劉愛卿
(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083; 2.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013)
在煤礦開采過程中,堅(jiān)硬頂板的占比可達(dá)30%以上,通常是指由堅(jiān)硬的石灰?guī)r、砂巖、或礫巖等巖層構(gòu)成,堅(jiān)硬頂板巖層一般具有厚度大、強(qiáng)度高、均質(zhì)性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn),在工作面開采過程中難以垮落,在采空區(qū)后方或者工作面端頭易形成大面積的懸頂,工作面來壓步距大,周期來壓強(qiáng)度高,當(dāng)大面積垮落時(shí),容易形成強(qiáng)烈的動力現(xiàn)象,造成支架立柱折損、采空區(qū)颶風(fēng)及人員傷亡等現(xiàn)象,給工作面的正常生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅[1-5]。
我國很多煤礦淺部煤層在早期開采中采用刀柱式開采,刀柱式開采在采空區(qū)留下大量的不規(guī)則煤柱,給下部工作面開采造成嚴(yán)重的影響,當(dāng)?shù)吨讲煽諈^(qū)下為下部賦存煤層開采的堅(jiān)硬頂板時(shí),堅(jiān)硬頂板難以隨采隨冒,易形成大面積的懸頂,給工作面的安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。針對采空區(qū)堅(jiān)硬頂板的控制常用深孔爆破強(qiáng)制放頂?shù)姆绞剑?016年,同生煤業(yè)安平礦年因堅(jiān)硬頂板處理發(fā)生了安全生產(chǎn)事故,在8117工作面采空區(qū)強(qiáng)制放頂時(shí),引起采空區(qū)大面積懸頂突然垮落,形成瞬間短暫沖擊波氣流造成了安全生產(chǎn)事故。為了避免采空區(qū)大面積懸頂,必須提前采取解決方案,為此本文在前人研究基礎(chǔ)上針對刀柱式采空區(qū)下堅(jiān)硬頂板控制進(jìn)行了研究,提出了刀柱式采空區(qū)下堅(jiān)硬頂板水力壓裂弱化控制技術(shù)措施。
同生煤業(yè)安平礦位于山西省山陰縣,由2座小煤礦兼并整合而成,安平礦8107工作面主采5-1號煤,蓋山厚度平均為90 m,煤層平均厚度為10 m,工作面上覆為4-2號煤層,平均厚度6.6 m,5-1號煤同4-2號層間距為24.75~37.00 m,平均間距在30 m。在小煤窯開采期間4-2號煤采用刀柱式采煤法,留設(shè)煤柱形狀極不規(guī)則,采空區(qū)內(nèi)可能遺留大量煤柱,預(yù)測低洼處存在采空積水。
安平礦8107工作面切眼長度120 m,可采走向長度837 m,采用綜放開采,采高3.1 m,放煤高度在7 m左右,工作面上部穩(wěn)定的巖層主要是含礫粗砂巖,粗砂巖的平均厚度為15.35 m,中間夾有3.9 m的砂質(zhì)泥巖,含礫粗砂巖呈白色,含2~4 mm次棱角狀礫石,泥質(zhì)膠結(jié),原位測試平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到50 MPa,完整性好,堅(jiān)硬穩(wěn)定,難以垮落。
根據(jù)安平礦8107工作面地質(zhì)與開采條件,分析其頂板難以垮落原因如下:
(1)頂板穩(wěn)定性好。安平礦8107工作面工作面上部穩(wěn)定的巖層主要是含礫粗砂巖,粗砂巖的平均厚度為15.35 m,中間夾有3.9 m的砂質(zhì)泥巖,含礫粗砂巖均質(zhì)性高,堅(jiān)硬穩(wěn)定,難以垮落,原因在于煤層頂板上部存在約30 m的厚層砂巖,厚層粗砂巖及砂礫巖穩(wěn)定性高,自身難以垮落。
(2)刀柱式采空區(qū)下頂板應(yīng)力分布不均。8107工作面上部為4-2號煤刀柱式采空,在柱體上形成應(yīng)力集中,但在大部分區(qū)域煤炭被采后處于懸頂狀態(tài),使得下部底板處于應(yīng)力降低區(qū),同時(shí)由于上部刀柱式采空區(qū)屬于小窯回采,回采不規(guī)則,致使下部頂板應(yīng)力分布不均勻,應(yīng)力集中和應(yīng)力降低區(qū)交錯分布,致使下部煤層頂板管理難度更大。
圖1 工作面頂板初次斷裂前力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of working face roof before initial fracture
