基于壓裂圈的強地壓巷道應(yīng)力轉(zhuǎn)移方法與流程

本發(fā)明涉及一種強地壓巷道壓裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移方法，能夠在巷道圍巖內(nèi)形成一圈人為弱結(jié)構(gòu)區(qū)，即“壓裂圈”，通過卸荷、應(yīng)力阻斷、讓壓作用主動將巷道圍巖富集的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至遠離巷道的安全區(qū)域，使得巷道圍巖應(yīng)力減弱至較低的可控的水平，并利用增加的人為弱化帶吸收沖擊能量，控制荷載對巷道圍巖變形的影響。

背景技術(shù)：

巷道圍巖失穩(wěn)原因從產(chǎn)生機理上主要分為以下三方面：

①高地應(yīng)力環(huán)境

越來越多的煤礦進入深部開采，千米深井開采逐漸成為常態(tài)；靠近地質(zhì)構(gòu)造帶的巷道，地應(yīng)力集中程度高，圍巖完整性差都會造成巷道地應(yīng)力水平整體或局部升高，并由此帶來強地壓現(xiàn)象。

②開采擾動

人為采掘布置形成的孤島和半孤島(一側(cè)采空)工作面，或者為了使要回采的高瓦斯工作面進行長時間的瓦斯逸散，形成的長時間留設(shè)未采的孤島工作面；近距離煤層群開采過程中上部開采完畢后殘存的保護煤柱使下部煤層應(yīng)力升高。

巷道在維護過程中，受本工作面、相鄰工作面、上部工作面或急傾斜煤層中的下部工作面影響，引起動載和靜載疊加，應(yīng)力集中程度增加，增加了巷道強地壓和失穩(wěn)破壞的速率；當巷道在掘進過程中，自身的巷道圍巖存在圍巖擾動，再加上臨近工作面和周邊工作面回采動壓的影響，頂板活動進一步加劇，巷道的強地壓現(xiàn)象會更加強烈。

③圍巖的力學特性

巷道圍巖的力學特性對巷道的穩(wěn)定性具有重要作用。對于金屬礦山和非金屬礦山，采空區(qū)堅硬頂板往往會大面積懸而不斷，將其自重及承載的上覆巖層的重量轉(zhuǎn)移至煤柱及巷道頂板，煤柱和巷道上方載荷增加；其次，堅硬頂板由于強度高，彈性模量強等特點，是良好的彈性能量儲存體，為強地壓提供了能量儲備；再者，開采所面對的多是沉積巖層，堅硬頂板的整體性能好，剛度大，變形量小，能將高應(yīng)力遠距離傳遞到頂板下方的高承載區(qū)域，是高應(yīng)力傳播的良好通道和載體，為巷道臨近工作面的應(yīng)力擾動提供了條件。

在金屬礦山和煤礦井下，對于具有沖擊傾向性的煤巖，當應(yīng)力集中到一定程度，達到臨界失穩(wěn)強度就會形成沖擊地壓。對與具有煤與瓦斯突出傾向性的煤層，當?shù)貞?yīng)力達到突出臨界值時也會形成突出。目前，煤巷占煤礦巷道總長的80％以上，其中順槽巷道基本為全煤巷，煤巷在掘進和回采期間受煤與瓦斯突出影響嚴重。

強地壓和煤巖動力災(zāi)害是制約巷道圍巖控制的技術(shù)難題，但其核心共性問題是煤巖的力學特性和地應(yīng)力的狀態(tài)。大量研究表明，強地壓和煤巖動力災(zāi)害的發(fā)生與地應(yīng)力環(huán)境有著緊密的聯(lián)系，降低圍巖的應(yīng)力可有效減小圍巖變形和動力災(zāi)害發(fā)生的概率和劇烈程度，因此，為控制巷道圍巖，關(guān)鍵是控制巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境。對巷道圍巖壓裂可形成水壓裂縫，有效改變和降低圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，因此，對于深部礦井、有大變形和動力災(zāi)害的巷道，采用巷道圍巖壓裂的方法可有效控制強地壓。

現(xiàn)有一種控制強礦壓的方法，即一種水力致裂控制臨空巷道強礦壓的方法，首先根據(jù)采煤工作面地質(zhì)信息柱狀圖，確定頂板堅硬巖層，然后設(shè)計控制鉆孔，分別控制超前支承壓力和側(cè)向支承壓力，鉆孔施工結(jié)束后，可在孔底進行開槽或割縫，以實現(xiàn)定向致裂的目的，然后實施水力致裂工藝，將堅硬頂板弱化或沿鉆孔定向預(yù)裂縫的位置切斷，實現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移和圍巖弱化，從而減輕臨空巷道的側(cè)向與超前支承壓力，圍巖內(nèi)部弱化帶能有效吸收或減弱沖擊應(yīng)力波，避免堅硬頂板突然斷裂等導致的沖擊地壓等動力災(zāi)害，控制臨空巷道的大變形。不僅適用于控制對具有堅硬頂板采煤工作面的臨空巷道的強礦壓，也適用于控制工作面回采與相鄰工作面巷道掘進交鋒等巷道的強礦壓。

