[0001] 本发明属于煤岩复合结构改性增裂技术领域，具体涉及一种煤系地层坚硬煤岩复合结构改性增裂系统及方法。

[0002] 煤矿坚硬顶板是指在煤层上方直接赋存或在厚度较薄的直接顶上方赋存有坚硬岩层，具有硬度大、整体性好、分层厚度大等特点。随着煤层的开采，坚硬顶板难以及时垮落，极易在采空区形成大面积悬顶，如图1所示。大范围悬顶及其突然破断易产生冲击荷载、顶板大面积来压，坚硬顶板弯曲破断引起的应力扰动易诱导发生冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害，严重影响煤矿井下安全生产。因此，在煤层开采过程中，及时对坚硬顶板进行处理尤为重要。

[0003] 目前矿井坚硬岩层常用的致裂方法有顶板爆破强制放顶法、水压致裂法、定向长钻孔协同压裂法、微波致裂法和二氧化碳致裂、液氮致裂法等。

[0004] 爆破放顶法是指通过爆破促使坚硬顶板预裂，从而提高采矿工作效率，该方法致裂效果好，但其需要结合矿区和岩石的物理和力学特性，进行深入的勘察和预测，合理选择成孔方式和装药方法，对技术要求较高，且对于高瓦斯矿井通过打眼放炮控制顶板存在一定的安全隐患，安全性差，容易对井下空气造成污染。

[0005] 水压致裂法是指在密封裸孔中注入压力水,使岩石发生张性破裂,该过程实际上就是岩石在水压作用下微裂纹萌生、扩展、贯通,直到最后宏观裂纹产生导致失稳破裂的过程，该方法成本较低，对井下生产环境影响小，同时可以避免爆破作业带来的危险性，但传统水压致裂方法在使用时具有一定局限性，水压致裂效果受顶板岩性影响，在遇到坚硬岩层时工作效率较低、致裂效果不理想，提高使用成本；高压注水法在注水排量受限时顶板弱化范围有限，且该方法需一定时间才能见效，容易影响生产进度。

[0006] 定向钻孔协同压裂法是在顶板岩层中施工密集的定向钻孔，通过大量密集钻孔破坏坚硬顶板完整性，在矿山压力作用下使顶板岩层沿钻孔布置方向垮落，从而避免大面积悬顶的产生，该方法可在一定程度上对坚硬顶板进行预裂，促进顶板垮落，但由于其钻孔数量多，导致工程量大，增加施工成本，且施工时会产生噪音与粉尘，劳动效率低。

[0007] 液氮致裂是一种新兴高效绿色致裂技术，氮气的化学性质稳定，不会与地层内部的矿物发生反应，但实际试验中发现，直接向钻孔中注入高压液氮的方式，虽可起到一定增透作用，但其致裂效果有限，岩体含水率低会造成致裂效果不理想，且在遇到坚硬完整岩层时，会降低其致裂效率，具有一定局限性。

[0047] 如图2至图3所示，本发明所述的一种煤系地层坚硬煤岩复合结构改性增裂系统，包括设置在伸入至增裂区域内的定向钻孔1内致裂器2以及设置在煤层巷道内且向致裂器2注入高压致裂剂的高压泵3和液压泵4，致裂器2包括依次连接的安装座5、外管6和致裂嘴7，外管6内设置有将管内腔分隔为水压腔9和液氮腔10的T形隔板8，安装座5上连接有用于连通水压腔9和高压泵3的注水管11、以及用于连通液氮腔10和液压泵4的注氮管12，致裂嘴7上设置有水压致裂嘴20、液氮致裂嘴21以及位于水压致裂嘴20和液氮致裂嘴21之间的混合致裂嘴22，T形隔板8的横向隔板伸入至致裂嘴7内，所述横向隔板的顶部与液氮致裂嘴21和混合致裂嘴22交汇位置处设置有第一定向阀门26，所述横向隔板的侧壁与液氮致裂嘴21交汇位置处设置有第二定向阀门24，所述横向隔板的顶部与水压致裂嘴20和混合致裂嘴22交汇位置处设置有第三定向阀门25，所述横向隔板的侧壁与水压致裂嘴20交汇位置处设置有第四定向阀门23，注氮管12与液氮腔10连通位置处设置有第五定向阀门14，注水管11与水压腔9连通位置处设置有第六定向阀门13，外管6与致裂嘴7连接位置处外壁安装有振动器19，外管6外侧套设有第一封隔器16和第二封隔器15，水压腔9对应的第一封隔器16和第二封隔器15之间的外管6上开设有水压致裂通道17，液氮腔10对应的第一封隔器16和第二封隔器15之间的外管6上开设有液氮致裂通道18。

