GB/T 25217.14-2020 冲击地压测定、监测与防治方法 第14部分：顶板水压致裂防治方法

　　ICS 73 . 010 D 04

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 25217 . 14—2020

　　冲击地压测定、监测与防治方法

　　第 14 部分：顶板水压致裂防治方法

　　Methodsfortest，monitoringandpreventionofrockburst—

　　part14：preventionmethodofroofhydraulicfracturing

　　2020-1 1-19 发布 2021-06-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 252 17 . 14—2020

　　前 言

　　GB/T 25217《冲击地压测定、监测与防治方法》分为 14 个部分：

　　— 第 1 部分：顶板岩层冲击倾向性分类及指数的测定方法;

　　— 第 2 部分：煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法;

　　— 第 3 部分：煤岩组合试件冲击倾向性分类及指数的测定方法;

　　— 第 4 部分：微震监测方法;

　　— 第 5 部分：地音监测方法;

　　— 第 6 部分：钻屑监测方法;

　　— 第 7 部分：采动应力监测方法;

　　— 第 8 部分：电磁辐射监测方法;

　　— 第 9 部分：煤层注水防治方法;

　　— 第 10 部分：煤层钻孔卸压防治方法;

　　— 第 11 部分：煤层卸载爆破防治方法;

　　— 第 12 部分：开采保护层防治方法;

　　— 第 13 部分：顶板深孔爆破防治方法;

　　— 第 14 部分：顶板水压致裂防治方法。

　　本部分为 GB/T 25217 的第 14 部分。

　　本部分按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本部分由中国煤炭工业协会提出并归口 。

　　本部分起草单位：中国矿业大学、煤炭科学技术研究院有限公司、兖矿集团有限公司、神华新疆能源有限责任公司、天地科技股份有限公司。

　　本部分主要起草人员：窦林名、贺虎、齐庆新、王富奇、曹安业、陈建强、赵善坤、杜涛涛、蔡武。

　　GB/T 252 17 . 14—2020

　　冲击地压测定、监测与防治方法

　　第 14 部分：顶板水压致裂防治方法

　　1 范围

　　GB/T 25217 的本部分规定了冲击地压顶板水压致裂防治方法的术语和定义、仪器与设备、顶板水压致裂条件、直接水压致裂方法、定向水压致裂方法、效果检验、安全要求。

　　本部分适用于冲击地压顶板水压致裂防治方法。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件。 凡是不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 23561 . 10—2010 煤和岩石物理力学性质测定方法 第 10 部分：煤和岩石抗拉强度测定方法

　　GB/T 25217 . 1—2010 冲击地压测定、监测与防治方法 第 1 部分：顶板岩层冲击倾向性分类及指数的测定方法

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　顶板水压致裂 roofhydraulicfracturing

