高 厚，陈卫忠，邢天海，郑有雷，贾晓东，程文武

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；2.中国科学院大学，北京 100049；3.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061；4.兖州煤业股份有限公司 济三煤矿，山东 济宁 272000)

水力致裂技术最早应用在石油工程领域，以提高贫油井的产量，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[1]。水力致裂技术的实质是在一段封闭的钻孔内注入高压水，使孔壁附近产生大量裂纹，使岩体中原有裂纹张开和扩展[2]。根据弹塑性理论，水力致裂裂缝能否形成以及裂缝扩展方向取决于钻孔周围应力场和岩体强度。为了降低裂缝形成难度以及控制裂缝扩展方向，产生了定向水力致裂技术，其可以提前在岩体中形成定向裂缝。在煤炭开采领域，定向水力致裂技术已成为处理煤层坚硬顶板和防治冲击地压的手段之一[3-9]。随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加，矿井冲击地压灾害日益加剧，严重威胁着井下人员及设备的安全[10，11]，而定向水力致裂技术可以改变煤岩体的应力状态，从而预防冲击地压的发生。

水力致裂技术破坏了钻孔周边岩体的整体性，改变了围岩的力学性质，导致了围岩应力重分布。付军辉等[12]采用数值模拟软件，研究了煤层水力致裂对采场矿压的应力扰动过程。杨帆[13]利用物理模拟实验，研究了水力致裂过程中裂缝周边的应力及其梯度变化规律。康红普等[14]采用定向水力致裂对工作面顶板进行弱化处理，监测了水力致裂前后钻孔附近煤层应力的变化以及在工作面推进过程中前方煤层应力的变化，研究了应力演化规律。但是，由于顶板岩层三向应力现场测试流程较为复杂，目前关于水力致裂前后顶板岩层三向应力变化的研究较少，水力致裂技术对顶板卸压的效果缺少现场试验验证。因此，本研究依托济宁三号煤矿73下06工作面，现场开展了煤层顶板定向水力致裂试验，采用光纤光栅三向应力传感器监测了水力致裂前后顶板岩层三向应力，得到了岩层三向应力的变化规律。本文研究成果可为坚硬难垮顶板治理及冲击地压防治提供参考依据。

1 试验方案

1.1 试验采区概况

试验点选择在济宁三号煤矿73下06工作面。济三煤矿是兖州煤业股份有限公司骨干矿井之一，位于山东省济宁市，生产能力500万t/a，其在引进波兰定向水力装备的基础上，开发了适合自身条件的深孔定向水力致裂防冲技术[15]。73下06工作面位于济三煤矿七采区中部，是七采区3下煤层首采工作面，工作面长度为260m，推进长度为1805m，平均埋深为825.48m。工作面两回采巷道断面形状均为矩形，断面尺寸为：净宽×净高=4.8m×3.8m。工作面布置如图1所示。

图1 73下06工作面布置图

1.2 试验采区地质条件

3下煤层煤厚0～6.10m，平均3.66m。73下06工作面煤层顶底板特征见表1。从表1可以看出，73下06工作面直接顶平均厚度为5.75m，基本顶平均厚度为9.94m。直接顶普氏硬度为2～8，基本顶普氏强度为6～10，基本顶局部厚度较大且岩性坚硬。

表1 煤层顶底板状况表

1.3 定向水力致裂方案

根据工作面地质情况和现有施工条件，确定顶板岩层定向水力致裂钻孔布置如下：沿73下06辅助运输巷布置3个钻孔S1、S2和S3，钻孔直径为48mm，长度为15m，开孔高度为3.8m，水平投影垂直于煤壁，钻孔上仰60°。三个钻孔S1、S2和S3分别距离开切眼处1446m、1461m、1476m，致裂钻孔布置如图2所示。

图2 致裂钻孔布置图

1.4 定向水力致裂施工过程

在煤层顶板定向水力致裂现场试验中，致裂施工过程如下：

1)施工钻孔：按照致裂钻孔的布置参数，施工致裂钻孔。

2)切割预制裂缝：钻孔施工到15m之后，退出孔中所有钻杆，将钻头换成刀具，然后缓慢、匀速地向孔底运送刀具。在距离孔底0.5m时，改为低速推进并慢慢加快转速，待刀具到达孔底之后，开启供水冲孔并保持低压推进、高速旋转约2min进行切缝，在垂直于钻孔方向切出一个环形裂缝，环形裂缝距离孔底约10cm。

3)定向水力致裂煤层顶板：切割预制裂缝后，退出孔中钻杆和刀具，将高压水力致裂导管和封孔器传至12m孔深位置处，其封孔参数见表2。封孔器采用BIMBAR-4型，最大膨胀尺寸为52mm，大气状态下最大工作压力为30MPa，孔径为48mm时最大工作压力约为36MPa。随后，连接截止阀、压力表等控制和观测设备，开泵供液，注入高压水。注入高压水时，压力逐渐上升，使封孔器膨胀，防止高压水从钻孔流出。加压过程中，压力会突然下降，说明预制裂缝张开，此时要保压注水，使裂缝继续扩张。致裂过程中，高压管路中的压力变化如图3所示。从图3中可以看出，在前3min范围内，致裂压力急速上升；当致裂时长约为3min时，致裂压力达到最大值，为24～28MPa；随后，致裂压力迅速降低，表明裂缝开始张开并扩展；致裂约12min之后，致裂压力开始平稳变化，在11MPa上下波动；致裂时长为30min时，致裂过程结束。

