摘要
我国煤矿开采规模不断扩大、开采深度不断增加，坚硬顶板冲击地压及强烈动载等问题愈发突出。顶板灾害作为煤矿五大灾害之一，是煤矿井下开采的常见和多发事故，无论是事故发生次数还是死亡人数，顶板事故均居我国事故灾害之首。在矿井生产中，坚硬顶板会使工作面端头形成大面积悬顶，容易造成上隅角瓦斯积聚和大面积来压，对矿井的安全生产造成严重威胁。基于此，本文以东沟煤矿9011工作面为研究背景，采用室内实验、理论分析、数值模拟与现场工业性试验等方法，对端头悬顶形成机理与控制技术进行分析，并提出水力压裂方法解决端头悬顶问题治理技术并在井下工业应用。论文主要内容如下： （1）调研了东沟煤矿9011工作面地质概况及煤岩物理力学参数，分析了厚硬顶板弧形三角块悬顶结构形成机理，建立了工作面端头坚硬顶板悬顶力学模型，研究了顶板弧形三角块稳定性机理及失稳影响因素，计算得出滑落稳定系数与转动失稳系数分别为5.71和0.161，即9011工作面所形成的坚硬顶板弧形三角块结构在自稳状态下不会垮落，需进行人工干预，进而提出了基于水力压裂切顶卸压的端头悬顶治理技术，为端头弧形三角块结构引起的矿压显现强烈、支护困难、返修工程量等工程问题治理提供依据。 （2）基于3DEC数值软件建立了9011工作面开采模型，研究了工作面端头未切顶状态下悬顶特征，应力集中系数约为3.1-3.5，并对比了不同切顶卸压角度与高度岩层运动特征与应力演化规律；得出切顶高度22m以上时巷道顶板下沉量从400mm降低到130mm左右；随切顶角度增大，顶板断裂与滑移情况更为明显、切顶卸压效果增强，确定了最优切顶仰角选为60°；并且端头增加竖直压裂孔时可切断顶板连续性，降低巷道煤柱侧的应力，有效减小悬顶长度，对于端头悬顶治理效果更优。 （3）通过ABAQUS软件建立坚硬顶板压裂流固耦合数值模型，研究了水力裂缝宽度与长度的时程演化规律，时间增加时裂缝扩展长度逐渐增加、宽度方向扩展速度变缓；不同支承应力环境下的水力裂隙扩展规律研究表明，最大主应力方向对于水力裂缝扩展方向具有决定性影响；改变泵注流量时，裂缝起裂压力和稳定扩展压力变化不大，裂缝长度与宽度增加但增长速度随流量变大逐渐变慢，结合现场实际情况确定泵注流量为0.003m3/s；不同间距下同时压裂的裂缝扩展规律研究表明，压裂间距为6m与8m时，缝间干扰强烈，裂尖向两侧偏移量分别为0.75m与0.625m，压裂效果变差，确定压裂间距为10m可兼顾压裂效果和钻孔施工量。 （4）基于理论分析与数值模拟结果，提出9011回风巷水力压裂切顶卸压技术方案，钻孔起裂压力为22.8MPa、稳定压力为14.6MPa，压裂孔内存在明显的水压裂隙；矿压监测结果表明，水力压裂后两帮收缩量降幅约40%、顶底板收缩量降幅约35%，超前支承压力影响范围小于40m、支承压力峰值约7.5MPa；压裂后，巷道表面位移显著减小，工作面矿压显现明显降低、来压步距减小、顶板随采随垮，水力压裂效果明显。
NETL