高压注水控制坚硬顶板
A.巴内吉 A. K. 雷 G. 辛格 K. P. 亚达瓦
摘要引用高压注水压裂技术有助于坚硬顶板的冒落。这种高压注水压裂顶板技术已在印度东南煤炭公司恰恰矿的西10采区试用过。论述了在井下上覆岩中11个深斜孔采用高压注水实验的发现，讨论了在岩层中控制水流的参数和研发出来的参数计算公式。还列举了在试验的注水采区中所观察到的岩层性能。另外，还叙述了确认岩层构成可以应用注水技术的过程。这种技术的应用范围和局限性也在该文中进行了讨论。
1 概述
在印度的一些煤田中，经常在应冒落区遇到坚硬顶板。在长壁开采和房柱式开采中都会由于难冒落顶板问题而极大地影响生产效率和安全性，而且滞后冒落还导致支承应力增大、片帮、超越放顶线垮落，以及压垮支架等。成功的长壁和房柱式采煤取决于在应冒落区域内的岩层断裂垮落。
高压注水强制垮落法是有希望解决坚硬顶板冒落问题的方法之一。坚硬顶板处理方法已在中国、澳大利亚和其它国家试用过。这种高压注水压裂顶板技术已在印度东南煤炭公司恰恰矿的西10采区试用过。本文论述了在井下上覆岩中回收煤柱中11个深斜孔采用高压注水实验的发现。
1 注水系统
1．1 一般注水系统
在上覆岩层岩性相同时采用一般注水系统。用注水管向孔里注水泥浆，注浆深度通常为6～12m，该深度取决于直接顶可冒落的厚度。注浆深度应是注入的水能进入难冒落岩层中，在直接顶上，通过注浆管将水注入孔内。最初，岩层的强度非常大，因此注水的压力应大于岩石强度。由于是高压注水，通过已有的裂缝、空隙和夹层，新产生的裂缝和加宽的空隙会使岩层强度降低小，水就会在低压下流入岩石内。注水压力逐渐降低，直至保持稳定。
图1 控制注水系统（略）
1．2 控制注水系统
在上覆岩层岩性不同时采用控制注水系统。这种方法应在坚硬岩层位于高水平线时采用。采用填料将水注入坚硬岩层以形成裂缝和空隙，增加渗透性。一般注水系统应用于软岩层，以便加大空隙、改变上覆岩层的冒落性。
在采用一般注水系统时，有时会遇到某些岩层需要高压注水，这些岩层必须要通过控制注水系统来强制压裂，或采用爆破法或使用特殊钻头，以便多注入水。
2 注水法
2．1 超前注水
在长壁工作面采面长时，分别从上下两巷道向工作面中部钻注水孔。当长壁工作面短时，应从上巷道向下巷道钻注水孔。孔应朝向采空区（背向开采方向）。
在房柱式采面应从交叉点向上覆岩层沿着煤柱对角线打注水孔，一个煤柱打一个注水孔即可。
2．2 向采空区注水
采用这种方法时，根据工作面长度，在支架前与煤壁之间向上钻2个或4个垂直钻孔，深度为10～15m，用充填管密封。整个作业应在停工日或维修班进行。当工作面推进时，伸长高压管。在工作面推进到注水孔位于支架后1～2m时，用高压泵将大量的水打入孔内。另外，也可以在工作面中部从连接巷向采空区钻孔，上覆岩层作为前探梁或横梁以便在采空区上方产生大量的裂缝和空隙。由于高压和大量的水流的作用，顶板压裂，上部岩石沿着层面和节理面冒落。同样在房柱式开采中，向上朝着采空区方向钻孔，用充填管密封。当采空边缘靠近注水孔时，将水注入采空区上的岩层中。可以从煤柱向采空区打孔，这样不会影响回收煤柱和工作面设备的移动。
3 浸水试验
浸水试验的目的是为了量化在吸水时岩石降低多少强度。试验表明：岩石减弱程度主要取决于粘结物和岩石块的大小。粘土粘结的砂岩更易于注水软化。对从不同地点收集来的24个岩块进行了试验。煤系岩块的单轴抗压强度在它原来的干态强度的15.5%~79.2%之间变化。如果是粗砂岩、页岩夹层和砂岩，它们的强度会降低得多。在开始的3天内，所有地点收集来的岩块的强度降低了80%。
4 浸透试验
