蘇斌華

(大同煤礦集團(tuán)公司同發(fā)東周窯煤業(yè)公司， 山西 大同 037100)

1 前言

我國(guó)大多數(shù)煤礦對(duì)采空區(qū)頂板的管理一般優(yōu)選采用全部垮落法進(jìn)行管理，而我國(guó)煤層受其形成環(huán)境影響，賦存條件相對(duì)復(fù)雜，大部分煤礦頂板較堅(jiān)硬，巖層結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，直接頂、基本頂厚度大，因此在開采過(guò)程中頂板覆巖無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨采隨冒，往往會(huì)造成開采后方大面積懸頂問(wèn)題。懸空頂板往往能夠維持相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間的穩(wěn)定，而當(dāng)達(dá)到其極限跨度，懸空頂板會(huì)發(fā)生突然斷裂垮落，發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)力沖擊災(zāi)害[1-4]，對(duì)生產(chǎn)班組人員安全及生產(chǎn)工作帶來(lái)極大危害?？萍脊ぷ髡咭簿痛碎_展了大量的科研工作，其主要研究工作主要圍巖爆破破碎及注水軟化頂板進(jìn)行。張杰、薛德平等[5-6]針對(duì)厚硬頂板開采后采空區(qū)大面積懸頂問(wèn)題，通過(guò)深孔預(yù)爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)較好地對(duì)頂板實(shí)現(xiàn)了控制。齊學(xué)元[7]在研究水對(duì)煤巖體軟化機(jī)理及效果基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)采場(chǎng)煤巖體深孔注水軟化技術(shù)對(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行了較好地控制，不僅大大減小了頂板垮落步距，而且對(duì)于控制沖擊地壓發(fā)生也起到較好作用。郝鵬程[8]則以深孔預(yù)爆破技術(shù)為基礎(chǔ)，在實(shí)現(xiàn)深孔爆破破碎巖體后進(jìn)一步通過(guò)注水對(duì)厚硬頂板實(shí)現(xiàn)軟化和二次破碎，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，頂板控制效果較好。盡管深孔預(yù)爆破方法與注水軟化方法對(duì)厚硬頂板的控制效果較好，但是這種控制方法存在著應(yīng)用條件上的限制及自身無(wú)法避免的缺陷。例如，在高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井使用深孔爆破方法進(jìn)行頂板控制時(shí)，若存在操作疏漏易引起瓦斯、煤塵爆炸，在埋深較淺的工作面使用該方法時(shí)，其爆破應(yīng)力波對(duì)地表建筑影響較為嚴(yán)重。同時(shí)該方法施工工程量較大，對(duì)于井下空氣污染也較為嚴(yán)重。相較于爆破控頂技術(shù)，注水軟化影響較小，但其軟化效果受巖性影響較大且效果呈現(xiàn)緩慢，因此也極大限制了礦井的安全高效生產(chǎn)。

與此同時(shí)，隨著水壓致裂技術(shù)的成熟，越來(lái)越多學(xué)者開始將此方法應(yīng)用于采空區(qū)厚硬頂板的控制上。康紅普、馮彥軍[9-11]將水力壓裂方法引入對(duì)于堅(jiān)硬頂板的控制之中，并對(duì)該方法在應(yīng)用中致裂過(guò)程及其裂紋演化規(guī)律進(jìn)行研究分析，通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)該方法經(jīng)濟(jì)可行且對(duì)于頂板的控制作用較上述兩種方法更優(yōu)。孟秀峰等[12]通過(guò)總結(jié)水力壓裂頂板弱化頂板強(qiáng)度及其對(duì)頂板軟化作用基礎(chǔ)上，通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)揭示了水力壓裂頂板應(yīng)力及頂板結(jié)構(gòu)分布規(guī)律。郭皞[13]在實(shí)踐中提出先使用水力壓裂一次破碎頂板巖層基礎(chǔ)上利用遺留鉆孔進(jìn)行二次淺孔爆破實(shí)現(xiàn)雙重致裂，應(yīng)用效果良好。因此，本文以大同煤礦集團(tuán)忻州窯礦8937綜放工作面為工程背景，綜合運(yùn)用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)堅(jiān)硬頂板綜采工作面水力壓裂控頂技術(shù)進(jìn)行研究，以保證礦井正常生產(chǎn)工作，并能夠?yàn)橄嗨茥l件礦井提供技術(shù)參考。

