高压水致裂侏罗系巨厚砂岩对工作面顶板水文地质条件的影响研究

高压水致裂侏罗系巨厚砂岩对工作面顶板水文地质条件的影响研究

邹清胜

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摘要：我国现有的顶板水害防治理论与技术都是基于井田原始地层和含水层条件下的单一水害防治研究成果和生产实践总结。并未考虑高压水致裂工程对顶板水文地质条件的影响。本文主要分析高压水致裂侏罗系巨厚砂岩对工作面顶板水文地质条件的影响研究。

关键词：高压水致裂技术；侏罗系巨厚砂岩；工作面；顶板；水文地质条件

引言

高压水致裂技术是一种在地下岩层中应用高压水进行人工改造的技术，常用于油气田开发、煤矿通风与排水、地下水资源利用等领域。在对侏罗系巨厚砂岩进行高压水致裂过程中，工作面顶板的水文地质条件对施工安全和效果影响巨大。因此，开展对工作面顶板水文地质条件影响的研究具有重要意义。

1、高压水致裂技术概述

高压水致裂技术是一种在岩石中注入高压水来产生裂缝并增加原有裂缝形态和尺寸的工程技术。该技术最早应用于石油和天然气勘探与开采，后来也广泛用于地下水开采、地热能开采和煤矿开采等领域。高压水致裂技术的主要原理是利用高压水的流动作用和荷载效应，对目标岩石施加高压，使其发生变形并产生裂缝，从而改善围岩条件，提高开采效率，减少安全事故。在实际应用中，高压水致裂技术通常包括以下几个步骤：首先，通过钻机在地下深部孔洞中注入水，并逐渐升压至一定压力；随后，当水压达到设定值时，岩石受到极限应力而发生破裂，形成初次裂缝；然后，继续注入高压水，扩展和延伸初次裂缝，形成复杂的裂缝网络；最后，停止注入水压并保持压力一段时间，让岩石内部的应力逐渐释放和平衡，从而稳定裂缝结构。高压水致裂技术的应用效果取决于多个因素，包括注入水的压力、注入水的量、岩石的物理力学性质、地下水文地质条件等。

2、工作面顶板水文地质条件的影响因素

工作面顶板的水文地质条件是指与矿井开采工作面直接相关的顶板岩层的水文地质特征，对工作面安全开采和顶板稳定性具有重要影响。岩石渗透性是影响水文地质条件首要因素之一。渗透性高的岩层容易渗漏地下水，导致工作面顶板水位上升，增加地下水压力，提高了顶板失稳的风险。岩石内部的孔隙结构直接影响岩石的渗透性和贮水性能。孔隙度大、孔隙连通性好的岩石，其地下水储集性能强，易形成水文地质条件敏感层。受季节性气候变化和矿井开采影响，地下水动态会发生变化。地下水位的波动、地下水流向的改变等都会对工作面顶板水文地质条件产生影响。岩层内的断裂带对水文地质条件有显著影响。断裂带可能导致地下水聚集或者局部岩体强度减弱，增加了顶板的垮落风险。地质构造的差异性也会导致顶板水文地质条件的变化。不同的构造单元在水文地质特征上可能存在明显差异，影响水文地质条件。矿井工作面附近的采空区也会影响顶板的水文地质条件。

