一种预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法与流程

本发明涉及一种预裂和软化火成岩坚硬顶板，保证工作面安全高效通过火成岩侵入区的方法，具体涉及一种提前钻孔、注高压酸溶液破裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，属于煤矿开采技术领域。

背景技术：

随着侏罗系煤碳资源的日益减少，石炭二叠系煤层的开采已逐步展开，并成为当下的主煤层。然而在该煤系地层地质条件复杂多变，其中火成岩侵入后形成的岩床及其对煤岩层性质的破坏成为制约煤层安全高效开采的很总要因素。火成岩的侵入，一方面使煤层硅化严重，损失大量优质煤，另一方面形成坚硬顶板，改变了煤层围岩性质和结构。

坚硬的火成岩顶板由于具有强度高、致密与完整性好、节理与裂隙发育不够、存在稳定性较高的夹石层等特征，导致在工作面回采过程中顶板不易垮落，尤其是在初次来压之前，顶板容易形成大面积悬顶，严重的甚至可能形成矿震。这不仅造成工作面漏风严重，易引起工作面瓦斯积聚以及采空区遗煤自燃等一系列问题，而且在大面积悬顶垮落时产生的强烈的冲击气流，易导致工作面出现如瓦斯突出等冲击灾害，严重威胁煤矿工人的人身安全以及生产设备的稳定运转，给煤矿安全生产带来严峻挑战。

然而，火成岩顶板在成的危害往往具有一定的突发性，给现场处理造成极大的困难，严重制约着安全高效生产。例如大同矿区开采石炭二叠系煤层群，该煤系地层可采煤层为山4号煤层，2号煤层，3号煤层，3-5号特厚煤层以及8号煤层。各煤层均不同程度受火成岩侵入，而3-5号特厚煤层的顶部受大面积层状火成岩侵入，形成大范围的火成岩坚硬顶板。特厚煤层本身采动范围大，再加上坚硬顶板的影响，往往会产生难以控制的顶板事故。

现有的处理坚硬顶板的方法主要有水压致裂软化顶板(中国专利CN 104790951 A公开了弱化距煤层100～350m高位坚硬顶板的方法及装置，中国专利CN 103527198 B公开了切眼坚硬顶板/顶煤水力致裂控制方法)和爆破预裂软化(中国专利CN 103206903 B公开了一种坚硬顶板定向承压爆破控制方法，中国专利CN 103278055 B公开了一种坚硬顶板深孔预裂爆破切顶卸压方法)。爆破预裂的方式管理复杂，涉及到炸药、雷管的管理运输，放炮要严格执行“一炮三检制”和“三人连锁放炮制”；爆破瞬时产生的大量CO等有害气体给矿井通风安全管理造成巨大影响，形成安全隐患；而且爆破经济成本较高。受现有技术及设备的限制，高压注水条件下设备要求条件高且存在一定的安全隐患，故坚硬顶板条件下的水压致裂弱化技术控制效果并不显著。此外，上述两类方法均在本煤层的开采过工程中实施，对于煤层的开采效率有极大的影响，并且处理顶板的过程极易出现顶板不可控的局面，对于工作面的安全 有极大威胁。若能通过一定方法，在开采具有坚硬顶板的煤层之前就将坚硬顶板予以预裂和软化，提前将坚硬顶板存在的潜在威胁排除，这样就能实现工作面的安全高效生产。而事实上，石炭二叠系3-5号特厚煤层上方30m范围内距存在两层主要可采煤层，分别为山4号煤层和2号煤层，而这两层煤的开采条件相对简单，并且距离下部火成岩坚硬顶板距离较近，这样就为提前预裂和软化下部火成岩坚硬顶板提供很好的实施条件。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，针对工程实际中在工作面直接实施顶板预裂存在影响工作面安全高效生产的问题，在开采上部近距离煤层的同时在其底板岩层(即下部煤层的顶板岩层)钻孔，并注入高压酸溶液，实现提前破裂和软化下部煤层坚硬顶板的目的，在避免坚硬顶板事故，充分保证工作面人员和设备安全的前提下，最大限度的提高工作面的生产效率。

