煤岩体水力致裂弱化技术及其进展

２００７年４月第９卷第４期中国工程科学EngineeringScienceApr．２００７Vol畅９No畅４研究报告［收稿日期］　２００５－１２－２３；修回日期　２００６－０３－１２［基金项目］　教育部博士点基金项目（２００５０２９０５０３），中国矿业大学青年科研基金项目（２００５A００１）［作者简介］　黄炳香（１９７８－），男，湖北通城县人，中国矿业大学讲师，在职博士生，主要从事岩石力学与矿山压力方面的科研工作Tel：０５１６唱８２８４３２０６，E唱mail：huangbingxiang＠１６３畅com煤岩体水力致裂弱化技术及其进展黄炳香１，邓广哲２，刘长友１（１畅中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州　２２１００８；２畅西安科技大学能源学院，西安　７１００５４）［摘要］　针对煤矿开采中坚硬顶煤（板）冒落性差的问题，讨论了煤矿生产中由此产生的顶煤放出率、冲击矿压、自燃发火和瓦斯积聚等技术难题；分析了坚硬顶煤（板）水力致裂弱化技术的岩体水力致裂裂缝扩展行为规律、渗透压力对裂隙岩体宏细观结构的改造作用及其宏观力学响应，水压裂缝扩展形态控制技术，钻孔封孔技术和岩体水力致裂弱化的监测监控的研究现状和技术发展趋势。［关键词］　坚硬顶煤（板）；水力致裂；裂缝扩展；细观结构［中图分类号］TD８２３　　［文献标识码］A　　［文章编号］１００９－１７４２（２００７）０４－００８３－０６　　在放顶煤开采中，当煤层为坚硬厚煤层或者放顶煤工作面上覆岩层的矿山压力显现缓和（如条带综放工作面），矿山压力不能实现顶煤体充分的预破碎，达不到合适的破碎块度，顶煤体不能在支架上方及时冒落并顺利从支架后部放煤窗口放出，使得顶煤放出率低。我国西部的许多煤田属于高瓦斯坚硬厚煤层，采用爆破弱化顶煤的方法对于高瓦斯厚煤层因其存在安全隐患而不宜采用，这严重的阻碍了放顶煤开采技术的推广应用。借助于水力致裂基本概念，提出了将坚硬煤层水力致裂和放顶煤实践相结合的弱化途径［１］。同时国内外已经应用水力致裂技术控制坚硬顶板［２，３］；水力致裂弱化技术应用于控制冲击矿压国外已开始研究，但国内应用很少，且多停留在注水湿润软化的层次上。坚硬顶煤（板）水力致裂弱化技术在坚硬厚及特厚煤层特别是高瓦斯煤层的综放开采中被实践证明是成功有效的，在生产实践中获得了明显的技术经济和社会效益，具有重大的推广应用价值。１　坚硬厚煤层综放开采存在的问题放顶煤开采的前提是：顶煤必须在放煤口的上方，完全转化为松散介质，即可放出的块体，才能实现放顶煤。关于造成顶煤破碎的主要原因是：a．顶煤前方的支承压力；b．煤壁附近卸载运动和老顶来压的回转作用；c．控顶区支架与顶煤相互作用。坚硬厚煤层应用综放开采存在的灾害因素如图１所示。图1　坚硬厚煤层综放开采的灾害因素示意图Fig畅１　Disasterfactorsoffullymechanizedtopcoalcarvinginhardthickcoalseam１）顶煤冒放难的问题，即因矿山压力不能实现顶煤的充分破碎，导致上位顶煤不能及时冒落。未及时冒落的上位顶煤破断成大的岩块，形成岩体结构与顶板一起构成覆岩的宏观结构；中下位顶煤的破碎块度大，散体顶煤体流动至放煤口时形成结构或堵住放煤口使得放煤终止。２）因顶煤坚硬，顶煤破断线滞后，出现悬顶，当顶煤（板）突然破断或破断后的大块运移时会对支架形成冲击压力，致使支架损坏严重，且工作面常有压死支架现象出现。３）因顶煤的放出率较低，采空区的浮煤和遗煤多，采空区容易自燃发火。４）因上位顶煤的不垮落，并形成结构，使得放煤后原先的放煤空间形成空腔，成为瓦斯的积聚空间；当上位顶煤和顶板滑落失稳时，岩块间的摩擦容易产生火花引爆瓦斯，存在瓦斯爆炸隐患。为了改善坚硬厚煤层特别是高瓦斯坚硬特厚煤层综放开采顶煤的冒放性和安全性，很迫切需要寻找一种安全高效的技术措施来处理顶煤的冒放性、煤体自燃和瓦斯积聚的问题。