2 工程地質(zhì)概況

8937綜放工作面地面標(biāo)高1 202～1 229 m，井下標(biāo)高950～996m，平均埋深256m，工作面走向長(zhǎng)1 502.5～1 524.5m，平均長(zhǎng)1 513.5m，傾向長(zhǎng)120m，平均煤厚為5.38m，傾角2°～7°，平均3°，為近水平煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性質(zhì)穩(wěn)定。直接頂為15.37m的中、細(xì)砂巖，普氏系數(shù)為8，基本頂為12.28m的粗、中砂巖，普氏系數(shù)為7.7，屬堅(jiān)硬頂板，直接底為泥巖，厚1.3m。

3 水力壓裂原理及基本流程

3.1 基本原理

在厚硬頂板條件下，隨工作面開采，由于頂板厚度大，強(qiáng)度高，很難隨采隨冒，在采空區(qū)上方形成較大的空頂，具體如圖1a所示。隨著開采活動(dòng)繼續(xù)，控頂面積逐步增大，形成兩端固支的簡(jiǎn)支梁形式，當(dāng)頂板達(dá)到其極限跨度，則會(huì)形成中部彎曲下沉斷裂觸矸與直接切斷兩種斷裂形式，不管哪種斷裂形式對(duì)于生產(chǎn)活動(dòng)而言都會(huì)造成極大的災(zāi)害損失。頂板初次破斷后，繼續(xù)向前推進(jìn)，頂板周期垮落步距依舊很大，也就形成如圖1b所示空頂懸臂梁結(jié)構(gòu)，此時(shí)形成的三角體結(jié)構(gòu)也相對(duì)穩(wěn)定，能維持?jǐn)?shù)十日之久，因此其周期斷裂也會(huì)帶來(lái)較大的沖擊動(dòng)力災(zāi)害。為消除這種災(zāi)害隱患，在工作面開采開切眼后，對(duì)前方煤體進(jìn)行預(yù)破碎，以達(dá)到有效控頂目的。

采用水力壓裂方式進(jìn)行控頂時(shí)，需進(jìn)行鉆孔預(yù)處理，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)水力壓裂方向的誘導(dǎo)，在鉆孔后，每隔10m對(duì)鉆孔進(jìn)行橫向切割槽作業(yè)，實(shí)現(xiàn)巖壁預(yù)破裂與裂隙破裂方向控制。如圖2a所示為初次垮落時(shí)進(jìn)行水力壓裂范圍，圖2b所示為周期垮落期間水力壓裂范圍，通過(guò)利用水力壓裂的方法，能夠有效對(duì)工作面前方頂板巖體進(jìn)行有效破碎，當(dāng)工作面回采至破碎區(qū)域，支護(hù)阻力大大減小，當(dāng)推過(guò)該區(qū)域，頂板能夠迅速垮落至采空區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)有效的頂板控制作用。

圖1 厚硬頂板下采空區(qū)形態(tài)

由此可知，水力壓裂控頂技術(shù)的主要原理是通過(guò)使用高壓水壓裂及軟化作用，對(duì)厚硬頂板形成的懸頂效應(yīng)進(jìn)行削弱或者消除，使初次垮落步距及周期垮落步距減小，切斷具有動(dòng)災(zāi)隱患的采空區(qū)三角懸臂梁，使采空區(qū)得到較好的填充，工作面壓力減小，改變應(yīng)力分布情況，減小進(jìn)煤壁處煤巖體變形。

圖2 水力壓裂機(jī)理及破碎區(qū)域示意圖

3.2 水力壓裂鉆孔布置方案及壓裂操作流程

1)鉆孔布置方案

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇忻州窯礦8937綜放工作面，該工作面屬于典型的厚硬頂板條件，初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距分別約為55m和36m，來(lái)壓時(shí)支架受力大，有明顯沖擊影響，礦壓顯現(xiàn)劇烈。根據(jù)該工作面實(shí)際地質(zhì)采礦條件，在回風(fēng)巷道、運(yùn)輸巷道分別布置鉆孔。鉆孔布置具體參數(shù)如圖3所示。

