定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验
坚硬厚层基本顶定向水力压裂技术研究
图 ８ 岩体 定 向水压 致裂 液体压 力随 时问 变化
４ 试 验 结 论
荻褐 色 中砾 岩
① 同煤 集 团煤 层 顶 板 岩 性 为 砂 岩 ， 体 性 整
１９ ．
Ｏ６ ．
１５ ．
褐 色 砂 砾 岩
黑 色 粉砂 岩
黑色炭 质泥岩 ，中央高岭 质泥 岩
好， 度 ｆ 在 １ 硬 值 １一ｌ 水 压 力 在 ３ ６、 ０～４ ｂＰ ０ ｌａ时
５ ２ 搂 ９９
在 该 巷 打 ３ 个 孔 ， 个 孔 深 为 １ 观 测 一 ｍ（ １
孔 ）， 二 个 孔 深 为 ８ 开槽 孔 ） 第 一 个 开槽 孔 另 ｍ（ 。
艺 ｉ咎 ｊ
ｌ ２ ｎ３
的压 裂 试 验 ， 力 为 ３ ａ １ ｍｉ 压 力 下 降 压 ５ＭＰ ，０ ｎ后 到 ３ ＭＰ ， 箱 液 体 下 降 ２ ０ ｍ， 测孔 未 流 液 ， ０ ａ液 ５ｒ 观 ａ 在 开 槽 孔 的 附 近 ０—５ ｍ处 有 液 体 流 出 ， 析 原 因 分 该 孔 附 近存 在 裂 隙 而 导 致 。 决 定 往 巷 道 靠 里 ， 顶
鲍永生： 坚硬 厚 层 基 本 顶 定 向 水 力 压 裂 技 术 研 究
第 ３期
１ ｒｉ ， 未 压 裂 。 ０ ｎ均 ａ
从 电视钻孔看 ， 开槽基本 成 功 ， 成楔形 槽 ， 但
顶 端 不 成 角 ， 一 圆弧 形 。 为 初步分 析原 因 ： 于该 工作 面顶 板 坚 硬 ， 由 直 接顶 １ ３３厚 的 细 砂 岩 ， 值 在 １ １～１ １ １ ｆ ２左 右 （ 中 后 国矿 业 大 学 测 定 ｆ 为 ｌ ） 整 体 性 好 ， 致 未 压 值 ６ ， 导
煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用
煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用摘要：煤矿井下水力压裂技术是非常重要的，该技术主要是坚硬顶板弱化和高应力巷道围岩卸压。
针对煤矿水力压裂理论，结合国内的真三轴水力压裂试验，对压裂技术进行数据分析和研究。
另外，根据水力压裂技术的过程及在围岩控制过程中的数据探讨和分析。
关键词：煤矿水力压裂技术围岩控制水力压裂技术一直是煤矿井下的重要施工技术，尤其是在围岩控制方面起到非常重要的作用。
根据下面对水力压裂技术的分析以及相关应用的探索，同时涉及水力压裂技术的设备进行着重分析强调，可以让相关人员更能抓住该技术的使用重点。
除了围岩压裂的原理、参数，还需要对机具与施工工艺及压裂进行效果检测，还要根据岩体物理力学性质和岩体结构对施工方向和应力范围进行数据分析。
一、水力压裂技术及其理论研究水力压裂技术是从1950年研发出来的，直到现在，该技术已经逐渐发展和成熟，作为常规低渗油气增透技术，在很多领域深受欢迎，例如非常规油气开采、页岩油气开发、煤层气开发、地应力测量、地热资源开发、核废料处理、CO2封存等领域，具有广泛的工业价值。
本文也是针对煤矿井下领域的研究，水力压裂技术的应用效果主要体现在围岩控制和低渗透煤层的增透这两个领域。
主要是针对回采工作面坚硬难垮顶板控制、高应力巷道围岩卸压及冲击地压防治。
这种技术的实质是在钻孔中注高压水，在坚硬顶板中形成裂缝而弱化顶板，使其能及时垮落。
但在试验初期，由于对水力压裂技术缺乏深入的认识，施工机具也存在较大问题，致使该项技术在很长一段时间内没有得到推广应用。
水力压裂技术理论国内外的学者都曾在油气系统地面钻井压裂、煤炭行业中应用过程中进行深入的分析，但在该技术上仍有很大的分歧，在水力压裂效果上不尽如人意。
随着我国煤炭技术的发展以及煤炭行业的技术设施的配备，水力压裂技术也得到了大范围推广应用，促进了水力压裂技术理论的进一步研究。
二、水力压裂技术设备及压裂效果分析下面分析压裂机具与设备，我们以煤炭科学研究总院开采研究分院开发的水力压裂机具为例进行介绍。
顶板水力压裂切顶卸压在动压巷道中的技术应用
245我国煤炭虽然储量丰富但赋存条件较为复杂，近四成的煤层存在坚硬顶板。
坚硬顶板是指煤层上方直接赋存或在厚度较薄的直接顶上方存在的坚硬岩层，其主要特点为硬度大、整体性好、分层厚度大等。
坚硬顶板的存在会对矿山的开采造成严重的影响。
由于坚硬顶板极难垮落，随着工作面的持续推进，巷道顶板形成大面积的悬顶，悬顶一旦垮落会产生一定的冲击载荷，造成采空区的瓦斯涌出，发生瓦斯爆炸事故。
镇城底矿综采工作面留巷巷道在强烈动压影响下出现顶板沉降明显、两帮收缩量和底鼓量显著增加、锚杆索发生破断等问题，巷道需要反复巷修才能维持正常使用，同时顺槽巷道悬顶现象明显，影响工作面安全回采。