上述控制強礦壓的方法的本質(zhì)只是將工作面一側(cè)存在懸空狀態(tài)的堅硬頂板(半孤島工作面)或者兩側(cè)都存在懸空狀態(tài)的堅硬頂板(孤島工作面)定向預(yù)裂切斷，不適于沒有形成孤島和半孤島工作面的情形，巷道在維護過程中，既可能受到本工作面回采動壓或者其它擾動的影響，在施工和維護過程中也可能受到周邊工作面回采動壓的影響，巷道圍巖的應(yīng)力水平在影響范圍內(nèi)明顯提高，尤其是迎采巷道掘進與相鄰工作面回采交鋒過程，壓力動載系數(shù)達到幾倍甚至十倍以上，強地壓現(xiàn)象異常明顯，也不適應(yīng)于深部礦井高應(yīng)力的影響和地質(zhì)構(gòu)造帶的高應(yīng)力影響的情形，不適應(yīng)于巷道在掘進迎頭存在動力災(zāi)害隱患的情形，而這種情況下采用現(xiàn)有的控制方式無法切斷應(yīng)力，從而方法失效。此外，雖然現(xiàn)有控制礦壓的方法提出了圍巖內(nèi)部的弱化帶能有效吸收或減弱沖擊應(yīng)力波，避免堅硬頂板突然斷裂等導致的沖擊地壓等動力災(zāi)害，但是其弱化帶吸收或減弱沖擊應(yīng)力波的效果不可控制，不能調(diào)節(jié)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供一種基于“壓裂圈”的強地壓巷道應(yīng)力轉(zhuǎn)移方法，避免強地壓引起的巷道大變形和沖擊地壓等動力災(zāi)害，人為弱化帶能夠吸收或減弱沖擊應(yīng)力波的效果，過程可控制。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：一種基于壓裂圈的強地壓巷道應(yīng)力轉(zhuǎn)移方法，其特征是：首先根據(jù)巷道所處的應(yīng)力環(huán)境，找出目前已經(jīng)或者以后可能會導致巷道發(fā)生強地壓的應(yīng)力源，然后針對性的施工鉆孔進行壓裂，在巷道圍巖內(nèi)形成一圈“人為弱化帶”，即“壓裂圈”；壓裂圈的半徑由在支護體的邊緣留設(shè)一定寬度的安全煤巖柱屏障來確定；壓裂圈的寬度根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力條件和施工工藝情況確定，地應(yīng)力越大，壓裂圈的寬度就越大。

進一步，寬度大的壓裂圈，采用施工鉆孔、整段壓裂；窄壓裂圈，即“切阻斷圓”采用施工鉆孔、預(yù)割縫、孔底壓裂。

進一步，“壓裂圈”的形式根據(jù)條件的不同而變化：當需要阻斷高應(yīng)力和采動應(yīng)力向巷道傳播時，在所述巷道內(nèi)向應(yīng)力集中的目標圍巖處施工鉆孔，鉆孔末端的垂直位置位于目標圍巖內(nèi)，目標圍巖是頂板、底板或兩幫中的一種或多種；調(diào)節(jié)壓裂段的長度來控制形成的壓裂圈寬度，較小寬度的壓裂圈近似為一個壓裂圓，稱為“切阻斷圓”，利用“切阻斷圓”主動切斷采動應(yīng)力和深部礦井遠場傳遞過來的高應(yīng)力以及地質(zhì)構(gòu)造帶的高應(yīng)力，實現(xiàn)應(yīng)力阻斷；當需要切斷堅硬懸頂?shù)臅r候，形成的壓裂圈不僅寬度較小，而且僅需要壓裂圈的一部分即可達到目的，此時的壓裂圈稱為“切阻斷弧”，利用“切阻斷弧”主動切斷堅硬懸頂對巷道卸荷減負。

進一步，在所述頂板中存在一層或者多層堅硬的巖層時，在巷道內(nèi)斜向堅硬頂板中施工鉆孔，巷道和采空區(qū)中間具有一定寬度的煤柱，鉆孔末端在水平方向的位置內(nèi)錯入煤柱一定距離，鉆孔末端在豎直方向的位置位于堅硬頂板的中心，在鉆孔中預(yù)先割縫，然后進行壓裂，單個壓裂形成的裂縫沿著導向割縫擴展并延伸，形成一條或者多條以鉆孔的末端為中心，具有一定方向性和范圍的裂縫面，在巷道長軸方向上成排的施工鉆孔并進行壓裂，壓裂形成的裂縫連通或間隔，整體切斷堅硬懸頂，從源頭把高應(yīng)力消除；

