矿山坚硬顶板切顶卸压技术研究

山西冶金
SHANXI METALLURGY Total 188No.6，2020
DOI:10.16525/14-1167/tf.2020.06.27
试（实）验研究
总第188期2020年第6期矿山坚硬顶板切顶卸压技术研究
张利东
（西山煤电集团有限责任公司杜儿坪矿，山西
太原
030053）
摘
要：以杜儿坪矿为研究背景，
利用abaqus 数值模拟软件对砂岩进行定向水力压裂，发现随着预制裂缝角的增大，砂岩的起裂压力及裂缝起裂张开度均呈现增大的趋势，起裂压力和裂缝张开度随着预制裂缝长度的增大而减小，起裂压力随着钻孔直径的增大而减小，为坚硬顶板的治理提供一定的借鉴与依据。

关键词：坚硬顶板
预制裂缝
裂缝张开度
中图分类号：TD322+.1
文献标识码：A
文章编号：1672-1152（2020）06-0070-02
收稿日期：2020-08-03
作者简介：张利东（1985—），男，毕业于山西煤炭职工联合大学（大专），现在杜儿坪煤矿安监处质量科工作。

我国煤炭资源储量丰富，但赋存条件较为复杂。

据统计我国约7成的煤层存在坚硬顶板问题，坚硬顶板是指煤层顶板由砂岩石灰岩等岩性较强的煤层组成。

坚硬顶板由于较难发生垮落极易形成悬顶，大面积的悬顶一旦发生垮落极易形成冲击灾害。

同时在留煤柱开采的矿山，大面积的悬顶造成工作面围岩变形严重，
使得护巷煤柱的尺寸增加，造成严重的资源浪费。

在留煤柱开采的矿山，大面积的悬顶造成巷道围岩变形严重，加大巷道的维护成本。

所以对坚硬顶板进行及时的切顶卸压是治理坚硬顶板问题的
重要技术手段[1，2]。

目前针对坚硬顶板的切顶卸压主
要包括爆破切顶卸压、水力压裂切顶卸压及聚能爆破切顶卸压，由于我国提出绿色开采的口号，所以水力压裂成为了矿山切顶卸压的主要技术手段，此前我国众多学者对水力压裂进行过一定的研究[3]。

本文以杜儿平矿62709工作面为研究背景，对不同压裂参数下砂岩顶板的压裂情况进行分析，为杜儿坪矿坚硬顶板的治理提供一定依据，为类似问题的矿山治理提一定的借鉴。

1矿井概况与模型建立
西山煤电集团有限责任公司杜儿坪矿（全文简称杜儿坪矿）62709工作面煤层厚度为1.0~2.5m ，煤层平均厚度为1.93m ，煤层的倾角为2°~9°，平均倾角为5°，煤层埋深560m ，工作面走向长度为1127m ，巷道的顶板较为坚硬，所以需要对回采工作面进行切顶卸压，
保证回采工作的顺利进行。

首先为了研究切顶卸压参数对卸压效果的影响，本文建立二维砂岩模型，
进行定向水力压裂，通过分析不同预制裂缝角、不同预制裂缝长度及不同钻孔直径下砂岩起裂的起裂压力、裂缝张开度等进行研究，
首先进行模拟模型建立。

首先建立长宽高分别为500mm ×500mm ×1mm 的模型，在模型的中心位置进行预制钻孔，钻孔的圆心为模型的中心，在建模过程引起cohesive 单元，cohesive 单元是一种虚拟单元，其不具有力学属性，在钻孔上利用cohesive 单元进行预制裂缝的建立，
完成模型结构建立后对模型进行网格划分，在进行网格划分时，由于本次模拟划分网格时在钻孔壁附近为应力及变形的集中区域，所以对模型的钻孔附近进行细化分，在其余位置进行适当的粗化，当模型网格划分完成后，对模型的边界条件进行设置，限制模型XY 方向的位移，所以在模型的上下左右进行固定约束设置。

对模型的力学参数进行设置，根据砂岩的实际力学参数对模型的弹性模量、
泊松比、渗透率、泄漏系数、断裂韧度及允许最大位移等参数进行设置。

完成上述设置后对模型的应力环境进行设置，根据实际地质情况设置Z 方向的垂直应力为10MPa ，所以在模型的左右及上下各施加6MPa 和8MPa 的均布载荷，方向均为指向钻孔圆心，完成模型的建立，模型示意图如1所示。

