深部開采常表現(xiàn)為“三高一擾動”特征，特別是動壓擾動導致巷道大變形現(xiàn)象較為突出，使得服役期內巷道需要多次返修加固，巷道維修成本高，并具有一定的安全隱患。水力壓裂技術可將煤巖體破裂形成破碎帶阻隔采動應力傳遞，使被保護巷道免受或減弱動壓擾動影響，保證巷道圍巖穩(wěn)定。壓裂參數是決定護巷效果的關鍵，必須根據具體的開采地質條件設計合理的壓裂參數。

國家自然科學基金項目（編號：52474128、52074100），“科技興蒙”重點專項（編號：2022EEDSKJXM009-1）資助下，河北工程大學孫利輝教授團隊：針對深井工作面采動應力擾動周圍準備巷道大變形問題，通過理論計算、數值模擬、現(xiàn)場試驗等方法，研究了工作面采動應力形成的力源結構及傳遞規(guī)律，構建了水力壓裂切頂卸壓短懸臂梁結構模型，揭示了非壓裂和壓裂下覆巖頂板砌體梁結構和短懸臂梁結構的削弱采動應力的本質規(guī)律，給出了工作面順槽內超前水力預裂切頂卸壓關鍵技術參數。相關成果以《強動壓采場水力壓裂切頂卸壓護巷關鍵參數優(yōu)化研究》為題已于《金屬礦山》雜志在線發(fā)表。

該項研究以錢家營礦2120W工作面開采保護動壓區(qū)內與該工作面平行的多條準備巷道為背景，構建了工作面覆巖水力壓裂切頂卸壓短懸臂梁結構模型，對比分析了卸壓短懸臂梁結構和砌體梁結構對隔離煤柱的壓縮作用，壓裂后煤柱應力較不壓裂時降低49.32%。

（a）未切頂

（b）切頂后

基于關鍵層理論、斷裂力學等相關理論，確定壓裂垂高為13.1 m、鉆孔角度為60°、鉆孔間距為10 m、注入壓力為28 MPa。

鉆孔布置示意圖

根據實際地質條件利用UDEC建立長×高為330 m×86 m數值模擬模型，對比分析工作面不壓裂、壓裂采空側煤柱邊緣上覆巖層（鉆孔角度為45°）、壓裂煤柱中深部上覆巖層（鉆孔角度為60°）、壓裂煤柱深部上覆部巖層（鉆孔角度為75°）等4種條件下工作面應力場、裂隙場演化規(guī)律及被保護巷道變形規(guī)律，確定最優(yōu)壓裂區(qū)域。

圍巖裂隙場分布規(guī)律

未水力壓裂時，工作面回采后頂板未能及時垮落，裂隙主要集中在煤柱和十一采專用回風（新）上覆頂板。進行水力壓裂切頂后，工作面回采時頂板可隨采空區(qū)及時垮落，避免長距離懸頂。此時，煤柱上覆頂板裂隙發(fā)育程度大幅減小，十一采專用回風（新）上覆頂板裂隙發(fā)育也有所降低，工作面底板裂隙發(fā)育程度較未壓裂時降低100%。

（a）未壓裂

（b）45°壓裂

（c）60°壓裂

（d）75°壓裂

裂隙場發(fā)育圖

未水力壓裂時，工作面?zhèn)认驊袇^(qū)距十一采專用回風巷7.37m，應力峰值36.7 MPa，集中系數2.45，巷道受到的應力擾動大。水力壓裂后，45°、60°、75°切頂時，煤柱應力峰值分別為33.4、31.7、31.6 MPa，集中系數分別為2.23、2.11、2.10，峰值較未切頂時分別降低8.99%、13.62%、13.89%，應力集中區(qū)均向采空區(qū)轉移。60°、75°切頂時煤柱應力小于45°切頂，但75°切頂時靠近采空區(qū)側煤柱應力集中，不利于工作面回采時頂板穩(wěn)定。綜上分析，60°切頂角度可有效降低應力峰值，保障巷道穩(wěn)定與安全生產。

