《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Hydraulic fracturing-based static rock burst prevention in thick and hard siltstone roofs: A multi-scale numerical and field investigation
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针对深煤矿厚硬顶板静态能量积聚引发的岩爆，提出地下超长分段水力压裂调控策略，通过耦合理论-数值-现场分析，揭示了水力压裂形成的压力释放带与高压水压带特征，证实应力比和钻孔间距主导裂缝连通性，优化压裂层位（<50m）有效调控煤柱应力并限制巷道变形，实验表明等效刚度和结构连续性降低可减少储能能力，现场验证显示微震事件频率和能量分别降低44.3%和83.3%，显著提升巷道稳定性。
吕华勇|程展波|宋高峰|马国伟|谢飞
商丘师范学院建筑与土木工程学院，中国商丘476000
摘要
在深部煤矿中，静态载荷引发的岩爆（SLRB）是由于在非采矿条件下，厚而坚硬的顶板（THR）中长期积累弹性能量所导致的。与由瞬态应力扰动引发的动态岩爆不同，SLRB是由中央巷道群（CRG）中持续的静态应力叠加控制的。为了解决这些挑战，本研究提出了一种名为“地下超长分段水力压裂”（UUSHF）的区域性静态能量调节策略。建立了一个耦合的理论-数值-场框架，用于研究THR系统中的应力-渗流-损伤演变和裂隙扩展机制。参数化模拟系统地评估了原位应力各向异性、钻孔间距、岩石硬度系数、流量增量以及压裂层位的影响。结果表明，水力压裂产生了明显的压力释放（PR）和高水压（HWP）区域：在顶板弱化带内以拉伸破坏为主，而在巷道周围则以剪切破坏为主。原位应力比和钻孔间距被确定为影响裂隙连通性和压力释放效率的主要因素。优化的压裂层位（H < 50 m）能够有效重新分配煤柱应力，同时限制巷道变形。从机理上讲，UUSHF降低了THR的等效刚度和结构连续性，从而减少了其弹性能量储存能力。此外，煤柱的最大应力从32.5 MPa降低到26.6 MPa，相应的弹性能量密度也显著减小。现场工程验证表明，微震事件频率和能量分别减少了44.3%和83.3%，同时地面声学指标也有所改善，巷道稳定性得到提升。本研究建立了一种静态载荷转移和能量容量减少机制，用于缓解SLRB，并证明了UUSHF是控制深部CRG系统中由静态载荷引发的不稳定性的有效区域尺度策略。
引言
随着浅层煤炭资源的枯竭，煤炭开采逐渐转向深部煤层，这成为中国能源安全的基石（Yu等人，2025年）。在深部煤层中，上覆岩层通常具有较大的厚度（超过10米）、较高的强度（f ≥ 4）以及有限的裂隙发育。在开采下层煤层后，这些厚而坚硬的顶板的不稳定性可能引发灾难性事件，如大规模的顶板垮落、支护系统损坏以及岩爆（Cai等人，2018年；Chen等人，2025年；Konicek和Waclawik，2018年；Lv等人，2024年；Mark和Gauna，2016年；Sabapathy等人，2019年；Simser，2019年；Tan等人，2026年；Vi?intin等人，2016年）。在这些灾害中，岩爆是最具破坏性、突发性和不可预测性的动态灾害，全球各地的地下矿山都曾发生过此类事件，包括美国的Lucky Friday矿、澳大利亚的Austar煤矿、波兰的Wujek-Slask煤矿、斯洛文尼亚的Velenje煤矿以及中国的Gengcun煤矿（见图1）。中国是全球岩爆事故发生最频繁的国家，其中超过80%的事故发生在具有厚而坚硬顶板的煤层巷道中。
