柠条塔煤矿综采工作面主回撤通道水力压裂卸压技术应用研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 main withdrawal channel during the final mining of the face, and improving the management level of hard and difficult roof caving and dynamic pressure roadway in China. Key words Hydraulic fracturing； Retreating channel； Crack initiation and propagation； Surrounding rock stress Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目目 录录 1 绪论 ................................................................... 1 1.1 选题背景与研究意义 ................................................. 1 1.1.1 选题背景 ........................................................ 1 1.2.1 研究意义 ........................................................ 2 1.2 定向水力压裂控顶发展现状 ........................................... 4 1.2.1 煤矿顶板控制理论研究现状 ........................................ 4 1.2.2 煤矿坚硬难垮顶板控制技术研究现状 ............................... 5 1.2.3 煤矿动压巷道卸压技术研究现状 ................................... 6 1.3 主要研究内容与技术路线 ............................................. 9 1.3.1 研究内容 ........................................................ 9 1.3.2 技术路线 ....................................................... 10 2 水力压裂卸压理论应用分析 .............................................. 11 2.1 开采条件 .......................................................... 11 2.1.1 地质条件 ....................................................... 11 2.1.2 工作面正常推进过程中矿压规律 ................................... 11 2.1.3 主回撤通道支护现状分析 ......................................... 13 2.2 水力压裂理论分析 .................................................. 14 2.2.1 完整岩石水力压裂开裂与扩展分析 ................................. 14 2.2.2 结果分析 ....................................................... 27 2.3 本章小结 .......................................................... 27 3 数值模拟研究 .......................................................... 