孙利辉教授：强动压采场水力压裂切顶护巷关键参数优化

深部开采常表现为“三高一扰动”特征，特别是动压扰动导致巷道大变形现象较为突出，使得服役期内巷道需要多次返修加固，巷道维修成本高，并具有一定的安全隐患。水力压裂技术可将煤岩体破裂形成破碎带阻隔采动应力传递，使被保护巷道免受或减弱动压扰动影响，保证巷道围岩稳定。压裂参数是决定护巷效果的关键，必须根据具体的开采地质条件设计合理的压裂参数。

国家自然科学基金项目（编号：52474128、52074100），“科技兴蒙”重点专项（编号：2022EEDSKJXM009-1）资助下，河北工程大学孙利辉教授团队：针对深井工作面采动应力扰动周围准备巷道大变形问题，通过理论计算、数值模拟、现场试验等方法，研究了工作面采动应力形成的力源结构及传递规律，构建了水力压裂切顶卸压短悬臂梁结构模型，揭示了非压裂和压裂下覆岩顶板砌体梁结构和短悬臂梁结构的削弱采动应力的本质规律，给出了工作面顺槽内超前水力预裂切顶卸压关键技术参数。相关成果以《强动压采场水力压裂切顶卸压护巷关键参数优化研究》为题已于《金属矿山》杂志在线发表。

该项研究以钱家营矿2120W工作面开采保护动压区内与该工作面平行的多条准备巷道为背景，构建了工作面覆岩水力压裂切顶卸压短悬臂梁结构模型，对比分析了卸压短悬臂梁结构和砌体梁结构对隔离煤柱的压缩作用，压裂后煤柱应力较不压裂时降低49.32%。

（a）未切顶

（b）切顶后

基于关键层理论、断裂力学等相关理论，确定压裂垂高为13.1 m、钻孔角度为60°、钻孔间距为10 m、注入压力为28 MPa。

钻孔布置示意图

根据实际地质条件利用UDEC建立长×高为330 m×86 m数值模拟模型，对比分析工作面不压裂、压裂采空侧煤柱边缘上覆岩层（钻孔角度为45°）、压裂煤柱中深部上覆岩层（钻孔角度为60°）、压裂煤柱深部上覆部岩层（钻孔角度为75°）等4种条件下工作面应力场、裂隙场演化规律及被保护巷道变形规律，确定最优压裂区域。

围岩裂隙场分布规律

未水力压裂时，工作面回采后顶板未能及时垮落，裂隙主要集中在煤柱和十一采专用回风（新）上覆顶板。进行水力压裂切顶后，工作面回采时顶板可随采空区及时垮落，避免长距离悬顶。此时，煤柱上覆顶板裂隙发育程度大幅减小，十一采专用回风（新）上覆顶板裂隙发育也有所降低，工作面底板裂隙发育程度较未压裂时降低100%。

（a）未压裂

（b）45°压裂

（c）60°压裂

（d）75°压裂

裂隙场发育图

未水力压裂时，工作面侧向应力集中区距十一采专用回风巷7.37m，应力峰值36.7 MPa，集中系数2.45，巷道受到的应力扰动大。水力压裂后，45°、60°、75°切顶时，煤柱应力峰值分别为33.4、31.7、31.6 MPa，集中系数分别为2.23、2.11、2.10，峰值较未切顶时分别降低8.99%、13.62%、13.89%，应力集中区均向采空区转移。60°、75°切顶时煤柱应力小于45°切顶，但75°切顶时靠近采空区侧煤柱应力集中，不利于工作面回采时顶板稳定。综上分析，60°切顶角度可有效降低应力峰值，保障巷道稳定与安全生产。

（a）未压裂

（b）45°压裂

（c）60°压裂

（d）75°压裂

垂直应力模拟对比分析

现场工业性试验结果表明：准备巷道顶底板移近量为67.13~140.36 mm，两帮移近量为75.57~100.56 mm，巷道距工作面越近围岩变形越大，反之越小。通过在2120回风巷实施超前水力压裂切顶卸压，有效控制了巷道围岩变形，巷道基本无需维修。

本项研究取得如下结论：

（1）建立了工作面超前预裂下覆岩短悬臂梁模型，推导出压裂和非压裂2种条件下覆岩作用于煤柱的载荷计算公式，分析表明压裂后煤柱承受载荷较未压裂时减小49.32%，隔离煤柱受采动应力扰动小，则被保护巷道越稳定。

（2）研究了在隔离煤柱上方不同区域进行压裂时，围岩应力场、裂隙场及巷道变形规律，结果表明，压裂区域越靠近工作面，则应力集中区更加靠近工作面采空区，巷道围岩变形量也较小。综合考虑，采用压裂煤柱上覆岩层的中深部区域，压裂后煤柱应力集中峰值降低了13.62%、巷道变形量平均降低79.37%，煤柱及准备巷道均得到有效保护。

（3）基于关键层理论，确定了煤层顶板上方的两层细砂岩为亚关键层，判定压裂钻孔垂高为13.1 m，压裂钻孔间距为10 m，压裂钻孔倾角为60°。现场实施了50个孔的压裂，压裂压力为12~48 MPa；准备巷道围岩变形量均小于15 cm，巷道基本无需维修，能够正常使用。

成果来源

验室主任。《金属矿山》青年专家学术委员，《地质与勘探》、《成都理工大学学报（自然科学版）》青年编委，成都理工大学首届优秀研究生导师团队成员，“自然资源部西藏主要成矿带大型-特大型矿床勘查评价和研究科技创新团队”和“自然资源部高层次科技创新人才工程科技创新团队”骨干成员，主要从事青藏高原及周缘铜多金属矿床的研究与找矿勘查工作，先后参与多个大型-超大型矿床的勘查评价，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划专题、四川省自然科学基金及各类横向项目10余项，发表文章70余篇，主编专著2部，参编教材2部

王梦成，孙利辉，初风蛟，等.强动压采场水力压裂切顶护巷关键参数优化研究[J/OL].金属矿山,1-14[2025-04-23].

作者简介

验室主任。《金属矿山》青年专家学术委员，《地质与勘探》、《成都理工大学学报（自然科学版）》青年编委，成都理工大学首届优秀研究生导师团队成员，“自然资源部西藏主要成矿带大型-特大型矿床勘查评价和研究科技创新团队”和“自然资源部高层次科技创新人才工程科技创新团队”骨干成员，主要从事青藏高原及周缘铜多金属矿床的研究与找矿勘查工作，先后参与多个大型-超大型矿床的勘查评价，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划专题、四川省自然科学基金及各类横向项目10余项，发表文章70余篇，主编专著2部，参编教材2部

孙利辉

教授、博士、博士研究生导师。民革邯郸市委委员，邯郸市政协委员。主要从事深部巷道围岩控制、冲击地压防治等方面的教学与科研工作。主持/参与国家自然科学基金面上项目4项，主持省部级研发计划项目2项。获省部级科技奖励10项。出版专著3部，发表论文30余篇，获国家发明专利授权10项、实用新型专利授权15项。兼任中国煤炭学会开采委员会委员，中国岩石力学与工程学会采矿岩石力学分会理事，中国岩石力学与工程学会露天开采与边坡工程专业委员会委员，《中国矿业大学学报》青年编委。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

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