(1)
式中,a為工作面初放前回采長度;b為工作面傾向長度;q為頂板均布載荷。
當(dāng)工作面初采40 m時(shí),假設(shè)工作面傾斜長度分別為120 m和200 m時(shí),彎矩最大值為162.79和170.89,由于8107工作面蓋山厚度小,僅為90 m左右,且上部為刀柱式采空區(qū),即q值偏小,因此彎矩峰值更小,致使頂板不易垮落。
由上述分析可知,8107工作面頂板為厚層砂巖穩(wěn)定性好,在刀柱式采空區(qū)下受頂板不均勻應(yīng)力影響,同時(shí)工作面傾斜長度小、煤層蓋山厚度小,使得工作面初采初放時(shí)頂板壓力小,不易垮落,容易形成大面積的懸頂。安平礦因出現(xiàn)過爆破強(qiáng)制放頂發(fā)生過重大安全事故,為此需要采用新的方式解決,確保工作面初采初放安全。
水力壓裂控制技術(shù)以其安全性高、施工速度快、取材便利等優(yōu)勢已經(jīng)在國內(nèi)外煤礦堅(jiān)硬頂板治理方面進(jìn)行了大面積的推廣應(yīng)用[6-21],根據(jù)8107工作面情況,計(jì)劃采用水力壓裂弱化頂板強(qiáng)度,使得工作面頂板能夠及時(shí)垮落,為此采用數(shù)值計(jì)算的方式分析了水力壓裂控制技術(shù)對刀柱式采空區(qū)下堅(jiān)硬頂板的弱化效果。
根據(jù)安平礦8107工作面建立UDEC離散元數(shù)值計(jì)算模型,采放比設(shè)置為1∶2,設(shè)置工作面的走向回采長度為150 m,分步開挖,每次開挖長度為5 m,相當(dāng)于工作面每天開采5 m,上部4-2號煤采用刀柱式開采時(shí)在采空區(qū)遺留的煤柱尺寸為5 m,開采尺寸為10 m,建立模型如圖2所示。模型選取圍巖力學(xué)性能參數(shù)表見表1。
圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical computation model
表1 圍巖力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical properties of surrounding rock
模擬方案分為2種:①工作面頂板不進(jìn)行任何處理,直接回采;②采用水力壓裂弱化頂板,水力壓裂弱化頂板采用激活原生裂隙的方式,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在工作面初放時(shí)水力壓裂鉆孔一般布置在工作面切眼中,水力壓裂在現(xiàn)場施工過程中鉆孔間距為8~10 m,為此設(shè)計(jì)水力壓裂的擴(kuò)散半徑5 m,在工作面切眼采煤幫上部對頂板進(jìn)行弱化,弱化寬度10 m,弱化高度30 m,通過上述2種方案分析8107工作面在有、無水力壓裂弱化時(shí)頂板初次垮落步距的差異性。
工作面有無水力壓裂弱化時(shí)工作面回采20 m和40 m時(shí)頂板變形情況如圖3所示。由圖3可以看出,頂板無水力壓裂弱化處理時(shí),工作面回采40 m,工作面頂板無明顯變化,而采用水力壓裂對工作面頂板進(jìn)行局部弱化后,工作面回采20 m時(shí)頂板淺部開始垮落,而當(dāng)工作面回采40 m時(shí),頂板垮落范圍明顯加大,當(dāng)頂板初次垮落后,隨著工作面的回采,頂板在周期性壓力作用下逐步垮落。
圖3 有、無水力壓裂處理對于工作面頂板垮落的影響Fig.3 Effect of hydraulic fracturing treatment with and without hydraulic fracturing treatment on roof caving of working face
目前針對工作面堅(jiān)硬頂板的處理主要有2種方式:深孔預(yù)裂爆破和水力壓裂技術(shù),深孔預(yù)裂爆破應(yīng)用廣泛,但由于其采用炸藥,在高瓦斯礦井及淺埋深地區(qū)應(yīng)用受到很多限制,并且在安平礦因采用深孔爆破處理頂板引發(fā)過事故,使用受到限制,而水力壓裂控制技術(shù)成為新的發(fā)展方向。國內(nèi)外學(xué)者針對水力壓裂處理煤礦堅(jiān)硬頂板處理開展了大量的研究工作,但安平礦8107工作面上部為刀柱式采空區(qū),其水力壓裂弱化參數(shù)同常規(guī)工作面并不完全一致,不能直接引用,為此針對刀柱式采空區(qū)下8107工作面初次放頂水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行如下考量。