28 3.1 不同钻孔参数对压裂段应力分布及裂缝扩展影响模拟研究 ................ 28 3.1.1 数值模型构建 .................................................. 28 3.1.2 模拟方案 ....................................................... 30 3.1.3 数值模拟结果及分析 ............................................. 30 3.1.4 数值模拟主要结论 ............................................... 39 3.2 水力压裂对主回撤通道矿压显现的影响模拟研究 ........................ 40 3.2.1 数值模型 ....................................................... 40 3.2.2 数值模拟结果 ................................................... 40 3.3 本章小结 .......................................................... 42 万方数据 西安科技大学工程硕士论文 II 4 水力压裂技术工艺 ...................................................... 43 4.1 工艺过程与压裂钻孔布置 ............................................ 43 4.2 预制横向切槽 ...................................................... 45 4.3 压裂段封孔与压裂 .................................................. 45 4.4 压裂效果监测 ...................................................... 47 4.5 本章小结 .......................................................... 47 5 工程应用 .............................................................. 48 5.1 工作面及顶板条件 .................................................. 48 5.2 水力压裂实施方案 .................................................. 49 5.3 矿压监测与分析 .................................................... 51 5.3.1 监测方案 ...................................................... 51 5.3.2 矿压显现 ....................................................... 52 5.4 本章小结 .......................................................... 56 6 结 论 ................................................................. 57 致 谢 ................................................................... 58 参考文献 ................................................................ 