同忻煤矿坚硬顶板水力致裂技术研究应用

杨春生

（同忻煤矿，山西大同 037003）

同忻煤矿坚硬顶板水力致裂技术研究应用

杨春生

（同忻煤矿，山西大同 037003）

针对同忻煤矿石炭纪坚硬顶板条件以及开采以来不断显现的各种强矿压现象，在同忻矿一盘区5105工作面尾巷煤柱侧采位1 045 m处开始，垂直于煤壁以仰角39°～45°间隔20 m左右打了一系列深40 m的直径50 mm扩孔73 mm的钻孔。2013年2月1日开始依次封孔加压注水，绝大多数注水成功。12号和13号孔用深孔探测仪可以明显看到封孔以上及孔底开槽处岩石裂开缝，用KBD5电磁辐射监测仪在高压泵注水前后与注水孔及孔周围每隔10 m测试一点，先后共20组数据，收集数据分析可以明显看到应力在减弱。

冲击地压；水力致裂；岩石裂开；电磁辐射监测；应力减弱

随着煤炭事业的发展，综采采煤工艺的更新以及放顶煤技术的广泛应用，煤炭开采的深度也逐年增加，各种煤岩动力灾害问题更加突出，主要有冲击地压也称岩爆以及各种程度的强矿压。同忻煤矿所采石炭二叠纪煤层同样也赋存有坚硬顶板，而冲击地压又主要发生在厚度大、强度高、整体性好、结构致密的坚硬厚砂岩煤层里，它不断积聚能量，当矿体与围岩系统的力学平衡状态破坏后所释放的能量大于其破坏所消耗能量时，产生蝴蝶效应瞬间爆发，威力大，破坏性强[1-2]。常用的防治冲击地压的方法有向岩层注软化剂，打卸压孔等，比较有效的是钻孔卸载爆破，但无论是低瓦斯矿井还是高瓦斯矿井都应该尽量避免爆破，两害取一害，乃不得已为之。而水力致裂技术的研发却为建设本质安全型矿井带来福音，在对冲击地压等煤岩动力灾害问题的防治上产生了积极的作用[3-6]。

由安装杆连接的管路进去煤岩体，封孔器封孔，孔底用开槽钻头割缝，通过高压水泵给力。在煤岩体产生强大的压力致使岩体裂开甚至扩展，主要起到卸载的作用。其次大量的水进入岩体，通过水对岩石的各种物理化学作用，潜移默化的降低着岩石的力学性能。通过水力致裂降低顶板岩石的整体强度，使顶板及时垮落，减小顶板来压强度，从而防治冲击地压等各种煤岩动力灾害。

1 试验方案

坚硬顶板水力致裂试验在同忻矿8105工作面尾巷5105实施，从1 045 m处开始，在巷道煤柱侧每隔20 m打一深孔，并在孔底割缝，各孔参数如表1所示。在1 180 m处设泵站，主要设备有高压水泵，水箱，水力致裂监测仪。

表1 水力致裂孔参数

1.1 工作面概况和地质条件

同忻矿一盘区8105工作面东部为实煤区；北部为8106工作面（采空区）；西部为三条盘区大巷；南部为8104工作面。对应上覆盖侏罗纪9、11、12、14号煤层，大部分为采空区。8105工作面东部对应地面为小海沟及沟两面的山坡和平地；西部对应地面为杏树沟以东的山坡、山梁及平地。8105工作面对应地面标高为1 187.6～1 303 m，工作面标高810～784 m，盖山厚度为377.6～519 m。

1.2 水力致裂现场具体实施步骤

由217地质队打好水力致裂孔并在孔底用开槽钻头开槽切缝，用长1 m的安装杆连接封孔器，由封孔器一侧深入致裂岩层，安装杆另一侧连接高压注水管，高压管路及安装杆要用木楔子以及铁丝固定好，高压管路要装有卸压安全阀。

致裂开始前，沿高压管路检查是否固定完好，高压水管连接处销子是否完好，卸压安全阀必须保持关闭状态，在致裂区域前后20 m设立警戒线防止致裂时有行人通过。由专业技术人员在水力致裂操作台开关水泵及观测压力数据。水力致裂时在孔口20 m外设专人观察注水区域。

1.3 水力致裂现场注意事项

1）水力致裂孔和安装杆要用木楔子和粗铁丝固定好，防止注水时冲孔伤人。

2）水力致裂高压管路用粗铁丝固定好，销子必须完好，卸压安全阀必须在水力致裂前成关闭状态，并在注水结束时及时打开卸压再拆高压水管及安装杆，防止高压伤人。

3）安装杆及封孔器连接时必须注意两通上密封圈是否完好，连接管路的销子应该加强固定，防止在注水时安装杆断开使封孔器和安装杆丢入孔中，导致孔废杆坏，水力致裂无法进行。