为了解决巷道变形以及工作面上隅角悬顶问题，采用在煤柱侧顺槽巷道进行水力压裂的方式提前切顶，切落煤柱上方悬臂梁，剪断顶板岩梁应力的传递，减小巷道所受应力，消除悬顶现象，有效解决了动压影响留巷巷道大变形和悬顶问题。
1 矿井概况镇城底矿位于西山煤田西北处，井田面积约16.63km 2，年设计生产能力为190万t。
22305工作面开采的3#煤层平均厚度3.91m，平均倾角为4.6°； 煤层顶板以泥岩和砂质泥岩为主，局部含有软弱夹层，层理裂隙发育。
22305 综采工作面，煤层厚度 5.52 m，平均倾角 4°；走向长 1714.9 m、倾斜长 220.7 m，面积378470.7 m2。
工作面东部为相邻工作面采空区，西部为22301工作面采空区，北部无工作面，南部22302工作面采空区。
22305巷为一次使用顺槽巷道，巷道悬顶上隅角瓦斯聚集，影响工作面安全回采，22305 巷为留巷巷道，受工作面回采动压影响，巷道变形较大，影响正常使用22305 巷断面为矩形，宽×高=5.2 m×3.9 m。
2 工作面水力压裂设计方案2.1 水力压裂设备采用切槽钻头在岩层中预制横向切槽，切槽钻头外径为 54 mm，钻孔直径为 56 mm。
水力压裂技术在矿井坚硬顶板控制中的应用
299随着，矿井采掘深度的不断延伸，在开采顶板坚硬煤层时，由于顶板难垮落，易形成大面积的悬顶，而悬顶的存在使得巷道围岩变形研究，一旦悬顶无法承载覆岩重量发生垮落则会造成较大的冲击波，严重威胁矿井的安全生产，针对坚硬顶板我国常见的治理方法多为爆破切顶，通过在坚硬顶板中转孔爆破达到顶板的预裂效果。
水力压裂技术是一种通过高压注水从而达到预裂顶板的一种技术手段，较传统爆破切顶工作面顶板初次垮落步距与周期来压步距有所减小，且来压强度低，施工成本低等优点。
本文以霍宝干河矿2-216工作面为工程背景，对工作面顶板难垮落的问题进行分析研究，以保证工作面的安全回采，同时也为矿井地质条件相类似工作面的坚硬顶板治理提供参考与借鉴。
1 矿井概况霍宝干河矿位于临汾市洪洞县堤村乡干河村，井田面积35.56km 2，矿井生产能力为210Mt/a，霍宝干河矿2-216工作面位于+80水平一采区，平均埋深470 m，为倾向长壁式开采。
由于2-216工作面走向长度为560m，主采煤层为2#煤层，煤层平均厚度为3.75m，煤层的平均倾角为9°，煤层整体较为稳定。
工作面埋深较浅，顶板整体岩性坚硬，难垮落，易形成悬顶，为了保障工作面的安全开采，需要对工作面顶板进行治理，在经过充分考虑后选定采用水力压裂切顶技术。
2 数值模拟构建利用数值模拟对水力压裂参数进行研究，选用abaqus数值模拟软件进行模拟，考虑到坚硬顶板面积较大，在一定程度上可以简化为有限个小单元，所以模型建立为尺寸为20m×20m的正方体，在模型中间施加钻孔，钻孔的直径为50mm，对模型进行网格划分，在进行网格划分时，充分考虑模型的计算精度及计算时间，在模型靠近钻孔位置进行细划分，单元格尺寸为1cm×10cm，在距离钻孔较远段适当粗划分，单元格尺寸为0.2mm×0.2mm，完成模型网格划分后对模型进行物理参数设定，将模型整体物理参数设定为砂岩参数，在模型的钻孔内部设定注水点，对模型的边界条件进行设定，固定模型四边的位移，在模型的垂直方向施加最大水平主应力，在模型的水平方向施加最小水平主应力，固定最大水平主应力为8MPa，通过改变最小主应力以此来达到改变应力差，完成模型的建立。
坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用
坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用摘要：我国国土辽阔，有着丰富的能源储量，但能源分布呈现的整体趋势为多煤贫油少气，其中化石能源（煤炭资源）在我国能源主体中占据极其重要的地位。
我国煤炭资源虽然储量丰富，但整体赋存条件复杂，约有四成的煤层存在坚硬顶板问题。
坚硬顶板是指巷道顶板由坚硬岩性岩层组成，在矿井正常开采过程中，由于坚硬顶板的存在，使得巷道变形严重，同时对留煤柱开采的矿山，由于坚硬顶板的存在，造成留设煤柱宽度大幅度增加，严重浪费煤炭资源。
目前我国最常用的治理方法为切顶卸压，切顶的方法可分为爆破切顶、聚能切顶和水力压裂切顶三种。
此前众多的学者对爆破切顶及聚能切顶作过研究，对水力压裂切顶方案研究较少，因此本文对水力压裂进行研究。
关键词：坚硬顶板；水力压裂；卸压技术；应用；引言随着矿井的开采年限不断增加，覆存较为简单的煤层逐步减小，煤矿资源开采的重点逐步向着覆存条件较为复杂的煤层转化。
坚硬顶板是矿井开采目前面临的重要难题，我国约一半左右的煤层存在坚硬顶板问题，由于顶板岩性较为坚硬，使得采空区顶板极难垮落，并形成大面积的悬顶，大面积的悬顶一旦发生垮落极易造成层工作面冲击地压，同时为了保证巷道的稳定性，在留煤柱开采的巷道，大面积的悬顶使得煤柱留设宽度大幅增加，造成严重的资源浪费，在无煤柱开采的矿井，大面积的悬顶同样需要投入较大的资金来维护巷道的稳定性，所以对坚硬顶板的治理成为了一个热门的课题。