59 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1选题背景与研究意义 1.1.1 选题背景 采煤过程中， 煤层顶板或较薄直接顶上方存在一种硬度较高的岩层， 其主要由砾岩、 砂岩等组成，且大多呈厚层状，我们称之为坚硬难垮顶板，该顶板内岩石节理裂隙不发 育，强度较高，具有较强的自承能力，故而顶板来压步距较长，回采过程中极易形成短 期内难以垮落的大面积悬顶，此类悬顶垮落时存在垮落面积大、垮落高度高等特点，来 压现象剧烈， 且常伴随明显动力现象， 这种现象的存在对煤矿一线施工作业造成严重影 响，支护设备、人身安全均收到较大威胁，严重时可能造成严重的煤矿安全事故[1-4]。 据相关统计， 我国已探煤层大都赋存于较为复杂的地质条件下， 约有三分之一的煤 层上方为坚硬难垮顶板，诸如通化、大同、枣庄、鹤岗、神府、兖州、晋城乌鲁木齐等 超过 50的开采矿区皆为此类顶板、随着机械化综采技术的普及，越来越多的矿井存 在强烈的坚硬顶板来压问题，尤其是直接顶较薄的坚硬顶板工作面[5]。 我国关于坚硬难垮顶板问题的研究始于 19 世纪中期，期间提出煤柱支撑法和采空 区充填法， 但是前者将造成较大的煤柱损失、 后者增加了生产成本， 故而现已很少采用， 当前爆破为主， 注水软化为辅的方法是我国坚硬难垮顶板的主要控制方法， 这种方法虽 然得到了推广，但从实际应用的状况来看，依然存在以下缺点[3.5.6] 1井下爆破本身具有较大的危险性，其所产生有害气体对井下空气造成污染； 2井下爆破、注水等工艺按照煤安规定具有较为复杂的工作步骤，且目前国家对 火供品管制力度加大，该工作的实施难免影响回采进度； 3顶板周围应力环境复杂，难以实现效果较好的定向爆破，顶板垮落具有随机性， 难以预测控制放顶效果，工作面控顶管理难度较大； 4当岩层内碳酸盐类矿物含量较高或煤层直接顶较为松软时，注水软化难以达到 预期效果； 5高瓦斯矿井煤层条件下实施爆破工作限制条件较多，需采取大量安全措施； 6对于煤层埋藏较浅的矿井，顶板的爆破工作对地面及周边环境影响较大，对工 作面坚硬难垮顶板实施超前爆破时， 爆破产生的震动直传地面， 附近居民安全受到威胁， 严重时会直接影响矿井正常工作。 另一方面， 国内高产、 高效矿井目前主要采用预掘回撤通道的方法进行工作面设备 的回撤。综采工作面末采期间，工作面及回撤通道受超前支承压力的影响，围岩体、工 万方数据 西安科技大学工程硕士论文 2 作面支架及垛式支架在工作面临近时承受较高的应力，严重时可能影响工作面安全回 撤。 末采期间， 由基本顶运动产生的高应力是造成末采期间围岩剧烈变形和动压现象的 根本原因。 针对此类巷道，通常采用垛式支架等进行加强支护，但其成本较高，且垛架数量较 多时影响搬家效率。 在煤矿坚硬难垮顶板的控制以及在动压巷道卸压领域， 定向水力压裂技术有其独特 的优势。该技术自提出以来就得到了大面积推广[15]，应用范围涉及石油天然气产业、 地热开发、水利水电工程、核废料后续处理等。其应用价值得到了各领域的广泛认可。 国内外学者对水力压裂技术应用于坚硬难垮顶板的控制进行了大量实验与论证工作[9,11, 20,21]，其结果显示坚硬难垮顶板经定向水力压裂后完整性和强度得到大幅度削弱，顶板 来压步距明显缩短， 顶板大面积悬吊随后大面积垮落、 动压显现剧烈等问题得到明显改 善， 顶板垮落可达到分层分次的良好效果； 另外该技术的实施可削弱岩层的整体性和稳 定性， 并定向切割顶板岩层， 将巷道附近的高应力转移到自承能力未受到削弱的煤或岩 体的内部，降低巷道周围附近的围岩应力，巷道顶板一直处于低压区，来实现为巷道卸 压的目的。 目前，作为经济有效的控顶技术，定向水力压裂技术已在许多国家开始推广应用， 其显著的控顶效果， 可弥补传统的爆破控顶等技术的缺陷， 并且许多矿区的生产实践中 显示出良好的社会经济效益[6,8,9]许多国内学者开始将目光放在水力压裂技术在煤炭开 采领域的应用上， 其研究课题主要分为三大类， 首当其冲的就是水力压裂技术在处理坚 硬难垮顶板工程中的应用[10]， 其次为弱化坚硬煤层[11,12]、 提升煤层透气性及优化瓦斯抽 采工作等[13,14]。然而，我国目前在坚硬难垮顶板的控制和动压巷道的卸压方面，水力压 裂技术的应用却并不多见， 并且国内尚无成熟完备的定向水力压裂控顶技术、 工艺及装 备，严重制约该项技术的推广应用。