對于頂板堅硬容易造成大面積頂板懸而不斷的礦井，在工作面回采過后形成的懸頂，進行事后壓裂切斷，或者在工作面回采之前，預(yù)先按照設(shè)計對堅硬頂板進行壓裂，形成破裂面，待工作面回采過后，已經(jīng)壓裂切斷的頂板在重力作用下自行垮落，避免堅硬懸頂?shù)漠a(chǎn)生；

“切阻斷圓”和“切阻斷線”切斷傳播應(yīng)力的所有目標巖層；堅硬懸頂?shù)摹扒凶钄嗑€”為切斷堅硬懸頂?shù)钠屏衙妫Q為斷頂線，斷頂線的最佳位置為煤柱塑性區(qū)和破碎區(qū)的交界線。

進一步，在巷道內(nèi)沿著巷道方向向所述堅硬懸頂成排間隔施工長鉆孔和短鉆孔，長鉆孔和短鉆孔的末端在垂直方向上位于堅硬頂板的中心；其中，長短孔仰角小，距離長，更靠近采空區(qū)側(cè)，更遠離巷道，短鉆孔仰角大，距離小，更遠離采空區(qū)側(cè)，更靠近巷道；長鉆孔末端位置呈線性分布，作為主要壓裂孔，短鉆孔靠近巷道側(cè)，鉆孔末端位置呈線性分布，作為輔助壓裂孔；沿著巷道方向上呈現(xiàn)長鉆孔-短鉆孔-長鉆孔的連續(xù)交錯布置方式，長短鉆孔之間存在一定的間距，在鉆孔中先預(yù)割縫后壓裂，在主要壓裂孔和輔助壓裂孔形成“長孔壓裂弧”和“短孔壓裂弧”，“長孔壓裂弧”用來切斷堅硬頂板巖層，“短孔壓裂弧”用來阻斷頂板斷裂形成的沖擊能量對巷道的影響。

進一步，當存在兩層或者多層堅硬頂板時，在每一層堅硬頂板內(nèi)對應(yīng)布置一組鉆孔，幾層堅硬頂板就對應(yīng)幾層鉆孔，同一層堅硬頂板的一組鉆孔布置方式完全相同，鉆孔末端的豎直方向位于堅硬頂板的中心，對多層堅硬頂板分層壓裂，使得多層堅硬頂板分層斷裂。

進一步，在深部礦井高地應(yīng)力巷道在掘進成型初期或者回采工作面的超前應(yīng)力影響巷道之前，或者受地質(zhì)構(gòu)造帶高應(yīng)力影響的巷道，在巷道內(nèi)向頂板、底板或兩幫中施工鉆孔至傳遞應(yīng)力的目標巖層或者整個圍巖中，然后封孔、預(yù)割縫、孔底壓裂，形成窄壓裂帶或裂縫面，即“切阻斷圓”，通過“切阻斷圓”來阻隔高應(yīng)力向巷道方向的傳播，實現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移。

進一步，在深部礦井高地應(yīng)力巷道或者受地質(zhì)構(gòu)造帶高應(yīng)力影響的巷道，在巷道內(nèi)向頂板、底板或兩幫中施工鉆孔至傳遞應(yīng)力的目標巖層或者整個圍巖中，然后封孔和整段壓裂，形成具有一定寬度的“壓裂圈”，該“壓裂圈”將高應(yīng)力讓至深部，使巷道及“保護圓”內(nèi)的完整圍巖位于低應(yīng)力圈內(nèi)，實現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移。

進一步，向已經(jīng)施工完的巷道一幫或者兩幫施工鉆孔，在巷道“壓裂圈”內(nèi)進行壓裂，或者在掘進巷道的迎頭向前進方向扇形施工鉆孔，在前進方向的“壓裂圈”內(nèi)進行壓裂，根據(jù)巷道形式、圍巖條件、周邊地應(yīng)力水平以及支護范圍和強度，保留3～10m的安全煤巖柱屏障進行壓裂。

進一步，所述壓裂的方式采用水力壓裂、氣體壓裂、co2相變壓裂、電磁炮壓裂、膨脹膠囊壓裂或膨脹螺絲機械壓裂。有益效果：該方法能夠在巷道圍巖內(nèi)形成一圈人為弱結(jié)構(gòu)區(qū)，即“壓裂圈”，通過卸荷、應(yīng)力阻斷、讓壓作用主動將巷道圍巖富集的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至遠離巷道的安全區(qū)域，使得巷道圍巖應(yīng)力減弱至較低的可控的水平，并利用增加的人為弱化帶吸收沖擊能量，控制荷載對巷道圍巖變形的影響。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明壓裂圈轉(zhuǎn)移方法思路構(gòu)建的模型示意圖。