4)退出孔中设备：致裂完成后，逐渐卸压至零，拆除钻孔内专用导管和封孔器。

表2 封孔参数表

图3 致裂压力变化曲线

2 监测方案的设定

2.1 监测原理

由岩体力学理论可知，煤层顶板处三向应力分为两个部分：原岩应力和扰动应力。原岩应力也称为初始应力，是煤层开采、水力致裂等人类工程活动发生之前就已经存在于岩体中的应力，主要由自重应力与构造应力组成，对于一个特定位置而言，其大小及方向均保持不变。扰动应力也可称为相对应力，是由采动活动、水力致裂等引起的应力，受开采方式、工作面位置、致裂工艺等因素的影响，其大小和方向均随着工程活动而不断变化。因此，顶板岩层三向真实应力σij可用下式表示：

岩体的失稳、变形及破坏等与岩体三向真实应力有着紧密联系，因此，监测岩体三向真实应力尤为重要。由式(1)可知，岩体三向真实应力监测可分为三步完成：第一步，测量岩体原岩应力；第二步，监测岩体扰动应力；最后，将两者进行叠加，计算岩体真实应力。

2.2 监测仪器

由于电阻应变片式传感器易受井下强电磁场干扰且长期稳定性不佳，因此监测仪器采用中国科学院武汉岩土力学研究所研发的光纤光栅三向应力传感器，其可以测量得到钻孔孔壁应变，由此计算得到岩体三向应力。

光纤光栅三向应力传感器安装过程简述如下：①在监测断面施工直径为130mm钻孔，钻孔深度不小于巷道半径3～5倍；②在大孔底部施工直径为38 mm小孔，小孔深度为30～50cm；③清洁小钻孔，安装传感器；④进行套芯应力解除，测量原岩应力；⑤继续施工直径为38mm小钻孔，深度为30～50cm；⑥再次安装传感器，不再进行应力解除，监测扰动应力。

2.3 监测断面布置

在73下06辅助运输巷布置一个监测断面，布置如下：在距开切眼1461m处，按照光纤光栅三向应力传感器安装过程，施工一个监测钻孔，监测钻孔布置如图4所示。首先进行应力解除测量原岩应力，然后再次安装传感器进行扰动应力监测，监测钻孔开孔高度为3m，水平投影垂直于煤壁，上仰30°，原岩应力测试深度为13.4m，扰动应力监测深度为13.8m。

图4 监测钻孔布置图

3 监测结果

3.1 原岩应力

在主坐标系下，测量得到的原岩应力见表3。从表3中可以看出，三个主应力均与水平面有一定的角度，说明顶板岩层受地质构造作用明显。

表3 主坐标系下的原岩应力

注：应力以压为正，方位角北起顺时针为正，倾角从水平面向上为正。

以73下06工作面为基础，建立工作面坐标系，如图5所示，其中z轴为竖直方向，x轴为水平方向，平行于开采方向，y轴由右手准则确定。在工作面坐标系下，原岩应力见表4。

图5 工作面坐标系

从表4中可以看出，水平应力较大，x、y轴两水平方向的侧压系数分别约为0.90、1.12。

表4 工作面坐标系下的原岩应力

注：正应力以压为正。

3.2 水力致裂后顶板岩层三向应力变化

按照施工方案，对煤层顶板进行定向水力致裂，分析致裂后的顶板岩层真实应力和扰动应力。

主坐标系下，监测断面处真实应力见表5。

表5 主坐标系下的真实应力

注：应力以压为正，方位角北起顺时针为正，倾角水平面向上为正。

从表5中可以看出，三个主应力依然均为压应力。对比表5和表3可以发现，水力致裂之后，监测断面处三个主应力分别降低了约20%、9%、11%，而主应力的方位角与倾角变化很小。水力致裂能够显著降低或者转移顶板岩层三向应力，对致裂部位具有良好的卸压效果。

工作面坐标系下，监测断面处真实应力见表6。从表6中可以看出，竖直方向正应力较大，x、y轴两水平方向的侧压系数分别约为0.93、0.90。

表6 工作面坐标系下的真实应力

注：正应力以压为正。

工作面坐标系下，监测断面处扰动应力见表7。从表7中可以看出，监测断面处x、y、z方向的正应力增量均为拉应力，x、y、z方向正应力分别减小了约6%、27%、9%，水平方向正应力减小程度明显大于竖直方向。

表7 工作面坐标系下的扰动应力

注：正应力以压为正。

由于预制裂缝为垂直于钻孔的环形裂缝，起始裂缝面为垂直于钻孔轴线的环形面；同时，由于三个致裂孔沿x方向布置，结合现场观测情况，推测最终致裂面的走向近似平行于x方向，倾角约为30°～40°。因为致裂面使岩层应力得到不同程度的释放或者转移，从表7中可以看出，各应力分量均有所减小；同时，因为致裂面近似平行于x方向且与水平面有一定夹角，致裂对x方向影响最小，x方向正应力降幅最小，而对y方向影响最大，y方向正应力降幅最大。

从上述结果可以看出，水力致裂可以使致裂部位处岩层应力显著降低或者转移，且各应力分量的降幅受致裂面方位的影响。

4 结 论

1)济宁三号煤矿73下06工作面顶板岩层中原岩应力三个主应力大小分别为31.79MPa、20.85MPa、16.57MPa，三个主应力均与水平面有一定的角度，顶板岩层受地质构造作用明显。

2)水力致裂之后，监测断面处顶板岩层三个主应力的方位角和倾角变化很小，而三个主应力均有所降低，最大降幅约为20%。水力致裂能够显著降低或者转移顶板岩层三向应力，对致裂部位具有良好的卸压效果。

3)水力致裂对顶板岩层各应力分量的影响程度不同，致裂部位处各应力分量的降幅受致裂面方位的影响。研究成果进一步验证了水力致裂的卸压效果，可为现场水力致裂钻布置提供参考，并为冲击地压防治研究提供重要依据。