沟谷下浅埋煤层长壁工作面定向长钻孔水力压裂卸压

《Scientific Reports》：Directional long borehole hydraulic fracturing for pressure relief in shallow buried coal seams longwall faces beneath gullies

　　

摘要

针对沟谷下50,211浅埋煤层工作面 uphill 开采阶段矿压显现严重、液压支架损坏事故频发的问题，采用理论分析、数值模拟与现场工程实践相结合的方式，开展了硬岩层定向长钻孔水力压裂卸压技术研究。建立了沟谷下 uphill 段基本顶悬臂梁载荷模型及力学关系模型，揭示了沟谷地形条件下顶板非对称载荷特征及异常矿压显现机理。通过数值模拟分析了水力压裂对顶板应力演化及上覆岩层结构稳定性的影响，阐明了硬岩层水力压裂的卸压机理。根据50,211工作面的沟谷分布特征及钻孔岩性数据，在沟谷下 uphill 段沿垂直沟谷方向施工了8个定向长钻孔，并实施了大流量分段水力压裂。通过压力-流量监测和矿压监测，综合评估了裂隙扩展效果及卸压效果。结果表明，定向长钻孔水力压裂技术可实现沟谷影响区域内硬岩顶板的连续均匀弱化。压裂后，工作面临界来压步距平均缩短约5 m，仅12架液压支架触阀，对应触阀率为1.71%。此外，煤壁保持完整，未发生支架损坏事故及异常矿压显现事件。研究表明，该技术可有效控制沟谷下浅埋煤层工作面 uphill 开采阶段的严重矿压显现，为类似复杂地形条件下的安全开采提供了有价值的技术参考。