1水力压裂切顶机理水力压裂切顶卸压是指通过布置钻孔垂深为煤层到老顶岩层的距离、一定间距的钻孔切槽，在采空区侧上覆岩层预制切缝，钻孔注入高压水，采取“定点分层压裂”工艺，受高压水作用产生裂隙并控制裂纹在岩层中的扩展方向，在顶板形成一个“准破裂面”，同时破坏上覆岩层岩石的强度和完整性。
工作面回采时，采场发生周期来压，采空区顶板发生垮落，上覆岩层沿着预制的“准破裂面”断裂，即上覆岩层沿着切缝方向切断垮落岩层与回采巷道上方顶板的连接关系，减小回采巷道上覆岩层在采空区形成的悬顶距，从而减轻回采时超前支承压力对回采巷道的影响，降低回采巷道维护难度。
科技成果——煤层坚硬顶板水力致裂控制理论与成套技术
科技成果——煤层坚硬顶板水力致裂控制理论与成套技术适用范围坚硬顶板对井工开采带来了诸多围岩控制与安全问题。
我国坚硬顶板煤层储量丰富，开采深度逐渐加大，冲击地压和围岩大变形加剧。
煤层坚硬顶板水力致裂理论与成套技术为坚硬顶板控制、冲击地压、保护临空巷道、治理综放面坚硬顶煤冒放性与初采瓦斯等提供了新的解决思路和方法。
尤其在不适合爆破的高瓦斯矿井具有巨大的经济效益和社会效益，有着广阔的应用前景。
技术原理通过水力致裂改造顶板岩体结构，可控制采煤工作面顶板的冒落。
研制了4000kN真三轴水力致裂实验系统，揭示了煤岩体水力致裂的机理与裂缝扩展规律，掌握了层面等的影响规律，揭示了采动煤岩体水力致裂的时空关系。
提出了定向水力割缝致裂、多孔线性控制水力致裂等定向致裂方法，提出了后退分段式水力致裂、水力爆破致裂等增加裂缝数目与均匀致裂方法。
关键技术研制了成套煤矿井下顶板高压（60MPa）水力致裂装备，可基于锚索钻机的小孔径致裂。
形成了基于锚索钻机的采煤工作面端头悬顶小孔径水力致裂控制、工作面切眼及中部坚硬顶板水力致裂控制、坚硬顶煤顶板水力致裂控制综放面顶煤冒放性与治理初采阶段瓦斯、坚硬顶板水力致裂弱化控制强矿压显现与保护临空巷道等技术。
形成了坚硬顶板水力致裂在煤矿各方面应用的成套工艺技术。
技术流程本工艺技术主要包括钻孔（预制缝）、封孔、泵注致裂、装备拆卸等四个工艺单元。
主要技术指标（1）成套井下水力致裂装备的水压力≥60MPa；（2）致裂钻孔最小孔径达32mm，效率高、工程量小；（3）单水路高水压专用胶囊封孔器的效率高，能重复利用；（4）单孔控制范围30m以上，钻孔致裂封孔深度可达80m以上；（5）研制了专用测控仪。
典型案例波兰专家在大同试验坚硬顶板水力致裂多年一直未成功致裂开。
之后大同引入本成套技术与装备，一次性成功致裂开坚硬顶板，并成功的解决了坚硬顶板带来的综放面初采瓦斯超限、临空巷道冲击地压和大变形等问题，取得了突破性进展。
中兴矿1209运输巷水力压裂切顶卸压技术实践
６３０. ８ ｍꎬ工作面布置见图 １ꎮ 综采 １２０９ 工作面目
前正在回采ꎬ预计相对瓦斯涌出量为 ７. ８ ｍ ３ / ｔꎬ绝对
瓦斯涌出量为 ７. ６ ｍ ３ / ｍｉｎꎮ 工作面采用了沿空留
巷充填技术ꎬ实现无煤柱开采ꎬ提高资源回收率ꎬ延
收稿日期:２０２１
０１
０６
作者简介:闫树鹏(１９８６－) ꎬ男ꎬ山西平遥人ꎬ工程师ꎬ从事煤矿开采管理工作ꎮ
４１
２０２１ 年 ５ 月 闫树鹏:中兴矿 １２０９ 运输巷水力压裂切顶卸压技术实践 第 ３０ 卷第 ５ 期
压裂钻孔布置见图 ２ꎮ
孔ꎬ钻 孔 工 程 量 １ ２３０ ｍꎬ 试 验 ３４４ ｍꎬ 平 均 孔 深
２９ ｍꎬ最深孔为 ２１ 号孔ꎬ孔深 ４０ ｍꎻ最浅孔为 ４１ 号
孔ꎬ孔深 ２３ ｍꎮ １ 号孔于 ８ 月 ８ 日进入留巷ꎬ目前
１ ~ ２５ 号孔已进入留巷ꎬ１ 号孔已进入留巷 ２１１ ｍꎮ
水力压裂压力 １０ ~ ２６ ＭＰａꎬ平均 １８ ＭＰａꎬ其中靠钻
近量为 １ ０７０ ｍｍꎬ两帮收缩量为 １６０ ｍｍꎻ压裂段顶
底板最大移近量为 ６００ ｍｍꎬ两帮收缩量为 ３５ ｍｍꎻ
压裂段顶底板移近量为未压裂段的 ５６％ꎬ压裂段两
帮收缩量为未压裂段的 ２２％ꎮ
４. ２ 留墙收缩量监测数据结果分析
未压裂段与压裂段沿空留墙情况对比如图 ５ 所
示ꎬ通过未压裂段进入留巷后留墙变形情况与压裂
支架和过渡支架基本不放煤( 大致为头尾各 ４ 个支
架) ꎬ这样整个工作面顶煤损失量必然相当大ꎮ 为改
善这种局面ꎬ在增强工作面三角区的顶板安全性ꎬ保
坚硬顶板水力压裂技术及效果检验
第53卷第3期煤炭工程COAL ENGINEERINGVol. 53，No. 3doi ： 10.11799/ce 202103006坚硬顶板水力压裂技术及效果检验庞贵艮(神东煤炭集团有限责任公司保德煤矿，山西保德036600)摘要：为了揭示坚硬顶板水力压裂超前弱化治理效果，采用理论分析、数据监测、孔内瞬变 电磁现场实测等多种方法，对压裂效果进行了综合分析评价。