本发明提供了一种预裂和软化火成岩坚硬顶板的方法，该方法在掌握上下煤层间距，层间岩层性质以及火成岩坚硬岩层的侵入状况(具体包括火成岩侵入层位和厚度)的前提下，在开采上部煤层的同时，通过在上部工作面底板钻孔，注入高压酸溶液，通过压裂酸化机组控制注入酸溶液的压力，一方面利用压力使坚硬火成岩岩层产生裂缝；另一方面利用酸溶液的化学反应作用进一步对坚硬的火成岩岩层进行软化，最终实现破裂和软化下煤层坚硬火成岩顶板的效果。

具体地说，上述方法包括以下步骤：

步骤一：通过地面钻孔取芯和物探(电法和磁法)的方法，确定采区煤岩层的性质和组成情况。通过实验室试验确定上下煤层间距及层间各岩层的物理力学性质及岩石学特性；

步骤二：根据上一步骤确定的上下煤层间距确定的钻孔的深度。根据坚硬火成岩的力学性质确定压裂泵提供的压力。根据火成岩的矿物组成及化学成分确定所用酸溶液的浓度；

步骤三：通过分析支架承受的极限强度与支架承受的实际强度比较，确定火成岩坚硬顶板的允许破断距，并依此确定钻孔间距；

步骤四：确定好钻孔间距后，实施钻工作业时，为保证良好的压裂效果，同时避免下煤层开采过程中出现切顶现象，钻孔需与垂直方向呈15°～45°角；

步骤五：按照上述步骤完成钻孔后，利用压裂酸化机组向钻孔内注入酸溶液并对钻孔进行压裂和软化；

步骤六：完整压裂和软化作业后，将钻孔中残余酸溶液进行回收；

步骤七：完成一次压裂后，随着上部煤层工作面推进到预先设定好的压裂距离时重复上述步骤，继续对火成岩坚硬顶板进行压裂。

上述方案中，钻孔深度为上下两层煤的层间距，钻孔直径为75～100mm。

上述方法中钻孔间距的确定可由如下公式确定：

$L_s\≤L_k(\sqrt{\frac{p_0}{m\mathrm{\γ}}}-1)$

式中：p₀为支架允许承受的极限强度；L_k为支架控顶距；m为作顶板厚度；γ为顶板岩石容重。

根据该公式计算所得火成岩坚硬顶板允许破断距即为钻孔间距；

上述方案中，确定采取煤岩层的性质和组成情况具体包括火成岩的侵入层位和厚度；层间岩层的物理力学性质包括火成岩的基本强度参数，主要有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度；岩石学特性主要包含火成岩的矿物组成及其含量，重点考虑碳酸盐类矿物的含量。

上述方案中压裂泵提供的压力主要根据火成岩的强度及其所处层位确定，该压力可有以下公式确定：

$p_b=\frac{3e_h-e_H+e_f-2{\mathrm{Zp}}_o}{1+O_c-2Z}$

其中：p_b为钻孔岩壁的破裂压力，MPa；

p_o为岩石的孔隙压力，MPa；

e_f为岩石的拉伸应力强度，即破裂应力，MPa；

e_h为地层最小水平主应力，MPa；

e_H为地层最大水平主应力，MPa；

Z为孔隙弹性常数；

O_c为岩石的触点孔隙度，％。

这些参数可通过实验室试验测得。

上述方案中酸溶液的浓度的确定需根据火成岩中所含碳酸盐类矿物的含量确定，而火成岩中碳酸盐类矿物的含量可通过X射线衍射(XRD)分析获得。酸盐反应的原理如下：

2H⁺+CO₃^-2＝H₂O+CO₂

上述方案中压裂酸化机组主要由压裂泵、数控系统、管路系统和压裂液储集装置组成。通过压裂泵将质量浓度为15％～28％的HCl溶液泵入钻孔中，设置好泵送压力，对火成岩坚硬顶板进行压裂，同时利用酸溶液与火成岩中所含的碳酸盐类矿物进行的反应软化火成岩。完成压裂后将钻孔中的酸溶液进行回收。

