔內(nèi)幾十米安裝桿瞬間沖孔傷人。

5）致裂結(jié)束必須先開卸壓安全閥，再停泵5 min后人員方可進(jìn)入檢查。

6）注水過程中派專人設(shè)好警戒，任何人員不得通過注水致裂地點(diǎn)。

7）注水時(shí)開泵人員應(yīng)與注水人員保持通信及時(shí)暢通，發(fā)生異常情況應(yīng)該馬上停泵，注水人員距離注水致裂孔不少于20 m，防止高壓管路擺動(dòng)傷人。

2 水力致裂具體情況

5105 巷煤柱側(cè)水致裂具體情況如表2所示。

表2 5105巷煤柱側(cè)水力致裂

3 水力致裂結(jié)果分析

3.1 深孔探測(cè)儀觀察致裂成功孔內(nèi)裂痕

在致裂前與致裂成功后用深孔探測(cè)儀觀察孔內(nèi)情況，見圖1。

圖1 水力致裂前與致裂成功后孔內(nèi)情況

3.2 用KBD5電磁輻射監(jiān)測(cè)儀在致裂區(qū)域水力致裂前后分別測(cè)試

KBD5便攜式煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射監(jiān)測(cè)儀可用于煤礦井下預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)沖擊礦壓、煤與瓦斯突出等煤巖災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象，是按《KBD5便攜式煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射監(jiān)測(cè)儀企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》制造（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：Q/ KBD5EMR-CP-0801），并經(jīng)過防爆檢驗(yàn)和煤炭工業(yè)安全標(biāo)志認(rèn)證。電場(chǎng)輻射預(yù)測(cè)技術(shù)及監(jiān)測(cè)儀已獲國(guó)家發(fā)明專利（專利號(hào)為ZL98111185.8）和實(shí)用新型專利（專利號(hào)為ZL01272808.X）.

煤巖電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的一種現(xiàn)象，與煤巖體的變形破裂過程密切相關(guān)。電磁輻射信息綜合反映了沖擊地壓、煤與瓦斯的突出等煤巖災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象的主要影響因素，電磁輻射強(qiáng)度主要反映了煤巖體的受載程度及變形破裂強(qiáng)度，脈沖數(shù)主要反映了煤巖體變形及微破裂的頻次[7-9]。

在5105巷煤柱側(cè)水力致裂區(qū)域采位1 320～1 420 m每20 m布1個(gè)點(diǎn)，共11個(gè)點(diǎn)，分別在水力致裂前后測(cè)試強(qiáng)度及脈沖變化，見圖2。

通過電磁輻射監(jiān)測(cè)儀測(cè)試水力致裂前后強(qiáng)度及脈沖值可以明顯看出，應(yīng)力在水力致裂后不同程度降低。

圖2 5105巷煤柱側(cè)水力致裂前后測(cè)試強(qiáng)度及脈沖變化曲線

4 結(jié)論

1）同忻煤礦礦水力致裂成功使堅(jiān)硬頂板巖石裂開，證明通過水力致裂弱化煤巖，防治煤巖動(dòng)力災(zāi)害是行之有效的。是堅(jiān)硬頂板水力致裂的關(guān)鍵性突破。

2）用鉆孔探測(cè)儀可以清晰直觀的看到水力致裂前后孔內(nèi)巖石開裂。

3）結(jié)合電磁輻射監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)可以看出在水力致裂后應(yīng)力明顯減弱。

4）用水力致裂監(jiān)測(cè)儀可以發(fā)現(xiàn)，在水力致裂的同時(shí)中，當(dāng)監(jiān)測(cè)到水壓力突然下降或呈整體下降趨勢(shì)時(shí)，即表明頂板巖石已經(jīng)被致裂開。所以在水力致裂前幾分鐘壓力值很活躍，巖石裂開后壓力值便區(qū)域一個(gè)穩(wěn)定的值或穩(wěn)定的范圍。

5）水力致裂技術(shù)在應(yīng)用上還需不斷的研發(fā)和更新，突破一系列的問題，比如如何減少?zèng)_孔現(xiàn)象的發(fā)生，如果加強(qiáng)安裝桿和封孔器的連接和固定以及封孔器的封孔問題以提高水力致裂成功率。

[1]靳鐘銘，徐林生.煤礦堅(jiān)硬頂板控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1994.

[2]竇林銘，何學(xué)秋.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[3]杜濤濤，竇林名，路菜平，等.定向水力致裂堅(jiān)硬頂板的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].煤炭工程，2009（12）：73-75.

[4]丁隧?xiàng)潱瑢O利民.斷裂力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[5]黃炳香，程慶迎，劉長(zhǎng)友，等.煤巖體水力致裂弱化技術(shù)及其進(jìn)展[J].中國(guó)工程科學(xué)，2007，9（4）：83-88.

[6]孫守山，寧宇，葛鈞.波蘭煤礦堅(jiān)硬頂板定向水力壓裂技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1999，27（2）：51-52.

[7]牟宗龍，竇林名.堅(jiān)硬頂板突然斷裂過程中的突變模型[J].礦山壓力與頂板理，2004，21（4）：90-92，75.

[8]竇林名，劉貞堂，曹勝根，等.堅(jiān)硬頂板對(duì)沖擊礦壓危險(xiǎn)地影響分析[J]煤礦開采，2003，8（2）：58-60，66.

[9]王慧明.堅(jiān)硬頂板型組合煤巖動(dòng)力沖擊效應(yīng)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2005.

Application of Hydraulic Fracturing for Hard Rock Roof in Tongxin Mine

YANG Chunsheng
(Tongxin Mine,Datong 037003,China)

For its Carboniferous hard rock roof and various pressure occurrence,mining began with the location of 1045 m along the coal pillars of No.5105 working face of Panel I in Tongxin mine. Perpendicular to the walls,a series of boreholes(40m in depth and 50～73mm in diameter)were drilled at the interval of 20m at 39°～45°in elevation.Since Feb 1st,2013,the boreholes were sealed with water injection and most were successful.But some rock with fractal cracks could be found above the sealed holes and slots of No.12 and No.13 holes by a deep-hole detector.With an electromagnetic radiation monitor,KBD5,the water injection holes and positions around the holes at the interval of 10 m were tested before and after the water injection by a high pressure pump.20 sets of data demonstrate obvious stress reduction.

rock burst;hydraulic fracturing;rock with fractal cracks;electromagnetic radiation monitoring;stress reduction

TD712

A

1672-5050（2015）03-0027-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.010

（編輯：樊敏）

2015-03-06

楊春生（1989-），男，山西大同人，大學(xué)本科，助理工程師，從事礦井設(shè)計(jì)工作。