龚涛, 张继, 夏彬伟

(1.四川省地质工程勘察院集团有限公司, 成都 610071; 2.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆 400044)

坚硬顶板广泛赋存于煤矿,尤其中国北方煤矿常赋存有大量坚硬顶板[1]。坚硬顶板困扰煤矿安全开采由来已久,因其厚度大、强度高、完整性好[2],在煤层开采后往往难以破断和垮落,从而悬露在采空区上方,造成工作面矿压显现强烈[3],甚至引发冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害[4-8]。当其悬露到一定临界长度后终将垮落,此时坚硬顶板突然大面积垮落将挤压采空区,存在引发飓风、瓦斯超限和瓦斯爆炸等危险[1,9-12]。因此,坚硬顶板控制是安全高效采煤的重大挑战[3],同时也是煤炭开采领域的研究重点[13-14]。

在过去相当长的一段时间里,坚硬顶板控制方法主要是爆破[15-18]。然而,爆破成本高、污染重,形成缝网方向和范围不可控[19],且产生的强烈扰动可能诱发瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、岩爆等灾害,因此一直在探索更安全的坚硬顶板控制方法。水力压裂[1,6,9,15,20-23]是继爆破之后被提出的一种坚硬顶板控制方法,在煤矿坚硬顶板控制中得到了越来越多的应用。如黄炳香应用水力压裂技术控制工作面端部顶板的悬露[1]和巷道的强矿压显现[20-21]。Bai等[24]水力压裂坚硬顶板用于地面控制。He等[6]水力压裂坚硬顶板预防岩爆。然而,先前的水力压裂几乎都是井下水力压裂,Yu等[3,25]提出并实施了地面水力压裂。地面水力压裂与井下水力压裂的不同在于:地面水力压裂无井下狭小的作业空间的限制,可以使用大型高性能压裂设备,以压裂开采煤层至地表的任一岩层,尤其是远离开采煤层的远场坚硬顶板,而不仅限于煤层附近的近场顶板。……