本发明的有益效果：

(1)与现有的向顶板钻孔预裂的技术相比，该方法为向底板钻孔，施工难度明显降低，可操作性更强；

(2)与深孔爆破的预裂顶板的方法相比，该方法可避免爆破预裂带来的隐患，例如遇到作业环境瓦斯含量高时，爆破具有的极大安全隐患；

(3)与现有煤矿中运用的水力压裂的方法相比，该方法运用酸溶液进行压裂，面对碳酸盐矿物成分含量较高的火成岩坚硬顶板而言，软化和预裂效果更加明显；

(4)该方法将物理租用破裂与化学作用软化很好的结合，能保证安全的前提下极大程度提处理坚硬顶板问题的效率。

附图说明

图1为预裂和软化火成岩坚硬顶板示意图。

图2为图1中A-A截面钻孔布置示意图。

图3为图1中B-B截面钻孔布置示意图。

图4为压裂、软化效果图。

图5为塔山矿井地层柱状图。

图中1为上部煤层，2为层间岩层，3为坚硬火成岩岩层，4为下部煤层，5为压裂机组，6为液压支架，7为钻孔，8为钻孔间距，9为钻孔角度，10为酸溶液，11为压裂裂缝。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

以大同矿石炭二叠系煤层为例，其可采煤层分布情况如表1所示，塔山矿井地层柱状图如图5所示。

表1大同矿区石炭二叠系可采煤层分布情况

结合表1与图5可知，塔山矿井石炭二叠系可采煤层为山₄号煤层和3-5号煤层，2号煤层受火成岩(煌斑岩)侵入严重，大部分不可采，3-5号特厚煤层顶部受层状煌斑岩侵入，侵入厚度最厚达到6m，山₄号煤层受煌斑岩侵入部分可采。其中，山₄号煤层与3-5号特厚煤层平均间距为26m。

针对下部特厚煤层存在层状火成岩坚硬顶板的问题，在上部山₄号煤层的长臂工作面利用钻孔预裂软化的方法采用长壁开采法开采上部山₄号煤层的同时，在液压支架前方向正下方进行钻孔，具体操作如下：

(1)在上部煤层1开采的同时，向下部煤层4的坚硬顶板布置钻孔7并注入酸溶液10；用80mm钻头钻至下部3-5#煤层上方的坚硬火成岩岩层3内，钻孔沿上部煤层工作面布置，钻孔角度9确定为15°。结合层间岩层性质及下部工作面液压支架6的支护强度利用以下公式确定钻孔间距8为：

$L_s\≤L_k(\sqrt{\frac{p_0}{m\mathrm{\γ}}}-1)=5(\sqrt{\frac{1500000}{6\×2700}}-1)\≈43m$

式中：支架允许承受的极限强度p₀为1.5MPa；支架控顶距L_k为5m；火成岩坚硬顶板厚度m为6m；坚硬火成岩顶板岩石容重γ为2700N/m³。

(2)通过压裂机组5控制泵入盐酸溶液的压力，直至高于地层岩石破裂压力或大于天然裂缝闭合压力；盐酸的质量分数为20％。

根据坚硬火成岩顶板的强度及其所处层位的地应力，泵入酸液的压力确定为15.5MPa。

岩石破裂压力由以下公式确定：

$p_b=\frac{3e_h-e_H+e_f-2{\mathrm{Zp}}_o}{1+O_c-2Z}$

$p_b=\frac{3e_h-e_H+e_f-2{\mathrm{Zp}}_o}{1+O_c-2Z}=\frac{3*9-12+8-2*0.035*12}{1+0.5-2*0.035}=\frac{22.16}{1.43}=15.5$

其中：p_b为钻孔岩壁的破裂压力，MPa；

p_o为岩石的孔隙压力，MPa；

e_f为岩石的拉伸应力强度，即破裂应力，MPa；

e_h为地层最小水平主应力，MPa；

e_H为地层最大水平主应力，MPa；

Z为孔隙弹性常数；

O_c为岩石的触点孔隙度，％。

根据塔山矿煤岩力学特性，确定岩石的孔隙压力p_o为12MPa，岩石的拉伸应力强度e_f为8MPa，地层最大水平主应力e_H和地层最小水平主应力e_h分别为12MPa和9MPa，岩石的触点孔隙度O_c取0.5，孔隙弹性常数Z取0.035，代入岩石破裂压力公式可得钻孔岩壁的破裂压力为15.5MPa。

(3)通过压裂和软化作用，使得坚硬火成岩顶板形成裂缝11后，静置8小时并回收钻孔中的酸溶液；

(4)待工作面向前推进一个钻孔间距的距离(43m)后，重复上述步骤。