據(jù)不完全統(tǒng)計，我國80%以上的沖擊地壓事故都發(fā)生在具有厚層堅硬頂板的煤層巷道內(nèi)，該類沖擊地壓已成為我國煤炭深部開采階段沖擊地壓的主體類型。厚層堅硬頂板在采煤工作面回采過程中易形成大面積懸頂結(jié)構(gòu)，加劇采場局部圍巖的應(yīng)力集中程度，其突然斷裂更是瞬間釋放強烈動載，從而造成群死群傷的惡性沖擊地壓事故。尤其當厚層堅硬頂板距離開采煤層較遠時，采用井下常規(guī)的卸壓手段（如井下短孔水力壓裂、深孔爆破等）難以實現(xiàn)對該類頂板的弱化卸壓。為有效降低開采期間厚層堅硬頂板的懸頂面積和來壓強度，從根本上消除下方煤層開采期間面臨的嚴重沖擊地壓隱患，中煤科工開采研究院有限公司（原天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部）采礦技術(shù)研究所創(chuàng)新性的提出了地面壓裂厚層堅硬頂板源頭治理沖擊地壓的新技術(shù)。

1. 技術(shù)簡介

地面壓裂采用水平井體積壓裂技術(shù)從地面打鉆至煤層上方高位厚層堅硬巖層位置實施壓裂，通過壓裂降低厚層堅硬巖層的強度和完整性，減弱高位厚層堅硬巖層突然失穩(wěn)斷裂時對采場圍巖形成強烈的動載擾動，降低煤層開采期間的應(yīng)力集中程度，使煤體應(yīng)力始終處于沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力之下，從而實現(xiàn)對沖擊地壓的有效控制。該技術(shù)可以對距煤層上方50m以上、厚度大于30m的厚層堅硬頂板實施壓裂半徑不小于100m、走向長度1000m左右的大范圍水力預(yù)裂，是解決此類沖擊地壓問題的有效途徑，符合沖擊地壓防治“區(qū)域先行”的原則，對我國沖擊地壓防治技術(shù)及理念進步具有重要意義，具有顯著的社會經(jīng)濟效益。

（a）壓裂剖面圖

（b）壓裂平面圖

地面壓裂示意圖

（a）未弱化頂板前

（b）弱化頂板后

地面壓裂區(qū)域卸壓原理圖

2. 關(guān)鍵技術(shù)

(1)沖擊致災(zāi)主控巖層判別技術(shù)

沖擊致災(zāi)主控巖層具有厚度大、完整性好，在煤層開采后具有難以垮落的特征。采用煤層開采的主控關(guān)鍵層及能量傳遞響應(yīng)分析、微震監(jiān)測的主控巖層分析等方法綜合確定煤層上方的沖擊地壓致災(zāi)主控巖層。

主控關(guān)鍵層及能量傳遞響應(yīng)示意圖

井上下聯(lián)合微震監(jiān)測臺站布置示意圖

基于上下聯(lián)合微震監(jiān)測的主控巖層判別

(2)水平井鉆井及分段壓裂技術(shù)

采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和實鉆軌跡控制等關(guān)鍵技術(shù)在特定的靶點依次完成水平井垂直段、造斜段和水平段三段井身的施工；裸眼井鉆達設(shè)計井深后，向井內(nèi)下入套管，并向井眼和套管之間的環(huán)形空間注入水泥，保護和支撐井身套管，封隔油、氣、水等地層；下套管固井后，利用射孔器射穿套管和水泥環(huán)，溝通壓裂巖層與井筒,為壓裂液壓入地層提供暢通的通道；射孔完畢，將連續(xù)油管與噴射工具聯(lián)接后深入井底，將封隔器坐封，通過連續(xù)油管以一定排量和壓力將壓裂液壓入目標巖層。本段壓裂完畢，拖動油管后退式重復(fù)壓裂剩余分段巖層。

水平井井身結(jié)構(gòu)示意圖

固井、射孔后水平井身截面圖

水平井分段壓裂示意圖

(3)區(qū)域卸壓效果檢驗與評價技術(shù)

壓中采用在微地震裂縫監(jiān)測技術(shù)，實時監(jiān)測壓裂井內(nèi)的微地震事件，評估壓裂液性能及裂縫擴展情況，指導(dǎo)壓裂施工；壓后采用井上下聯(lián)合微震監(jiān)測、支架監(jiān)測、地音監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測及震動波CT探測等技術(shù)對回采過程中礦壓與巖層活動進行實時監(jiān)測，評判回采期間壓裂的效果。

壓中采用微震監(jiān)測裂縫擴展示意圖

壓后回采期間采用微震監(jiān)測高位巖層活動示意圖

壓后回采期間采用地音監(jiān)測低位巖層活動示意圖

壓后回采期間采用震波CT探測煤巖體應(yīng)力示意圖

3. 壓裂效果評價

采用CDEM連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值模擬軟件，對比分析了厚層堅硬巖層在未壓裂和實施壓裂兩種條件下，工作面開采過程中的采場頂板巖層斷裂特征、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，結(jié)果表明，地面壓裂可以有效降低工作面回采期間厚層堅硬頂板引起的懸頂長度及應(yīng)力集中程度。

壓裂前后上覆巖層的破斷情況對比

壓裂前后工作面推進距離與煤體應(yīng)力的關(guān)系對比

壓裂前后煤柱應(yīng)力分布特征對比

4. 應(yīng)用條件與時機

• 應(yīng)用條件：煤層上方具有連續(xù)性、完整性較好的高位厚硬頂板（一般距離煤層上方50m以上，厚度大于30m），該巖層在煤層回采過程中不能及時垮落，是造成沖擊地壓發(fā)生的主控致災(zāi)巖層。

• 應(yīng)用時機:在工作面回采之前對沖擊致災(zāi)主控巖層實施壓裂，在工作面回采過程中利用礦山壓力使其周期性破斷。

5. 研究進展

(1)地面壓裂區(qū)域卸壓防沖技術(shù)方案順利通過可行性論證

2019年10月29日上午，天地科技股份有限公司邀請煤礦和石油領(lǐng)域的專家對《鄂爾多斯厚層頂板地面壓裂區(qū)域卸壓防沖技術(shù)》項目進行了可行性論證。與會專家對方案進行了細致深入的討論，一致認為采用地面壓裂技術(shù)處理高位厚層頂板技術(shù)是可行的。

專家組對地面壓裂防沖方案進行可行性論證

(2)申請了地面壓裂區(qū)域卸壓防沖技術(shù)的系列發(fā)明專利

目前，項目組已在地面壓裂區(qū)域卸壓治理沖擊地壓技術(shù)領(lǐng)域申請發(fā)明專利6項。

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