[0048] 本实施例中，所述水压致裂通道17的数量为多个，多个水压致裂通道17沿外管6长度方向开设在水压腔9对应的第一封隔器16和第二封隔器15之间的外管6上，所述液氮致裂通道18的数量为多个，多个液氮致裂通道18沿外管6长度方向开设在液氮腔10对应的第一封隔器16和第二封隔器15之间的外管6上。

[0049] 本实施例中，还包括工控机、钻孔窥视仪以及安装在覆岩层内的微震设备和声发射仪，高压泵3和液压泵4由所述工控机控制。

[0050] 本实施例中，所述定向钻孔1中致裂嘴7、水压致裂通道17和液氮致裂通道18所在位置处具有割缝。

[0051] 需要说明的是，对不同深度处岩石进行压裂处理，以此切断应力传播路径、降低围岩应力、增加岩层通透性、控制坚硬顶板的垮落，有效防止围岩应力集中、大面积顶板垮落、瓦斯突出造成的安全隐患。坚硬上覆岩层改性增裂后，在采动应力作用下，使弱化后的坚硬顶板及时破断垮落。顶板破断后，支承压力水平整体降低，应力分布更加均匀；高频振动器有利于弱化岩体完整性，初始裂缝便于水压致裂实施，为水压致裂提供了良好工作环境，有助于降低岩体致裂成本，水压致裂使得预裂缝在水压作用下进一步拓展、延伸、贯通，形成大范围定向水压裂缝，从而实现初步改性增裂，液氮作用下可改原岩应力场温度，液氮冷冲击可弱化岩体强度，同时，水冰相变可加剧岩体损伤程度，强化水压致裂效果，实现进一步加剧顶板坚硬煤岩复合结构的改性增裂的目的；可配合矿井微震设备、钻孔窥视仪等监控手段，对改性致裂过程进行监测，以便于施工过程中根据监测反馈的信息可以对水压、液压等施工参数进行实时调整控制，在系统改性增裂完成后，采用钻孔窥视仪在本钻孔和相邻钻孔探测岩层改性增裂效果，进行改性增裂效果验证。

[0052] 如图4所示的一种煤系地层坚硬煤岩复合结构改性增裂方法，包括以下步骤：

[0053] 步骤一、确定煤层覆岩改性增裂区域位置：采集矿井地质材料以及岩层物理力学参数，分析现场微震设备和声发射仪探测数据，确定煤层覆岩改性增裂区域位置；

[0054] 步骤二、确定钻孔参数：根据矿井实际工况与采集数据，结合数值模拟实际工况确定钻孔参数，所述钻孔参数包括定向钻孔1的间距、孔径、角度和深度；

[0055] 步骤三、获得定向钻孔：使用钻机向顶板岩层打定向钻孔1，并通过钻杆转头在设计位置进行转动割缝，使岩体产生裂隙；

[0056] 步骤四、安装致裂器并封孔：将致裂器2设置在定向钻孔1的设计位置，使用封隔器对钻孔进行封孔，并将致裂器2与煤层巷道内的高压泵3和液压泵4连通；

[0057] 步骤五、计算岩层破裂压力并进行初次水压裂：根据公式P＝1.04×10‑6ρgh+2.34，3 ‑3
计算岩层破裂压力P，单位为MPa，其中，ρ为覆岩平均密度，单位为10kg·m ，g为重力加速度，h为埋深，单位为m；