圖2-1是本發(fā)明頂板阻斷應(yīng)力實施例壓裂前的示意圖。

圖2-2是本發(fā)明頂板阻斷應(yīng)力實施例壓裂后的示意圖。

圖2-3是本發(fā)明底板阻斷構(gòu)造應(yīng)力實施例壓裂前的示意圖。

圖2-4是本發(fā)明底板阻斷構(gòu)造應(yīng)力實施例壓裂前的示意圖。

圖2-5是本發(fā)明底板阻斷底板采動壓力實施例壓裂前的示意圖。

圖2-6是本發(fā)明底板阻斷底板采動壓力實施例壓裂前的示意圖。

圖3-1是本發(fā)明一個切斷堅硬懸頂前實施例的示意圖。

圖3-2是本發(fā)明一個切斷堅硬懸頂后實施例的示意圖。

圖4是本發(fā)明一個確定堅硬懸頂最佳“切阻斷弧”實施例的示意圖。

圖5-1是本發(fā)明在堅硬頂板中施工長短孔切斷實施例壓裂前的剖面圖。

圖5-2是本發(fā)明在堅硬頂板中施工長短孔切斷實施例壓裂前的平面圖。

圖6-1是本發(fā)明在堅硬頂板中施工長短孔切斷實施例壓裂后的剖面圖。

圖6-2是本發(fā)明在堅硬頂板中施工長短孔切斷實施例壓裂后的平面圖。

圖7-1是本發(fā)明一個多層堅硬頂板分組壓裂實施例壓斷前的示意圖。

圖7-2是本發(fā)明一個多層堅硬頂板分組壓裂實施例壓斷后的示意圖。

圖8是本發(fā)明一個實施例的巷道兩幫讓壓示意圖。

圖9是本發(fā)明另一個掘進巷道迎頭讓壓實施例的示意圖。

圖中，1、鉆孔，1-1、高位鉆孔，1-2、低位鉆孔，1-3、長鉆孔，1-4、短鉆孔，2、巷道，2-1、迎采巷道，2-2、回采巷道，2-3、已施工完的巷道，2-4、正在施工的巷道，3、壓裂圈外邊界，3-1、壓裂區(qū)外邊界，4、保護圓，4-1、保護線，5、壓裂圈，5-1、壓裂區(qū)，6、煤層，6-1、保護煤柱，7、頂板，7-1、堅硬頂板，7-2、堅硬懸頂，7-3、切斷懸頂，7-4、高位堅硬頂板，7-5、低位堅硬頂板，8、支承壓力，8-1、高應(yīng)力，9、切阻斷弧，10、采空區(qū)，11、破碎區(qū)，12、塑性區(qū)，13、底板，14、上覆巖層，15、破裂面，16、回采工作面，17、斷頂線，18、老頂，19、直接頂。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

巷道強地壓的發(fā)生與地應(yīng)力環(huán)境有著緊密的聯(lián)系，降低巷道圍巖的應(yīng)力可有效減小圍巖變形和動力災(zāi)害發(fā)生的概率和劇烈程度，由于高應(yīng)力不能被完全卸除，控制應(yīng)力只能將高應(yīng)力轉(zhuǎn)移并減弱至較低的可控的水平。將導致巷道失穩(wěn)的地應(yīng)力按照來源可分為：頂板應(yīng)力源、本層(兩幫、迎頭)應(yīng)力源和底板應(yīng)力源。參見圖1，基于此，本專利提出壓裂應(yīng)力轉(zhuǎn)移方法控制強地壓巷道的思路包括：1)首先從源頭上最大程度的削減施加在巷道圍巖的載荷，通過對目標巖層壓裂形成的“切阻斷弧”切斷堅硬頂板，將堅硬懸頂引起的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至采空區(qū)；2)可主動切斷采動壓力或者地質(zhì)構(gòu)造帶應(yīng)力向巷道的傳播路徑，通過對目標巖層壓裂形成“切阻斷弧”來實現(xiàn)，將采動高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至巷道遠處，也可在巷道掘進成型之后緊接著主動切斷深部高應(yīng)力向巷道的傳播路徑，通過壓裂擴展的裂縫連通、交匯起來形成一個包裹在巷道外圍的“切阻斷圓”來阻斷遠場高應(yīng)力向巷道方向的傳播，將高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至巷道遠場；3)通過對“壓裂圈”區(qū)域進行壓裂，在圍巖中人為形成弱結(jié)構(gòu)區(qū)，將圍巖富集的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至遠離巷道的安全區(qū)域，將巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移并減弱至較低的可控的水平，并利用增加的弱結(jié)構(gòu)區(qū)吸收沖擊能量，控制荷載對巷道圍巖變形的影響。

