同忻煤礦堅硬頂板水力致裂技術研究應用

楊春生

（同忻煤礦，山西大同 037003）

同忻煤礦堅硬頂板水力致裂技術研究應用

楊春生

（同忻煤礦，山西大同 037003）

針對同忻煤礦石炭紀堅硬頂板條件以及開采以來不斷顯現的各種強礦壓現象，在同忻礦一盤區5105工作面尾巷煤柱側采位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，絕大多數注水成功。12號和13號孔用深孔探測儀可以明顯看到封孔以上及孔底開槽處巖石裂開縫，用KBD5電磁輻射監測儀在高壓泵注水前后與注水孔及孔周圍每隔10 m測試一點，先后共20組數據，收集數據分析可以明顯看到應力在減弱。

沖擊地壓；水力致裂；巖石裂開；電磁輻射監測；應力減弱

隨著煤炭事業的發展，綜采采煤工藝的更新以及放頂煤技術的廣泛應用，煤炭開采的深度也逐年增加，各種煤巖動力災害問題更加突出，主要有沖擊地壓也稱巖爆以及各種程度的強礦壓。同忻煤礦所采石炭二疊紀煤層同樣也賦存有堅硬頂板，而沖擊地壓又主要發生在厚度大、強度高、整體性好、結構致密的堅硬厚砂巖煤層里，它不斷積聚能量，當礦體與圍巖系統的力學平衡狀態破壞后所釋放的能量大于其破壞所消耗能量時，產生蝴蝶效應瞬間爆發，威力大，破壞性強[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。而水力致裂技術的研發卻為建設本質安全型礦井帶來福音，在對沖擊地壓等煤巖動力災害問題的防治上產生了積極的作用[3-6]。

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

1 試驗方案

堅硬頂板水力致裂試驗在同忻礦8105工作面尾巷5105實施，從1 045 m處開始，在巷道煤柱側每隔20 m打一深孔，并在孔底割縫，各孔參數如表1所示。在1 180 m處設泵站，主要設備有高壓水泵，水箱，水力致裂監測儀。

表1 水力致裂孔參數

1.1 工作面概況和地質條件

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

1.2 水力致裂現場具體實施步驟

由217地質隊打好水力致裂孔并在孔底用開槽鉆頭開槽切縫，用長1 m的安裝桿連接封孔器，由封孔器一側深入致裂巖層，安裝桿另一側連接高壓注水管，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閉狀態，在致裂區域前后20 m設立警戒線防止致裂時有行人通過。由專業技術人員在水力致裂操作臺開關水泵及觀測壓力數據。水力致裂時在孔口20 m外設專人觀察注水區域。

1.3 水力致裂現場注意事項

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閉狀態，并在注水結束時及時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必須注意兩通上密封圈是否完好，連接管路的銷子應該加強固定，防止在注水時安裝桿斷開使封孔器和安裝桿丟入孔中，導致孔廢桿壞，水力致裂無法進行。

4）在安裝和拆除安裝桿和封孔器時應注意工作人員在兩側作業，不要站在孔證對面，防止各種突發情況如煤炮等導致孔內幾十米安裝桿瞬間沖孔傷人。

5）致裂結束必須先開卸壓安全閥，再停泵5 min后人員方可進入檢查。

6）注水過程中派專人設好警戒，任何人員不得通過注水致裂地點。

7）注水時開泵人員應與注水人員保持通信及時暢通，發生異常情況應該馬上停泵，注水人員距離注水致裂孔不少于20 m，防止高壓管路擺動傷人。

2 水力致裂具體情況

5105 巷煤柱側水致裂具體情況如表2所示。

表2 5105巷煤柱側水力致裂

3 水力致裂結果分析

3.1 深孔探測儀觀察致裂成功孔內裂痕

在致裂前與致裂成功后用深孔探測儀觀察孔內情況，見圖1。

圖1 水力致裂前與致裂成功后孔內情況

3.2 用KBD5電磁輻射監測儀在致裂區域水力致裂前后分別測試

KBD5便攜式煤巖動力災害電磁輻射監測儀可用于煤礦井下預測預報沖擊礦壓、煤與瓦斯突出等煤巖災害動力現象，是按《KBD5便攜式煤巖動力災害電磁輻射監測儀企業標準》制造（標準號：Q/ KBD5EMR-CP-0801），并經過防爆檢驗和煤炭工業安全標志認證。電場輻射預測技術及監測儀已獲國家發明專利（專利號為ZL98111185.8）和實用新型專利（專利號為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象，與煤巖體的變形破裂過程密切相關。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害動力現象的主要影響因素，電磁輻射強度主要反映了煤巖體的受載程度及變形破裂強度，脈沖數主要反映了煤巖體變形及微破裂的頻次[7-9]。

在5105巷煤柱側水力致裂區域采位1 320～1 420 m每20 m布1個點，共11個點，分別在水力致裂前后測試強度及脈沖變化，見圖2。

通過電磁輻射監測儀測試水力致裂前后強度及脈沖值可以明顯看出，應力在水力致裂后不同程度降低。

圖2 5105巷煤柱側水力致裂前后測試強度及脈沖變化曲線

4 結論

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

2）用鉆孔探測儀可以清晰直觀的看到水力致裂前后孔內巖石開裂。

3）結合電磁輻射監測儀的數據可以看出在水力致裂后應力明顯減弱。

4）用水力致裂監測儀可以發現，在水力致裂的同時中，當監測到水壓力突然下降或呈整體下降趨勢時，即表明頂板巖石已經被致裂開。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域一個穩定的值或穩定的范圍。

5）水力致裂技術在應用上還需不斷的研發和更新，突破一系列的問題，比如如何減少沖孔現象的發生，如果加強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.煤礦堅硬頂板控制[M].北京：煤炭工業出版社，1994.

[2]竇林銘，何學秋.沖擊礦壓防治理論與技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2001.

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

[4]丁隧棟，孫利民.斷裂力學[M].北京：機械工業出版社，1998.

[5]黃炳香，程慶迎，劉長友，等.煤巖體水力致裂弱化技術及其進展[J].中國工程科學，2007，9（4）：83-88.

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

[7]牟宗龍，竇林名.堅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.堅硬頂板對沖擊礦壓危險地影響分析[J]煤礦開采，2003，8（2）：58-60，66.

[9]王慧明.堅硬頂板型組合煤巖動力沖擊效應研究[D].徐州：中國礦業大學，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，大學本科，助理工程師，從事礦井設計工作。