浸透试验取决于岩性和所存在的空隙、裂缝和其它间断性。有2种岩层浸透性——初期和二期浸透。初期浸透性取决于微小的空隙和裂缝，与岩层基质有关。二期浸透性取决于大空隙和裂缝，以及节理和它的性质，这样，二期浸透性就与岩体有关。在实验室里可以发现初期浸透性，但是发现不了二期浸透性，只有在现场试验中才行。从对砂岩进行的实验室初期浸透性试验中得出，浸透性为2.188微达西。对一块长度为58mm的岩样，需要大约1007磅/平方英寸的压力才能使渗透水流达到2.5x10 -5 L/min。现场试验中，压力仅为
0 69MPa时就可使水在岩体的流速达到68L/min。这表明：初期浸透性无关紧要，忽略岩体内的水流。二期浸透性是主要部分，决定了岩体中的水流。节理性如频率、孔隙、充填材料和粗糙度是影响岩石浸透性的主要参数，因此，应仔细研究何处可以应用注水技术。
图1 上覆岩体的岩性（略）
5 实例研究
在印度东南煤炭公司恰恰矿11西延伸采面进行了注水试验，钻了11个孔，直径54mm，长度65～70m，倾角25～30°。在3～5m时进行密封。初期注水压力保持在9 66~16 56MPa。注水时的水流保持在40~68L/min，持续4－9h。每个孔要注总计15000~32000L的水。
对钻孔的岩性（图1）进行了研究，并在实验室对钻芯进行了岩石力学试验。上覆岩不同岩体的RQD（岩石质量确定）值和垮落性指数如图2所示。煤层上部的砂岩样块的浸水试验结果如图4所示。
6 观察
6．1 注水时的压力－流量关系
开始时流速较低随后逐渐增大。新产生的空隙和裂缝破坏岩石的整体性，压力随之降低，并趋于稳定。孔中的水流如图4a和4b所示。
图2 上覆岩层的RQD和垮落指数（略）
图3 浸水试验（单轴抗压强度）（略）
观察包括注水的初期压力、稳定压力、稳定所需的时间、岩层中渗出水的位置和渗水程度。根据渗水区域和大小可将渗水程度分为低中高3种情况。
图4 压力与时间、流量与时间关系曲线（略）
稳压和注水孔渗水点最短距离的影响如图5所示。图6表示了3个最合适的回归曲线。这3个回归曲线表示了大、中、小3种不同的渗水程度。发现稳定压力随孔自由面距离的增大而增大。另外，它还表明了流量从低到高的增加程度，稳定压力也相应地增加。
6．2 其它发现
从实验中发现，相比较非注水区，注水区内顶板和底板之间的每日沉降和累计沉降是增长的。在采空区上覆岩层周期来压和老顶来压前，注水区内的总下沉量是增长的。
图5 稳定压力与注水孔渗水点最短距离的关系曲线（略）
与非注水区相比，注水区煤柱片帮减少了45.09%，这表明上覆岩顶板的垮落性有了很大改善。
从实验中还发现了一些裂缝和扩大的节理层以及空隙。在顶板附近地带也发现了渗透水。某些情况下，直接顶垮落30～45cm也说明了岩层的改善。
在注水区，记载了采空区周期来压冒落的渗水面积有1200m 2。
7 结论
高压注水处理坚硬顶板是个非常方便和安全的方法，但是软化效果决定于岩石的吸水性、岩石构成和岩体的间断性。
水流随着时间增大。初期的高压相应地降到稳定压力。稳定压力取决作用于对高压水流的岩层强力。
浸水岩石的强度降低主要取决于节理的平均尺寸、岩石的含水能力和岩石中的粘土含量。以述参数增大，岩石强度损失也会加大。
用高压将水注入岩石内，水通过空隙、裂缝和层理，扩大并加宽它们，同时还要产生新的空隙，以破坏岩体的整体性，降低岩石的强度。采煤后弱化的上覆岩经常垮落在采空区，形成采空区最小的悬顶。
只有在易于吸水的岩层才适合使用这种方法，包括岩脉、岩块大小和吸水性的岩性在决定岩石是否能注水弱化当中起着重要的作用。这些研究有助于预测高压注水强制冒落的效果。
这种方法在技术上是可行的，用在长壁和房柱开采中也是经济实用的。将来，该技术会在坚硬顶板管理当中发挥主要作用。