依据压裂前区域电阻率分布特征，运 用差值分析方法，以压裂后区域电阻变化值为基础，绘制了压裂纯电阻异常区域，展示了压裂裂隙 空间展布特征。
并在保德煤矿开展了工程应用，结果表明：压裂后测试区域电阻率明显增大，单次 压裂后，工作面切眼0~150m 范围压裂效果明显，探测分析结果与工作面初采期间顶板垮落及矿压 显现情况基本吻合，取得了良好的应用效果。
关键词：坚硬顶板；水力压裂；压裂效果；瞬变电磁法中图分类号：TD 327. 2文献标识码：A文章编号：1671-0959(2021)03-0027-04Hard roof hydraulic fracturing and the effect inspectionPANG Gui-gen(Baode Coal Mine, Shendong Coal Group Co. , Ltd. , Baode 036600, China)Abstract: In order to reveal the weakening effect of advance hydraulic fracturing of hard roof, a comprehensive analysis and evaluation of hydraulic fracturing effect is carried out using theoretical analysis, data monitoring, and in-situ measurement of in—hole CIS transient electromagnetic field. Based on the distribution of regional resistivity before fracturing and the variation of regional resistance after fracturing, the abnormal area of fracture pure resistance is drawn and the spatial distribution of fractures are displayed. The engineering application in Baode Coal Mine shows that the resistivity of the test area increases obviously after fracturing. After a single fracturing，the fracturing effect is obvious in the range of 0〜150m of the working face open-off cut. The detection and analysis results are basically consistent with the roof collapse and the behavior of the mine pressure during initial mining of the working face. Favorable application effect has been achieved.Keywords ： hard roof ； hydraulic fracturing ； fracturing effect ；长久以来煤矿坚硬顶板的治理以爆破为主、注 水弱化为辅，爆破法施工简单，但工程量大、污染 井下环境，且对于高瓦斯矿井，还存在安全隐患。
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Abstract：In view of the research situation and existing problems involved with the hard and stable roof control in coal mine， the test of directional hydraulic fracturing employed for the roof control is presented； the characteristics of hydraulic fracturing in the roof are obtained via the monitoring boreholes decorated on both sides of the fracturing borehole and the pressure record during hydraulic fracturing. The test results show that：(1) The transverse notch is introduced successfully in the roof by means of