[0058] 根据岩层破裂压力启动高压泵3向致裂器2提供高压水，并使得裂隙在定向高水压作用下进一步拓展，直至贯通，从而完成初次水压裂；

[0059] 同时启动振动器19辅助振动，以便于岩层损伤、裂缝的产生，振动器19的振动频率为顶板岩层固有频率；

[0060] 步骤六、液氮加强裂化岩体：水力压裂完成后，岩层含水率上升，有助于液氮裂化岩体，启动液压泵4向致裂器2提供高压液氮，注入的液氮压力不大于水压，液氮注入后煤岩体内部产生冷冲击、水冰相变冻胀力和液氮气化膨胀力，使煤岩体内部逐渐形成多孔隙结构，多孔隙之间相互贯通形成裂隙网络并最终改变煤体内部结构，使煤体孔隙变大，裂隙增多，从而进一步弱化坚硬岩体，加强裂化岩体；

[0061] 步骤七、判断是否达到煤系地层坚硬煤岩复合结构改性增裂效果：观察临近钻孔及顶板渗水情况，并结合微震设备、声发射仪和钻孔窥视仪监测结果，对煤系地层坚硬煤岩复合结构改性增裂效果开展评价，若致裂效果理想，煤系地层坚硬煤岩复合结构改性增裂结束；若致裂效果不理想，重复步骤五和步骤六，直至达到煤系地层坚硬煤岩复合结构改性增裂效果。

[0062] 本实施例中，步骤二中，定向钻孔1的间距为10m～30m；定向钻孔1的孔径为76mm、89mm或114mm；定向钻孔1的角度为30°～60°，定向钻孔1的深度D根据公式D＝L+S计算，其中，L为工作面采动影响范围，S为水压裂缝单翼扩展距离。

[0063] 本实施例中，步骤五中，启动高压泵3，开启第六定向阀门13和第四定向阀门23，关闭第三定向阀门25和水压致裂通道17，通过高压泵向水压腔9注水，此时高压水通过水压致裂嘴20输出对顶部岩体水压致裂，待顶部岩体水压致裂完毕，关闭第四定向阀门23，打开水压致裂通道17，此时高压水通过水压致裂通道17输出对侧部岩体进行分段水压致裂，水压致裂完成后，关闭高压泵3与第六定向阀门13；步骤六中，启动液压泵4，开启第五定向阀门14和第二定向阀门24，关闭第一定向阀门26和液氮致裂通道18，通过液压泵4向液氮腔10注氮，此时高压液氮通过液氮致裂嘴21输出对顶部岩体液氮致裂，待顶部岩体液氮致裂完毕，关闭第二定向阀门24，打开液氮致裂通道18，此时高压液氮通过液氮致裂通道18输出对侧部岩体进行分段液氮致裂，液氮致裂完成后，关闭液压泵4与第五定向阀门14。水压致裂后，岩层含水率上升，有助于液氮裂化岩体，因此在水压致裂后向钻孔内注入液氮，对岩石产生冷冲击和水晶相变，进一步弱化岩体，强化致裂效果；在岩体致裂过程中可配合微震监测仪对致裂过程进行实时监控，致裂完成后，可通过微震、钻孔窥视仪观测岩层致裂效果，进行多力物参量致裂效果评价，若致裂效果不理想，可再次进行水压、液氮循环致裂，直至达到致裂效果为止。

[0064] 本实施例中，步骤五与步骤六可同时进行，同时启动高压泵与液压泵，打开第一定向阀门26、第二定向阀门24、第三定向阀门25、第四定向阀门23、第五定向阀门14与第六定向阀门13，关闭水压致裂嘴20、液氮致裂嘴21、液氮致裂通道18和水压致裂通道17，此时水与液氮分别注入水压腔9和液氮腔10，此时水压、液氮从混合致裂嘴22输出对岩体进行水压、液氮混合致裂；混合致裂完成后，关闭高压泵、液压泵、第五定向阀门14与第六定向阀门13。

[0065] 本发明使用时，针对于不同工况，不同上覆岩层属性，本方法既可单独进行水压致裂或液氮致裂，也可以二者相互配合进行循环致裂，在致裂过程中可根据实际情况调整致裂顺序，也可两种方式相结合，通过水压、液氮混合的方式对不同深度顶板岩层进行致裂处理，以此来实现煤系地层坚硬煤岩复合结构原位改性增裂的目的。

[0066] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。