工程论文哪里有？本文通过现场调研、实验室试验、理论分析及数值模拟等研究方法，研究了不同水力压裂参数条件下4302工作面坚硬基本顶的压裂效果变化规律，并据此设计了4302工作面坚硬顶板水力压裂切顶弱化技术的合理预裂参数。
1 绪论
1.2.1 水力压裂机理研究现状
水力压裂机理研究的核心研究内容是压裂机理的研究，其主要研究方向分为以下两大部分：裂隙起裂和裂隙延伸。 Hubbert在深入探索水力压裂的力学机制后[36]，发现不管压裂液的渗透性如何，其压裂面裂隙拓展方向总是与最小主应力的方向保持垂直，这一发现为进一步研究压裂技术提供了重要的线索；在受地质构造应力影响的地区，特别是正断层附近，最小主应力为水平方向，水力压裂的压裂面应沿着垂直方向延伸，而且液压不得超出覆岩所受应力；在地质构造挤压区域内，最小主应力为垂直方向，水力压裂的压裂面则应当以水平方向延伸，同时，液压也必须大于或等于覆岩所受应力。除此之外，Hubbert还提出一种新的、可靠的、用于检测裂缝形成及其拓展的液压计算公式。Hubbert的研究成果基于多年来油气开采行业的实践，并且通过了广泛的实践，获得了良好的效果。
Griffith[37]认为，当应变能的释放率升高到一定程度时，裂纹就会发生失稳破坏并产生扩展，这一过程的发生条件可以用如式GI=GIC所示。式中GI为应变能释放率、GIC为材料常数，表示岩石材料抵抗裂隙拓展的能力。当裂缝的弹性应变超出了材料的抗拉强度时，它将不断地膨胀，直至达到一个临界值。根据Palaniswamy[38]的理论，裂缝将朝着可以产生更多应变能释放率的方向发展，一旦其达到了预定的能量水平，裂隙将会迅速膨胀。这个理论的核心思想是，材料会通过裂缝扩展来释放更多的能量，从而达到稳定的状态。
3 4302工作面矿压显现规律计算与分析
3.1 4302工作面覆岩运移“三带”理论计算与分析
工作面覆岩在煤层回采后将失去煤体支撑，发生弯曲变形，最终破坏垮落。按工作面采空区覆岩的破坏程度不同，其将其分为三个区域：垮落带、裂隙带与弯曲下沉带，即上“三带”。由于覆岩岩石的不同强度、密度、碎胀系数等因素的影响，难以用同一个公式预估工作面垮落带、裂隙带以及弯曲下沉带的高度。其中，计算冒落带高度的主要影响因素为岩石的碎胀系数。
已知4302工作面平均煤厚为7.01m，机采高度为3.5m，煤层倾角为5°，工作面坚硬基本顶为中粒砂岩，因此Kp=1.40。根据公式计算冒落带高度为17.5m。4302工作面直接顶为坚硬顶板，随着煤层开采，其直接顶垮落后基本顶不能自然垮落，这将引发长距离悬顶垮落事故，严重影响工作面生产安全。故需要采取水力压裂坚硬基本顶预裂手段，使得工作面覆岩垮落带内的各个岩层正常垮落。
5 4302工作面顶板预裂工业性试验
5.1 4302工作面水力切顶卸压原理与初步方案设计
5.1.1 4302工作面水力压裂切顶卸原理
4302工作面回采完毕后，其基本顶会沿4302工作面采空区侧向断裂，从而在4306回风顺槽的顶板形成一个悬臂梁结构，如图5-1所示。这种悬臂梁结构引发的应力集中将导致4306回风顺槽围岩的应力水平显著提升，从而导致4306回采工作面的超前段巷道出现较大的变形。通过采用水力压裂切顶技术，可有效地将4302工作面留巷小煤柱上方坚硬基本顶悬臂梁切落，降低基本顶悬臂梁的回转变形，有效减小由于基本顶悬臂梁压迫作用而导致的留巷小煤柱和留设巷道的应力集中，改善了巷道围岩的应力环境，减小了巷道围岩的应力，最终实现对巷道围岩变形量的有效控制。
5.2 4302工作面水力压裂工艺与过程
5.2.1 4302工作面水力压裂工程概况
基于4302工作面坚硬基本顶岩石物理力学参数测定结果，4302工作面基本顶中粒砂岩的普氏硬度系数为7～8，为坚硬顶板。随着4302工作面的推进，基本顶将于工作面侧向留巷小煤柱上方形成一个悬臂梁结构，且基本顶悬臂梁跨距很大，将导致侧向留巷小煤柱上产生应力集中，导致4306工作面回风顺槽巷道围岩应力较大，巷道围岩变形严重。为了减小4306工作面回风顺槽护巷小煤柱上所承载的集中应力，通过水力压裂切顶可将4302工作面留巷小煤柱上方坚硬基本顶悬臂梁切落，降低基本顶悬臂梁的回转变形，有效减小由于基本顶悬臂梁压迫作用而导致的留巷小煤柱和留设巷道的应力集中，改善了巷道围岩的应力环境，减小了巷道围岩的应力，最终实现对巷道围岩变形量的有效控制。
本次水力压裂切顶现场工业性实验实施地点确定于4302工作面回风顺槽，4302工作面回风顺槽基本顶水力压裂切顶范围的为0～1090m。依据三元煤业股份有限公司4302工作面的最新采掘规划（如图5-7所示），4302工作面的设计停采线分别设定为距工作面开切眼864m（4302工作面运输巷）和889m（4302工作面回风巷）。所以4302工作面坚硬基本顶的水力压裂终止位置设定为距工作面开切眼900m处。本次现场工业性试验总共钻设了116个水力压裂钻孔，水力压裂钻孔分为三个阶段。
6 结论
本文针对三元煤业4302工作面坚硬基本顶悬露距离长、垮落步距长、矿压剧烈显现、临近巷道围岩严重变形等问题，以三元煤业4302工作面坚硬基本顶为研究对象，通过现场调研、实验室试验、理论分析及数值模拟等研究方法，研究了不同水力压裂参数条件下4302工作面坚硬基本顶的压裂效果变化规律，并据此设计了4302工作面坚硬顶板水力压裂切顶弱化技术的合理预裂参数。并进行了现场工业性试验，取得了良好的压裂放顶效果。本文主要结论如下：
（1）分析了三元煤业4302工作面的工程背景。对4302工作面进行了地应力测定，测定结果为水平应力占据优势，地应力场以构造应力场为主；对4302工作面煤层及顶底板情况进行了分析；测定了4302工作面中粒砂岩坚硬顶板的强度参数。结果表明4302工作面基本顶属于坚硬顶板，如不采用水力压裂等弱化措施，将引发悬顶垮落事故，严重影响工作面的生产安全。
（2）对4302工作面坚硬基本顶的强烈矿压显现特征进行了理论计算，为采取有效水力压裂弱化4302工作面坚硬基本顶的技术措施提供理论支撑。计算理论包括覆岩运移理论中的三带垮落带高度计算、覆岩载荷条件计算、极限跨距计算、初次来压步距与周期来压步距计算以及坚硬顶板等级分析计算等。计算结果表明4302工作面直接顶垮落后基本顶不能自然垮落，这将引发长距离悬顶垮落事故，严重影响工作面生产安全。故需要采取水力压裂坚硬基本顶预裂手段，使得工作面覆岩垮落带内的各个岩层正常垮落。
参考文献（略）