２　水力致裂弱化技术原理岩（煤）体水力致裂弱化技术的原理是利用钻孔水压力的作用，改变孔边岩体的应力状态，导致孔边起裂和裂缝扩展（图２），进而利用裂隙水压力（图３），控制水压裂缝的扩展，弱化岩体的整体力学特性（图４）；同时改变了岩体的渗透性能，使岩体充分吸水湿润，进一步软化岩体。其关键在于控制钻孔水压裂缝的起裂和扩展，掌握在水压力作用下岩体宏、细观结构改变的空间分布形态及其与岩体渗透性变化的关系。坚硬顶煤（板）水力致裂弱化技术是采用顶煤（板）水力致裂预先弱化的方法破坏煤体的宏、细观结构，通过压裂和软化作用弱化煤体的强度，进而依靠矿山压力的破岩作用，达到提高顶煤（板）冒落性的要求。水力致裂技术的原理和方法不同于传统的煤层注水方法。从软化效果和安全角度考虑，水力致裂具有明显优势。对坚硬煤层综放工作面顶煤进行超前水力致裂和动压注水预先弱化后，顶煤的运动、变形过程的基本规律没有实质改变，矿山压力对顶煤的破碎仍然具有极为重要的作用。水力致裂和注水只是完整顶煤预先形成裂隙带和结构构造改变的一个外加的预处理过程和破碎的诱导因素，其主要作用是通过降低顶煤的整体强度，形成水压破裂带，改善顶煤图2　煤质大试件水力致裂主裂缝扩展形态Fig畅２　Expandingconfigurationofhydraulicfracturemaincrackforbigcoalsample图3　水力致裂钻孔围岩水力等值线分布Fig畅３　Hydraulicisolinedistributionofsurroundingrockunderhydraulicfracture图4　裂隙水压力作用下岩体内裂隙的扩展Fig畅４　Crackexpandinginrockmassundercrackhydraulicpressure的整体结构和力学性质，为充分发挥矿山压力的作用将顶煤进一步破碎到能顺利放出所要求的程度创造必要的条件，而不是如同爆破要把顶煤直接破碎到接近放煤需要的程度。因此，对顶煤进行预先综合弱化必须根据综放工作面顶煤破碎过程的基本规律，系统分析水压破碎带、注水、矿压、支架反复支撑破煤作用的特点，以充分发挥矿山压力作用为中心，使水压破碎带、注水流量、矿压、支架反复支撑破煤作用相互配合和协调，从控制顶煤破碎程度和顶煤垮落角两个方面，使它们的破煤作用效果最佳，满足顶煤顺利放出的要求。４８中国工程科学第９卷３　水力致裂弱化技术的多功能效应裂隙岩体水力致裂弱化技术不同于以往的煤层注水减尘，除了弱化岩体强度、降低冲击矿压危害外，还有几个副产品，具有一举多得的功效，是一项煤矿“绿色开采”技术。3畅1　弱化顶煤体（岩体）通过水力裂缝弱化岩体的整体强度是采用水力致裂技术弱化坚硬顶煤和处理坚硬顶板的主要目的。水力致裂对岩体的弱化体现在两方面：１）是通过水压裂缝的破裂扩展，改造岩体的宏细观结构，弱化岩体的力学性能；２）是通过水对岩石的物理化学作用，降低岩石的力学性能。二者共同作用弱化岩体的整体力学性能。弱化坚硬顶煤可以改善顶煤的冒放性，减小顶煤破坏及运移对支架的冲击荷载；弱化顶板可以降低其整体强度，使顶板能及时垮落，减小顶板的冲击矿压危害，达到强度弱化减冲的目的。3畅2　减尘煤层注水减尘应用于煤矿开采已经是一项比较成熟的技术。在通过水力裂缝切割弱化煤体的同时提高了煤体的含水率，增强了煤体的湿润效果，且比传统意义上煤层注水减尘的湿润效果更好，会降低工作面生产过程中煤尘的发生量。如铜川矿务局玉华煤矿１４０７综放工作面在未注水前，测得工作面生产时前部溜子机尾煤尘高达５５０～６５０mg桙m３，平均为６００mg桙m３；注水后，测得工作面生产时前部溜子机尾煤尘为３２０～４００mg桙m３，平均为３６０mg桙m３。降尘率为４０％。3畅3　预先释放部分瓦斯随着水力致裂裂缝的破裂与扩展，及其与原生裂隙和钻孔的连通，使得裂隙附近煤体内部分游离态的瓦斯通过钻孔预先排放；同时煤内体瓦斯原始赋存压力和浓度的变化，使得部分吸附瓦斯也转变为游离态瓦斯。这样预致裂的结果一定程度上起到了预先排放瓦斯的作用，减少工作面瓦斯涌出量，有利于工作面的正常安全生产。