浅埋大断面煤矿巷道侧向厚硬顶板阵列钻孔定向压裂技术研究

《Scientific Reports》：Research and application of directional fracturing roof cutting for lateral thick and hard roofs in shallow-buried large-section roadways

　　

摘要

针对浅埋大断面巷道中侧向厚硬顶板引起的严重围岩行为灾害，提出了一种浅埋大断面煤矿巷道侧向厚硬顶板区定向压裂与顶板预割技术。采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的综合方法，研究了此类顶板区域定向压裂的关键技术。结果表明：与最小主应力方向相比，钻孔方向可作为相对薄弱面，能够引导裂缝起裂和扩展。阵列钻孔内部的流体压力削弱了原地应力场的主导作用，促进了相邻钻孔间的裂缝连通性，并在钻孔周围形成了垂直片状裂缝。提高注入速率和钻孔直径可以增强阵列钻孔的引导能力，并促进垂直裂缝扩展。当注入速率从0.12 m3/min增加到1.2 m3/min时，裂缝高度增加了310.83%；当钻孔直径从2 cm增加到8 cm时，裂缝高度增加了31.44%。然而，增加钻孔间距会削弱相邻钻孔内部流体压力的影响，导致钻孔间出现无裂缝区域，抑制连通裂缝的形成。提出了一种浅埋大断面巷道侧向厚硬顶板阵列钻孔定向压裂技术，参数如下：钻孔直径8 cm，钻孔长度50 cm，注入速率1.2 m3/min，钻孔间距20 cm。在曹家滩煤矿122105工作面进行了工业应用试验。采用微震监测、巷道断面扫描和锚杆/锚索应力测量对钻孔导向压裂效果进行监测和评估。结果表明，阵列钻孔导向压裂可以促进厚硬顶板的及时垮落，有效降低围岩行为强度，并减轻巷道变形。本研究可为浅埋大断面巷道侧向厚硬顶板相关严重围岩行为灾害的防治提供参考。