圖3 鉆孔布置示意圖

2)壓裂基本操作流程

首先在利用KZ54型鉆頭在鉆孔堅(jiān)硬段進(jìn)行橫向切割槽預(yù)制工作，具體如圖4a所示。然后將兩端膨脹封隔器推送至指定區(qū)域，對(duì)封隔器進(jìn)行注水加壓，具體如圖4b所示。最后對(duì)封隔段進(jìn)行高壓水水力壓裂，具體圖4c所示。

圖4 注水壓裂實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程

圖5 數(shù)值模型

4 水力壓裂控頂效果數(shù)值模擬研究

4.1 數(shù)值模型的建立

基于3DEC建模原理，根據(jù)所選區(qū)域采礦地質(zhì)條件，建立如圖5所示的數(shù)值模型，模型幾何尺寸為200m(長(zhǎng))×50m(寬)×100m(高)，煤層厚5.38m，埋深256m。根據(jù)計(jì)算分析的需要，同時(shí)考慮計(jì)算效率，對(duì)巖層厚度及性質(zhì)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化：選取的巖層傾角較小，因此在進(jìn)行建模分析時(shí)，巖層按照水平布置；在網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)采取了非均勻劃分，在煤層及其頂?shù)装甯浇W(wǎng)格劃分較為密集，遠(yuǎn)離煤層的巖層網(wǎng)絡(luò)劃分較為稀疏。模型建立后，模型頂部為自由面，在水平方向的四個(gè)邊界施加水平方向的位移約束，并限制底部垂直方向位移。在距開切眼20m位置依此每隔20m進(jìn)行一次結(jié)構(gòu)劣化處理。

本次數(shù)值模擬采用塊體模型為庫(kù)倫—摩爾塑性模型，節(jié)理選用庫(kù)倫滑移模型。模擬過(guò)程中模型各層位巖的力學(xué)參數(shù)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)試樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)后獲得的參數(shù)，主要包括塊體的dens、bulk、shear、coh、fric、ten，具體見表1，節(jié)理的jkn、jks、jfric、jcoh、jten等見表2。

表1 塊體參數(shù)

表2 節(jié)理參數(shù)

4.2 結(jié)果分析

1)使用不同控頂方法作業(yè)頂板結(jié)構(gòu)破壞特征研究

圖6所示為水力壓裂控制頂板后覆巖破壞結(jié)構(gòu)圖，由圖可知，在0～40m范圍內(nèi)，頂板沒有進(jìn)行裂化處理，由于頂板屬厚硬頂板，初次垮落步距大，在40m在頂板兩固支點(diǎn)出現(xiàn)破裂。而隨著對(duì)頂板進(jìn)行水力壓裂控頂處理，在推采50m后，頂板出現(xiàn)垮落，且工作面后不出現(xiàn)大面積懸臂梁結(jié)構(gòu)，隨著采煤工作持續(xù)進(jìn)行，頂板隨采隨冒，頂板依次塌落于采空區(qū)之中，直接頂上位巖層也隨之下部支撐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而依此下沉，最終推采100m后，采空區(qū)上方頂板全部下沉或者塌落，且產(chǎn)生的離層空間較小。

圖6 水力壓裂控制頂板法覆巖破壞結(jié)構(gòu)圖

圖7所示為不使用水力壓裂控頂后的頂板結(jié)構(gòu)破壞情況，由圖可知，推采跨度達(dá)到70m時(shí)，頂板仍未出現(xiàn)較為明顯的垮落現(xiàn)象，而到80m則初次出現(xiàn)了頂板兩側(cè)塌落拱雛形，在兩支點(diǎn)出現(xiàn)拉伸破壞，當(dāng)推采90m后，頂板大面積垮落，垮落高度達(dá)到50m之多。

