顶板定向水力致裂技术在孤岛工作面的应用

顶板定向水力致裂技术在孤岛工作面的应用

李后杰

中煤集团大屯煤电公司徐庄煤矿  江苏沛县   221611

[摘要]   采用定向水力致裂技术，可以有效的降低顶板分层，减少其厚度，从而降低覆盖层的压实距离和强度。通过现场应用，取得了良好的效果，并且证明了理论分析和现场的可行性。

[关键词]   定向水力致裂；坚硬顶板；初始裂缝；控制孔

1.1 顶板定向水力致裂系统

通过采用定向水力致裂法，可以有效地减少顶板（煤）岩层受力后产生的破坏，这一过程需要一个精确控制的过程：首先，需要准备一把特殊的刀具，将其精确地划开一条裂缝，然后，将一股高压水流灌入裂缝，让裂缝朝着一个方向发散，最终形成一个稳固的结构，有效地减少了顶板岩层受力后产生的破坏。该方法的特点是：操作方法简便，不受瓦斯限制，不会对生产造成任何不利影响，并且具有较高的安全和效率。

采用定向水力致裂技术，可以有效地将顶板分层，减少其厚度，从而降低覆盖层的压实距离和强度，同时，通过倾斜分层，可以直接切断覆盖层，从而消除震动源，这两种方法都能够有效地防止或减少冲击地压的产生。

（1）系统组成

该系统由高压泵、高压管道系统和裂缝致裂装置等部分组成。

定向水力致裂所需配套设备包括：

①定向切槽刀具；

②封孔器；

③钻孔窥视仪；

④坑道钻机可使用42mm的钻杆和42-46mm的钻头，最大钻孔直径不超过50mm；

⑤通过使用高压泵、高压管道、压力表、流量计和其他必要的设备，能够有效地利用综合采矿工作面的乳化液泵站和管道系统。

（2）具体操作工序

① 利用液压坑道钻机，按照设计要求，在工作面顺槽上施工出直径为46mm的致裂钻孔。

②使用φ38mm的精密刀具，精确地对钻孔进行切割，并且在使用的过程中，确保刀具牢固地安装在钻杆上。在深入切割的过程中，应尽量控制深入的速度，并且仔细检查回流水中岩粉的特征。在切槽工作结束之后，应立即停止钻动，用清水彻底冲刷孔壁，确保孔内无杂质。接着，使用钻孔窥视仪，仔细检查原有的裂纹，确保其满足致裂要求。

切割预裂缝的方法如下：

a，将机身与钻杆紧密结合，并将其插入钻孔，使定向锥与钻孔底部完美接合。

b，首先，在没有任何外力的情况下，对钻具进行空钻，以便把泥浆排除。当发现有液体渗入时，应该缓缓调整钻杆转动，让它朝着一个方向朝前移动，这个距离不得超过纵向切口的4cm，以便准确的切割出预期的裂纹。应该小心翼翼地推进钻杆，以免导致刀片受到严重的损坏。

C,停止钻杆朝前推进，维持旋转1分钟，直到它能够顺利地移出已经产生的裂纹。

d,确保钻机停止运行，并将钻杆从钻孔中取出。

通过使用钻孔窥视仪，我们可以对预裂缝切割的效果进行评估判断。

③ 将封孔器精确地安装在高压管（无缝钢管）上，其长度为1.1m，直径为41mm，并使用连接器紧密连接并将其推送到钻孔的底部。然后将封孔器缓慢地退出3~5cm，然后将其固定。将压力表和流量计精确地安装在控制阀的两侧，并且将它们的前后接口连接到高压管的入口和出口，最后关闭出口的控制阀，以确保系统的稳定运行。

④ 通过调节高压泵的输入，使其达到30MPa左右时，然后打开出口的控制阀，以确保在30MPa的高压环境中，封孔器不被被抛出。此外，再通过对封口器的双边喷口施加的强大的冲击力来切割顶部的岩石，并且可以实时观察控制阀的压力变化情况。随着压力的急剧下降，可以断定高压的水流已进入到致裂的岩石中。