KZ54 drill and is capable of reducing the pressure required for crack breakdown during the directional hydraulic fracturing. (2) The inflatable straddle packer adopted for hole sealing ensures the stepwise fracturing in the hard strata， the stepwise fracturing can create multiple cracks in the roof，which ultimately weakens the hard strata. (3) The breakdown pressure and propagation pressure change in proportion to the depth of fracturing location；the crack can propagate to a large scope radius of 20 m approximately. (4) The pressure versus time curve is recorded and presents a variety of forms potentially related to the rock uniformity，permeability，geostress field and rock structure surface. (5) The rock strength is the main factor that controls the fracturing process when the values of geostress and rock tensile strength are nearly identical. Key words：mining engineering；hard and stable roof；directional hydraulic fracturing；crack propagation； underground test
Table 2 Geostress field parameters
H/m 140
h /MPa
4.65
N44.6° W
KZ54 型切槽钻头外径为 54 mm，钻孔直径为 58 mm，小于传统水力压裂及深孔预裂爆破钻孔直 径(王台铺煤矿深孔爆破钻孔直径为 89 mm)，从而 提升了在坚硬岩层中钻孔的速度。采用 KZ54 型切 槽钻头预制的横向切槽形状如图 3 所示。
TEST ON HARD AND STABLE ROOF CONTROL BY MEANS OF DIRECTIONAL HYDRAULIC FRACTURING IN COAL MINE
FENG Yanjun1 2，KANG Hongpu1
， ，2
(1. Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2. Coal Mining and Design Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)
3.5
1－钻头顶尖；2－钻头顶尖座；3－弹性圆柱销；4－切刀组；5－轴用 弹性挡圈；6－销轴；7－外套；8－主轴；9－平键；10－弹簧座；11－ 压缩弹簧
54 mm
地应力场是控制水力压裂裂纹扩展方向的主要
图2 地应力场参数
H/MPa
7.72
KZ54 型切槽钻头结构
Fig.2
Structure of KZ54 drill used for transverse notch
2
井下试验
• 1150 •
岩石力学与工程学报
2012 年
切槽钻头，在岩层坚硬段预制横向切槽，钻头结构
表1 Table 1
岩性 石灰岩
顶板岩石力学参数
0.26
Mechanical parameters of rock in the roof
t /MPa
9.32 E/GPa 69.98 KIC/(MPa·m1/2) 2.21
[4] [5-7] [3]
针对坚硬
难垮顶板展开了大量理论与试验研究，有力推动了 我国坚硬难垮顶板控制理论与技术的发展。 目前我国坚硬难垮顶板的控制基本是以爆破为 主，注水软化为辅的方法，然而该方法存在以下不 足
[3-4]
：
