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岩層控制是煤礦安全高效開采的核心。堅硬頂闆強度高、破斷步距大、影響範圍廣、礦壓作用強烈、力學行為複雜、是煤礦頂闆控制的一大難題;且煤層開采厚度越大,堅硬覆岩運移破斷越複雜,采場礦壓顯現越強烈,增加了岩層控制的難度。尤其煤層開采逐漸進入深部以後,由于深部岩體典型的“三高”賦存環境,加之特厚煤層開采的“高強度”和“強時效”特性,造成覆岩大空間範圍内的岩層破斷力學行為異常複雜,工程災害頻發,難以預測和有效控制,是以對大空間堅硬頂闆的控制提出了更高的要求。
為此，于斌教授在《煤炭學報》2021年第3期撰文“大空間堅硬頂闆地面壓裂技術與應用”，并以此為題在“深部岩體力學與開采理論”專題釋出會對相關成果進行了詳解。
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創新點
（1）針對現有堅硬頂闆預裂技術控制範圍小、效果有限的問題，論文首次提出一種通過地面壓裂堅硬頂闆控制采場礦壓的方法。
（2）基于大型真三軸壓裂試驗系統，揭示了大尺度裂縫擴充規律；給出了地面壓裂層位、壓裂井布置方式、壓裂位置及壓裂流量的選取準則，建立了井上下一體化微震實時動态監控裂縫擴充技術。
（3）提出了地面垂直井多級壓裂、水準井體積壓裂的地面壓裂關鍵技術，評價了地面壓裂堅硬岩層控制采場礦壓效果，形成了煤礦地面壓裂堅硬岩層技術體系，開辟了大空間堅硬頂闆地面壓裂預控新方法。
作者簡介
于斌，煤礦岩層控制與安全高效開采工程技術專家。曾任大同煤礦集團總工程師，現任重慶大學資源與安全學院教授、博士生導師。中國煤炭學會副理事長，全國傑出工程師、孫越崎能源大獎獲得者。 “十三五”國家重點研發計劃項目負責人，先後獲國家科技進步一等獎1項（排名第2）、二等獎3項；省部級科技進步一等獎14項（11項第1）；授權發明專利50件(32項第1)；發表論文110篇（SCI檢索26篇、EI檢索39篇），出版專著6部(均第1作者)。
摘 要
堅硬頂闆強度高、破斷步距大,礦壓作用強烈,是煤礦頂闆控制的一大難題,特别是特厚煤層開采條件時,因開采擾動範圍廣,大空間堅硬頂闆破斷失穩,造成采場礦壓顯現更加複雜、強烈。研究表明,堅硬頂闆特厚煤層開采,高位厚硬岩層的破斷失穩是造成采場強礦壓的主要因素,但現有井下預裂技術無法控制。
為此,提出了煤礦堅硬頂闆地面壓裂控制采場礦壓的方法,開展了大型真三軸原位試件(2060mm×1200mm×1200mm) 水力壓裂試驗研究,揭示了水壓裂縫擴充形态及壓裂全過程試件應力應變演化規律。
給出了地面壓裂關鍵層位範圍,綜合工作面采位、壓裂層位、覆岩應力及裂隙發育特征,建立了壓裂位置确定的理論模型及選取準則;給出了壓裂面積-流量-時間的關系模型,得到壓裂面積随壓裂時間、流量的變化關系;研發了水壓裂縫井上下微震一體化聯合監測技術,綜合前述研究,形成了大空間堅硬頂闆地面壓裂控制技術體系,并進行了垂直井、水準井壓裂工程實踐。
結果表明,地面壓裂裂縫擴充範圍大,垂直井分級壓裂裂縫擴充長度達250,218m,裂縫寬度30~ 120m,水準井分段壓裂裂縫擴充長度196~216m,裂縫高度43~50m,裂縫擴充均覆寫了工作面範圍,穿透了壓裂目标層。
井下采場礦壓監測表明,工作面開采至壓裂裂縫擴充區内,支架阻力降低21% ,煤壁片幫率減少23% ,超前單體無任何彎曲折損現象,巷道圍岩穩定,壓裂控制效果好。可見,堅硬頂闆地面壓裂技術,可從源頭杜絕采場強礦壓的發生,探索了煤礦領域堅硬頂闆控制的新途徑,為解決類似由高位岩層、高位結構失穩引起的礦壓災害控制提供借鑒。
部分圖檔
大空間覆岩結構及礦壓作用特征
地面壓裂堅硬頂闆示意
壓裂試件及系統
壓裂過程應力應變曲線及裂縫擴充
覆岩位移-支架來壓一體化監測
堅硬岩層破斷的沖擊作用及能量釋放
采動影響的地面壓裂位置選取
模拟裂縫擴充區域及擴充過程
井上下微震監測
垂直井壓裂示意
地面壓裂裂縫擴充監測
微震事件能量雲圖
瓦斯抽采孔抽采體積分數對比
支架來壓特征對比
水準井壓裂示意
地面壓裂地表檢波器布置相對位置
巷道變形監測
來源：
于斌,高瑞,夏彬偉,等. 大空間堅硬頂闆地面壓裂技術與應用[J]. 煤炭學報,2021,46(3):800-811.
YU Bin,GAO Rui,XIA Binwei,et al. Ground fracturing technology and application of hard roof in large space[J].Journal of China Coal Society,2021,46(3):800-811.
責任編輯：錢小靜
編輯整理：郭曉炜
稽核：常 琛
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