（3）顶板定向水力致裂操作工艺

1）预致裂缝的切槽工艺：

初始裂缝是在钻孔底部进行的，当钻孔通过坑道钻机打出来之后，需要把钻头换成切缝刀具，把切缝刀具导入钻孔直到刀具抵到钻孔底部（切勿用力推送），这期间不要让钻杆转动；开始冲孔；慢慢地让钻杆开始转动；控制钻杆的移动，在位移达到4-5 cm时停止移动，为了从钻孔中顺利移出，应使钻杆空转1分钟；停止钻杆转动。

具体做法：首先使用专业的工具，将刀具和钻杆相连，缓慢地推入钻孔，使得定向锥与钻孔底部接触。随后，使用米尺测量钻杆端部距离钻机某一固定参照物的位置，确保钻具处于空转的状态，控制钻孔旋转深度，然后通过高压水将钻孔内的泥浆被有效地冲出。当钻孔内有水流出时，应该逐渐控制推动钻杆钻动，使其朝着轴向方向运动。一旦切割工作完毕，应该使用米尺来精确测量钻杆钻进的具体位置，确保它的位置偏差在一定范围内不可超过纵向切槽的长度，从而切出预致裂缝，避免造成意外的裂纹。为了避免刀具破裂，要缓慢地朝前推进。

停止钻杆向前移动，然后继续旋转1分钟，以便钻具能够轻松地从形成的预裂缝中移出。脱离已经产生的裂纹。停止钻机的转动，然后把钻杆从钻孔里抽出。待复位弹簧撤回刀具以后，再进一步将刀具从钻孔中取出。

2）致裂钻孔的密封：

将1.1 m的封孔器固定于弹性压力管或刚性导管的终端位置，并将其与压力管相联系，使其能够将封头导入钻孔内。特别注意将压力管的后面的部分连接，以确保其牢固可靠，密封性完好。当密封头到达钻孔底部之后，将压力管从钻孔内拔出20 cm，并将其与采煤工作面的液压泵站设备（如液位计）、控制、测量设备及其他相关仪表（如压力计）相联系，使其能够正常工作。通过安装流量计或其他相关设备，可以有效地控制封孔器的膨胀，从而确保几十兆帕的高压水柱无法从钻孔中脱落。连接封孔器和乳化液泵之间的压力管，它可以承受超过30 MPa的高压。

3）致裂钻孔的检测：

为了确保钻孔的完整性，必须确保其内部光滑，这样使用封孔器才能完全封住钻孔，才能提供足够的高压力。因此，在切槽完成后，必须使用钻孔窥视设备来检查钻孔的情况。

具体方法为：通过使用钻孔窥视仪，可以缓慢地从孔口向内部推入窥视镜，避免水分淋湿镜头，从而保证图像清晰。每推入1 m，应该停留5秒钟，然后轻轻旋转窥视镜，以便全面观察钻孔内壁的光滑情况。当探头抵达底部切口处，应该以缓慢的速度沿着切槽位置，从不同角度仔细观查，以确保切口处是否形成一个完美的楔形结构。

   如果一个钻孔的质量低劣不合格，它的孔壁会变得粗糙，并具有螺旋状的纹路。这会导致封堵工具推入困难，不容易进行封堵，而质量优良的钻孔则能够轻松地将工具推入。此外，质量较差的钻孔的初期裂缝，其尖端不尖锐，尖端形成的应力达不到岩石的断裂韧度，导致无法将岩石致裂开。

（4）致裂参数确定

1）致裂高度：

如果发现煤层上方有难以冒落的厚层顶板，并且它下方的岩层在冒落后与难冒落顶板存在自由空间，就应该松动破碎或将它切割成适当的厚度，以便冒落后能够填满它下方的自由空间。