(1)采用實(shí)鉆方式確定5-1號煤和4-2號煤層層間距,并采用鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)窺視方式分析層間巖層結(jié)構(gòu)分布情況,為水力壓裂參數(shù)選取提供依據(jù),確定壓裂孔終孔位置距離5-1號煤層頂板的垂直高度為30 m,終孔位置距離4-2號煤采空區(qū)垂直距離5 m左右,防止壓裂水同采空區(qū)貫通。
(2)壓裂過程中采用后退式多分段壓裂技術(shù),利用跨式鉆孔封隔器[12-13],逐段封孔,分段壓裂,壓裂分段長度為3 m,距離孔口4 m因受錨桿和錨索孔泄壓影響保壓困難不再壓裂。
(3)壓裂過程采用高位孔和低位孔交叉壓裂,使得弱化面能夠盡可能多地分布在壓裂區(qū)范圍。
基于上述原因及工作面初采初放水力壓裂卸壓經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)8107工作面壓裂參數(shù)為:①壓裂鉆孔(S孔),鉆孔長度40 m,仰角為50°,采用分段多次壓裂方式,每3 m壓裂1次,距離孔口4 m不壓裂,如圖4(a)所示;②壓裂鉆孔(L孔),鉆孔長度40 m,仰角為30°,距離孔口4 m不壓裂,如圖4(b)所示;③采用分段多次壓裂方式,利用跨式鉆孔封隔器每3 m壓裂1次,L孔和S孔間距為8 m,與煤壁夾角為90°。
圖4 水力壓裂鉆孔參數(shù)Fig.4 Hydraulic fracturing drilling parameters
在壓裂過程中采用水壓儀對水力壓裂壓力全程監(jiān)測,同時(shí)對頂板的垮落及支架壓力變化狀況進(jìn)行了監(jiān)測。
(1)壓裂壓力變化。采用水壓儀監(jiān)測壓裂過程中壓力變化情況,如圖5所示,由圖5可以看出,起裂壓力最大可達(dá)18 MPa,保壓期間壓力一般維持在12~16 MPa。
(2)頂板垮落情況?,F(xiàn)場觀測到8107工作面在工作面推進(jìn)至15 m時(shí)頂頂板出現(xiàn)了塊狀冒落現(xiàn)象,工作面回采長度32 m時(shí),在工作面可見垮落的大塊白砂巖,在可視范圍垮落的頂煤和白砂巖已經(jīng)填充滿采空區(qū),而臨近的8121工作面在工作面回采30 m時(shí)頂煤出現(xiàn)冒落現(xiàn)象,在工作面推進(jìn)至50 m位置時(shí)開始采用爆破,當(dāng)工作面推采過10 m后頂板仍無垮落,在支架間可見完整頂板懸頂現(xiàn)象,8107工作面頂板初采垮落更為及時(shí)。
圖5 水壓儀監(jiān)測曲線Fig.5 Monitoring curve of water pressure gauge
(3)工作面液壓支架最大壓裂曲線變化情況。對8107工作面液壓支架壓力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)周期為工作面推進(jìn)3 m和推進(jìn)38 m,如圖6所示。
圖6 工作面液壓支架最大壓力曲線Fig.6 Maximum pressure curve of hydraulic support on working face
由圖6可知,在推進(jìn)38 m時(shí),工作面支架最大壓力發(fā)生突變現(xiàn)象,并且38號支架的最大壓力顯示達(dá)到60 MPa,而且28號支架和33號支架的最大壓力均超過40 MPa,超過30 MPa的支架總數(shù)為10架,占安裝壓力監(jiān)測支架總數(shù)的66.7%,在14日零點(diǎn)班出現(xiàn)了大面積的頂板垮落現(xiàn)象,而且在14日早班入井可見采空區(qū)已被冒落頂煤和矸石充填,反映出液壓支架壓力顯現(xiàn)同工作面采空區(qū)頂板大面積垮落有關(guān)。
(1)對于刀柱式采空下工作面而言,受頂板圍巖自穩(wěn)性高、工作面傾斜長度小撓度低、蓋山厚度小作用在頂板壓力低等多重地質(zhì)和生產(chǎn)因素影響,工作面初采頂板不易垮落。
(2)刀柱式采空區(qū)下工作面頂板控制難點(diǎn)在于其處于不均勻應(yīng)力作用,在柱體上形成應(yīng)力集中,但在大部分區(qū)域煤炭被采后處于懸頂狀態(tài),使得下部底板處于應(yīng)力降低區(qū),應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)交錯分布,加大下部煤層頂板管理難度。
(3)采用水力壓裂對頂板進(jìn)行弱化,壓裂過程中采用后退式多分段壓裂技術(shù),壓裂鉆孔采用高位孔和低位孔交叉布置方式,有效解決了刀柱式采空下工作面初次垮落步距長引起的安全問題,取得了良好的效果。