采煤工作面顶板的稳定性分析（煤矿厚层坚硬顶板诱发冲击地压地面压裂区域卸压技术）

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据不完全统计，我国80%以上的冲击地压事故都发生在具有厚层坚硬顶板的煤层巷道内，该类冲击地压已成为我国煤炭深部开采阶段冲击地压的主体类型。厚层坚硬顶板在采煤工作面回采过程中易形成大面积悬顶结构，加剧采场局部围岩的应力集中程度，其突然断裂更是瞬间释放强烈动载，从而造成群死群伤的恶性冲击地压事故。尤其当厚层坚硬顶板距离开采煤层较远时，采用井下常规的卸压手段（如井下短孔水力压裂、深孔爆破等）难以实现对该类顶板的弱化卸压。为有效降低开采期间厚层坚硬顶板的悬顶面积和来压强度，从根本上消除下方煤层开采期间面临的严重冲击地压隐患，中煤科工开采研究院有限公司（原天地科技股份有限公司开采设计事业部）采矿技术研究所创新性的提出了地面压裂厚层坚硬顶板源头治理冲击地压的新技术。

1. 技术简介

地面压裂采用水平井体积压裂技术从地面打钻至煤层上方高位厚层坚硬岩层位置实施压裂，通过压裂降低厚层坚硬岩层的强度和完整性，减弱高位厚层坚硬岩层突然失稳断裂时对采场围岩形成强烈的动载扰动，降低煤层开采期间的应力集中程度，使煤体应力始终处于冲击地压发生的临界应力之下，从而实现对冲击地压的有效控制。该技术可以对距煤层上方50m以上、厚度大于30m的厚层坚硬顶板实施压裂半径不小于100m、走向长度1000m左右的大范围水力预裂，是解决此类冲击地压问题的有效途径，符合冲击地压防治“区域先行”的原则，对我国冲击地压防治技术及理念进步具有重要意义，具有显著的社会经济效益。

（a）压裂剖面图

（b）压裂平面图

地面压裂示意图

（a）未弱化顶板前

（b）弱化顶板后

地面压裂区域卸压原理图

2. 关键技术

(1)冲击致灾主控岩层判别技术

冲击致灾主控岩层具有厚度大、完整性好，在煤层开采后具有难以垮落的特征。采用煤层开采的主控关键层及能量传递响应分析、微震监测的主控岩层分析等方法综合确定煤层上方的冲击地压致灾主控岩层。

主控关键层及能量传递响应示意图

井上下联合微震监测台站布置示意图

基于上下联合微震监测的主控岩层判别

(2)水平井钻井及分段压裂技术

采用旋转导向和实钻轨迹控制等关键技术在特定的靶点依次完成水平井垂直段、造斜段和水平段三段井身的施工；裸眼井钻达设计井深后，向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥，保护和支撑井身套管，封隔油、气、水等地层；下套管固井后，利用射孔器射穿套管和水泥环，沟通压裂岩层与井筒,为压裂液压入地层提供畅通的通道；射孔完毕，将连续油管与喷射工具联接后深入井底，将封隔器坐封，通过连续油管以一定排量和压力将压裂液压入目标岩层。本段压裂完毕，拖动油管后退式重复压裂剩余分段岩层。

水平井井身结构示意图

固井、射孔后水平井身截面图

水平井分段压裂示意图

(3)区域卸压效果检验与评价技术

压中采用在微地震裂缝监测技术，实时监测压裂井内的微地震事件，评估压裂液性能及裂缝扩展情况，指导压裂施工；压后采用井上下联合微震监测、支架监测、地音监测、应力监测及震动波CT探测等技术对回采过程中矿压与岩层活动进行实时监测，评判回采期间压裂的效果。

压中采用微震监测裂缝扩展示意图

压后回采期间采用微震监测高位岩层活动示意图

压后回采期间采用地音监测低位岩层活动示意图

压后回采期间采用震波CT探测煤岩体应力示意图

3. 压裂效果评价

采用CDEM连续-非连续数值模拟软件，对比分析了厚层坚硬岩层在未压裂和实施压裂两种条件下，工作面开采过程中的采场顶板岩层断裂特征、矿压显现规律，结果表明，地面压裂可以有效降低工作面回采期间厚层坚硬顶板引起的悬顶长度及应力集中程度。

压裂前后上覆岩层的破断情况对比

压裂前后工作面推进距离与煤体应力的关系对比

压裂前后煤柱应力分布特征对比

4. 应用条件与时机

• 应用条件：煤层上方具有连续性、完整性较好的高位厚硬顶板（一般距离煤层上方50m以上，厚度大于30m），该岩层在煤层回采过程中不能及时垮落，是造成冲击地压发生的主控致灾岩层。

• 应用时机:在工作面回采之前对冲击致灾主控岩层实施压裂，在工作面回采过程中利用矿山压力使其周期性破断。

5. 研究进展

(1)地面压裂区域卸压防冲技术方案顺利通过可行性论证

2019年10月29日上午，天地科技股份有限公司邀请煤矿和石油领域的专家对《鄂尔多斯厚层顶板地面压裂区域卸压防冲技术》项目进行了可行性论证。与会专家对方案进行了细致深入的讨论，一致认为采用地面压裂技术处理高位厚层顶板技术是可行的。

专家组对地面压裂防冲方案进行可行性论证

(2)申请了地面压裂区域卸压防冲技术的系列发明专利

目前，项目组已在地面压裂区域卸压治理冲击地压技术领域申请发明专利6项。

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