通过计算，可以得出垮落带的整体厚度，跨落碎胀后可以用来填补自由空间。对于缓斜、倾斜的煤层综放开采中，可以根据以下公式来计算出垮落带的高度：

在这个公式里，为采放有效高度，m（包括采煤高度M与放煤高度，采放比不得超过1：3，个别情况煤层很厚时，超出部分只能作为煤顶）；为采放总回采率；为垮落带岩层平均碎胀系数。

从地表开始，逐层累积新的、较薄的分层，当它们达到或超过时，此分层就成为垮落带的最上一层，从最底层到最上一层的厚度总和，就是实际的垮落带岩层的高度。

则老顶岩层进入裂隙带的判别公式为

式子中，表示从下到上的第层岩石的厚度m，表示从下到上的第一层岩石的分层厚度m，表示有下而上第层老顶分层厚度，m；为第层老顶及其附加岩层的岩石碎裂系数，表示直接顶部的厚度m，表示直接顶部岩层的岩石碎裂系数。

常见岩石碎胀系数见表6‑1。

表 1‑1 见岩石碎胀系数

2）致裂水压力

为了解决巷道上方老顶岩石层的问题，采用顶板高压定向水力致裂技术。对工作面两巷内，垂直巷道顶板钻孔，施工Φ45-48mm的钻孔，钻孔深度应以详细钻孔资料进行设计，在距钻孔两边设置控制孔。 从对钻孔周围的控制孔进行监测，以确保我们能够准确地测量出水力致裂的范围以及对顶部结构造成的影响。在岩体抗拉强度极限值的基础上，调整注入的水力压力，以保证定向致裂顶板的稳固性和安全性。定向致裂顶板所需的注水压力为：

其中：

岩体应力，大小取决于煤层的深度、开采历史、地质条件等因素，通常以自重应力来衡量；

—岩石极限抗拉强度。

鉴于岩石的非均质性，受到构造应力和其他外力的作用，无法准确预测导致裂缝的压力。通常来说，上述计算的压力值为近似值，当泵站的压力大于此值时，就会导致该区域的顶板开始破坏。

压力越大，越容易将岩层致裂，流量（流速）越大，致裂半径越大，裂纹扩展越快。对于流量的要求为不小于80 L/min。

3）致裂裂缝传播范围（致裂半径）的测定

岩石定向水力裂缝法的控制必须每次都适应现场条件，尤其重要的是测定裂缝和产生裂缝的平面的传播范围。检验裂缝传播最常用的方法是借助钻孔法。通过控制孔有无乳化液（水）流出判断致裂的范围，如果有液体从控制孔流出我们就可判断，致裂范围已达到此控制孔处。

其具体测量方法为：在远离回采影响的顺槽向垂直顶板层面向顶板施工钻孔，其中1个致裂孔，2个控制孔。先施工2个控制孔，然后施工致裂孔，施工深度至11m时，致裂孔时开始切割、致裂。倘若致裂半径可达到5 m，需要继续钻进，直至孔深度为13m，并重复此步骤，直至获得最佳（最大）的裂缝致裂半径。在Φ42~46mm的钻孔内，使用乳化液泵站注入高压水，随着岩石被制裂开，压力会逐渐减小，若下降5~10MPa，则说明顶部致裂已完成。在此之前，应该先观察观测孔内的高压液是否流出，或通过使用流量计来监控其变化，若流量不再增加，则说明致裂过程完成。根据实践经验证明，顶板水力致裂半径都能达到5m以上，因此，可确定沿工作面走向方向每隔10~15m实施一组水力致裂孔。