图1二维模型示意图
2020年第6期2数值模拟计算
对不同预制裂缝角下模型的起裂压力、裂缝张开度进行研究，选定预制裂缝角分别为15°、30°、
45°、60°、75°及90°，起裂压力及裂缝张开度随预制裂缝角的变化曲线如图2所示。

从图2-1起裂压力随预制裂缝角变化曲线可以看出，随着预制裂缝角的增大，砂岩的起裂压力呈现逐步增大的趋势，当预制裂缝角为15°时，此时砂岩的起裂压力为13.2MPa ；当预制裂缝角为30°时，此时砂岩的起裂压力为14.1MPa ，较预制裂缝角15°增大了0.9MPa ；当预制裂缝角为45°时，此时砂岩的起裂压力为14.8MPa ，较预制裂缝角15°增大了1.6MPa ；当预制裂缝角为60°时，此时砂岩的起裂压力为15.6MPa ，较预制裂缝角15°增大了2.4MPa ；当预制裂缝角为75°时，此时砂岩的起裂压力为16.2MPa ，较预制裂缝角15°增大了3MPa ；当预制裂缝角为
90°时，此时砂岩的起裂压力为16.8MPa ，较预制裂缝角15°增大了3.6MPa 。

这是由于随着预制裂缝角的增大，最大水平主应力与预制裂缝的夹角越大，最大水平主应力对预制裂缝尖端的起裂限制作用越强，岩石沿着预制裂缝起裂的难易程度增加，砂岩的起裂压裂增加。

观察图2-2裂缝张开度随预制裂缝角变化曲线可以看出，随着预制裂缝角的增大，砂岩起裂后的裂缝张开度呈现增大的趋势，预制裂缝角15°、30°、45°、60°、75°及90°的裂缝张开度分别为0.100mm 、0.108mm 、0.150mm 、0.118mm 、0.121mm 和0.125mm 。

这是由于随着预制裂缝角的增大，砂岩的起裂压裂增大，钻孔内部内量的聚集越多，在砂岩沿预制裂缝尖端起裂瞬间能量释放的也就越多，释放的能量用于裂缝的扩展与裂缝的张开，所以裂缝的张开度随着预制裂缝角的增大而增大。

对不同预制裂缝长度模型的起裂压力、裂缝张开度进行研究，选定预制裂缝长度分别为5mm 、8mm 、
10mm 、12mm 和15mm 起裂压力及裂缝张开度随预制裂缝长度的变化曲线如图3所示。

观察图3-1砂岩起裂压力随预制裂缝长度变化曲线可以看出，随着预制裂缝长度的增大，砂岩的起裂压力呈现减小的趋势，预制裂缝长度5mm 、8mm 、
10mm 、12mm 、15mm 的起裂压力分别为15.5MPa 、15.2MPa 、14.8MPa 、14.2MPa ，13.4MPa 。

这是由于随着预制裂缝长度的增大，预制裂缝尖端附近的应力集中更加明显，裂缝沿着预制裂缝尖端起裂需要的起裂压力越低。

观察图3-2裂缝张开度随预制裂缝长度变化曲线可以看出，
随着预制裂缝长度的增大，砂岩起裂的裂缝张开度逐步减小，预制裂缝长度5mm 、8mm 、10mm 、12mm 、15mm 的裂缝张开度分别为0.118mm 、0.117mm 、0.115mm 、0.111mm ，0.109mm 。

这是由于随着预制裂缝长度的增大，岩石的起裂压力减小，岩石瞬间释放的能量也就越小，所以裂缝的张开度逐步减小[5]。

对不同钻孔直径模型的起裂压力进行研究，选定钻孔直径分别为25mm 、30mm 、40mm 、50mm 起裂压力随钻孔直径的变化曲线，随着钻孔直径的增大，砂岩的起裂压力呈现减小的趋势，钻孔直径为25mm 、30mm 、40mm 、50mm 的起裂压力分别为
14.8MPa 、14.2MPa 、13.8MPa 、13.4MPa 。

这是由于随着钻孔直径的增大，钻孔壁的应力集中更加明显，应力在钻孔壁附近重新分布，起裂压力随钻孔直径的增大而减小。

２-2裂缝张开度随预制裂缝角变化曲线
2-1起裂压力随预制裂缝角变化曲线
图2压裂参数随预制裂缝角变化曲线图
3-1起裂压力随预制裂缝长度变化曲线
图3压裂参数随预制裂缝长度变化曲线图
3-2裂缝张开度随预制裂缝长度变化曲线
16151413预制裂缝角/（°）
预制裂缝角/（°）
预制裂缝长度/mm
预制裂缝长度/mm
（下转第77页）
张利东：矿山坚硬顶板切顶卸压技术研究
71··
2020年第6期3结论
1）通过对砂岩定向水力压裂进行模拟发现，随着预制裂缝角的增大，砂岩起裂需要的起裂压力越大，
裂缝起裂的裂缝张开度越大。