對于工作面采空后容易形成堅硬懸頂造成的巷道高應(yīng)力環(huán)境，應(yīng)采用堅硬頂板定向壓裂切斷懸頂或者提前預(yù)裂堅硬頂板，進行減負；對于巷道圍巖在施工和維護過程中，受到深部巷道遠場高應(yīng)力影響較大，或者受到本工作面和周邊工作面回采動壓影響大，尤其是迎采巷道，或者位于褶曲軸部、斷層等構(gòu)造附近的巷道，應(yīng)采用定向壓裂圍巖，切斷應(yīng)力的傳播路徑，進行應(yīng)力阻斷；對于不具備減負和已經(jīng)處于高應(yīng)力狀態(tài)下的巷道，應(yīng)采用在巷道圍巖或者施工的迎頭的“壓裂圈”范圍內(nèi)通過壓裂形成吸能的弱結(jié)構(gòu)區(qū)，將高應(yīng)力讓至深部。

因此本發(fā)明應(yīng)力轉(zhuǎn)移的過程，可以概括為阻斷，或減負+阻斷，或者減負+阻斷+讓壓。具體應(yīng)用情況如下：

一、應(yīng)力卸壓(減負)

參見圖1和圖3-1、3-2，當頂板堅硬時，具有大面積懸而不斷的特點，容易在采空區(qū)側(cè)上方形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，巨大的上覆巖層載荷通過堅硬頂板會傳遞到巷道上方，給巷道圍巖背負了一個沉重的包袱，引起了巷道圍巖處于高應(yīng)力。對于這種類型的應(yīng)力源，應(yīng)首先進行最大限度的載荷削減，通過對堅硬頂板進行壓裂，形成人為的破裂面，在巷道內(nèi)向堅硬頂板中施工鉆孔，鉆孔末端的水平位置內(nèi)錯煤柱，垂直位置位于堅硬頂板的中心，在鉆孔中預(yù)割縫后壓裂，壓裂形成的裂縫沿著導向割縫擴展延伸，連接形成連續(xù)的破裂面，同時控制人為破裂面的連續(xù)性，在目標圍巖中形成強弱可調(diào)的橢圓形弱結(jié)構(gòu)區(qū)，整體切斷堅硬懸頂，從源頭把高應(yīng)力消除。一方面可將懸而未斷的頂板切斷，懸頂旋轉(zhuǎn)下沉滑落至采空區(qū)，上覆巖層也隨之落入采空區(qū)，如此，巨大的載荷得到削減，巷道和煤柱的應(yīng)力范圍回落至可控的范圍內(nèi)；另一方面，通過控制人為破裂面的連續(xù)性，可在頂板中形成強弱可調(diào)的弱結(jié)構(gòu)，利用弱結(jié)構(gòu)能夠吸收沖擊能量的原理，控制頂板破斷的劇烈程度，實現(xiàn)安全卸減載荷，減少瓦斯爆炸等次生災(zāi)害的放生；第三方面，切斷懸頂?shù)钠屏衙鎻钠拭鎭砜?，是“切阻斷圓”的一部分，因此稱為“切阻斷弧”，切阻斷弧的位置是該技術(shù)的關(guān)鍵，通過對斷頂位置的適當內(nèi)錯，可使頂板在下沉過程中壓垮部分煤柱形成緩沖墊層，頂板斷裂下沉得到緩沖，防止因頂板劇烈破斷次生災(zāi)害的發(fā)生。

參見圖3-1、圖3-2和圖4，由于堅硬懸頂對煤柱的作用，使得煤柱采空區(qū)側(cè)存在破裂區(qū)和塑性區(qū)，整體強度較小。當堅硬懸頂?shù)钠茢辔恢闷虿煽諈^(qū)側(cè)，外錯煤柱時，頂板斷裂后下部沒有煤柱的支撐和緩沖，大面積頂板會迅速滑落或者掉落，形成沖擊載荷，引發(fā)動力災(zāi)害甚至造成瓦斯瞬間擠出；且由于懸頂巖層的彎曲離層，定向壓裂斷頂?shù)男Ч麤]有保障。堅硬頂板懸臂梁彎曲撓度存在一個最大位置，最大彎曲撓度位置一般與煤柱破裂區(qū)和塑性區(qū)的寬度相關(guān)聯(lián)，具體與煤柱及頂板巖層的剛度等有關(guān)。當致裂位置適當內(nèi)錯時，頂板在煤柱上斷裂，卸除的上覆巖層載荷逐漸增加，破斷堅硬頂板下方的煤柱寬度也逐漸增大，臨空巷道有效煤柱寬度也相應(yīng)減少。當堅硬頂板下方的煤柱達到合適寬度時，斷裂懸頂會平緩旋轉(zhuǎn)，進一步破壞下方的塑性煤柱，并整體滑落至采空區(qū)，與采空區(qū)煤矸密實接觸，形成穩(wěn)定承載體，既能做到頂板載荷的有效卸除，也能避免了沖擊造成的影響。此外，斷頂位置適當內(nèi)錯后，其上方頂板曲率最大，張拉力最大，可有效增加致裂斷頂效果，從施工角度分析，斷頂位置避開了采空區(qū)頂板離層區(qū)，也保證了壓裂效果。當然，內(nèi)錯位置不能過大，否則斷裂的頂板不能冒落觸矸。因此，定向壓裂臨空堅硬懸頂?shù)臄囗斁€在理論上存在一個最佳位置，實踐中結(jié)合定向壓裂裂縫擴展規(guī)律和現(xiàn)場施工條件確定定向致裂位置，使臨空巷道的應(yīng)力環(huán)境達到最優(yōu)。