　　在顶板岩层中注入高压液体，使顶板岩层产生新的或扩大原有裂隙，达到控制顶板断裂与能量释放的防冲技术。

　　3.2

　　直接水压致裂 directhydraulicfracturing

　　在顶板岩层中施工致裂孔，封孔后注入高压液，致裂顶板岩体，达到控制顶板断裂与能量释放的防冲技术。

　　3.3

　　定向水压致裂 directionalhydraulicfracturing

　　在顶板岩层中人为地切割一个定向预裂缝，然后注入高压液，将岩体沿定向预裂缝致裂，达到控制顶板断裂与能量释放的防冲技术。

　　3.4

　　定向预裂缝 directionalinitialcrack

　　在致裂钻孔中切割出的狭长切口，断面的形状与楔子类似。

　　3.5

　　割缝刀具 deviceforcarryingoutinitialcrack

　　能够完成定向预裂缝切割的钻具。

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　　3.6

　　封孔器 boreholesealing

　　安装在致裂孔中，用于对致裂段进行密封的装置。

　　3.7

　　致裂孔 fracturingborehole

　　实施致裂工作的钻孔。

　　3.8

　　检测孔 detectionborehole

　　在致裂孔附近施工的钻孔，用于窥视或观测致裂液体的流出，确定致裂扩展范围与效果。

　　4 仪器与设备

　　4 . 1 仪器设备

　　钻机、高压大流量泵、高压管路与控制阀、割缝刀具、封孔器、压力表(压力传感器)、钻孔窥视仪。

　　4 . 2 仪器技术指标

　　4 . 2 . 1 高压大流量泵的额定压力应大于理论计算出的致裂压力，计算公式参见附录 A,流量不应小于80 L/ min。

　　4 . 2 . 2 高压管路额定工作压力不应小于泵站额定压力的 1 . 5 倍 。

　　4 . 2 . 3 封孔器额定工作压力不应小于致裂压力的 1 . 1 倍 。

　　4 . 2 . 4 割缝刀具切割出的定向预裂缝直径不小于钻孔直径的 2 倍 。

　　5 顶板水压致裂条件

　　5 . 1 顶板水压致裂适用岩层

　　5 . 1 . 1 直接水压致裂与定向水压致裂适用于顶板岩层单层厚度大于 2 m 的硬质岩岩层。

　　5 . 1 . 2 定向水压致裂段岩层应为无显著裂隙、软弱夹层等的均一、完整岩层。

　　5 . 2 顶板水压致裂基础资料

　　5 . 2 . 1 致裂地点顶板岩层钻孔柱状图与岩层等厚线图应准备完备。

　　5 . 2 . 2 待压裂顶板应按照 GB/T 23561 . 10—2010 的规定进行抗拉强度测试。

　　5 . 2 . 3 待压裂顶板应按照 GB/T 25217 . 1—2010 的规定进行冲击倾向性测试。

　　5 . 2 . 4 联接管路应进行密封性能试验，试验压力不小于致裂压力。

　　5 . 3 顶板水压致裂适用条件

　　5.3. 1 受坚硬顶板影响的具有中等冲击危险及以上的区域，可实施顶板水压致裂，并超前工作面 150 m完成致裂工作。

　　5 . 3 . 2 工作面回采过程中监测顶板活动剧烈、冲击危险等级提高时，对监测异常区域范围内实施顶板水压致裂，实施期间停止工作面回采。

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　　6 直接水压致裂方法

　　6 . 1 方案设计

　　6 . 1 . 1 直接水压致裂的设计与实施应编制专门方案，内容包括施工地点地质情况与图纸、所需仪器设备、设计参数、施工方法、施工人员及单位、安全措施等。

　　6 . 1 . 2 直接水压致裂可对顶板进行水平分层致裂、倾斜致裂、水平分层与倾斜综合致裂，参见附录 B所示。

　　6 . 1 . 3 致裂孔间距不宜大于平均致裂直径的 0 . 8 倍 。

　　6 . 1 . 4 加压系统宜采用双回路加压，分别向封孔器和加压段施加压力。

　　6 . 2 工艺流程

　　6 . 2 . 1 施工致裂孔

　　致裂孔直径应大于封孔器外径、小于封孔器最大膨胀直径 2 mm 以上。钻孔壁不应出现螺纹与台

　　阶 。致裂孔完成后，使用钻孔窥视仪进行窥视，满足孔壁光滑要求后，进行下一步工作。

　　6 . 2 . 2 封隔压裂段

　　直接水压致裂宜采用双回路双端封孔方式，将两个封孔器串接并高压泵相连，对封孔器进行注液加压，使封孔器与致裂钻孔孔壁紧密接触，形成充水加压孔段。

　　6 . 2 . 3 注液压裂

　　所有管路连接安装牢靠后启动高压泵，管路连接参见附录 C。 向压裂段施加水压，按理论计算的致裂压力稳定升压，加压时应观察压力表的变化。 当压力出现明显下降时，可判断顶板被致裂。 如附近有检测孔，致裂液扩展至检测孔后即可停止加压。 如没有检测孔，压裂后继续加压，如压力下降后又升压，

　　需继续加压直到再下降时停止，加压时间一般不小于 10 min。

　　6 . 2 . 4 首次使用致裂半径确定与检验

　　在致裂孔附近施工检测孔，深度应大于致裂孔至少 1 m,角度应与致裂孔平行。观测检测孔中是否

　　有致裂液体流出，判断致裂半径大小。 应进行 3 次以上致裂试验，且每次致裂不应相互影响，一次致裂成功后，逐步增加检测孔与致裂孔之间的距离，裂隙不能扩展至检测孔后，可停止试验，以确定致裂半径范围，同时记录不同致裂半径下所需要的加压时间。