(1) 工程量和炸药量大、成本高、污染井下空 气； (2) 在高瓦斯矿井或煤层中应用爆破法控顶 时，需采取防止瓦斯或煤尘爆炸的措施； (3) 对于浅埋深情形，爆破控顶易对地面及周 边环境的安全构成一定威胁。如晋城王台铺煤矿， 采用超前深孔预裂爆破弱化工作面坚硬难垮顶板 时，爆破产生的震动对地面村庄产生明显影响，使 该矿无法正常生产，同时也造成了不良的社会影响。 水力压裂自提出以来，已应用于石油和天然气 2.1 试验地点与钻孔布置 试验地点选择晋煤集团王台铺煤矿 2307 工作 面，该工作面无直接顶，其老顶属于典型的强度高、 整体性强、自稳能力强的石灰岩顶板，顶板岩石的 力学参数见表 1。其中 c ， t ，E，， K IC 分别为 岩石的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、 泊松比和断裂韧度。
如图 2 所示。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
c /MPa
120
因素，2307 工作面地应力场参数见表 2。其中 H，
v ， H ， h ， 分别为岩层埋深、垂直主应力、
最大水平主应力、最小水平主应力和最大水平主应 力方向。应力符号采用压应力为正，拉应力为负。
表2
v /MPa
第 31 卷
第6期
冯彦军等：定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验
• 1149 •
工业、水利水电工程、地热资源开发、核废料储存、
1
引
言
地应力测量等领域，显示出广泛的工业应用价值。 K. Matsui 等[8]进行了定向水力压裂弱化坚硬顶板的 研究，并与爆破方法进行了比较，认为运用定向水 力压裂控顶的效果比较突出。 定向水力压裂作为经济有效的煤矿坚硬难垮顶 板控制技术，已在国外推广应用，可弥补爆破控顶 等技术的不足，实践证明是成功有效的[4]。国内已 经展开了定向水力压裂的相关研究：闫少宏等[9]论 述了水力压裂机制，认为在人工切槽处注入高压水， 可定向将坚硬老顶分层，从而降低顶板来压强度， 并通过试验验证了研究成果；邓广哲等[10]针对坚硬 煤体预裂存在的问题，进行了煤岩水压裂缝扩展行 为特性研究，建立了最大破坏压力与煤样裂缝扩展 变化过程的对应关系；黄炳香等[11]认为，煤岩体水 力压裂是通过水压使主裂缝扩展、翼型分支裂缝扩 展和吸水湿润作用，达到煤岩体结构改造、强度弱 化等工程需要，可应用于坚硬顶板控制、坚硬顶煤 弱化、局部集中应力解除等方面；黄炳香[12]结合水 力割缝和水力压裂的优势，提出在钻孔轴向或径向 预割出给定方向的裂缝，然后对预割裂缝进行水力 压裂的定向压裂技术。 可以看出，运用水力压裂弱化煤岩体的理论与 试验研究已经比较深入。然而，在定向水力压裂控 制煤矿坚硬难垮顶板的应用方面，尚无成熟的技术 工艺及完善的成套设备。 基于以上背景，本文选择具有典型坚硬难垮顶 板的晋煤集团王台铺煤矿进行定向水力压裂控顶试 验。实时监测了水力压裂过程，通过压裂过程中压 力及监测孔的变化，分析了坚硬难垮顶板的水力压 裂特点，以期为水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板提 供依据。
100013；2. 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013)
摘要：针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题，进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。 通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化，深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试 验结果表明：(1) KZ54 型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽，可有效降低裂缝破裂所需压力；(2) 采用跨式 膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂，压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝，从而有效弱化顶板；(3) 随着 压裂处与孔口距离的增大，裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大，裂缝的扩展半径最大可达 20 m；(4) 在压裂 过程中，由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化，压力–时间曲线呈现出多种形态； (5) 岩石抗拉强度与地应力值较为接近时，岩石强度对水力压裂有较大影响。 关键词：采矿工程；坚硬难垮顶板；定向水力压裂；裂缝扩展；井下试验 中图分类号：TD 32 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2012)06–1148–08