需要特別指出的是，隨著懸頂切落，必然會擠壓破壞一部分采空區(qū)側(cè)保護煤柱，造成保護煤柱的完整性降低和有效寬度減小，煤柱和巷道上方的應(yīng)力會背向采空區(qū)轉(zhuǎn)移，應(yīng)著重關(guān)注斷頂后臨空巷道圍巖的完整性程度和應(yīng)力變化情況。

當破斷懸頂旋轉(zhuǎn)下沉過程中會同時對下部煤柱采空區(qū)側(cè)造成壓破壞和剪切破壞兩種形式：當上覆懸頂在下沉過程中將下部煤柱采空區(qū)側(cè)破碎壓垮，即發(fā)生了壓破壞；當上覆懸頂在滑移過程中將下部煤柱采空區(qū)側(cè)剪切破斷，即發(fā)生了剪切破壞。因此應(yīng)采用壓剪破壞雙強度準則，即上覆懸頂巖層對煤柱采空區(qū)側(cè)的總載荷q不小于該部分煤柱可以承受的總載荷fn；在剪切面上，上覆懸頂巖層對煤柱的剪切力τ1不小于煤柱自身的抗剪強度τ0。

為保證兩種煤柱破壞形式下斷裂的堅硬懸頂能夠順利下沉或滑落至采空區(qū)，并能充分保障臨空巷道圍巖完整和有足夠的有效煤柱寬度，一般選取兩種形式計算結(jié)果的較小值作為最佳斷頂位置。

綜合壓破壞和剪破壞兩種破壞形式，最終確定定向水力致裂堅硬懸頂?shù)臄囗斁€位置。

參見圖4，所述切斷堅硬懸頂?shù)钠屏衙娣Q為斷頂線，斷頂線的最佳位置為煤柱塑性區(qū)和破碎區(qū)的交界線，具體計算公式如下：

公式中，

其中，h為堅硬懸頂?shù)穆裆?m)；d為采空區(qū)兩側(cè)懸頂之間的水平跨距(m)；a為煤柱的寬度(m)；l、h分別為頂板的懸臂長度(m)和厚度(m)；e為頂板的彈性模量(gpa)，e1、e2、…、en分別為緊挨老頂?shù)纳细矌r層的彈性模量(gpa)；γ為容重(mn/m3)，γ1、γ2、…、γn分別為緊挨老頂?shù)纳细矌r層容重(mn/m³)，γc為煤層的容重；h0、γ0分別為直接頂?shù)暮穸?m)和容重(mn/m³)；c0、分別為煤層界面的黏聚力(mpa)和內(nèi)摩擦角(°)；m為煤柱的高度(m)；c、ν分別為煤柱的黏聚力(mpa)、內(nèi)摩擦角(°)、泊松比；b為統(tǒng)一強度理論參數(shù)，反映中間主應(yīng)力σ2對材料屈服或破壞的影響程度，0≤b≤1，取0.7；λ為煤層側(cè)壓系數(shù)，λ＝ν/(1-ν)；老頂上覆n層巖層對堅硬老頂巖梁的載荷為(qn)l。

圖5-1和圖5-2，圖6-1和圖6-2，向所述堅硬頂板中在巷道內(nèi)沿著巷道方向成排間隔施工長鉆孔和短鉆孔，長鉆孔和短鉆孔的末端在垂直方向上位于堅硬頂板的中心。不同在于長短孔仰角小，距離長，更靠近采空區(qū)側(cè)，更遠離巷道，短鉆孔仰角大，距離小，更遠離采空區(qū)側(cè)，更靠近巷道。長鉆孔末端位置呈線性分布，作為主要壓裂孔，短鉆孔靠近巷道側(cè)，鉆孔末端位置呈線性分布，作為輔助壓裂孔。沿著巷道方向上呈現(xiàn)長鉆孔-短鉆孔-長鉆孔的連續(xù)交錯布置方式，長短鉆孔之間存在一定的間距，在鉆孔中先預(yù)割縫后壓裂，在主要壓裂孔和輔助壓裂孔形成“長孔切阻斷弧”和“短孔切阻斷弧”，“長孔切阻斷弧”用來切斷堅硬頂板巖層，“短孔切阻斷弧”用來阻斷頂板斷裂形成的沖擊能量對巷道的影響。