圖7 常規(guī)全部垮落法控制頂板覆巖破壞結(jié)構(gòu)圖

因此，比較使用與不使用水力壓裂方法控頂可以分析得出，使用水力壓裂控頂技術(shù)能夠及時(shí)的將采空區(qū)后頂板放落，減小初次及周期垮落步距，能夠較為完整的形成上三帶形態(tài)，且在其控制下很難發(fā)生較為強(qiáng)烈的動(dòng)災(zāi)事故。

2)使用不同控頂方法作業(yè)覆巖垂直位移分布規(guī)律研究

圖8所示為使用水力壓力控制頂板后，各階段垂直位移變化云圖，由圖可知，在推采30m、40m后采空區(qū)覆巖下沉量最大僅有57m、65cm。而推采50m時(shí)預(yù)先進(jìn)行了水力壓裂破碎控頂處理，推采過(guò)后，頂板能夠隨采隨冒，充分垮落于采空區(qū)內(nèi)，煤壁后方懸臂梁下沉量也能到達(dá)2.7m，直至推采至100m停止，頂板均能實(shí)現(xiàn)隨采隨冒，且無(wú)堅(jiān)硬大面積懸空結(jié)構(gòu)體，對(duì)于生產(chǎn)安全影響較小。

圖9所示為使用常規(guī)全部垮落法控制頂板的垂直位移變化云圖，由圖可知：工作面從開始回采，上方頂板就形成面積距大的懸空結(jié)構(gòu)體。隨著推采，兩固支端受力不斷增大，懸空結(jié)構(gòu)中部發(fā)生彎曲下沉，在推采至80m時(shí)，達(dá)到其極限跨度，中部發(fā)生斷裂，當(dāng)推采至90m時(shí)，中部下沉觸底，但承載結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生破壞，隨著下位掩體的下沉，上部覆巖隨之下沉，在極短時(shí)間內(nèi)，直接頂及基本頂控制的巖體下沉迅速，直至推采結(jié)束，其中部不斷塌落，但與周圍巖體鉸接性較好，仍未發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)。因此在工作面后發(fā)形成較為穩(wěn)定且面積較大的懸空結(jié)構(gòu)，對(duì)于下一步開采存在較大安全隱患。

圖8 水力壓裂控制頂板法覆巖垂直位移云圖

圖9 常規(guī)全部垮落法控制頂板覆巖垂直位移云圖

由上分析可知，通過(guò)使用水力壓裂控頂技術(shù)能夠有效控制頂板下沉并破壞其鉸接狀態(tài)，阻斷其力學(xué)傳播，能夠?qū)崿F(xiàn)頂板均勻垮落，并最終充滿采空區(qū)，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)于頂板地控制作用。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)運(yùn)用3DEC模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用水力壓裂方法控頂技術(shù)在工作面推采50m后，頂板出現(xiàn)垮落，小于其初次垮落步距，且初次跨落后，頂板能夠?qū)崿F(xiàn)隨采隨冒；使用正常完全垮落法控制頂板時(shí)，頂板跨度達(dá)到80m，才發(fā)生初次垮落，且垮落塊體間鉸接狀態(tài)未被打破，仍能夠形成力承載結(jié)構(gòu)。因此在使用水力壓裂控頂技術(shù)后能夠及時(shí)的將采空區(qū)后頂板放落，減小初次及周期垮落步距，能夠較為完整的形成上三帶形態(tài)，且在其控制下能夠避免強(qiáng)烈動(dòng)災(zāi)事故發(fā)生。

(2)發(fā)現(xiàn)使用水力壓裂控頂技術(shù)能夠有效控制頂板下沉，實(shí)現(xiàn)頂板覆巖地隨采隨冒，并有效破壞垮落塊體間地鉸接狀態(tài)，阻斷其力學(xué)傳播，而不使用該方法控頂時(shí)，隨推采進(jìn)行形成懸頂面積較大地懸臂結(jié)構(gòu)體，其破壞形式為彎曲下沉破壞，當(dāng)推采至80m時(shí)才到達(dá)其極限跨度，開始下沉破壞，且在較短時(shí)間內(nèi)形成較大面積地覆巖破壞。因此使用水力壓裂控頂技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)頂板均勻垮落，并最終充滿采空區(qū)，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)于頂板地控制作用。