Design and field response analysis of double-sided staged hydraulic fracturing in gob-side entry under multi-layer hard roof condition

在煤炭开采的深层地下，上方的岩层正经历着一场不断的斗争。当一层煤被移除后，曾经承载在其上的沉重岩层必须寻找新的沉降方式。在许多矿井中，这些上层岩石由厚实、坚硬的岩层组成，不易破碎。这些坚硬的顶板并不会崩塌进入煤层留下的空隙，而是像一个沉重的天花板一样悬挂着，拒绝坠落。随着时间的推移，这些悬挂岩层的重量压迫着用于运输设备和人员的狭窄通道。这种压力导致隧道壁向内挤压，地面向上隆起，威胁着要压垮通道并中断作业。工程师们长期以来一直寻求管理这种压力的方法，通常是通过加固隧道或尝试在岩石变得危险之前将其破碎。挑战在于准确知道哪一层岩石造成的麻烦最大，以及在哪里施加力量以安全地破碎它。

在中国的黎明煤矿，研究人员面临着一个更为复杂的版本。该矿正在开采一个紧邻已采空区的全新区块。这留下了一窄条煤作为活跃隧道与空置空间之间的支柱，这种设置被称为工作面侧帮。在该隧道上方，岩层并不均匀；它们由多层硬质岩层组成，有的厚，有的薄，全部堆叠在一起。工程师需要确定哪些岩层承受了最多的重量并导致隧道变形。他们还需要弄清楚确切的钻孔位置，以便在不引起突然、危险坍塌的情况下削弱岩石。为了解决这个问题，来自辽宁技术大学的一个团队设计了一个方案，计划利用水压以受控的、分阶段的方式破碎岩石，并在现场测试他们的理论，以观察是否能平息地压。

研究人员首先分析了矿井上方的岩层，将其视为一个分布重量的单一厚梁。他们计算了载荷如何在不同层之间分配，从而识别出三个最关键的层位。他们的分析指出，靠近煤层的粗砂岩层、更高处的粉砂岩层以及更上方的一层厚砂岩层是主要的“罪魁祸首”，它们支撑着上方山体的重量。然而，团队意识到这些岩层并不都在同一个位置施压。较低的岩层将重量集中在紧邻隧道的地方，而这三层中最顶层的重量则稍微向远离隧道、靠近旧矿空区的方向偏移。这种差异意味着单一的方法行不通；他们需要一种能够同时针对不同高度和不同水平位置的策略。

为了测试他们的想法，团队为矿井及其周围岩层创建了一个详细的计算机模拟模型。他们模拟了煤炭的开采过程和岩层的移动，以观察应力在不同区域是如何积累的。模拟证实了他们的猜想：下层岩层的应力峰值确实位于隧道紧邻处，而最高目标层的峰值则向旧矿区方向偏移。这一洞察使他们能够设计出特定的钻孔模式。他们决定在隧道两侧钻两种类型的孔：针对较低岩层的短孔，以及到达较高岩层的长孔。通过交错布置这些孔并进行分段处理，他们可以以精确、循序渐进的方式削弱岩石。该计划包括在坚硬的岩壁和狭窄的煤柱中钻孔，然后使用高压水在孤立的段落中进行破碎，从孔底开始，逐层向上进行。

团队将该计划应用于一段100米长的隧道中，共钻了36个孔。他们使用一种专门的工具来封闭每个孔的小段，并注入高压水以在岩石中制造裂缝。这个过程在每一段、每一个孔中重复进行，确保岩石沿其整个长度都被削弱。在施工期间，他们布置了一个传感器网络来监测发生的情况。他们安装了仪器来测量隧道壁的移动量，监测支撑着顶板的液压支架上的压力，并监听深层地下岩石破碎时发出的微小声音。他们将这一处理过的路段与之前开采的未经处理的隧道路段进行了对比，从而观察水力破碎法带来的变化。

结果非常显著。在未经处理的路段，随着开采面的接近，隧道壁和地面发生了显著移动，顶板和地面挤压了约225毫米。隧道靠近煤柱的一侧向内移动了180毫米，坚硬岩石一侧移动了125毫米。而在经过水力破碎处理的路段，这种移动大幅减少。顶板和地面仅移动了约22毫米，煤柱侧移动了18毫米，坚硬岩石一侧仅移动了12毫米。承担顶板重量的液压支架也显示出明显的改善。在未经处理的区域，支架的平均压力为9,725千牛，而在处理过的路段，平均压力降至8,943千牛，降幅约为8%。

团队还倾听了岩石本身的声音。在未经处理的路段，传感器记录到了多次高能事件，表明岩石发生了剧烈且突然的断裂，这可能非常危险。在处理过的路段，活动则安静得多。传感器仅检测到低能事件，即细小且频繁的裂纹，这些裂纹逐渐释放能量，没有记录到任何大型的高能断裂。研究人员在处理后观察了孔内情况，发现有明确证据表明岩石已按预期发生破碎。虽然数据表明水力破碎成功降低了变形和载荷，但团队也指出，由于两个路段的开采时间略有不同，且处于略微不同的条件下，这种对比并不完美。他们无法将破碎的效果从每一个其他变量中完全分离出来，但总体趋势是清晰的：现场反应符合他们的设计目标——岩石移动更少，支架承重更轻，且消除了危险的高能断裂。

这项研究表明，通过了解矿井上方特定的岩层并利用定制的钻孔策略对其进行针对性处理，工程师可以显著提高地下隧道的安全性和稳定性。利用长孔和短孔来应对不同位置的不同岩层的做法被证明是有效的，它成功平息了地压。尽管研究人员承认，还需要更多的数据来完全区分处理效果与其他因素的影响，但变形和载荷的减少是非常实质性的。这项工作为其他面临坚硬悬顶挑战的矿井提供了实用的参考，表明通过周密的规划和精确的执行，可以将危险的地质状况转变为可控的状态。