此外，对于定向水力压裂控制煤矿顶板机理的认识 尚不清楚包括水力压裂对坚硬难垮顶板强度、结构及整体性的影响，地应力场、岩层 结构、采动及钻孔布置参数对水力压裂裂缝扩展的影响等。 1.2.1 研究意义 对于地处陕北地区神府煤田的柠条塔煤矿而言， 其煤层上覆的厚层状坚硬砂岩顶板 的控制技术一直是困扰综采工作面采空区顶板管理的难题。 在工作面回采过程中， 采空 区后方悬顶面积较大，周期来压步距较长，经常会造成工作面液压支架压死的现象，严 重影响工作面推采进度并对设备造成损坏， 这种现象在工作面的初采及末采时期显得尤 为突出， 而通过水力压裂对末采面顶板实施水力预裂弱化处理， 提前分区域弱化工作面 顶板岩层，减小工作面末采期间采空区的悬顶面积，削弱超前支承压力应力集中程度， 缓解工作面及回撤通道围岩变形，可达到对工作面及回撤通道高应力“卸压”的目的， 万方数据 1 绪论 3 减少垛架数量，降低成本，提高效率。柠条塔矿末采期间水预裂钻孔施工位置平剖面图 如图 1.1 所示。 平面图 剖面图 图 1.1 柠条塔矿末采期间水预裂钻孔施工位置平剖面图 万方数据 西安科技大学工程硕士论文 4 1.2 定向水力压裂控顶发展现状 1.2.1 煤矿顶板控制理论研究现状 煤矿顶板稳定性分析所用理论依据其具体条件而存在差异， 其主要分为三类， 第一 类为岩梁理论，适用于组成岩石厚度较薄的顶板，第二类为板理论，该理论多用于分析 悬吊顶板长度不超其厚度两倍的情况。 第三类为砌体梁理论， 其侧重于顶板岩石裂隙较 大的情况。随着理论论证及现场应用的不断深入，所述理论得到了不断优化和完善。 （1）岩梁理论 该理论对研究对象进行以下假定， 首先假定顶板岩石是一种具有均匀性、 各向同性 等力学特性的弹性体，其次顶板厚度小于跨度的 0.5 倍，截面呈矩形形状，顶板所受荷 载为大小等于其厚度乘以岩石密度的均布荷载。 基于以上假定展开顶板岩层应力应变的 计算，继而对顶板的稳定性做出合理分析。在进行理论分析过程中，所考虑因素涉及煤 壁及所留煤柱的弹性变形时，顶板岩层可简化为水平岩梁，此时支撑体视作均匀、各向 同性的弹性体，岩梁所受荷载视作均布荷载。现场数据采集及理论论证表明，顶板所受 应力及其挠曲皆跟支撑体的弹性变形有直接关系， 且其最大值均在以简支梁与固支梁假 定情况下所得数值之间[24]。而对于使用采煤工艺为长壁开采的坚硬顶板研究，可假定 其为同上述支撑体及载荷下存在的悬臂梁， 继而对顶板的挠度曲线及煤层、 顶板岩石内 应变能进行合理分析[25]。对于综放采场顶板的控制，大多采用对岩层移动的现场监测 及实时数据采集为基础， 建立其顶板控制的力学模型， 通过数值分析来推演不同来压步 距对顶煤的压裂效应， 为确定有效的支架阻力数值提供数据支撑， 进而实现有效控制顶 板的目的[28]。 2 板理论 该理论适用于顶板厚度大于其长度的二分之一的情况下的稳定性分析。 对于所采用 采煤工艺为房柱式、条带式的矿井，通常以板力学模型为理论基础，该模型对采空区矿 柱支撑顶板的弹性基础进行了良好体现。 根据顶板在不同阶段内突变失稳及破断模式的 力学过程的研究， 顶板稳定与煤柱之有效承载面积有着直接关系， 该数值减小到临界值 时，非线性控制参数可穿越交叉点集，顶板位移突跳产生极限点失稳，以煤柱、顶板主 要组成的稳定系统会快速失衡乃至崩溃[31]。 在理论研究过程中加入岩石的流变特性为 考虑因素时， 数据显示采空区顶板下沉量与时间呈正相关关系， 当时间跨度达到一定数 值时，坚硬顶板的位移量相当可观，采空区顶板随之产生破断。 3 砌体梁理论 顶板岩层节理裂隙较为发育时， 将其简单的看做连续的弹性体显然不在适用， 此时 可借助砌体梁理论进行稳定性分析。砌体梁理论认为[33]，随着工作面的推进，采场上 覆坚岩层在裂缝带内将断裂成排列整齐的岩块， 各个岩块由于挤压力的存在而形成铰接 万方数据 1 绪论 5 结构，压应力分布于中性面，支撑力的分布符合线性分布。由于上覆岩层带来的载荷， 形成了一种外表似量实质是拱的结构， 此结构是自重应力的主要承受体。 该理论认为顶 板存在三种不同的断裂形式， 分类的主要依据为跨厚比的大小， 第一种为顶板沿煤柱或 煤壁切落，此时的顶板跨度与厚度之比较小；第二种即为比值较大时，在煤柱或煤壁没 有明显变形、损坏的条件下顶板就发生了大面积下沉；最后一种即为比值中等，顶板中 部或煤壁支撑区由于应力集中或其他因素而发生顶板破坏随之发生垮落现象[28,30]。 