溫雙武

(國家能源集團(tuán) 寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750000)

“砌體梁”假說建立了采場“橫三區(qū)、豎三帶”的結(jié)構(gòu)模型,按照“巖梁”假設(shè)給出了采場頂板裂縫的形成、貫穿和“砌體”的形成條件[1-2]?！皞鬟f巖梁”理論發(fā)現(xiàn)了支承壓力分布隨基本頂巖梁顯著運(yùn)動(dòng)而發(fā)展的變化規(guī)律,提出了在斷裂線與煤壁之間由已斷裂巖梁自重所決定的“內(nèi)應(yīng)力場”和斷裂線外由上覆巖層整體重量所決定的“外應(yīng)力場”概念[3-4]。“切頂短壁梁”理論認(rèn)為,通過預(yù)裂頂板,可使懸伸巖梁隨采場推進(jìn)過程中在預(yù)裂面切落,進(jìn)而達(dá)到降低懸臂梁傳遞荷載的目的[5-6]?；谝陨霞僬f、理論,“巖梁”成為了采場覆巖垮落分析的基本結(jié)構(gòu)單元。對(duì)于目前普遍采用的長臂后退式開采方法,一般常采用全面垮落法控制采空區(qū)頂板,而由于覆巖巖性、結(jié)構(gòu)以及不合理的巷道布置等因素影響,極易出現(xiàn)大面積懸頂、巷道嚴(yán)重變形等危害工作面安全生產(chǎn)的重大難題。

針對(duì)上述問題,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究,提出了一系列控制技術(shù),如堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)制爆破放頂技術(shù)[7-8]、基于雙向聚能拉張爆破理論的定向爆破技術(shù)[9]、堅(jiān)硬頂板水力致裂控制理論與成套技術(shù)等[10]?，F(xiàn)今,隨著煤炭開采逐漸向深部延深,上述技術(shù)尤其頂板水力致裂技術(shù)受到推崇并被廣泛應(yīng)用,但推行過程缺少對(duì)其適用條件的基本判斷及應(yīng)用效果的評(píng)價(jià)認(rèn)識(shí)。為此,本文提出以綜采工作面液壓支架工作阻力大數(shù)據(jù)云圖為基礎(chǔ),結(jié)合與采場實(shí)際礦壓顯現(xiàn)特征的關(guān)系對(duì)頂板運(yùn)動(dòng)特征給出宏觀評(píng)價(jià)的方法,探討頂板預(yù)裂卸壓應(yīng)用條件及其現(xiàn)實(shí)意義。研究成果可為認(rèn)識(shí)采場頂板垮落規(guī)律、合理選擇頂板結(jié)構(gòu)弱化卸壓方式提供方法和思路。

1 工作面開采與頂板垮落

采場液壓支架給頂板提供一定初撐力的同時(shí)也承受了直接頂垮落載荷和基本頂斷裂巖塊周期性的失穩(wěn)載荷,且支架給定支撐力的不足將會(huì)進(jìn)一步增加頂板的損傷程度[11-13]。液壓支架工作阻力監(jiān)測作為綜合機(jī)械化開采的標(biāo)準(zhǔn)配置,其動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)可較直觀全面地反映頂板巖層的活動(dòng)情況。液壓支架工作阻力持續(xù)增加后的突然降低是基本頂巖層的斷裂或咬合巖塊的滑落變形失穩(wěn)的反映。通過采集分析不同埋深、不同采高、不同傾角綜采工作面采場液壓支架工作阻力數(shù)據(jù),并利用大數(shù)據(jù)云圖再現(xiàn),結(jié)合云圖分析開采過程中的礦壓顯現(xiàn)及特征,為描述工作面開采與頂板垮落之間的關(guān)系提供了一種方法。

1.1 采場液壓支架工作阻力監(jiān)測

基于某礦區(qū)侏羅系含煤地層,巖體結(jié)構(gòu)多為互層狀,可采煤層頂板多屬于半堅(jiān)硬層狀砂質(zhì)巖類,穩(wěn)定性為差—中等,采用綜采或綜放工藝?？紤]煤層埋深、傾角和采高等可能影響采場頂板垮落特征的因素,通過對(duì)不同特征條件的綜采工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析處理,并繪制了工作面支架末阻力大數(shù)據(jù)云圖,如圖1所示。

圖1 某工作面支架末阻力大數(shù)據(jù)云圖Fig.1 Big data cloud diagram of support end resistance in a working face

