孫利輝教授：強(qiáng)動(dòng)壓采場(chǎng)水力壓裂切頂護(hù)巷關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

深部開采常表現(xiàn)為“三高一擾動(dòng)”特征，特別是動(dòng)壓擾動(dòng)導(dǎo)致巷道大變形現(xiàn)象較為突出，使得服役期內(nèi)巷道需要多次返修加固，巷道維修成本高，并具有一定的安全隱患。水力壓裂技術(shù)可將煤巖體破裂形成破碎帶阻隔采動(dòng)應(yīng)力傳遞，使被保護(hù)巷道免受或減弱動(dòng)壓擾動(dòng)影響，保證巷道圍巖穩(wěn)定。壓裂參數(shù)是決定護(hù)巷效果的關(guān)鍵，必須根據(jù)具體的開采地質(zhì)條件設(shè)計(jì)合理的壓裂參數(shù)。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：52474128、52074100），“科技興蒙”重點(diǎn)專項(xiàng)（編號(hào)：2022EEDSKJXM009-1）資助下，河北工程大學(xué)孫利輝教授團(tuán)隊(duì)：針對(duì)深井工作面采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)周圍準(zhǔn)備巷道大變形問(wèn)題，通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，研究了工作面采動(dòng)應(yīng)力形成的力源結(jié)構(gòu)及傳遞規(guī)律，構(gòu)建了水力壓裂切頂卸壓短懸臂梁結(jié)構(gòu)模型，揭示了非壓裂和壓裂下覆巖頂板砌體梁結(jié)構(gòu)和短懸臂梁結(jié)構(gòu)的削弱采動(dòng)應(yīng)力的本質(zhì)規(guī)律，給出了工作面順槽內(nèi)超前水力預(yù)裂切頂卸壓關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。相關(guān)成果以《強(qiáng)動(dòng)壓采場(chǎng)水力壓裂切頂卸壓護(hù)巷關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究》為題已于《金屬礦山》雜志在線發(fā)表。

該項(xiàng)研究以錢家營(yíng)礦2120W工作面開采保護(hù)動(dòng)壓區(qū)內(nèi)與該工作面平行的多條準(zhǔn)備巷道為背景，構(gòu)建了工作面覆巖水力壓裂切頂卸壓短懸臂梁結(jié)構(gòu)模型，對(duì)比分析了卸壓短懸臂梁結(jié)構(gòu)和砌體梁結(jié)構(gòu)對(duì)隔離煤柱的壓縮作用，壓裂后煤柱應(yīng)力較不壓裂時(shí)降低49.32%。

（a）未切頂

（b）切頂后

基于關(guān)鍵層理論、斷裂力學(xué)等相關(guān)理論，確定壓裂垂高為13.1 m、鉆孔角度為60°、鉆孔間距為10 m、注入壓力為28 MPa。

鉆孔布置示意圖

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件利用UDEC建立長(zhǎng)×高為330 m×86 m數(shù)值模擬模型，對(duì)比分析工作面不壓裂、壓裂采空側(cè)煤柱邊緣上覆巖層（鉆孔角度為45°）、壓裂煤柱中深部上覆巖層（鉆孔角度為60°）、壓裂煤柱深部上覆部巖層（鉆孔角度為75°）等4種條件下工作面應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)演化規(guī)律及被保護(hù)巷道變形規(guī)律，確定最優(yōu)壓裂區(qū)域。

圍巖裂隙場(chǎng)分布規(guī)律

未水力壓裂時(shí)，工作面回采后頂板未能及時(shí)垮落，裂隙主要集中在煤柱和十一采專用回風(fēng)（新）上覆頂板。進(jìn)行水力壓裂切頂后，工作面回采時(shí)頂板可隨采空區(qū)及時(shí)垮落，避免長(zhǎng)距離懸頂。此時(shí)，煤柱上覆頂板裂隙發(fā)育程度大幅減小，十一采專用回風(fēng)（新）上覆頂板裂隙發(fā)育也有所降低，工作面底板裂隙發(fā)育程度較未壓裂時(shí)降低100%。

（a）未壓裂

（b）45°壓裂

（c）60°壓裂

（d）75°壓裂

裂隙場(chǎng)發(fā)育圖

未水力壓裂時(shí)，工作面?zhèn)认驊?yīng)力集中區(qū)距十一采專用回風(fēng)巷7.37m，應(yīng)力峰值36.7 MPa，集中系數(shù)2.45，巷道受到的應(yīng)力擾動(dòng)大。水力壓裂后，45°、60°、75°切頂時(shí)，煤柱應(yīng)力峰值分別為33.4、31.7、31.6 MPa，集中系數(shù)分別為2.23、2.11、2.10，峰值較未切頂時(shí)分別降低8.99%、13.62%、13.89%，應(yīng)力集中區(qū)均向采空區(qū)轉(zhuǎn)移。60°、75°切頂時(shí)煤柱應(yīng)力小于45°切頂，但75°切頂時(shí)靠近采空區(qū)側(cè)煤柱應(yīng)力集中，不利于工作面回采時(shí)頂板穩(wěn)定。綜上分析，60°切頂角度可有效降低應(yīng)力峰值，保障巷道穩(wěn)定與安全生產(chǎn)。