如铜川矿务局玉华煤矿１４０７综放工作面在未注水前，统计工作面绝对瓦斯涌出量的平均值为３畅６５５m３桙min。在通风系统基本未变化的情况下，在注水后，统计工作面绝对瓦斯涌出量的平均值为２畅８６m３桙min，瓦斯浓度降低了２４畅６％。3畅4　抑制煤自然发火水具有吸热降温抑制煤炭氧化进程的作用，同时水对已经氧化自热升温的煤炭具有散热冷却的作用［４］，对综放开采采空区遗煤自燃具有抑制作用。研究表明［５］，在煤的自燃环境评判中煤的水份的重要度是煤自燃倾向性的０畅５倍。可见，水份对煤自燃有很大的影响。通过１１个易自燃厚煤层低位综放工作面顶煤水力致裂弱化的工业试验表明，工作面在开采过程中均未出现煤自燃发火现象。４　研究现状和技术发展趋势分析水力致裂技术最早应用在石油工程来提高贫油井的产量，目前被广泛应用于现代石油工业、地热资源开发、核废料储存等领域，显示出广泛的工业应用价值。借助于水力致裂基本概念，研究开发坚硬顶板水力致裂弱化技术作为解决煤矿开采坚硬顶板控制的关键技术之一。但岩体水压致裂问题的研究尚处于初始阶段［６］，许多基本的理论、工艺与技术装备等问题尚待深入研究。4畅1　岩体水力致裂裂缝扩展行为规律研究水压力参数是水力致裂的关键参数，直接影响弱化效果的好坏。对水压致裂使井壁破裂的最小压力较早就进行了研究［７］。对水压致裂必然在失稳压力开始的假设进行了纠正，划分了不同的临界压力［８］：破裂开始压力；失稳压力（或者称为崩溃压力），水压力达到失稳压力时裂纹将连续地扩展。破裂开始扩展后不一定立刻导致失稳，在破裂后压力增生是否稳定意味着破裂开始压力也许比失稳压力更小［９］。水力致裂裂缝扩展的水压力参数呈现阶段性特征，导致水压裂缝的扩展也呈现阶段性特征［１０，１１］，目前对水压裂缝扩展过程规律的研究较少。在实验研究方面，主要是采用大尺寸真三轴模拟试验系统模拟地层条件，进行地应力场控制下水力压裂裂缝扩展机理模拟实验［１１～１４］，讨论地应力、断裂韧性、节理和天然裂缝等因素对水压裂缝扩展老顶的影响，对岩体中封闭型裂隙扩展与地应力水平、水压作用的关系进行了宏观、细观实验分析。理论上建立了煤岩体水力压裂裂纹断裂扩展以及固液耦合作用的数学模型［１５，１６］。应用岩石损伤破裂过程渗流－应力耦合分析系统F唱RFPA２D软件，对水力压裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律５８第４期黄炳香等：煤岩体水力致裂弱化技术及其进展　及渗流－应力耦合机制的模拟分析，对比分析了不同围压、不同均质度等对岩石水压致裂过程的影响作用下，数值模拟结果和实验结果具有较好的一致性［１７］。工程岩体存在岩层面，岩层层面、岩层间地应力和弹性模量等材料力学性质差对裂缝扩展也有影响［１８，１９］。目前的水压致裂理论的基本假设是：岩石是脆性、线弹性、均质和各向同性及非渗透性的。岩石为非渗透性的基本含义为：裂隙中水压力在裂隙附近的岩体中极小的范围内就降到零，也就是裂隙附近岩体内的水力梯度趋近于无穷大［６］。但实际工程中的岩体具有孔隙结构，裂缝水压力并不能完全考虑为使裂缝扩展的张拉力。因此，必须深入的研究岩体水力致裂裂缝扩展的压力参数。目前虽然有学者提出采用水力梯度的概念讨论裂隙扩展时水压力对周围岩石的作用［１，６］，但未进行深入的研究。同时考虑裂纹尖端塑性区对水压裂缝扩展压力的影响需要进一步研究［１０］。4畅2　渗透压力对裂隙岩体宏细观结构的改造作用及其宏观力学响应近年来国内外有不少学者对裂隙岩体固液耦合进行了研究，大多集中对裂隙岩体渗流场与应力场耦合的应力状态分析方面进行了广泛的实验和理论研究［２０，２１］。主要工作有：a．对单一裂隙渗流应力耦合进行机理性研究，这方面主要是从试验入手，总结单一裂隙在应力作用下的理论模型，提出各种经验公式和间接公式；b．对裂隙岩体提出各种不同的渗流应力耦合模型；c．对裂隙岩体渗流场与应力场的进行理论分析和数值模拟，同时用于工程实践。目前对岩石在应力应变全过程中的渗透性进行了研究［２１］。考虑固液耦