4 能量理论 在煤炭开采过程中，巷道掘进、硐室建设等涉及煤岩开掘过程的工作在所难免，设 备施工过程中， 其产生的瞬时应力极有可能打破已有煤岩稳定系统的静态平衡， 导致动 压显现， 故而研究瞬时状态下的稳定有很大的必要性， 目前主要采用分析系统能量的方 法进行相关研究。根据岩爆、煤爆等动压成因的相关分析，从能量角度切入冲击地压的 研究是切实可行的。 煤层本身属于较易压缩的矿体，即使其所受应力较低依然会产生 较为明显的压缩量， 随之在其内部积聚较大的应变能， 该能量是冲击矿压的内在驱动力， 在采场中，上覆岩层的存在加剧了能量的积聚及释放过程[34]。坚硬顶板带来的灾害与 隐患在进行煤岩开掘、 控顶支护等一系列的开采活动后， 采场附近煤岩在上覆岩层自重 应力及其他应力的挤压下积聚有大量应变能， 此类能量的积聚具有较低的稳定性， 具有 突发性， 其在临界状态下的突然释放常常伴随顶板岩石的抛出或大面积冒落， 顶板直接 破坏，产生剧烈动压，形成诸如冲击矿压、瓦斯突出等严重的煤矿灾害相关学者研究表 明， 煤层顶底板的坚硬程度直接影响煤爆的发生过程。 当煤层的强度与刚度数值为顶底 板值的十分之一时， 煤层开始具有产生煤爆的倾向性。 能量释放率直接决定动压发生的 次数，其之间呈指数关系，即能量释放率越大动压次数越多。采矿工程中绝大多数的岩 爆发生在坚硬顶板条件[44,45]。 顶板的垮落将导致采场范围内空气的急速压缩， 而空气内热量传入围岩的速率远远 小于空气在压缩过程中的产热速度， 从而产生能量的积聚。 采煤工作面处于相对封闭的 空间内， 采空区顶板大面积垮落时空气压缩速度极高， 此时采场环境可看作完全封闭的， 剧烈的压缩将导致空气温度不断积聚，最终达到瓦斯或者煤尘的燃烧点而产生爆炸事 故。研究发现，组合煤岩样品在变形破裂的过程中，其电磁辐射会产生规律性变化，其 规律与岩石的破坏曲线较为相似，在加载初期呈上升状态，转而略微下降，继而出现一 段平稳信号， 压力加载至临近主破裂时， 信号发生跳跃式增加， 而进入残余变形阶段时， 信号逐渐减小， 电磁辐射信号正指数关联于顶板在组合煤岩样的比例， 以此结论为依托， 工作面冲击矿压等灾害可以建立较为有效的预测体系[48]。 1.2.2 煤矿坚硬难垮顶板控制技术研究现状 万方数据 西安科技大学工程硕士论文 6 顶板的控制和处理技术是重要采煤国家普遍遇到的技术难题。 在控制技术研究之初 曾推广过以煤柱支撑法为理论基础的开采体系，其中包括房柱法、短壁刀柱法等。此类 方法降低了煤炭开采的直接成本， 针对顶板控制的相关工程量也得到优化降低， 但是煤 柱的损失量大， 大面积来压的隐患未得到有效解决。 随着走向长壁开采体系的成熟以及 综采设备的不断改进优化， 综采工作面基本得以普及， 现今矿井工作者大都采用弱化顶 板强度来处理顶板控制问题， 其主要为高压预注水软化岩层及预裂爆破两种措施， 其可 有效的缩短顶板来压步距，为工作面顺利推进创造条件[49,50]。国外煤矿对于坚硬顶板条 件下岩爆的防治大都通过注水和爆破方法来降低坚硬顶板的强度和缩短来压步距， 达到 防治岩爆的目的。 前苏联研究人员创新性的提出将两种方法组合起来， 形成一种综合性 的工艺技术， 并对此展开了一定量的实验。 如古科夫煤炭生产联合公司各矿采取顶板水 力压裂法和超前钻孔松动爆破法处理坚硬顶板， 防止采煤工作面大面积来压； 波兰矿业 工作者同样提出了这一理论研究， 并在此基础上配套有离层仪和地音检测仪， 达到防止 冲击地压的目的。 如大哥特瓦尔德矿和寄米特洛夫矿进行的水力压裂工艺。 印度是难垮 顶板分布范围较大的国家之一，其矿区顶板岩层主要为厚砂岩、页岩和粉砂岩，具有强 度低，整体性强、开采深度小的特点。在 S.K.Sarkar、Jhanjra 煤矿相继采取过爆破处理 坚硬顶板[5,6]。 我国从上个世纪中期起开始研究坚硬难垮顶板的相关控制技术， 无论在技术的现场 实践上还是理论的建立及论证上均走在世界前列。 其中较为突出的为大同矿区进行的一 项研究坚硬顶板下综采工艺实施的项目， 其将超前爆破与注水弱化两个理论进行创造性 的组合，形成了多项先进的技术与工艺，其中主要有循环浅孔放顶，端头强制切顶、水 力压裂与高压预注水等。 