水力压裂在综放工作 面应用研究 胡浩（山东科技大学，山东青岛２６６５９０） 摘要：坚硬顶板条件下的煤层开采，在我过多数矿区普遍存在。对于坚硬难垮顶板的控制我国多采用爆破的方法， 然而该方法存在较多缺点。本文采用水力压裂对顶板进行弱化，通过对比水力压裂前后周期来压步距、动载系数等可得。 巷道压力明显降低，工作面上覆岩层得到了一定的弱化，取得良好效果。 关键词：坚硬顶板；ｚＫ力压裂；来压步距 中图分类号：Ｆ４０６．３；ＴＤ３２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００８—０１５５（２０１７）０２—００８６—０２ 我国煤层赋存条件复杂，其中坚硬顶板的煤 层占有较大比例。对于坚硬顶板，在煤层上方一 般赋存有厚而坚硬的砂岩、砾岩或石灰岩等，具有 强度高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强的特 点。煤层开采后，采空区出现大面积悬顶，一旦垮 落，将产生强烈的动力现象，对矿井的安全生产造 成威胁 。 １工程概况 工作面回采过程中，由于顶板中以石英、长石 某矿现主采石炭系３—５＃煤层，其倾角为１。～ ３。，平均厚度为１５．６ｍ，埋深为４００～６００ｍ，工作面 斜长１９０ｍ～２２０ｍ。煤层顶板以较坚硬的粉砂岩、 细砂岩为主。工作面回采过程中巷道变形严重， 多处出现煤体脱落、支柱弯倒、离层等现象；工作 面来压强烈，来压步距较大，初次来压步距最大可 达１６０ｍ；采空区顶板大面积悬露。 ２坚硬顶板控制技术 目前，对于我国坚硬难垮顶板的控制多采用 爆破的方法。然而该方法存在工程量大、污染井 下空气等缺点；在高瓦斯矿井中应用爆破法控顶 时，容易引发瓦斯或煤尘爆炸；对于浅埋煤层，爆 破控顶易对周边环境的安全造成影响 Ｊ。 水力压裂作为一种能有效控制坚硬顶板的技 术，已逐渐在国内外推广应用 ｊ。水力压裂就是 通过钻孔中的高压水的作用，使煤岩层中钻孔的 裂隙扩展并通过裂隙中水压对裂缝的扩展进行控 制。采用水力压裂可有效改变岩体的物理力学性 质，降低冲击地压危险性，改变顶板岩体的物理力 学性质，将坚硬厚层顶板分成几个分层或破坏其 完整性；将悬顶挑落；有利于瓦斯抽放；破坏煤体 的完整性，降低开采时产生的煤尘等 。 ３水力压裂实施 为主的细砂岩中砂岩互层强度高，不易垮落，造成 运输巷矿压显现剧烈。在５１０６运输巷采用水力 压裂弱化顶板岩层，从而达到卸压的目的。 主要设备有动压注水泵、乳化液泵站用电器 控制箱、封孔器、切槽钻头、高压钢丝缠绕胶管等。 水力压裂方案选择在巷道临空一侧，首先利 用钻机打深孔。根据围岩硬度以及压裂范围，初 步计划布置７个钻孔，钻孔间距４０ｍ～５０ｍ，孔深 为４３ｍ，钻孔角度为４５。。然后将普通钻头换为开 槽钻头，在已钻深孔底部开一楔形槽。最后，将约 １．２ｍ长的特殊封孔胶管与泵站普通高压胶管连 接，插入已开槽的深孔底部，注入高压水。 裂缝产生所需的破裂压力ｐｂ可由下式确定： Ｐｂ ３ｏ＂ｌｎｉｎ一盯ｍｘ＋ｏｒｔ 式中， ｉ 和 分别为最小和最大水平主应 力。 考虑到钻孔存在倾角，在注水压裂过程中，裂 缝弯曲扩展将导致压力升高，因此注水泵额定压 力确定为６０ＭＰａ。基于矿井实际条件考虑电机功 率等，泵的流量确定为２２０Ｌ／ｍｉｎ。待十几秒左右， 顶板深处发出声响，且距离由近至远。从监测孔 可观察到，开始流出的水混浊含有顶板岩渣；后来 水质变清。说明顶板沿深孔底部楔形槽开裂，裂 隙范围逐渐扩大。当注水泵压降低为峰值压力的 ３０％左右时，注水结束。 ３．２保障措施 （１）注水时间的控制。当水压明显降低或者 钻孔附近严重出水现象时，应立即停泵，结束水力 压裂。 坚硬顶板弱化的实质就是通过注入高压水， 人为降低顶板的整体性及强度。顶板弱化中，一 般情况下勇马化措施直接作用破坏的只是部分顶 板，并非全部。弱化效果取决于煤岩层的地质条 （２）超前加强支护矿压的观测。在试验阶段 对超前加强支护的支柱的工作阻力进行观测与预 警，结合压裂后巷道围岩变形情况，对水力压裂的 技术参数进行优化。 （３）压力及流量监测。采用监测仪对注水压 力和流量进行实时监测，注水压力和流量的变化 反映了水压裂缝扩展基本信息。 件，钻孔布置方式和注水参数等。 ３．１水力压裂设备及参数 收稿日期：２０１６—１２—２２ 作者简介：胡浩（１９９０一），男，山东济宁市人，山东科技大学在读硕士研究生，研究方向为矿山压力与岩层控制。 ８６ ４实验结果分析 实施水力压裂后效果明显，工作面水力压裂 前周期来压步距约为１８．６ｍ，动载系数约为１．６； 水力压裂后周期来压步距的为１６．３ｍ，动载系数 为１．５。通过对比水力压裂前后周期来压步距、动 载系数可得，采用水力压裂后，工作面上覆岩层得 到了一定的弱化；顶板下沉量与两帮移近量都明 显缩小，巷道顶板较为完整；煤壁片帮深度明显减 小；工作面内瓦斯监测显示正常，未出现瓦斯异常 进行干预和制止。