對于頂板堅硬容易造成大面積頂板懸而不斷的礦井，可以在工作面回采過后形成懸頂了，進行事后壓裂切斷，也可以在工作面回采之前，預(yù)先按照設(shè)計對堅硬頂板進行壓裂，形成破裂面，待工作面回采過后，已經(jīng)壓裂切斷的頂板在重力作用下自行垮落，避免堅硬懸頂?shù)漠a(chǎn)生。

當存在兩層或多層堅硬頂板時，向每一層堅硬頂板對應(yīng)施工一組鉆孔，同一層堅硬頂板的終孔水平位置相同，豎直方向位于頂板的中心，即向處于高位的堅硬頂板施工1-1高位鉆孔，向低位的堅硬頂板施工1-2低位鉆孔，對目標巖層進行預(yù)先壓裂，阻斷周邊因工作面回采產(chǎn)生的應(yīng)力波傳遞至目標圍巖。

當存在兩層或者多層堅硬頂板時，如圖7-1和圖7-2壓裂前后的示意圖，需要在巷道內(nèi)傾斜向采空區(qū)方向的堅硬頂板內(nèi)施工鉆孔，一般在每一層堅硬頂板內(nèi)對應(yīng)布置一組鉆孔，幾層堅硬頂板就對應(yīng)幾層鉆孔，同一層堅硬頂板的一組鉆孔布置方式完全相同，鉆孔末端的豎直方向位于堅硬頂板的中心，對多層堅硬頂板分層壓裂，使得多層堅硬頂板分層斷裂。

二、應(yīng)力阻斷

一方面礦井深部地應(yīng)力水平普遍較高，巷道在掘進完成后，巷道周邊的圍巖受遠場應(yīng)力的作用，隨著時間的推移，圍巖的應(yīng)力水平也會逐漸提高；另一方面受到本工作面回采動壓或者其它擾動的影響，在施工和維護過程中也可能受到周邊工作面回采動壓的影響，巷道圍巖的應(yīng)力水平在影響范圍內(nèi)明顯提高，尤其是迎采巷道掘進與相鄰工作面回采交鋒過程，壓力動載系數(shù)達到幾倍甚至十倍以上，強地壓現(xiàn)象異常明顯；第三方面，巷道施工至地質(zhì)構(gòu)造帶或者維護過程中的地質(zhì)構(gòu)造帶段內(nèi)，一般應(yīng)力集中程度比較高，會造成巷道強地壓現(xiàn)象明顯，變形嚴重。

一方面對于因受礦井深部地應(yīng)力的影響造成巷道圍巖壓力升高的，要在巷道外圍形成一個閉合的完整圓形窄壓裂帶或裂縫面，因此，在巷道施工剛剛完成后，緊接著通過“切阻斷圓”阻斷整個巷道遠場向巷道方向的應(yīng)力傳播；另一方面對于因工作面采動影響或靠近地質(zhì)構(gòu)造帶影響造成巷道圍巖壓力升高的，要阻斷應(yīng)力的傳播，應(yīng)首先確定應(yīng)力源的方位及傳播路徑，然后針對性對傳播應(yīng)力的巖層進行壓裂形成窄壓裂帶或裂縫面，通過“切阻斷圓”或“切阻斷弧”來阻隔應(yīng)力的傳播。一般相鄰工作面回采主要通過煤柱上的頂板對巷道的動壓傳播，上部工作面回采對巷道的動壓主要通過上部頂板傳播，本工作面回采對巷道的動壓主要通過本工作面?zhèn)软敯鍌鞑?，傾斜煤層或急傾斜煤層中底板下部工作面回采動壓主要通過底板傳播；第三方面對于受地質(zhì)構(gòu)造帶高應(yīng)力影響的巷道，要將地質(zhì)構(gòu)造帶和巷道中間的巖層切斷，形成阻隔應(yīng)力傳播的裂縫面。

一般頂板中堅硬、完整的巖層為傳播高應(yīng)力的關(guān)鍵巖層，參見圖1和圖2-1、圖2-2，對于這種類型的應(yīng)力源，通過在特定頂板中進行壓裂形成破裂帶；底板中的高應(yīng)力主要來源于褶曲的軸部和構(gòu)造應(yīng)力(在圖2-3、圖2-4的向斜構(gòu)造和背斜構(gòu)造結(jié)構(gòu)下，由圖中的應(yīng)力線得知，應(yīng)力集中在底板中)，以及傾斜煤層回采動壓的底板(在圖2-5、圖2-6中回采工作面處的影響下，由應(yīng)力線可看出，底板中應(yīng)力集中)。參見圖2-2和圖2-4、圖2-6，具體地，在巷道內(nèi)向應(yīng)力集中的目標圍巖處施工鉆孔，鉆孔末端的垂直位置位于目標圍巖內(nèi)，目標圍巖是頂板、底板或兩幫中的一種或多種(例如2-1和圖2-2的頂板或圖2-3、圖2-4以及圖2-5、圖2-6的底板，)，在鉆孔孔內(nèi)進行壓裂，壓裂形成的裂縫連接起來構(gòu)成“切阻斷圓”或者“切阻斷線”，最終通過“切阻斷圓”“切阻斷弧”主動阻斷高應(yīng)力向巷道的傳播。

