摘要： 巷道掘进效率低是造成煤矿采掘失衡的主要原因，岩巷尤其是大断面硬岩巷道掘进速度慢严重制约煤矿的开拓准备及稳定生产。针对此，提出了以多孔水力压裂技术改造岩体完整性、促进大断面硬岩巷道快速掘进的技术思路。采用PFC颗粒流数值模拟,分析了硬岩巷道掘进工作面水力压裂裂纹扩展规律,探讨了不同地应力、注水压力、压裂孔径、压裂孔间距等压裂参数以及不同注水方式、压裂孔布置形式和岩层组合形式条件下多孔水力压裂缝网耦合扩展规律。结果表明:催生的拉伸、剪切裂缝数量与压裂孔孔径和注水压力呈正相关,拉伸裂缝增长速度显著快于剪切裂缝,水力压裂影响半径约为压裂孔直径的3～5倍。地应力对水力裂缝的扩展起主控作用,压裂裂缝主要沿最大主应力方向延伸;随着σ_h／σ_v增大,拉伸裂缝数量和压裂影响半径均减小,且降幅逐渐衰减。固定注水压力压裂方式最先产生裂缝,而固定注水流量产生裂缝较慢,但随着压裂进行,其裂缝的扩展速度比固定注水压力方式快;压裂孔平行阵列式布置比交错式布置更有利于裂缝扩展,裂缝增长速度更快。对比4种典型“软-硬”岩层组合条件下压裂裂缝扩展及裂缝击穿“软-硬”岩层交界面的力学行为发现：压裂裂缝在由较软岩层进入较硬岩层后扩展速度变慢，且延伸长度减小；主裂缝从软岩进入硬岩时易发生偏转，而从硬岩进入软岩时则更易直接击穿交界面；在软岩中易产生短宽型裂缝，在硬岩中易产生细长型裂缝。结合模拟与工程实践,设计了基于水力压裂“非爆”破岩的硬岩巷道快速掘进作业线,并优化了水力压裂工艺参数,为水力压裂预裂坚硬岩石提高破岩和巷道掘进效率提供了理论支撑与技术方案。

关键词: 多孔水力压裂, 硬岩巷道, 快速掘进, 颗粒流模拟, 裂缝扩展

中图分类号: 

• TD 32