3、高压水致裂技术对工作面顶板水文地质条件的影响优化措施

3.1合理施工参数

合理施工参数是指在进行高压水致裂技术施工时，根据具体的工作面顶板水文地质条件和实际情况，科学合理地选择注入水的压力、流量、温度、密度等参数，以确保施工效果最优化，减小对地下水文地质条件的干扰，同时保障工作面安全稳定开采的关键要素。针对不同矿层岩性特征和地下水情况，施工前应进行详细的勘察和评估。根据地形地貌、岩层结构、地下水位、渗透性等因素，确定合理的施工方案，并选择适当的施工参数。在勘察的基础上，需要充分了解目标层位的地质情况，包括孔隙度、裂隙发育程度、地应力状态等，从而为后续施工参数的选择提供依据。在确定施工参数时，需根据目标层位的脆性程度和裂缝产生能力进行适当分析。根据矿层裂缝的几何形态、走向倾角、尺寸等特征，选择合适的注水压力，以达到有效地扩展裂缝、改善矿层透水性和抗剪强度的效果，从而实现工作面的顶板控制和支护加固。在施工过程中需要根据地下水位和地下水压力的变化随时调整施工参数。当地下水水位波动较大或地形地貌复杂时，需要细致监测地下水动态变化，并根据实时数据灵活调整注水压力和流量，保持施工参数的稳定性，确保施工过程中不会对地下水文地质条件产生负面影响。合理施工参数的选择需要充分考虑工作面顶板的水文地质环境，依靠科学的勘察评估和实时监测反馈，综合考虑地质情况、工程要求和施工效果，精准调整施工参数，以确保高压水致裂技术能够有效改善地下水文地质条件，为工作面的安全稳定开采提供有力支持。

3.2监测与预警

通过建立完善的监测系统，实时监测地下水位、地下水压力等参数变化，以及结合现代信息技术手段对施工过程中的地下水动态进行监测和预警，可以有效预防地质灾害风险，并确保施工的安全可控。建立完善的监测系统是确保监测与预警工作有效开展的基础。监测系统应包括传感器、数据采集设备、数据传输通道和数据处理分析平台等组成部分，能够实现对地下水位、地下水压力、地震活动等参数的实时监测和记录。同时，监测系统需要具备稳定可靠的性能，能够适应复杂多变的地下水文地质条件，确保监测数据的准确性和可靠性。监测系统应结合现代信息技术手段，实现对监测数据的实时传输、存储和分析。通过物联网技术、云计算平台等技术手段，将监测数据及时传输到数据处理中心，进行数据分析、模型建立和预警规则设定。利用人工智能算法，可以对监测数据进行智能化分析，识别异常情况并自动触发预警机制，提高监测与预警的及时性和准确性。监测数据的分析结果需及时反馈给相关责任部门和从业人员，并制定应急处置方案和预案。一旦监测数据显示有地质灾害风险，如地下水突然涌出、地下水位快速上升等情况，应立即启动预警系统，采取相应的安全措施，避免事故的发生，确保施工人员生命财产安全。监测与预警是高压水致裂技术施工过程中的重要环节，能够帮助减小潜在的地质灾害风险，保障施工安全。

3.3综合防治

在综合防治中，工程措施起着至关重要的作用。包括但不限于加固支护、护坡防滑、隧道加固、坍塌堆积物清理等工程手段，可以直接减少地质灾害的发生风险，降低灾害导致的损失。例如，利用高压水致裂技术改善地下水文地质条件，加强地层控制，避免因深部岩层破裂而引发的地质灾害。生态修复在综合防治中也具有重要意义。通过植被恢复、植物栽培、水土保持等生态修复手段，可以加速地表植被恢复和土壤保持，减少自然降雨对地面造成的冲刷和侵蚀，减轻地质灾害的危害程度。监测预警系统是综合防治的重要组成部分。通过实时监测地下水位、地表位移、地震活动等数据，并结合现代信息技术手段进行分析处理，及时发出地质灾害预警，为相关部门和群众提供必要的信息，以便采取相应的防范和应急措施，最大程度地减少地质灾害带来的损失。综合防治还需要社会管理的有力参与。政府应加强对地质灾害防治工作的规划、组织、监督和管理，健全相关法律法规体系，提高公众对地质灾害防治的认识和应急处置能力，促进各类资源和信息的共享与互通，提升整体应对地质灾害的能力。

结束语

高压水致裂巨厚侏罗系砂岩，在压裂裂缝和导水裂隙共同作用下，侏罗系上、下段砂岩水和压裂水成为矿井充水水源，压裂裂缝成为新的矿井充水通道。压裂工程改变了顶板充水模式，使顶板充水条件更加复杂。

参考文献：

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