波兰煤炭科学院冲击地压与岩石力学研究所自 1993 年开始立项研究水力压裂技 术，其是最早的关于这方面的研究机构，其技术成熟度较高，在波兰的 到了良好的推 广应用，前苏联同样有过此方面的研究，故而可以看到其国内一些矿井的相关报道。我 国煤炭科学总院针对该理论进行了一些研究， 其主要为理论的机理探索和配套设备的研 发，当然也包括相应的地面试验，取得了相当可观的科研成果。该技术主要包含切槽、 封闭、注水压裂等几道工序，其配套有专用的特殊钻头，以便在普通钻孔中进行横向切 槽作业，该技术可将完整的坚硬顶板分割开来，避免整层一次垮落，实现顶板分层逐步 垮落，对回采工作提供安全保障。该技术目前主要在石油、天然气开采行业推广使用。 1.2.3 煤矿动压巷道卸压技术研究现状 （1）动压巷道变形特点 动压巷道的变形具有变形速度快、 变形量大、 变形形式复杂、 变形无法稳定等特点。 万方数据 1 绪论 7 动压巷道产生变形最直接、 主要的原因是工作面受到超前支承压力和侧向支承压力的影 响。此类巷道的支护压力大，支护困难。动压巷道经过多次不用程度的采掘影响，围压 受加卸载的作用，反复破坏巷道围岩，从而出现裂隙的弥散性扩展，围岩松动圈的范围 进一步加大， 围岩承载能力降低， 围岩由较为完整的岩石材料变为由断裂面构成的结构 体，岩石强度衰减明显，围岩的变形转化为岩石沿断裂面的滑动。这时，巷道支护环境 进一步恶化[56-58]。 （2）动压巷道卸压技术 因在本工作面以及相邻的回采面影响下， 采区巷道以及煤柱顶板通常会赋存较大的 内在压力，这就诱发巷道产生动压，如图 1.1～1.3。所以，巷道附近的高应力削弱是解 决动压巷道卸压的核心， 将顶板应力转移到未受到破坏的煤岩体深部， 以此来降低巷道 周围区域的应力集中，实现使低压巷道区的目的。 ⅣⅤIIIIII CDB A γH KγH γH A-原始应力区；B-应力增高区；C-应力降低区；D-应力稳定区 图 1.1 回采工作面前后方的应力分布 万方数据 西安科技大学工程硕士论文 8 K γH γHγH 1 K γH 2 CDBACB12 III I II A-原始应力区；B1 和 B2-应力增高区；C-应力降低区；D-应力稳定区 图 1.2 采区煤体和煤柱的应力分布 回采工作面推进方向 K γH γH KγH DBA A-原始应力区；B-应力增高区；D-应力稳定区 图 1.3 护巷煤柱在回采工作面前后方的应力分布 1）切缝 切缝位置一般为两帮切缝和底板切缝。 底板切缝的作用是将巷道直接底的水平应力向老底处转移， 从而将直接底的水平应 力得以解除，以此来避免直接底的弯曲、鼓起。切缝空间的存在将使底板岩层的相互挤 压程度大大减小， 底板变形量显著降低。 巷道两侧的位移量以及直接顶的沉降位移会明 显增加；切缝孔的施工深度对航道卸压效果的影响至关重要，通常，底板宽度是切缝深 度的两倍，并且要依据岩石的力学参数和他的应力场分布情况来定。 巷道两侧的切缝主要作用是降低帮部应力， 从而将巷道两帮的承载力峰值向煤柱内 万方数据 1 绪论 9 转移，以此来降低降低应力区。 2）打孔 钻孔的存在将改变其周围原有的应力分布，其具体应力分布如图 1.4 所示，应力分 区将包含有松动区与塑性区， 类似于切缝卸压， 其周围岩体皆会向钻孔所产生空间移动。 钻孔后 钻孔前 图 1.4 钻孔卸压 3）松动爆破 在巷道内设置爆破点进行以产生裂隙空间为主要目的的爆破工作， 主要爆破位置为 两帮或底板， 爆破后巷道底板围岩将与深部围岩脱离， 底板岩层的高应力取区将产生向 围岩深部的转移。 4）卸压煤柱 该技术的运用一定程度上缓解了回采巷道的底鼓问题， 当工作面某一侧的巷道没有 卸压煤柱时，相邻煤炭处于煤壁支撑区，其将受到应力集中作用，煤壁在大压力状态下 会产生向巷道内部方向的鼓出移进， 同时巷道底板因承压过大而产生底鼓现象， 故而卸 压煤柱的存在主要为承受压力而不是传递压力， 当卸压煤柱破碎之后， 其上的应力将转 移到较远的煤体上，继而达到减少底鼓量的目的。 上述方法虽能释放或转移巷道围岩附近岩体中的高应力， 缓解巷道的动压现象， 但 往往工程量较大，成本较高，使用爆破方法时，安全性较低，并且卸压效果难以认为控 制。因此，并未形成有效并可推广应用的动压巷道卸压技术。 