　　6 . 2 . 5 正常致裂期间效果检验

　　致裂完成后，当前一个致裂孔中有致裂液流出时，或超过设计半径处顶板锚杆、锚索渗出致裂液体，表明致裂效果良好。

　　6 . 2 . 6 施工工艺流程

　　直接水压致裂施工工艺流程见图 1 所示，致裂施工记录表参见附录 D。

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　　图 1 直接水压致裂施工工艺流程图

　　7 定向水压致裂方法

　　7 . 1 方案设计

　　7 . 1 . 1 定向水压致裂的设计与实施应编制专门方案，内容包括施工地点地质情况与图纸、所需仪器设备、设计参数、施工方法、施工人员及单位、安全措施等。

　　7 . 1 . 2 顶板定向水压致裂可对顶板进行水平分层致裂、倾斜致裂、水平分层与倾斜综合致裂，参见附录 B。

　　7 . 1 . 3 致裂孔间距不宜大于平均致裂直径的 0 . 8 倍 。

　　7 . 1 . 4 单孔多次致裂时应采用前进式致裂法，即从钻孔浅部向深部逐次压裂。

　　7 . 1 . 5 加压系统宜采用单回路加压，一道管路同时向封孔器和加压段施加压力。

　　7 . 2 定向水压致裂流程

　　7 . 2 . 1 施工致裂孔

　　致裂孔直径应大于封孔器外径、小于封孔器最大膨胀直径 2 mm 以上。钻孔壁不应出现螺纹与台

　　阶状。 致裂孔完成后，使用钻孔窥视仪进行窥视，满足孔壁光滑要求后，进行下一步工作。

　　7 . 2 . 2 施工定向预裂缝

　　致裂孔施工完成后，利用割缝刀具在钻孔底部切割定向预裂缝。 切割完成后使用钻孔窥视仪进行窥视，确定定向预裂缝符合要求后，进行下一步工作。

　　7 . 2 . 3 封孔与注液压裂

　　将高压管路与封孔器相连，将封孔器送入钻孔中，封孔器端头至定向预裂缝下部，管路连接参见附录 C。 查看确认所有管路连接安装牢靠后启动高压泵，按理论计算的致裂压力稳定升压，加压时应观察压力表变化。 当压力出现明显下降时，可判断顶板被致裂。 如附近有检测孔，致裂液扩展至检测孔后即可停止加压。 如没有检测孔，压裂后继续加压，如压力下降后又升压，应继续加压直到再下降时停止，加

　　压时间不宜不小于 10 min。

　　7 . 2 . 4 首次使用致裂半径确定与检验

　　在致裂孔附近施工检测孔，应大于致裂孔至少 1 m,角度应与致裂孔平行。观测检测孔中是否有致

　　裂液体流出，判断致裂半径大小。 应进行 3 次以上致裂试验，且每次致裂不应相互影响，一次致裂成功后，逐步增加检测孔与致裂孔之间的距离，裂隙不能扩展至检测孔后，可停止试验，以确定致裂半径范

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　　围，同时记录不同致裂半径下所需要的加压时间。

　　7 . 2 . 5 正常致裂期间效果检验

　　致裂完成后，当前一个致裂孔中有致裂液流出时，或超过设计半径处顶板锚杆、锚索渗出致裂液体，表明致裂效果良好。

　　7 . 2 . 6 施工工艺流程

　　定向水压致裂施工工艺流程见图 2 所示，致裂施工记录表参见附录 D。

　　图 2 定向水压致裂施工工艺流程图

　　8 效果检验

　　8 . 1 监测致裂区域顶板的垮落步距、来压强度与工作面工作阻力变化，当顶板运动强度减弱时，具有防冲效果。

　　8 . 2 利用煤体应力、电磁辐射、钻屑法、微震监测等方法，对致裂期间与区域进行冲击危险性监测，上述冲击危险指标降低时，具有防冲效果。

　　9 安全要求

　　9 . 1 高压管路应正确连接。

　　9 . 2 致裂孔外悬露的高压管应固定，防止封孔器失效时孔内高压管路在高压水作用下甩出。

　　9.3 液压控制设备应布置在距离致裂孔不小于 20 m 的地方。

　　9.4 在水压致裂过程中，除操作人员外，其他人员应远离水压致裂孔至少 50 m。

　　9 . 5 操作人员以及水压致裂过程的测量人员应位于支护条件良好的区域。

　　9 . 6 撤除期间不应站在钻孔的正下方施工，防止高压管路下滑伤人。

　　9 . 7 水压致裂过程结束后，应检查附近巷道内的锚杆锚索状态，排除可能存在的顶板离层垮落危险。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　水压致裂理论压力

　　A.1 直接水压致裂理论压力宜按公式(A. 1)计算：

　　狆1 =1.3(3σ3 - σ1 +犚t ) …………………………( A.1 )

　　式中：

　　狆1 — 直接水压致裂所需启动压力估算值，单位为兆帕(MPa) ;

　　σ1 — 致裂点最大主应力，单位为兆帕(MPa) ;

　　σ3 — 致裂点最小主应力，单位为兆帕(MPa) ;

　　犚t — 致裂点顶板岩层抗拉强度，单位为兆帕(MPa)。

　　A.2 定向水压致裂理论压力宜按公式(A. 2)计算：

　　狆2 =1.3(σ1 +犚t ) …………………………( A.2 )

　　式中：

　　狆2 — 定向水压致裂所需启动压力估算值，单位为兆帕(MPa) ;

　　σ1 — 致裂点最大主应力，单位为兆帕(MPa) ;

　　犚t — 致裂点顶板岩层抗拉强度，单位为兆帕(MPa)。

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　　附 录 B

　　(资料性附录)

　　顶板水压致裂方式示意图(工作面倾斜剖面)

　　B.1 顶板水平分层致裂示意图见图 B. 1 。

　　图 B.1 顶板水平分层致裂示意图

　　B.2 顶板倾斜致裂示意图见图 B. 2 。

　　图 B.2 顶板倾斜致裂示意图

　　B.3 顶板水平分层与倾斜综合致裂示意图见图 B. 3 。

　　图 B.3 顶板水平分层与倾综合斜致裂示意图

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　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　顶板水压致裂管路连接示意图

　　C.1 顶板水压致裂管路连接示意图见图 C.1 。

　　图 C.1 顶板水压致裂管路连接示意图

　　C.2 顶板定向水压致裂管路连接示意图见图 C.2 。

　　图 C.2 顶板定向水压致裂管路连接示意图

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　　附 录 D

　　(资料性附录)

　　顶板水压致裂、顶板定向水压致裂施工记录表

　　日期： 年 月 日 班次：

　　施工负责人： 记录人：

　　科室跟班负责人：