Research and Application of Directional Fracturing Roof Cutting for Lateral Thick and Hard Roofs in Shallow-Buried Large-Section Roadways

Sintesi Tecnica: Ricerca e Applicazione della Fratturazione Direzionale per il Taglio del Tetto in Presenza di Tetti Laterali Spessi e Duri in Gallerie a Bassa Profondità

Problematica
Nelle gallerie di miniere di carbone a bassa profondità con sezioni ampie, la presenza di strati di tetto laterali spessi e duri pone gravi rischi legati al comportamento degli strati. Durante l'estrazione a ritirata, questi tetti spesso non si fratturano efficacemente, portando alla formazione di tetti sospesi su vaste aree e all'accumulo di una considerevole energia elastica. Quando questi tetti si fratturano e collassano infine, il rilascio rapido di energia innesca scoppi di roccia (rock bursts), gravi deformazioni della galleria e sollevamenti del pavimento. La fratturazione idraulica convenzionale è spesso inefficace in questi scenari perché la direzione di propagazione della frattura è dominata dal campo di stress in situ, risultando tipicamente in fratture orizzontali che non riescono a tagliare verticalmente il tetto spesso. Inoltre, le elevate pressioni di innesco e l'incapacità di controllare la direzione della frattura ne limitano l'applicabilità nelle tecniche standard di scarico della pressione.

Metodologia
Lo studio impiega un approccio completo che combina analisi teorica, simulazione numerica, sperimentazione di laboratorio e test sul campo industriale per sviluppare una tecnologia di taglio del tetto tramite fratturazione direzionale guidata da perforazioni.

1. Analisi Teorica: È stato stabilito un modello meccanico bidimensionale di fratturazione guidata da perforazione basato sulla teoria dell'elasticità. Questo modello ha analizzato la distribuzione dello stress attorno ai fori di perforazione e alle perforazioni sotto lo stress in situ e la pressione dell'acqua. Ha derivato formule per dimostrare come le perforazioni agiscano come piani di debolezza per guidare l'innesco e la propagazione della frattura, calcolando specificamente le differenze di stress circonferenziale tra la parete del foro e i punti di contatto della perforazione.
2. Verifica di Laboratorio: Sono stati condotti esperimenti di fratturazione idraulica triassiale vera utilizzando campioni di arenaria della Miniera di Carbone di Caojiatan. Questi esperimenti hanno confrontato la fratturazione convenzionale con quella guidata da perforazione per validare i modelli teorici riguardanti la pressione di innesco e l'orientamento della frattura.
3. Simulazione Numerica: Utilizzando il metodo del reticolo discreto all'interno del software XSite, è stato costruito un modello numerico 3D per simulare la fratturazione guidata da perforazioni disposte in serie. Lo studio ha investigato sistematicamente l'influenza di tre parametri chiave: la velocità di iniezione, il diametro della perforazione e la spaziatura tra le perforazioni. Il modello ha tracciato i modelli di propagazione della frattura, l'altezza della frattura e la continuità della rete di fratture sotto diverse condizioni.
4. Applicazione Industriale: Un test industriale è stato condotto nel fronte di estrazione 122105 della Miniera di Carbone di Caojiatan. La tecnologia ha previsto l'uso di strumenti a getto d'acqua abrasivo per creare perforazioni disposte in serie in fori orizzontali, seguite da fratturazione idraulica direzionale. L'efficacia è stata monitorata tramite monitoraggio microsismico, scansione della sezione della galleria e misurazione dello stress di bulloni e cavi.

Contributi Chiave

• Modello Meccanico: Il documento stabilisce un modello meccanico che chiarisce come le perforazioni agiscano come direzioni di debolezza relativa. Dimostra matematicamente che i punti di contatto tra perforazione e foro presentano uno stress circonferenziale maggiore rispetto alla zona di debolezza orizzontale, controllando così la direzione di innesco della frattura e riducendo la pressione di innesco.
• Strategia di Perforazione in Serie: Lo studio propone un metodo specifico di "perforazione in serie" in cui più perforazioni sono disposte lungo il foro. Questa configurazione crea interazioni di stress adiacenti che indeboliscono il dominio del campo di stress in situ, promuovendo la formazione di fratture a lamina verticale continue anziché orizzontali.
• Ottimizzazione dei Parametri: Attraverso la simulazione, la ricerca identifica e ottimizza i parametri critici per un efficace taglio del tetto in condizioni di bassa profondità: una velocità di iniezione di 1,2 m³/min, un diametro di perforazione di 8 cm e una spaziatura tra le perforazioni di 20 cm.
• Validazione sul Campo: Il documento fornisce uno schema di applicazione industriale validato, dimostrando la fattibilità dell'implementazione di questa tecnologia nelle gallerie attive delle miniere per mitigare la pressione degli strati.

Risultati

• Risultati Teorici e Sperimentali: L'analisi teorica ha confermato che le perforazioni riducono la pressione di innesco della frattura. Gli esperimenti triassiali veri hanno mostrato che la fratturazione guidata da perforazione ha ridotto la pressione dell'acqua di picco del 22,5% (portandola a circa 14,8 MPa) rispetto alla fratturazione convenzionale e ha guidato con successo le fratture a propagarsi verticalmente lungo la direzione della perforazione, contrariamente alla propagazione orizzontale osservata con i metodi convenzionali.
• Esiti della Simulazione:
  • Velocità di Iniezione: L'aumento della velocità di iniezione da 0,12 m³/min a 1,2 m³/min ha aumentato l'altezza della frattura del 310,83%, potenziando significativamente la capacità di guida delle perforazioni.
  • Diametro della Perforazione: L'aumento del diametro da 2 cm a 8 cm ha aumentato l'altezza della frattura del 31,44% e ridotto la pressione di innesco del 45%.
  • Spaziatura delle Perforazioni: Una spaziatura di 20 cm è risultata ottimale. L'aumento della spaziatura a 30 cm ha indebolito l'interazione della pressione del fluido tra le perforazioni adiacenti, creando zone prive di frattura e inibendo la formazione di fratture connesse.
• Risultati del Test sul Campo: Nel fronte 122105, l'applicazione della fratturazione guidata da perforazioni in serie ha prodotto uno spostamento dell'attività microsismica. La sezione fratturata ha mostrato una tendenza "ad alta frequenza e bassa energia", con una diminuzione degli eventi ad alta energia (≥10³ J) del 23,96% rispetto alla sezione non fratturata. Ciò indica che la tecnologia ha indotto efficacementamente fratture del tetto frequenti e di minori dimensioni, rilasciando l'energia elastica accumulata e riducendo l'intensità del comportamento degli strati. La deformazione della galleria e lo stress di supporto sono stati efficacemente mitigati.

Significato
Il documento sostiene che la tecnologia di fratturazione guidata da perforazioni in serie proposta offre una soluzione praticabile per prevenire gravi rischi di comportamento degli strati associati a tetti laterali spessi e duri in gallerie a sezione ampia e bassa profondità. Chiarendo il meccanismo di propagazione della frattura guidata da perforazione e ottimizzando i parametri chiave, lo studio fornisce un riferimento per la progettazione e l'implementazione di misure di taglio del tetto direzionale. Il successo dell'applicazione industriale conferma che questo metodo può distruggere efficacemente l'integrità dei tetti spessi e duri, bloccare il trasferimento di energia dalle fratture del tetto e minimizzare la deformazione della galleria, migliorando così la sicurezza negli ambienti minerari profondi.