（a）未壓裂

（b）45°壓裂

（c）60°壓裂

（d）75°壓裂

垂直應(yīng)力模擬對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明：準(zhǔn)備巷道頂?shù)装逡平繛?7.13~140.36 mm，兩幫移近量為75.57~100.56 mm，巷道距工作面越近圍巖變形越大，反之越小。通過(guò)在2120回風(fēng)巷實(shí)施超前水力壓裂切頂卸壓，有效控制了巷道圍巖變形，巷道基本無(wú)需維修。

本項(xiàng)研究取得如下結(jié)論：

（1）建立了工作面超前預(yù)裂下覆巖短懸臂梁模型，推導(dǎo)出壓裂和非壓裂2種條件下覆巖作用于煤柱的載荷計(jì)算公式，分析表明壓裂后煤柱承受載荷較未壓裂時(shí)減小49.32%，隔離煤柱受采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)小，則被保護(hù)巷道越穩(wěn)定。

（2）研究了在隔離煤柱上方不同區(qū)域進(jìn)行壓裂時(shí)，圍巖應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)及巷道變形規(guī)律，結(jié)果表明，壓裂區(qū)域越靠近工作面，則應(yīng)力集中區(qū)更加靠近工作面采空區(qū)，巷道圍巖變形量也較小。綜合考慮，采用壓裂煤柱上覆巖層的中深部區(qū)域，壓裂后煤柱應(yīng)力集中峰值降低了13.62%、巷道變形量平均降低79.37%，煤柱及準(zhǔn)備巷道均得到有效保護(hù)。

（3）基于關(guān)鍵層理論，確定了煤層頂板上方的兩層細(xì)砂巖為亞關(guān)鍵層，判定壓裂鉆孔垂高為13.1 m，壓裂鉆孔間距為10 m，壓裂鉆孔傾角為60°。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了50個(gè)孔的壓裂，壓裂壓力為12~48 MPa；準(zhǔn)備巷道圍巖變形量均小于15 cm，巷道基本無(wú)需維修，能夠正常使用。

成果來(lái)源

驗(yàn)室主任。《金屬礦山》青年專家學(xué)術(shù)委員，《地質(zhì)與勘探》、《成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》青年編委，成都理工大學(xué)首屆優(yōu)秀研究生導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)成員，“自然資源部西藏主要成礦帶大型-特大型礦床勘查評(píng)價(jià)和研究科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”和“自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”骨干成員，主要從事青藏高原及周緣銅多金屬礦床的研究與找礦勘查工作，先后參與多個(gè)大型-超大型礦床的勘查評(píng)價(jià)，主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專題、四川省自然科學(xué)基金及各類橫向項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表文章70余篇，主編專著2部，參編教材2部

王夢(mèng)成，孫利輝，初風(fēng)蛟，等.強(qiáng)動(dòng)壓采場(chǎng)水力壓裂切頂護(hù)巷關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究[J/OL].金屬礦山,1-14[2025-04-23].

作者簡(jiǎn)介

驗(yàn)室主任。《金屬礦山》青年專家學(xué)術(shù)委員，《地質(zhì)與勘探》、《成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》青年編委，成都理工大學(xué)首屆優(yōu)秀研究生導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)成員，“自然資源部西藏主要成礦帶大型-特大型礦床勘查評(píng)價(jià)和研究科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”和“自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”骨干成員，主要從事青藏高原及周緣銅多金屬礦床的研究與找礦勘查工作，先后參與多個(gè)大型-超大型礦床的勘查評(píng)價(jià)，主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專題、四川省自然科學(xué)基金及各類橫向項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表文章70余篇，主編專著2部，參編教材2部

孫利輝

教授、博士、博士研究生導(dǎo)師。民革邯鄲市委委員，邯鄲市政協(xié)委員。主要從事深部巷道圍巖控制、沖擊地壓防治等方面的教學(xué)與科研工作。主持/參與國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目4項(xiàng)，主持省部級(jí)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)。獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)10項(xiàng)。出版專著3部，發(fā)表論文30余篇，獲國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)10項(xiàng)、實(shí)用新型專利授權(quán)15項(xiàng)。兼任中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)開采委員會(huì)委員，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)采礦巖石力學(xué)分會(huì)理事，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)露天開采與邊坡工程專業(yè)委員會(huì)委員，《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》青年編委。

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來(lái)源期刊）、中國(guó)百?gòu)?qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國(guó)科技信息研究所發(fā)布的《2024中國(guó)科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

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