XX煤矿XX工作面水力压裂初次放顶初始设计

不影响回采进度，有利于机械顶板
配合强力液压支架使用
配合强力液压支架使用
采前爆破
深孔预爆破弱化顶板法
对顶板地质条件和采煤方法的适应性强
技术简单，适应性强，效果明显直接
工程量和炸药量大、安全性差、成本高、污染井下空气
高瓦斯矿井和煤层，对地面有影响
普遍采用
普遍采用
利用垂直主应力σv对pb进行归一化处理，由比值σH/σv和σH/σh的相对大小定义地应力场类型。因此，对于不同应力场类型和钻孔参数，无量纲化的裂缝开启压力pb/σv的变化规律如下。
a方位角θAz=0°，钻孔倾斜角θInc从0°旋转至90°，即钻孔由垂直孔旋转为水平孔，σH/σv=0.25、0.75、1.5和2.5时，pb/σv的变化规律见图2.3。
根据最大拉应力准则：当孔壁处最大拉应力达到岩石抗拉强度σt时，裂缝在孔壁处开裂。即： 。裂缝开启位置θf由下式确定：
， 。
利用θf，可计算孔壁裂缝开启压力pb。
在θ-z平面内，根据θf和pb。裂缝方向角γ，可由下式确定： 。
针对三种地应力场类型(σvHh型地应力场，σHvh型地应力场，σHhv型地应力场)，在现有研究基础上，描述开裂压力pb随钻孔方位角θAz和钻孔倾斜角θInc的变化规律。
水力压裂技术是指在钻孔压裂段预制裂缝，从而控制水力压裂裂纹扩展方向的技术，对坚硬顶板的控制有着非常明显的效果，主要表现在压裂和软化两个方面，从而削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距，达到减小或消除坚硬难垮顶板对工作面回采危害的目的。
(1)水力压裂理论
基于弹性理论，以任意方向钻孔周围的应力场为出发点，根据最大拉应力准则分析任意方向钻孔的开裂压力及开裂方向，得出了裂缝开启压力随钻孔参数(方位角，倾斜角)和地应力场类型的变化规律，指导压裂钻孔参数与压裂作业。
(6)对于浅埋深情形，爆破控顶易对地面及周边环境的安全构成一定威胁。采用超前深孔预裂爆破方式弱化工作面坚硬难垮顶板时，爆破产生的震动对地面村庄产生明显影响，导致该矿无法继续正常生产，同时也造成了不良的社会影响。
水力压裂作为经济有效的坚硬难垮顶板控制技术已在国内外推广应用，并可弥补上述技术的不足，实践证明是成功有效的，已在生产实践中显示出良好的技术经济和社会效益。国内已经展开了水力压裂在煤矿中应用的相关研究，主要有水力压裂控制坚硬顶板机理及实验研究，水力压裂弱化坚硬顶煤、提高煤层透气性及瓦斯抽采效果等。天地科技股份有限公司在晋城、潞安矿区、神东、神南以及伊泰进行了水力压裂初次放顶技术的推广应用，结果表明，水力压裂可有效弱化坚硬顶板、破坏其完整性，削弱顶板的强度和整体性，使采空区顶板能够分层分次垮落，缩短初次来压和周期来压步距，达到减小或消除坚硬顶板对工作面回采危害的目的。
注水弱化法
地质构造简单的岩层，遇水易软化的岩石
与爆破法相比费用低，安全性好
注水效率低，弱化效果难以人为控制
岩体碳酸盐类矿物或有地质破坏带；
与其它方法结合应用
与其它方法结合应用
水力压裂法
坚硬致密，整体性好的顶板岩层
控顶效果显著，成本低，施工快
致裂方向易受原生裂隙的影响
构造发育岩层
无
采用
2.2
水力压裂（Hydraulic Fracturing）是指裂纹由于其内部液体压力的作用而开裂并扩展的过程，由于应用领域的不同，有时也称作水压致裂或水力劈裂。水力压裂技术广泛应用于石油、天然气或地热的开采及增产、放射性废物的处置、地应力的测量等领域。
伴随着采煤方法的不断发展，坚硬难垮顶板的控制方法也在发生着不断的变革，有些方法已很少使用，而有些方法则发挥着重要的作用，有必要对这些方法进行一个全面的比较，以便我们根据不同条件选取经济合理的方法；比较结果如表1所示。
表1坚硬难垮顶板控制方法比较
难垮顶板处理和控制方法
适用条件
优点
缺点
限制应用条件
国内应用情况
图2.3开裂压力(pb/σv)随倾角θInc的变化规律
从图2.3看出，当σH/σh=1.0时，压力(pb/σv)均随倾角θInc呈递减趋势，即钻孔从垂直方向逐渐旋转至水平方向时，所需开裂压力不断减小；对于σvHh型地应力场(σv>σH>σh)，压力(pb/σv)随倾角θInc呈先增大后减小的趋势，即钻孔在旋转过程中，开裂压力经历最大值；对于σHvh型地应力场(σH>σv>σh)，呈现递增趋势，即钻孔由垂直孔转向水平孔的过程中，裂缝开启所需压力逐渐增大；对于σHhv型地应力场(σH>σh>σv)，随着钻孔由垂直孔转向水平孔，裂缝开启所需压力逐渐减小。钻孔倾角逐渐接近于水平方向时，开裂压力有收敛于一定值的趋势；对于三种类型的应力场(其中：σvHh型地应力场为开裂压力达到最大值前)，随着σH/σh的增大，裂缝开启所需压力均有减小趋势；随着σH/σv的增大，裂缝开启所需压力则有增大趋势。