1.2 东九采区7192工作面顶板定向水力致裂方案及效果检验

（1）致裂高度

经过精确的计算，根据7192工作面的实际参数， 按，以及表1-1中的碎胀系数，确定出各顶板的分层碎胀高度，详情请参考表1-2。

表1‑2各顶板分层碎胀高度计算

通过这个结果，可以发现，老顶岩层已经进入了冒落带。根据计算，当冒落带岩层碎裂并充满了自由空间时，所需要的老顶岩层的破坏高度是

根据理论计算，工作面顶板的垮落带高度为

由于7192孤岛工作面的老顶中粒砂岩厚度达10.40 m，这一数值低于老顶岩层的破断高度，因此，对此老顶的中粒砂岩层进行致裂，可采取垂直致裂的方法，将其致裂高度调整至13.0m（巷道顶板至孔底），并将致裂位置定在砂岩老顶的中部。

（2）致裂方案

采用方案一，沿巷道的中部施工垂直于中粒砂岩的致裂孔，并在水平面上进行将老顶分层致裂，以此削弱老顶的厚度，以而减小老顶来压步距与强度，如图1-1所示。该方案致裂难度小，致裂效果较好。

图1-17192工作面顶板定向水力致裂方案一（水平致裂孔）

采用方案二：为了减小采空区的悬顶距离，弱化冲击震动源的影响。我们提出了一种新的解决方法。这种方法是使用倾斜的分层技术，将致裂孔偏向原本的实体煤60 °，并在一个断面上进行2个致裂孔的施工，钻孔深度15m左右，见图1-2。这样，就能够有效预防和减少冲击地压的发生。该方案理论上效果更佳，但实施较困难，对致裂效果可能有一定影响。

材料道侧顶板定向水力致裂钻孔走向剖面图

图1-27192孤岛工作面顶板定向水力致裂方案二（倾斜致裂孔）

徐庄煤矿根据7192工作面的实际情况，采用了方案一中的顶板定向水力致裂方案。方案实施后可有效的对工作面的老顶了进行了切割，减小了老顶厚度，成功的降低了顶板老顶来压的周期与强度，有效地减弱了后硬顶板所导致的工作面冲击危险。

（3）致裂水压力

7192工作面的最大埋深达到了500 m，而根据老顶岩层的抗拉强度，我们可以得出结论：当抗拉强度达到4MPa时，致裂压力将会达到P=21.45 MPa。

（4）工作面顶板定向水力致裂效果检验

7192工作面在其回采期间，根据设计的顶板定向水力致裂方案，在工作面两巷成功实施水力致裂孔27个，起到了良好的切顶效果，有效地降低了坚硬老顶对工作面回采期间造成的冲击危险。

图1-3（a）为7192工作面在7月10日工作面与东九采区下山连接区域发生动力显现事件前的震动波CT反演结果，结果表明动力显现区域的波速异常系数已达到0.5，处于高冲击危险状态。动力事件发生后，徐庄煤矿及时对工作面前方及动力显现区域进行顶板定向水力致裂、大直径钻孔卸压等卸压解危措施。根据图1-3（b），可以看出，采取了适当的卸压解危措施后，7192工作面与东九采区下山连接区域的波速异常系数显著降低，其值约0.1，局部区域甚至处于波速负异常，这表明该区域的应力集中程度已经得到了明显的缓解，而且顶板定向水力致裂卸压的效果也十分理想。

        （a）6.15-6.31 

（b）7.15-7.22

图1-3  7192工作面顶板定向水力致裂实施前后震动波CT反演结果

结论：通过7192孤岛工作面的现场应用，实现了初始裂缝的致裂目的，为现场的应用提供了宝贵的资料。现场应用时要综合考虑方案的合理性选择等因素，这些因素制约着致裂的效果。定向水力致裂技术在现场的应用还带有进一步的研究。

                                [参考文献]

[1]窦林名，何学秋.冲击地压防治理论与技术  [M].徐州：中国矿业大学出版社，2001.

[2]窦林名，刘贞堂，曹胜根，等，坚硬顶板对冲击矿压危险的影响分析  [J] ,煤矿开采，2003

[3]齐庆新，窦林名.冲击矿压理论与技术  [M].徐州：中国矿业大学出版社，2008