大家对不安全行为也变得更加 漠视。随着这种现象在车间工人群体中的蔓延， 使安全车间工人也开始出现不安全行为。最终， 安全车间工人的数量比例ｆ＝０，从此，在车间工人 群体中没有一个人愿意主动对工友的不安全行为 进行干预，安全车间工人从此在车间工人群体中 消失此时，ｆ＝０是该动态复制方程的稳定点，当出 现不安全行为时，车间工人不加干预，每个人都漠 视对待，安全生产存在非常大的安全隐患。 涌出现象。 ５小结 水力压裂的实施，对工作面顶板的强度及完 整性进行了弱化，使顶板能够随工作面推进及时 垮落，巷道顶板的压力明显减弱，说明水力压裂对 于坚硬顶板的控制效果良好，研究结果对同类矿 井的生产具有指导意义。 参考文献： ［１］于斌，段宏飞．特厚煤层高强度综放开采水力压裂 顶板控制技术研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１４，（０４）： ７７８—７８５． ［２］谭云亮，等．矿山压力与岩层控制［Ｍ］．北京：煤炭 工业出版社，２０１１． ［３］冯彦军，康红普．定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮 顶板试验［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１２，（０６）：１１４８— １１５５． ［４］黄炳香．煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究 ［Ｄ］．中国矿业大学，２００９． ［５］康向涛．煤层水力压裂裂缝扩展规律及瓦斯抽采 钻孔优化研究［Ｄ］．重庆大学，２０１４．（责任编辑：陈文明） （上接第８３页） ｎ 由于上式是非常规微分方程，令Ｈ ＝ ，ＵＬ 可求 得其解为：（１）ｆ。，（２）ｆ２，（３）ｆ３，且Ｆ（０）＝Ｙ，Ｆ（１） ＝Ｍ Ｖ ｉｔ（ ），因此，ｆｌ和ｆ２是复制动态方程的稳 定策略点（即平衡点），ｆ３＝不是方程的稳定策略点。 通过上述分析，对模型进行如下解释： （１）当车间工人群体中进行安全行为作业的 车间工人占总车间工人群体的比例ｆ∈（０， ｎ‘ 时， ，表明进行安全行为作业的车间工人对工友 ＵＬ 不安全行为进行干预时获得的收益明显降低（例 如，安全车间工人对工友的不安全行为干预时，会 大大降低其在工友中的人际关系，如受到工友的 排斥和误解，甚至会受到工友的打击或者蓄意报 复等），在这种情况下，安全车间工人对工友的不 安全行为进行干预和制止变成一种压力和负担， 逐渐使得越来越少的车间工人愿意对不安全行为 （２）在某一阶段开始，当进行安全作业的车间 Ｖ 工人占总车间工人全体的比例时，ｆ∈（ ）时， ｌｖ■干工 ｎ‘ ，表明进行安全行为作业的车间工人对工友不 ＵＬ 安全行为进行干预时获得收益较大（比如物质奖 励，精神嘉奖等），在车间工人群体中对不安全行 为进干预和制止变成了在作业过程中的一种习惯 行为，并在车间工人中相互传播、示范、模范和学 习，每个车间工人成员都会议“不安全作业行为为 耻，安全作业行为为荣”，形成了良好的安全氛围， 人人讲安全，人人要安全，安全行为递增，达到微 分方程的“稳定特性”，并形成了该进化博弈的纳 什均衡，即只要有车间工人出现不安全行为，其他 安全车间工人就会对其进行积极的干预和制止， 因此，动态博弈进化的最终结果就是，全体车间工 人都会成为对不安全行为进行干预的安全车间工 人，最后整个车间工人群体在作业过程中都会进 行安全作业，不安全行为得以控制和杜绝，实现安 全作业的要求。 ３结论 本文主要对车间工人与车间工人三种这一对 象进行博弈分析，根据每组对象之间不同的关系， 采取不同的博弈模型，依次为委托代理模型，不完 全信息的纳什均衡和完全信息的纳什均衡，通过 对对象进行博弈分析，找到其稳定策略点，并依据 稳定提出相应的解决方案。博弈分析的作用是为 生产企业管理人员提供决策的数据支持，使管理 人员在制定管控车间工人不安全行为的方案时， 更加科学和严谨，也使制定的方案更具针对性。 参考文献： ［１］刘轶松．安全管理中人的不安全行为的探讨［Ｊ］． 西部探矿工程，２００５，（６）：２２６—２２８． ［２］曹庆仁，李爽，宋学锋．煤矿员工的“知一能一行” 不安全行为模式研究［Ｊ］．中国安全科学学报，２００８，１７ （１２）：１９—２５． ［３］戴冬阳，邹红亮．土地征用中国家与地方政府委托 代理关系分析［Ｊ］．新疆社科论坛，２００４，（６）． ［４］金晶，王颖．委托代理理论综述［Ｊ］．中国商界， ２００８，（６）． ［５］仲伟周．公共权力委托代理运行的扭曲与管制 ［Ｊ］．当代经济科学，１９９９，（２）． （责任编辑：张春玲） ８７