深部厚硬顶板条件下地表L形水平井分段水力压裂卸压机理及控爆效果研究

《Scientific Reports》：Pressure-relief mechanism and strata-pressure response of surface L-shaped well hydraulic fracturing for thick hard roofs in deep extra-thick coal seams

　　

摘要

深部特厚煤层厚硬顶板岩爆灾害与高地应力、强岩层控制以及上覆关键层能量积聚密切相关。本研究以晓庄煤矿40,307工作面为工程实例，探讨了地表L形水平井分段水力压裂的卸压机理及岩层压力响应。研究综合采用地应力测试、关键层力学分析、UDEC数值模拟、微震监测和岩层压力观测等方法，揭示了厚硬关键层的结构弱化机理，并评价了水力压裂的控爆效果。结果表明：深部开采区域以高水平应力为主，促进了大跨度悬顶的形成，增加了应力集中和能量积聚的潜在风险。力学分析表明，地表L形井水力压裂可破坏厚硬关键层的完整性和连续承载能力，促使顶板破坏模式由大跨度整体破坏向小跨度分段破坏转变。数值模拟结果显示，压裂后上覆岩体卸压范围增大，周期来压步距由59~82 m缩短至21~40 m。现场监测证实，四口地表L形水平井在目标砂岩层中形成了连续裂隙网络，压裂后平均周期来压步距缩短至26.85 m。综合分析表明，地表L形井水力压裂将顶板破坏行为由延迟集中破坏转变为渐进破坏与能量释放，从而实现区域卸压和岩爆控制。本研究为高应力厚硬顶板条件下的深部煤矿岩爆防治提供了一种有效途径。