坚硬顶板所引发的矿压显现一直是困扰煤矿安全高效开采的难题,随着煤炭开采向深部发展,这一问题日益突出,基于此,团队提出了地面钻孔水力压裂弱化高位坚硬顶板的技术。该技术借助水力压裂方法在坚硬顶板中形成众多裂缝,以达到弱化并处理坚硬顶板的目的。压裂液通常含有化学物质,明确化学作用下压裂裂缝面力学性质及其对坚硬顶板的影响,对于该技术的优化及坚硬顶板的处理具有重要意义。本文以同煤集团塔山矿采场上覆坚硬顶板为背景,基于“两酸三矿物”酸化模型,结合水化学溶液与岩石间的物化反应方式,利用岛津试验机和煤岩三轴流变试验机分析腐蚀作用下岩石裂缝面及其自身力学特性,并与未腐蚀岩石力学特性进行对比研究,为优化和完善地面钻孔水力压裂弱化和处理高位坚硬顶板技术提供理论依据与基础指导。取得的研究成果如下:(1)水化学溶液腐蚀过后砂岩的三轴抗压强度和抗剪强度均出现不同程度的减小,裂缝面粗糙度和孔隙度则逐渐变大,且随浸泡时间的增加,砂岩力学参数的损伤量呈增大的趋势。(2)开展了水化学溶液腐蚀过后的电镜扫描试验,得到了裂缝面微观结构变化。经过水化学溶液腐蚀后,砂岩试件裂缝面颗粒出现明显的脱落,表面粗糙度增大,且随着浓度增加,溶蚀孔逐渐变大。采用不同浓度水化学溶液进行腐蚀后基本可以看到溶蚀孔隙内的粘土矿物等充填物以及长石颗粒在裂缝面形成比较明显的酸蚀孔洞,使得孔隙之间的连通性得到明显改善。(3)通过引入损伤参数,定量描述了裂缝面粗糙度的变化规律。对扫描过后的数据进行整理,使用Rp为参数计算酸化后的粗糙度变化,结果表明随着浸泡浓度和浸泡时间的增加,裂缝面的粗糙度有逐渐增加的趋势,且在浓度是5%时的粗糙度变化最大。(4)开展了水化学腐蚀下砂岩试件的直剪试验,揭示了裂缝面抗剪强度的劣化规律。在不同试验条件情况下,经过水化学溶液浸泡过的砂岩试件随着水化学溶液浓度的增加,砂岩的峰值抗剪强度均呈下降趋势,且随着外部载荷的持续作用,试件达到峰值抗剪强度后,瞬间破坏。引入损伤参数定量描述腐蚀过后砂岩强度的劣化规律,经过试验回归分析得到损伤参数与孔隙度的关系式和酸化后的岩石抗剪强度与损伤参数的关系式。(5)利用GCTS岩石三轴试验系统,揭示了水化学腐蚀下砂岩三轴抗压强度的劣化规律。经过不同浓度水化学溶液浸泡后砂岩试件弹性模量均出现不同程度的下降,当浓度为1%时,不同时间浸泡后试件弹性模量均保持在50GPa以上,浸泡时间为30天和45天时,弹性模量下降不大,随着水化学溶液浓度的增加,弹性模量降低幅度增大,但随着水化学溶液浓度的增加,弹性模量的降低幅度逐渐减小。