关键的是，即使在没有直接采矿扰动的情况下，这些厚而坚硬的顶板中随时间积累的弹性能量也会通过应力传递，导致CRG周围的岩石和煤柱中产生高应力集中，从而引发SLRB（Pan等人，2018年；Lv，2020年；Zhang等人，2024年）。这种类型的岩爆不需要动态载荷，具有很强的隐蔽性，并且潜伏期较长，因此极难预测和预防。因此，它已成为安全高效开采深部煤层的一个瓶颈（Lv等人，2026年；Pan等人，2020年；Pan等人，2024年），解决这一问题具有紧迫的工程和实际意义。预防动态载荷岩爆和SLRB的核心机制在于增加裂隙密度、破坏岩体的结构完整性以及调节煤岩体的应力状态，最终促进应力释放和能量耗散。目前的预防技术主要包括顶板深孔爆破和顶板水力压裂（Zhou等人，2024年）。尽管顶板爆破因其简单性而被广泛使用，但它存在显著的缺点，如较大的钻孔工作量、高昂的建造成本、较高的安全风险以及环境污染，这些都不适合在复杂的深部地质条件下实现安全、绿色的开采（Zou等人，2022年）。水力压裂最初是为石油和页岩气行业的增产和刺激开发的，现已证明在致密岩层中形成人工裂隙网络非常有效（Bakhshi等人，2021年）。自20世纪60年代以来，水力压裂被引入煤炭开采中，用于缓解煤层压力和提高渗透性，由于其高效性、低成本、高安全性以及持久的压力释放效果，现已成为控制THR引发灾害的关键技术（Sun等人，2022年）。
最近的研究集中在水力压裂控制由厚而坚硬顶板引起的灾害的三个核心领域。在理论和技术系统中，学者们系统地研究了水力压裂切割坚硬顶板的力学原理。Zhou和Zhou（2022年）证明了多阶段压裂水平井可以有效分割厚悬挑顶板，显著增加诱导应力扰动并提高压力释放效率。在此基础上，开发了定向水力压裂技术，以精确控制裂隙起始位置和扩展路径，实现悬挑顶板的针对性弱化并保护巷道侧（Huang等人，2018年）。后续研究进一步阐明了裂隙起始顺序和钻孔周围的应力场重定向，发现径向裂隙通常先于轴向裂隙出现，且裂隙发展受水压诱导的应力重新分布的强烈控制（Huang等人，2023年）。在工程系统层面，提出了结合地质力学测试、数值模拟和微震监测的集成框架，以优化超厚煤层中的压裂层位、钻孔布局和操作参数；三维预防模型则实现了多层坚硬岩层的协调弱化和有效的应力转换（Kang等人，2023年；Wu等人，2023年；Li等人，2023年）。关于裂隙扩展规律，大量的实验室实验和数值模拟揭示了在水力和应力复杂条件下的三维形态、跨层行为以及裂隙偏转机制。研究表明，裂隙扩展受到钻孔倾角、原位应力各向异性、侧向压力系数和支护压力梯度的显著影响（Zhang等人，2022年）。真三轴实验进一步量化了预制裂隙方向、应力差异和注入速率对裂隙起始压力和扩展路径的影响，而其他研究则证明了凹槽几何形状、裂隙长度和压裂液粘度在控制裂隙方向性和扩展长度中的关键作用（Liu等人，2020年；Deng等人，2016年；Liu等人，2021年）。基于线性弹性断裂力学的理论分析进一步阐明了应力强度因子、预裂角度和侧向压力系数对裂隙导向和起始模式的耦合效应（Li等人，2022年）。在工程应用和评估方面，众多现场试验通过全面监测微震活动、应力重新分布和能量演变，验证了定向和长孔水力压裂技术的有效性。现场观察表明，水力压裂可以显著缩短顶板垮落间隔，降低水力支护阻力，并抑制具有THR的矿山中的高能量地震事件（Sun等人，2021年）。地震和数值分析进一步证实，定向水力压裂能有效破坏顶板连续性并减少长壁采矿系统中的地震能量释放（Jendry?等人，2021年）。原位应力测量显示，水力压裂可将顶板岩层中的主应力和弹性能量减少20-50%，显著降低采面推进过程中的岩爆风险（Gao等人，2022年）。最近的研究表明，针对关键层位的长孔水力压裂能够将集中的高能量微震事件转化为低能量响应，促进更完全的顶板垮落，并提高整体采矿安全性（Sun等人，2023年）。