1.3主要研究内容与技术路线 1.3.1 研究内容 1 基于弹性理论和断裂理论，针对具有连续、完整特性的坚硬岩体水力压裂过程 中所涉及的开裂与扩展过程进行具体研究，进而确定其压力及方向的相关数据。 2 考虑到需要面对不同地应力及钻孔条件的研究变量，拟采用数值模拟的方法开 展相关工作，以确定钻孔段应力分布特征，及裂缝开启与扩展规律。提出适用于柠条塔 煤矿及类似顶板地质条件矿井的定向水力压裂控顶合理参数； 万方数据 西安科技大学工程硕士论文 10 3 通过井下现场试验并进行系统的矿压监测，研究水力压裂卸压后工作面末采期 间主回撤通道矿压显现规律。 1.3.2 技术路线 图 1.5 技术路线图 现场调研收集资料 工程应用 理论分析 水力压裂效果分析 数值模拟研究 制定实施方案 制定监测方案 万方数据 2 水力压裂卸压理论应用分析 11 2水力压裂卸压理论应用分析 2.1开采条件 2.1.1 地质条件 柠条塔煤矿位于陕西省神木县西北部，井田面积为136.1km2，核定产能为18.0Mt/a。 含煤地层为侏罗系中统延安组，含可采以及局部可采的煤层共7层，由上而下为1-2、 2-2、3-1、4-2、4-3、5-2 上、5-2号煤，目前主采煤层为2-2煤层。该煤层位于延安组第四段顶 部，煤层平均厚度6.08m，煤层厚度稳定，局部含1-2层夹矸，厚度0.1-0.3m，岩性为泥 岩。煤层顶板以灰色粉砂岩和灰白色细粒砂岩为主，煤层埋深80-190m。2-2煤层顶板岩 石抗压强度以＞30Mpa占优，以中硬类岩石为主，岩石的软化系数一般在0.65-0.75，抗 压强度较易受水影响。正常基岩一般较完整，RQD值一般＞65，砂岩组＞85。。 2.1.2 工作面正常推进过程中矿压规律 S1229 工作面煤层采厚平均 7.3m，煤体碎胀系数 1.3，直接顶板碎胀系数 1.4，则 S1229 工作面冒落高度约为 11m，工作面直接顶初次垮落步距 1520m。 基本顶矿压显现是通过直接顶作用于工作面围压与支护系统， 工作面回采影响高度 约为采高的 6～8 倍，基本顶周期性断裂导致工作面矿压显现，往往较为剧烈，末采期 间顶板的周期性来压是影响回撤的主要因素。 基本顶呈“X”破坏，将工作面切眼处液压支架后方区域分为上、中、下三个分区， 分析工作面液压支架实测数据，第 5 和第 9 监测分站代表工作面上部，见图 2.1；第 17、 20、21 号分站代表工作面的中部，见图 2.2；第 26、27 号代表工作面下部，见图 2.3。 工作面上部周期来压步距平均 19.22m；中部平均 16.03m；下部平均步距 16.04m； 基本顶周期来压步距平均 17.16m。 工作面上部周期来压强度平均 34MPa；中部平均 40.02MPa；下部平均 45.11MPa； 基本顶平均周期来压强度 39.71MPa。中部支架载荷与上下两端相比较要偏大。 万方数据 西安科技大学工程硕士论文 12 图 2.1 5、9 号支架工作阻力 图 2.2 17、20、21 号支架工作阻力 图 2.3 26、27 支架工作阻力 万方数据 2 水力压裂卸压理论应用分析 13 2.1.3 主回撤通道支护现状分析 柠条塔矿井采用综合机械化采煤方式开采，其 2-2煤工作面设备回撤采用双回撤通 道回撤，其中主回撤通道的支护采用“锚杆（索）垛式液压支架”方式。即初次支护采 用锚杆（索）支护，在初次支护完成后在回采过程中再进行一次补打锚杆（索）钢筋 梯子梁的补强支护。二次支护采用双排垛式液压支架支护，在回撤通道和联络巷交叉处 增加单体液压支柱。 然而，相比较其他巷道，主回撤通道因受工作面超前支承压力的影响，超前支承压 力最大可以达到3～5倍的自重应力。在超前支承应力的影响下回撤通道顶板易发生离 层，甚至垮落，锚杆（索）拉力急剧增大，帮部易发生片帮，甚至大面积崩塌。主回撤 通道的靠回采帮上部片帮现象严重，靠煤柱帮下部片帮严重，增加了清煤工作量，底板 起伏不平，影响了回撤速度。 图2.4 未采用水压裂顶板时末采贯通后煤墙情况 万方数据 西安科技大学工程硕士论文 14 上图显示回撤通道未采用水力压裂情况下工作面与主回撤通道贯通后， 横贯之间的 煤柱因受到超前支撑压力作用，多处发生“鼓包现象”，且在金属网搭接处尤为明显。 