4）在安装和拆除安装杆和封孔器时应注意工作人员在两侧作业，不要站在孔证对面，防止各种突发情况如煤炮等导致孔内几十米安装杆瞬间冲孔伤人。

5）致裂结束必须先开卸压安全阀，再停泵5 min后人员方可进入检查。

6）注水过程中派专人设好警戒，任何人员不得通过注水致裂地点。

7）注水时开泵人员应与注水人员保持通信及时畅通，发生异常情况应该马上停泵，注水人员距离注水致裂孔不少于20 m，防止高压管路摆动伤人。

2 水力致裂具体情况

5105 巷煤柱侧水致裂具体情况如表2所示。

表2 5105巷煤柱侧水力致裂

3 水力致裂结果分析

3.1 深孔探测仪观察致裂成功孔内裂痕

在致裂前与致裂成功后用深孔探测仪观察孔内情况，见图1。

图1 水力致裂前与致裂成功后孔内情况

3.2 用KBD5电磁辐射监测仪在致裂区域水力致裂前后分别测试

KBD5便携式煤岩动力灾害电磁辐射监测仪可用于煤矿井下预测预报冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象，是按《KBD5便携式煤岩动力灾害电磁辐射监测仪企业标准》制造（标准号：Q/ KBD5EMR-CP-0801），并经过防爆检验和煤炭工业安全标志认证。电场辐射预测技术及监测仪已获国家发明专利（专利号为ZL98111185.8）和实用新型专利（专利号为ZL01272808.X）.

煤岩电磁辐射是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象，与煤岩体的变形破裂过程密切相关。电磁辐射信息综合反映了冲击地压、煤与瓦斯的突出等煤岩灾害动力现象的主要影响因素，电磁辐射强度主要反映了煤岩体的受载程度及变形破裂强度，脉冲数主要反映了煤岩体变形及微破裂的频次[7-9]。

在5105巷煤柱侧水力致裂区域采位1 320～1 420 m每20 m布1个点，共11个点，分别在水力致裂前后测试强度及脉冲变化，见图2。

通过电磁辐射监测仪测试水力致裂前后强度及脉冲值可以明显看出，应力在水力致裂后不同程度降低。

图2 5105巷煤柱侧水力致裂前后测试强度及脉冲变化曲线

4 结论

1）同忻煤矿矿水力致裂成功使坚硬顶板岩石裂开，证明通过水力致裂弱化煤岩，防治煤岩动力灾害是行之有效的。是坚硬顶板水力致裂的关键性突破。

2）用钻孔探测仪可以清晰直观的看到水力致裂前后孔内岩石开裂。

3）结合电磁辐射监测仪的数据可以看出在水力致裂后应力明显减弱。

4）用水力致裂监测仪可以发现，在水力致裂的同时中，当监测到水压力突然下降或呈整体下降趋势时，即表明顶板岩石已经被致裂开。所以在水力致裂前几分钟压力值很活跃，岩石裂开后压力值便区域一个稳定的值或稳定的范围。

5）水力致裂技术在应用上还需不断的研发和更新，突破一系列的问题，比如如何减少冲孔现象的发生，如果加强安装杆和封孔器的连接和固定以及封孔器的封孔问题以提高水力致裂成功率。

[1]靳钟铭，徐林生.煤矿坚硬顶板控制[M].北京：煤炭工业出版社，1994.

[2]窦林铭，何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001.

[3]杜涛涛，窦林名，路菜平，等.定向水力致裂坚硬顶板的现场试验研究[J].煤炭工程，2009（12）：73-75.

[4]丁隧栋，孙利民.断裂力学[M].北京：机械工业出版社，1998.

[5]黄炳香，程庆迎，刘长友，等.煤岩体水力致裂弱化技术及其进展[J].中国工程科学，2007，9（4）：83-88.

[6]孙守山，宁宇，葛钧.波兰煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术[J].煤炭科学技术，1999，27（2）：51-52.

[7]牟宗龙，窦林名.坚硬顶板突然断裂过程中的突变模型[J].矿山压力与顶板理，2004，21（4）：90-92，75.

[8]窦林名，刘贞堂，曹胜根，等.坚硬顶板对冲击矿压危险地影响分析[J]煤矿开采，2003，8（2）：58-60，66.

[9]王慧明.坚硬顶板型组合煤岩动力冲击效应研究[D].徐州：中国矿业大学，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

（编辑：樊敏）

2015-03-06

杨春生（1989-），男，山西大同人，大学本科，助理工程师，从事矿井设计工作。