三、讓壓

參見圖1、圖8和圖9，在深部礦井高地應(yīng)力巷道或者受地質(zhì)構(gòu)造帶高應(yīng)力影響的巷道，在巷道內(nèi)向圍巖施工鉆孔，然后進行壓裂，在圍巖內(nèi)形成一圈人為的弱結(jié)構(gòu)區(qū)，稱為“壓裂圈”；“壓裂圈”是具有一定寬度的弱化帶，考慮到工程實際，“壓裂圈”與巷道距離不能過近，否則會破壞巷道自身的支護體和圍巖的完整性，“壓裂圈”的內(nèi)邊界稱為巷道的“保護圓”。在“壓裂圈”范圍內(nèi)進行壓裂，可以將高應(yīng)力讓至深部，使巷道位于低應(yīng)力圈內(nèi)，使巷道及“保護圓”內(nèi)的完整圍巖位于低應(yīng)力圈內(nèi)?！氨Ｗo圓”范圍與巷道形式、圍巖條件、周邊地應(yīng)力水平以及支護范圍和強度等因素有關(guān)。如圖3至圖7，一方面當不存在堅硬懸頂，無法通過“切阻斷弧”為巷道卸壓，另一方面如圖2所示，也無法利用“切阻斷圓”主動阻斷采動應(yīng)力的傳播或者深部巷道已經(jīng)處于高應(yīng)力狀態(tài)，因此可采用讓壓的方法。圖8為向已經(jīng)施工完的巷道兩幫施工鉆孔，鉆孔深度施工至“壓裂圈”外邊界，從圖中俯視來看，即圖中的“壓裂區(qū)”外邊界，切阻斷弧為圖紙上根據(jù)巷道形式、圍巖條件、周邊地應(yīng)力水平以及支護范圍和強度設(shè)計的，每個鉆孔內(nèi)在“保護圓”位置進行封孔，從圖中俯視來看，即圖中的“保護線”，壓裂鉆孔內(nèi)“壓裂區(qū)”部分。在巷道的兩側(cè)依次是煤柱、保護線、壓裂區(qū)，在阻斷線和保護線之間的弱結(jié)構(gòu)區(qū)起到讓壓的目的，圖9中是在掘進巷道的迎頭向前進方向施工鉆孔，在掘進巷道的迎頭及前進方向的兩側(cè)，向前進方向扇形施工鉆孔，鉆孔深度施工至“壓裂圈”外邊界，“壓裂圈”外邊界為圖紙上根據(jù)保護圓半徑和弱化帶寬度計算得到的，其與巷道形式、圍巖條件、周邊地應(yīng)力水平以及支護范圍和強度設(shè)計有關(guān)，每個鉆孔內(nèi)在保護圓所在的位置進行封孔，壓裂鉆孔內(nèi)“壓裂區(qū)”部分。根據(jù)巷道形式、圍巖條件、周邊地應(yīng)力水平以及支護范圍和強度，留設(shè)一定寬度的安全煤柱，一般保留3～10m的安全煤巖柱屏障進行壓裂。壓裂圈的存在，在保護巷道周邊的圍巖和支護體免遭破壞，使巷道圍巖穩(wěn)定可靠的條件下，在巷道外圍人為形成了一個弱化帶，主動將高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到壓裂圈之外，使得巷道處于較低的可控的水平。

在應(yīng)力轉(zhuǎn)移的各種方法中，所述壓裂的方式可以采用水力壓裂、氣體壓裂、co2相變壓裂、電磁炮壓裂、膨脹膠囊壓裂或膨脹螺絲機械壓裂。水力割縫定向水力壓裂技術(shù)整體運行費用比較低，相比于用炸藥爆破處理相同工程量的堅硬頂板，水力割縫定向水力致裂的運行費用不足后者的1/10。經(jīng)水力割縫定向水力致裂后，臨空巷道沒有出現(xiàn)沖擊性來壓，保障了礦井的安全生產(chǎn)。一次沖擊性來壓損壞單體支柱數(shù)量按30根計算，一根單體支柱購置安裝成本2000元，例舉同煤集團同忻礦5105巷共減少沖擊性來壓20次，由此計算，單條巷道水力致裂后減少損失120萬元。采用水力致裂后，減少了維護超前支護段對工作面正常生產(chǎn)的影響，工作面年產(chǎn)原煤可增產(chǎn)50萬噸，創(chuàng)造效益約9320萬元。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對以上實施例所做出任何簡單修改和同等變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。