[01510402]坚硬特厚煤层综放开采顶煤水力致裂控制理论与技术

应用领域：煤炭开采类的井工开采和矿山压力工程，特别是坚硬厚煤层放顶煤开采。技术原理：利用钻孔水压力的作用，改变孔边岩体的应力状态，导致孔边起裂和裂缝扩展，进而利用裂隙水压力，控制水压裂缝的扩展。通过水压主裂缝和翼型分支裂纹的扩展实现对煤岩体结构改造弱化岩体的整体力学特性；同时改善了岩体的渗透性能，水通过裂隙向煤岩体内部渗透，导致煤岩体的含水量增大，软化煤岩体的强度。进而依靠矿山压力的破岩作用，达到提高顶煤（板）冒放性的要求。同时，可以水力致裂煤层顶板，诱导矿压破煤。应力场、岩体的力学特性、岩体的结构特征确定了煤岩体水力致裂的水压力参数和水压裂缝的扩展形态。煤岩体水力致裂通过水压主裂缝扩展、翼型分支裂纹扩展和吸水湿润作用，达到结构改造、强度弱化等工程需要。性能指标：（1）在不采用炸药条件下，运用成套水力致裂技术与装备成功的保障了浅埋坚硬（f＞3）特厚煤层首采综放工作面的正常、安全生产。（2）综放面从切眼推进20m以后顶煤开始冒落，工作面推进40m以后开始逐步放顶煤，基本达到正常放顶煤工作面技术要求。（3）工作面正常放煤后，采出率达到80%以上，在浅埋坚硬特厚煤层条件下达到了放顶煤工作面平均水平。与国外同类技术比较：国内外未见有综合顶煤水力致裂弱化与老顶（定向）水力致裂诱导矿压破煤，形成了水力致裂控制顶煤冒放性技术，能代替炸药解决坚硬厚顶煤的冒放性问题的文献报道。与传统爆破弱化顶煤顶板相比，水力致裂弱化顶煤顶板管理简单、安全性高、工程量小，而且经济成本不到其1/10。成果的创造性、先进性：①应用自行研制的大尺寸（500×500×500mm<'3>）真三轴水力致裂模拟实验系统及理论研究，揭示了煤岩体水力致裂的裂缝扩展规律，掌握了层面、原生裂隙等对水压裂缝的影响规律，揭示了水力致裂翼型裂纹对煤岩体的结构改造效应及其与宏观力学性能弱化的关系，揭示了采动煤岩体水力致裂的时空关系。②提出并实施了煤岩体定向水力割缝致裂、定向聚能爆破水力致裂、多孔线性控制水力致裂等定向致裂方法，提出了水力爆破致裂、后退分段式水力致裂等增加裂缝数目与均匀致裂方法，研制了成套煤矿井下顶板高压（60MPa）水力致裂装备。③综合顶煤水力致裂弱化与老顶（定向）水力致裂诱导矿压破煤，形成了水力致裂控制顶煤冒放性技术，能代替炸药解决坚硬厚顶煤的冒放性问题。作用意义：为坚硬特厚煤层综放开采工作面的顶煤开采提供了一条新的解决途径。可以保障坚硬顶煤的及时充分冒落，提高顶煤的放出率。防止坚硬顶煤（顶板）悬顶大面积破断来压等对工作面的冲击破坏。克服了高瓦斯综放面炸药爆破存在的安全的隐患，避免了爆破对综放支架等设备的损害。单综放工作面实现经济效益700余万元/月。推广应用的范围和条件：中国坚硬特厚煤层储量丰富，特别是陕、甘、宁、新等西部地区分布着大量的坚硬特厚煤层。坚硬特厚煤层综放开采顶煤水力致裂控制理论与技术的研究应用，为坚硬特厚煤层的放顶煤开采提供了新的解决思路和解决方法。尤其在不适合爆破的高瓦斯矿井具有巨大的经济效益和社会效益，有着广阔的应用前景。项目出版专著2部，发表4篇SCI、23篇EI、3篇ISTP论文，申请国家发明专利11项（已授权5项）、授权实用新型专利7项。经相关院士与专家学者鉴定：研究成果达到国际领先水平。