據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國80%以上的沖擊地壓事故都發(fā)生在具有厚層堅(jiān)硬頂板的煤層巷道內(nèi)，該類沖擊地壓已成為我國煤炭深部開采階段沖擊地壓的主體類型。厚層堅(jiān)硬頂板在采煤工作面回采過程中易形成大面積懸頂結(jié)構(gòu)，加劇采場局部圍巖的應(yīng)力集中程度，其突然斷裂更是瞬間釋放強(qiáng)烈動(dòng)載，從而造成群死群傷的惡性沖擊地壓事故。尤其當(dāng)厚層堅(jiān)硬頂板距離開采煤層較遠(yuǎn)時(shí)，采用井下常規(guī)的卸壓手段（如井下短孔水力壓裂、深孔爆破等）難以實(shí)現(xiàn)對(duì)該類頂板的弱化卸壓。為有效降低開采期間厚層堅(jiān)硬頂板的懸頂面積和來壓強(qiáng)度，從根本上消除下方煤層開采期間面臨的嚴(yán)重沖擊地壓隱患，中煤科工開采研究院有限公司（原天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部）采礦技術(shù)研究所創(chuàng)新性的提出了地面壓裂厚層堅(jiān)硬頂板源頭治理沖擊地壓的新技術(shù)。

1. 技術(shù)簡介

地面壓裂采用水平井體積壓裂技術(shù)從地面打鉆至煤層上方高位厚層堅(jiān)硬巖層位置實(shí)施壓裂，通過壓裂降低厚層堅(jiān)硬巖層的強(qiáng)度和完整性，減弱高位厚層堅(jiān)硬巖層突然失穩(wěn)斷裂時(shí)對(duì)采場圍巖形成強(qiáng)烈的動(dòng)載擾動(dòng)，降低煤層開采期間的應(yīng)力集中程度，使煤體應(yīng)力始終處于沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力之下，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓的有效控制。該技術(shù)可以對(duì)距煤層上方50m以上、厚度大于30m的厚層堅(jiān)硬頂板實(shí)施壓裂半徑不小于100m、走向長度1000m左右的大范圍水力預(yù)裂，是解決此類沖擊地壓問題的有效途徑，符合沖擊地壓防治“區(qū)域先行”的原則，對(duì)我國沖擊地壓防治技術(shù)及理念進(jìn)步具有重要意義，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

（a）壓裂剖面圖

（b）壓裂平面圖

地面壓裂示意圖

（a）未弱化頂板前

（b）弱化頂板后

地面壓裂區(qū)域卸壓原理圖

2. 關(guān)鍵技術(shù)

(1)沖擊致災(zāi)主控巖層判別技術(shù)

沖擊致災(zāi)主控巖層具有厚度大、完整性好，在煤層開采后具有難以垮落的特征。采用煤層開采的主控關(guān)鍵層及能量傳遞響應(yīng)分析、微震監(jiān)測的主控巖層分析等方法綜合確定煤層上方的沖擊地壓致災(zāi)主控巖層。

主控關(guān)鍵層及能量傳遞響應(yīng)示意圖

井上下聯(lián)合微震監(jiān)測臺(tái)站布置示意圖

基于上下聯(lián)合微震監(jiān)測的主控巖層判別

(2)水平井鉆井及分段壓裂技術(shù)

采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和實(shí)鉆軌跡控制等關(guān)鍵技術(shù)在特定的靶點(diǎn)依次完成水平井垂直段、造斜段和水平段三段井身的施工；裸眼井鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深后，向井內(nèi)下入套管，并向井眼和套管之間的環(huán)形空間注入水泥，保護(hù)和支撐井身套管，封隔油、氣、水等地層；下套管固井后，利用射孔器射穿套管和水泥環(huán)，溝通壓裂巖層與井筒,為壓裂液壓入地層提供暢通的通道；射孔完畢，將連續(xù)油管與噴射工具聯(lián)接后深入井底，將封隔器坐封，通過連續(xù)油管以一定排量和壓力將壓裂液壓入目標(biāo)巖層。本段壓裂完畢，拖動(dòng)油管后退式重復(fù)壓裂剩余分段巖層。

水平井井身結(jié)構(gòu)示意圖

固井、射孔后水平井身截面圖

水平井分段壓裂示意圖

(3)區(qū)域卸壓效果檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)技術(shù)

壓中采用在微地震裂縫監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測壓裂井內(nèi)的微地震事件，評(píng)估壓裂液性能及裂縫擴(kuò)展情況，指導(dǎo)壓裂施工；壓后采用井上下聯(lián)合微震監(jiān)測、支架監(jiān)測、地音監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測及震動(dòng)波CT探測等技術(shù)對(duì)回采過程中礦壓與巖層活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，評(píng)判回采期間壓裂的效果。

壓中采用微震監(jiān)測裂縫擴(kuò)展示意圖

壓后回采期間采用微震監(jiān)測高位巖層活動(dòng)示意圖

壓后回采期間采用地音監(jiān)測低位巖層活動(dòng)示意圖

壓后回采期間采用震波CT探測煤巖體應(yīng)力示意圖

3. 壓裂效果評(píng)價(jià)

采用CDEM連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值模擬軟件，對(duì)比分析了厚層堅(jiān)硬巖層在未壓裂和實(shí)施壓裂兩種條件下，工作面開采過程中的采場頂板巖層斷裂特征、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，結(jié)果表明，地面壓裂可以有效降低工作面回采期間厚層堅(jiān)硬頂板引起的懸頂長度及應(yīng)力集中程度。

壓裂前后上覆巖層的破斷情況對(duì)比

壓裂前后工作面推進(jìn)距離與煤體應(yīng)力的關(guān)系對(duì)比

壓裂前后煤柱應(yīng)力分布特征對(duì)比

4. 應(yīng)用條件與時(shí)機(jī)

• 應(yīng)用條件：煤層上方具有連續(xù)性、完整性較好的高位厚硬頂板（一般距離煤層上方50m以上，厚度大于30m），該巖層在煤層回采過程中不能及時(shí)垮落，是造成沖擊地壓發(fā)生的主控致災(zāi)巖層。

• 應(yīng)用時(shí)機(jī):在工作面回采之前對(duì)沖擊致災(zāi)主控巖層實(shí)施壓裂，在工作面回采過程中利用礦山壓力使其周期性破斷。

5. 研究進(jìn)展

(1)地面壓裂區(qū)域卸壓防沖技術(shù)方案順利通過可行性論證

2019年10月29日上午，天地科技股份有限公司邀請(qǐng)煤礦和石油領(lǐng)域的專家對(duì)《鄂爾多斯厚層頂板地面壓裂區(qū)域卸壓防沖技術(shù)》項(xiàng)目進(jìn)行了可行性論證。與會(huì)專家對(duì)方案進(jìn)行了細(xì)致深入的討論，一致認(rèn)為采用地面壓裂技術(shù)處理高位厚層頂板技術(shù)是可行的。

專家組對(duì)地面壓裂防沖方案進(jìn)行可行性論證

(2)申請(qǐng)了地面壓裂區(qū)域卸壓防沖技術(shù)的系列發(fā)明專利

目前，項(xiàng)目組已在地面壓裂區(qū)域卸壓治理沖擊地壓技術(shù)領(lǐng)域申請(qǐng)發(fā)明專利6項(xiàng)。

免責(zé)聲明：以上內(nèi)容轉(zhuǎn)載自煤炭科學(xué)技術(shù)，所發(fā)內(nèi)容不代表本平臺(tái)立場。