（a）未壓裂

（b）45°壓裂

（c）60°壓裂

（d）75°壓裂

垂直應力模擬對比分析

現(xiàn)場工業(yè)性試驗結果表明：準備巷道頂底板移近量為67.13~140.36 mm，兩幫移近量為75.57~100.56 mm，巷道距工作面越近圍巖變形越大，反之越小。通過在2120回風巷實施超前水力壓裂切頂卸壓，有效控制了巷道圍巖變形，巷道基本無需維修。

本項研究取得如下結論：

（1）建立了工作面超前預裂下覆巖短懸臂梁模型，推導出壓裂和非壓裂2種條件下覆巖作用于煤柱的載荷計算公式，分析表明壓裂后煤柱承受載荷較未壓裂時減小49.32%，隔離煤柱受采動應力擾動小，則被保護巷道越穩(wěn)定。

（2）研究了在隔離煤柱上方不同區(qū)域進行壓裂時，圍巖應力場、裂隙場及巷道變形規(guī)律，結果表明，壓裂區(qū)域越靠近工作面，則應力集中區(qū)更加靠近工作面采空區(qū)，巷道圍巖變形量也較小。綜合考慮，采用壓裂煤柱上覆巖層的中深部區(qū)域，壓裂后煤柱應力集中峰值降低了13.62%、巷道變形量平均降低79.37%，煤柱及準備巷道均得到有效保護。

（3）基于關鍵層理論，確定了煤層頂板上方的兩層細砂巖為亞關鍵層，判定壓裂鉆孔垂高為13.1 m，壓裂鉆孔間距為10 m，壓裂鉆孔傾角為60°?，F(xiàn)場實施了50個孔的壓裂，壓裂壓力為12~48 MPa；準備巷道圍巖變形量均小于15 cm，巷道基本無需維修，能夠正常使用。

成果來源

驗室主任。《金屬礦山》青年專家學術委員，《地質與勘探》、《成都理工大學學報（自然科學版）》青年編委，成都理工大學首屆優(yōu)秀研究生導師團隊成員，“自然資源部西藏主要成礦帶大型-特大型礦床勘查評價和研究科技創(chuàng)新團隊”和“自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團隊”骨干成員，主要從事青藏高原及周緣銅多金屬礦床的研究與找礦勘查工作，先后參與多個大型-超大型礦床的勘查評價，主持國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃專題、四川省自然科學基金及各類橫向項目10余項，發(fā)表文章70余篇，主編專著2部，參編教材2部

王夢成，孫利輝，初風蛟，等.強動壓采場水力壓裂切頂護巷關鍵參數優(yōu)化研究[J/OL].金屬礦山,1-14[2025-04-23].

作者簡介

驗室主任。《金屬礦山》青年專家學術委員，《地質與勘探》、《成都理工大學學報（自然科學版）》青年編委，成都理工大學首屆優(yōu)秀研究生導師團隊成員，“自然資源部西藏主要成礦帶大型-特大型礦床勘查評價和研究科技創(chuàng)新團隊”和“自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團隊”骨干成員，主要從事青藏高原及周緣銅多金屬礦床的研究與找礦勘查工作，先后參與多個大型-超大型礦床的勘查評價，主持國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃專題、四川省自然科學基金及各類橫向項目10余項，發(fā)表文章70余篇，主編專著2部，參編教材2部

孫利輝

教授、博士、博士研究生導師。民革邯鄲市委委員，邯鄲市政協(xié)委員。主要從事深部巷道圍巖控制、沖擊地壓防治等方面的教學與科研工作。主持/參與國家自然科學基金面上項目4項，主持省部級研發(fā)計劃項目2項。獲省部級科技獎勵10項。出版專著3部，發(fā)表論文30余篇，獲國家發(fā)明專利授權10項、實用新型專利授權15項。兼任中國煤炭學會開采委員會委員，中國巖石力學與工程學會采礦巖石力學分會理事，中國巖石力學與工程學會露天開采與邊坡工程專業(yè)委員會委員，《中國礦業(yè)大學學報》青年編委。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術學科核心期刊第1位；根據中國知網發(fā)布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

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