2）通过对砂岩定向水力压裂进行模拟发现，随
着预制裂缝长度的增大，砂岩起裂需要的起裂压力减小，裂缝起裂的裂缝张开度减小。

3）通过对不同钻孔直径下砂岩的起裂压力进行
研究发现，随着钻孔直径的增大，
岩石的起裂压力呈现增大的趋势。

参考文献
[1]郭国强，周杨，董帅.坚硬顶板综放面覆岩垮落及导水裂隙研究[J].煤炭技术，2020，39（6）：129-133.
[2]夏永学，陆闯，杨光宇，等.坚硬顶板孔内磨砂射流轴向切缝及压裂试验研究[J].采矿与岩层控制工程学报，2020（3）：56-62.[3]
翟文，王文新，吕凤圆，等.缓倾斜厚煤层回采巷道水力压裂卸压技术应用研究[J].能源与环保，2020，42（5）：149-152.
（编辑：苗运平）
Study on Pressure Relief of Hard Roof Cutting
Zhang Lidong
（Duerping Coal Mine of Xishan Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030053）
Abstract:This paper takes Duerping mine as the research background,and uses abaqus numerical simulation software to conduct directional hydraulic fracturing of sandstone.It is found that with the increase of prefabricated fracture an-gle,the fracture initiation pressure and fracture initiation opening degree of sandstone show an increasing trend,and the fracture initiation pressure and fracture opening degree decrease with the increase of prefabricated fracture length.The pressure decreases with the increase of borehole diameter,which provides some reference and basis for the treat-ment of hard roof.
Key words:hard roof;prefabricated crack;crack opening
平主应力。

实验结果发现阳煤一矿地应力中以水平主应力为主，三向地应力在数值上的大小关系为S H >S v >S h ，符合构造应力场的典型特征。

2）水压致裂试验结束后，对钻孔机进行窥视发现，张开裂缝在孔壁两侧呈现对称状出现，符合水压致裂产生裂隙的特征。

3）通过水压致裂试验发现，最大水平主应力（S H ）
的方向为N47°E~N53°E ，也即该钻孔最大主应力方向为NE 向。

参考文献
[1]康红普，颜立新，张剑.汾西矿区地应力测试与分析[J].采矿与安全工程学报，2009，26（3）：263-268.
[2]蔡美峰.地应力测量原理与技术[M].北京：科学出版社，2000.[3]康红普，林健.我国巷道围岩地质力学测试技术新进展[J].煤炭科学技术，2001，29（7）：27-30.
[4]康红普，林健，张晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用[J].岩石力学与工程学报，2007，26（5）：929-933.
[5]
张晓.小孔径水压致裂地应力测量技术研究及现场应用[D].北京：煤炭科学研究总院，2004.
（编辑：苗运平）
Measurement and Analysis of Ground Stress in No.1Mine of Yangquan Coal Industry
Zhang Hao
（No.1Coal Mine,Yangquan Coal Industry （Group ）Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi 045008）
Abstract:Yangquan No.1Coal Mine is a high gas mine.Reasonable and effective roadway layout can effectively im-prove the efficiency of roadway excavation and reduce the risk of coal roadway accident.Therefore,it is necessary to test and analyze the ground stress in Yangquan No.1coal mine area.In this paper,the hydraulic fracturing ground stress testing device is used to test the ground stress in the third mining area of Yang coal mine area,and the water pressure cracks are symmetrically distributed on both sides of the hole wall,which accurately reflects the state of the pressure crack.The ground stress in Yangquan coal mine area is mainly horizontal ground stress,and the relationship between the three-dimensional stress values is S H >S v >S h ，which has the typical characteristics of tectonic stress field.The direction of the maximum horizontal principal stress is N47°E~N53°E.The ground stress test results can effec-tively guide the roadway excavation and support in No.1Coal Mine of Yangquan Coal Industry,which has far-reaching application value.
Key words:groud stress test;hydraulic fracturing;stress field;practical application
（上接第71页）张浩：阳煤一矿地应力的测试与分析
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