工作面初采时，90%以上的工作面需要实施爆破强制放顶，否则易造成工作面顶板大面积悬空，一次性垮落时往往伴随强烈的动力现象，造成设备损坏、危及人身安全等恶性事故，严重影响矿井的安全生产。
针对此类难垮顶板，我国从20世纪50年代起开始研究其控制技术，形成了难垮顶板控制理论和工艺方法。目前我国难垮顶板的控制基本是以爆破为主，注水软化为辅的方法，然而该方法存在以下不足：
2.1
坚硬顶板的控制存在着两种不用的观点和途径。一种是维持顶板稳定不冒，安全采出煤炭；另一种是促进和改善顶板冒落，安全维护采场空间。属于第一种的控制方法有煤柱支撑法、采空区充填法等，属于第二种的控制方法有强制放顶法、注水软化顶板法、强力支护切顶法、工作面超前深孔预爆破弱化顶板法、水力压裂法等。我国从20世纪50年代起开始研究坚硬难垮顶板的控制。最为典型的是在大同矿区进行的“坚硬顶板条件下综合机械化开采”科技攻关项目，深入研究了强制爆破放顶与注水弱化两种坚硬顶板处理工艺，分别形成了步距式深孔放顶、循环浅孔放顶、端头强制切顶、超前深孔预爆破松动顶板、高压预注水和水力压裂的技术和工艺。
XX煤矿
XX工作面水力压裂初次放顶
初始设计
1
在煤矿开采中，通常采用全部垮落法管理工作面采空区顶板，我国大部分煤矿采空区顶板无法随工作面推进及时垮落，如岩石强度高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力强等顶板岩层，煤层开采后大面积悬露在采空区，短期内不垮落；一旦垮落，一次垮落的面积大、高度大，有强烈的周期性来压。并且，此类顶板的初次来压步距往往较大，可达40~50m，甚至上百米，来压时有明显的动力现象，常造成支护设备损坏，危及人身安全等恶性事故。
国外应用情况
强制放顶法
采后爆破
循环浅孔放顶法
普、炮采完整性稍差的顶板
技术简单，效果明显直接
干扰回采工序，影响回采进度
高产高效的机械化矿井
采用
采用
步距式深孔放顶法
普、炮采完整性稍强的顶板、综采初次放顶
技术简单，效果明显直接
干扰回采工序，影响回采进度
高产高效的机械化矿井
采用
采用
两巷断顶法
综采完整性稍强的顶板
bθAz=45°，σH/σv=0.25、0.75、1.5和2.5时，pb/σv的变化规律见图2.4。
图2.4开裂压力(pb/σv)随倾角θInc的变化规律
类似地，σH/σh=1.0时，在钻孔由垂直方向逐渐旋转至水平方向的过程中，裂缝开启所需压力不断减小；对于σvHh型地应力场(σv>σH>σh)，压力(pb/σv)随倾角θInc呈减小的趋势；对于σHvh型地应力场(σH>σv>σh)，压力(pb/σv)逐渐增大；对于σHhv型地应力场(σH>σh>σv)，随着钻孔由垂直孔转向水平孔，裂缝开启所需压力逐渐减小；裂缝开启所需压力则逐渐增大。随着σH/σh的增大，对于σvHh型地应力场，裂缝开启所需压力为减小趋势，对于σHvh和σHhv型地应力场，裂缝开启所需压力呈先减小后增大的趋势；随着σH/σv的增大，裂缝开启所需压力总体呈增大趋势。
(3)
斜孔周围的应力在柱坐标系(r，θ，z)中可表示为：式中p为水压
(4)
式中：
， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。
孔壁应力为：
，
， ，
孔壁开裂分析，孔壁最大拉应力位于与孔壁相切的θ-z平面内，如图2.2。最大环向主应力可表示为： 。
图2.2直角坐标系下孔边应力场
由孔壁应力状态可知，σθ是液体压力p的函数。因此，σmax是p的函数。在孔壁圆周方向上，随着角度θ的变化，σmax是变化的。当液体压力p逐渐增大到一定值，在孔壁θf处开始产生裂缝，θf处σmax达到最大。
d倾斜角θInc=90°，钻孔为水平孔。钻孔方位角θAz从0°旋转至90°，即钻孔轴线从σh方向转至σH方向。pb/σv的变化规律见图2.6。
图2.6开裂压力(pb/σv)随倾角θInc的变化规律
可以看出，σH/σh=1.0时，水平孔由σh方向逐渐旋转至σH方向的过程中，裂缝开启压力保持不变；对于σvHh型地应力场(σv>σH>σh)，压力(pb/σv)随方位角θAz呈减小的趋势；对于σHvh型地应力场(σH>σv>σh)，压力(pb/σv)呈先增大后减小的趋势；对于σHhv型地应力场(σH>σh>σv)，裂缝开启压力随方位角θAz单调增加。
坐标系(1，2，3)和(x，y，z)之间的转化关系为：
(1)
那么，局部坐标系(x，y，z)中的地应力分量可由远场地应力分量(σh，σH，σv)描述：
(2)
式中：i，j=x，y，z；m，n=1，2，3；Aij，Amn分别为式(1)中变换系数矩阵中的对应元素。
图2.1坐标系
可得由远场地应力分量表示的(x，y，z)坐标系中的应力分量：
基于以上背景，拟对XX煤矿XX工作面实施水力压裂初次放顶，解决工作面初次放顶存在的问题，保证工作面初采安全。