尽管在水力压裂基础上的灾害预防方面取得了重大理论和工程进展，但现有研究主要集中在由采矿相关动态扰动引发的岩爆上，特别是在受到采面应力重新分布影响的巷道侧。相比之下，在非采矿条件下，由于长期静态应力积累和坚硬顶板的完整性，导致SLRB的演变机制和控制策略仍不够充分探索，且缺乏统一的理论和技术框架。为解决这一关键问题，本研究以Binchang煤矿区为例，该地区CRG上覆盖的厚而坚硬的粉砂岩顶板在持续静态载荷下容易引发SLRB。利用RFPA2D-Flow数值模拟平台，系统研究了水力压裂在坚硬粉砂岩中的应力演变、渗流行为和渐进损伤机制。特别关注了原位应力差异、岩石硬度系数、流量增量和钻孔间距对裂隙起始、扩展和连通性的调节作用。在此基础上，开发了一个工程规模的数值模型，定量评估了水力压裂在CRG中的压力释放效果和岩爆缓解性能。本研究的创新之处在于将水力压裂研究范式从动态载荷抑制转变为静态能量调节。具体而言，它建立了一个基于力学原理的框架，展示了UUSHF如何通过降低顶板刚度和结构分割，在非采矿条件下减少CRG内的弹性能量储存能力并重新分配静态应力。通过结合理论推导、参数化数值分析和工程规模验证，这项工作为缓解由THR引起的SLRB提供了概念上的进步和实际指导，从而将岩爆控制理论扩展到了传统的采矿扰动场景之外。
模型构建和测试程序
数值模拟使用了RFPA2D-Flow（Realistic Failure Process Analysis）软件进行，这是一个专门用于模拟异质岩体和煤岩体渐进破坏过程的基于有限元的数值平台。RFPA2D-Flow软件特别设计了模拟煤岩体内部的流体-固体耦合相互作用及其失效过程中的声发射现象的功能。
工程背景
以中国陕西省的Binchang煤矿区作为工程背景（见图7），该区的主要开采煤层4号煤层具有强烈的冲击倾向，并被多层 THR覆盖。在该煤层中，已经修建了五条中央巷道以支持采矿作业。2020年，尽管没有采矿活动，CRG中仍发生了SLRB，引发了广泛的动态巷道灾害。这一意外事件突显了亟需解决这一问题的重要性
讨论与SLRB预防机制
在非均匀三维应力条件下， THR中弹性能量的积累是SLRB的主要驱动因素。图12(a)展示了受到最大水平应力（σxH）、最小水平应力（σyh）和垂直应力（σzv）作用的THR单元的力学模型。相应的正常应变分别为εxH、εyh和εzv，此外还有额外的剪切应力和应变（例如τxy、τyz、τzx、γxy、γyz、γzx），这些共同作用导致了...
结论
本研究综合运用数值模拟、理论建模和现场规模工程验证，全面探讨了水力压裂对CRG上方THR的影响。主要创新在于将UUSHF应用于不受活跃采矿直接影响的巷道环境中SLRB的缓解。这种新颖的方法有助于压力释放、能量耗散以及降低深部高应力采矿系统的动态风险
作者贡献声明
吕华勇：撰写——原始草案、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。程展波：撰写——审稿与编辑、调查、正式分析。宋高峰：撰写——审稿与编辑。马国伟：撰写——审稿与编辑。谢飞：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢河南省科学技术研究项目（项目编号：242102320035）、北京市机构青年拔尖人才培养项目以及贵州省科技计划项目（黔科科技支持[2023] General 122）的支持。作者还要感谢编辑和匿名审稿人的宝贵时间和建议。
