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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。
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。
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。
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。
2012.No4摘 要 利用定向水力压裂方法对煤层卸压，同时采用KBD5电磁辐射监测仪对实验结果进行了监测。
结果显示，实施定向水力压裂后，压裂孔径向周围10～20m范围内电磁辐射值较压裂前明显下降，出现了一个缷压区，地应力较压裂前有所减小；压裂孔径向再向外15m范围出现一个应力升高区，说明压裂孔周围煤体应力向外发生了移动。
后期验证孔施工显示，在媒体缷压区内，钻孔施工顺利，孔深均达到100m以上无异常，而在两侧的应力升高区，当钻孔打到24～30m处出现严重喷孔现象。
关键词 煤矿 定向水力压裂 冲击地压 卸压随着矿井开采深度加大，冲击地压和煤与瓦斯突出问题将愈加严重。
煤岩瓦斯动力灾害问题已成为制约矿井生产和可持续发展的突出问题。
因此，急需针对平顶山矿区煤与瓦斯突出机理及防突技术进行深入研究，以确保矿井安全生产。
冲击地压又称岩爆，是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。
它具有很大的破坏性，是煤矿重大灾害之一。
所以冲击地压的防治是煤矿安全生产的关键之一。
1 冲击地压的影响因素对平煤股份十矿微震监测资料、采矿地质条件及技术条件综合分析表明，该矿冲击地压发生的影响因素如下：（1）不利的采矿技术条件和开采深度的复合因素。
采掘扰动接近工业广场煤柱西缘、孤岛工作面、上部工作面切眼与遗留煤柱的重叠部位是引发矿震与冲击地压的主要因素。
随着开采深度增大，多煤组开采致使顶板复合沉降量增大，影响更明显。
在工作面开采推进到距工业广场保护煤柱西缘一定距离后，由于采空区顶板的沉降作用，拖曳上、下山煤柱区顶板也产生拉张作用。
（2）不利的采矿地质条件因素。
采掘活动接近较大型地质断层，而引发较强的能量释放。
国内外大量实践表明，冲击地压往往伴随着井下生产过程的某些工序（如爆破、冒顶、采煤等）而发生，这些因素虽为诱导因素，本身的能量可能很小，但其诱发冲击地压而释放的能量及其破坏性却很大。