2.2水力压裂理论分析 水压致裂过程中顶板开裂方向及压力的大小是压裂设计过程中极为重要的指标， 他 们对裂缝在围岩中延伸的距离及整个压裂的效果起着关键的作用。 所以， 本章以弹性力学及断裂力学的理论分析为基础， 通过对完整性及连续性较好、 岩性坚硬的岩体的进行水力压裂及其扩展过程的研究， 确定水力压裂的在岩体中开裂及 产生裂缝扩展的方向和压力大小。 2.2.1 完整岩石水力压裂开裂与扩展分析 在水压致裂过程中，岩体的开裂及裂缝的扩展是核心的环节。其中，在任意方向钻 孔条件下的水力压裂相比水平孔或垂直孔的开裂与扩展更为复杂。 岩体孔壁的水力压裂 过程，一般可以划分为孔壁破裂、二次扩展、三次扩展。在地应力场中，在不同的破裂 阶段要施加的压力也有所不同。一般地，我们将应力强度作为控制参量并进行水力压裂 的重要依据。对煤岩进行拟三轴压裂，结果表明增大泵注流量，裂缝开裂的压力也随 之变大。根据现场情况，垂向钻孔已不能满足要求，并向任意方向转变。在倾斜钻孔周 围分布的水平压力在孔的轴线方向具有不对称性。由于剪应力及离面应力（off plane stress）的存在，斜孔周围岩体的开裂及扩展过程与在垂直孔条件有明显的不同。水力压 裂的开缝方向与钻孔轴向之间有一定的角度，伴随裂缝的延伸，裂缝的方向逐渐发生扭 曲旋转，最后趋于与最小主应力垂直。 裂缝沿着岩层节理或“非优选方向”扩展，往往伴随发生方向上的旋转（fracture tur ning）或扭转（fracture twisting）如图 2.5，由此导致裂缝的宽度逐渐变小并在围岩中新 增多条裂缝，对压裂效果及整个作业的成功有很大的影响。 万方数据 2 水力压裂卸压理论应用分析 15 图 2.5 裂缝的旋转扩展与裂缝的扭转扩展 在研究过程中，以弹性力学理论为基础，结合最大拉应力准则，在钻孔围岩所处的 地应力场条件下，从任意方向钻孔出发，对钻孔裂缝的开裂方向及压裂进行研究，得出 裂缝开启压力在改变钻孔参数、地应力场类型条件下的变化规律。 1斜孔周围的应力状态 ①坐标系 图 2.3 所示的坐标系所描述的是斜孔周围的应力状态。主应力 σh，σH和 σv的方向 对应坐标系1，2，3的方向；孔轴线的倾斜角和方位角对应角度 θInc 和 θAz。 本文在 局部直角坐标系（x，y，z）下，对钻孔周围地应力场下的应力状态进行描述。其中， 孔边最高点（The highest point）过 X 轴正方向。孔周围的应力状态在本次研究中采用柱 坐标系r，θ，z来描述，其中 θ 角代表 x 轴沿 z 轴在逆时针方向的旋转角度，其中 z 轴 方向是沿着孔。rw为孔的半径。其中，θ 表示 x 轴沿 z 轴在逆时针方向的旋转角度，z 轴方向沿钻孔方向，rw为钻孔半径 坐标系x，y，z和1，2，3之间的转化关系如图 2.6 1 沿着 3 轴，逆时针旋转坐标系1，2，3θAz角到坐标系x1，y1，z1； 2 沿着 y1轴，顺时针旋转坐标系x1，y1，z1θInc角到坐标系x，y，z。 在旋转坐标过程中，x 轴总是通过孔边最高点。那么，坐标系x，y，z和1，2，3 之间的转化关系为 c o s c o s s i n c o s s i n1 s i n c o s 02 3c o s s i n s i n s i n c o s A zI n cA zI n cI n c A zA z A zI n cA zI n cI n c x y z           h  H  h  H  万方数据 西安科技大学工程硕士论文 16 Az  Inc  Az  Inc   w r 1 h   3 v   2 H   z 1 y y x 1 z 1 y 1 x 2 3 1 最高点 图 2.6 坐标系 所以，远场地应力分量σh，σH，σv可描述局部坐标系x，y，z中的地应力分量 i ji m j n m n AA 式中i，jx，y，z；m，n1，2，3；Aij，Amn 分别对应式1中的变换系数矩阵中元 素。 根据式2-1、2-2可得由远场地应力分量表示的x，y，z坐标系中的应力分量 22222 22 c o sc o s s inc o s s in s in c o s xA zI n cA zI n cI n c y A zA z z x y y z z x                          