1.2 采場頂板垮落及礦壓特征分析

順序開采工作面一般是指回風(fēng)巷臨近上區(qū)段采空區(qū),運(yùn)輸巷側(cè)為下區(qū)段煤巖實(shí)體。在順序開采工作面采動(dòng)過程中,大多情況下直接頂隨采隨落并充填采空區(qū),基本頂發(fā)生周期性失穩(wěn)和觸矸平衡,基本頂巖梁的失穩(wěn)平衡過程以及采動(dòng)影響下上區(qū)段已穩(wěn)定巖梁的再次失穩(wěn),會(huì)導(dǎo)致回風(fēng)巷相對(duì)運(yùn)輸巷較強(qiáng)的礦壓顯現(xiàn)。結(jié)合支架末阻力大數(shù)據(jù)云圖(圖1)來看,工作面上下端頭約5個(gè)支架沒有來壓數(shù)據(jù),這與兩巷頂板高強(qiáng)度錨索支護(hù)和兩端頭支架初撐力不足有關(guān),也與基本頂“O-X”型斷裂規(guī)律有關(guān)[1]。隨著工作面的開采,上下端頭三角巖體懸頂面積增大將導(dǎo)致超前煤壁煤巖體應(yīng)力集中,兩巷主要表現(xiàn)為以底鼓為主的礦壓顯現(xiàn)形式。一般400 m以淺淺部開采,支架來壓最大工作阻力低于10 MN,在不受褶曲、斷層構(gòu)造,以及工作面壓茬布置等不合理開采因素影響時(shí),工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較低,回風(fēng)巷會(huì)有底鼓變形,周期來壓煤壁片幫會(huì)增多,但不會(huì)影響正常開采效率;埋深超過600 m進(jìn)入深部開采,周期來壓支架最大工作阻力個(gè)別可能達(dá)到15 MN,工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度增強(qiáng),大量的片幫煤會(huì)影響刮板機(jī)運(yùn)輸和增大架前頂板空頂,回風(fēng)巷超前影響范圍可達(dá)到200 m以外。在深部開采回風(fēng)巷50～100 m以外可能出現(xiàn)底鼓變形與周期來壓并不一致,可以間接說明基本頂周期性斷裂失穩(wěn)存在時(shí)空上的差異和不協(xié)調(diào)。深部運(yùn)輸巷也會(huì)表現(xiàn)為底鼓,以及端頭頂板下沉導(dǎo)致支架拉移困難,主要是端頭支架長期的初撐力不足以及恰好遇到端頭三角巖體斷裂失穩(wěn)導(dǎo)致。

同時(shí),采場支架工作阻力的監(jiān)測可間接反映基本頂來壓步距、來壓顯現(xiàn)強(qiáng)度等頂板的垮落特征,也從宏觀上說明了頂板巖層的物理力學(xué)性質(zhì)特征。從該礦區(qū)綜采工作面支架工作末阻力大數(shù)據(jù)云圖看,該礦區(qū)所開采煤層均表現(xiàn)出了明顯的周期來壓,但周期來壓步距不大,說明頂板為多巖層復(fù)合型頂板,直接頂垮落碎脹不能完全填充采空區(qū),存在較堅(jiān)硬巖層,但強(qiáng)度和完整性不是很高。

此外,支架工作阻力監(jiān)測只能間接反映鄰近支架上覆走向跨度逐漸增加的巖梁的斷裂失穩(wěn),液壓支架工作阻力持續(xù)增加后的跌落間接反映了基本頂巖層的斷裂或咬合巖塊的滑落變形失穩(wěn),而不能反映受側(cè)向煤壁(煤柱)支承滯后影響,而產(chǎn)生的傾向懸伸巖梁斷裂失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 覆巖結(jié)構(gòu)弱化卸壓

淺部開采采場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較弱,回采期間通過超前頂幫錨索等補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),工作面兩巷超前壓力影響范圍、鄰近巷道變形能夠得到控制,基本滿足了回采使用條件,一般不需采取卸壓控制措施。隨著開采深度的增加,在提高采場支架額定工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度的同時(shí),頂板預(yù)裂卸壓措施被推行應(yīng)用。目前,主要應(yīng)用并實(shí)踐了頂板淺眼小孔預(yù)裂爆破、深孔預(yù)裂爆破、深孔常規(guī)水力預(yù)裂等旨在減少回采兩巷懸頂、控制相鄰巷道變形的措施,以及深孔預(yù)裂爆破、頂板深孔常規(guī)水力預(yù)裂、長距離水平定向孔水力預(yù)裂等旨在破壞堅(jiān)硬巖層結(jié)構(gòu)完整性、避免彈性能積聚的措施。

2.1 頂板預(yù)裂實(shí)踐

(1)減少回采兩巷懸頂及控制相鄰巷道變形。某工作面埋深487～684 m,采用雙巷布置,留設(shè)寬25 m煤柱,屬于近水平煤層,平均采高3.6 m。直接頂為平均厚4.21 m的粉砂巖,直接頂含有平均厚14.33 m的細(xì)?！辛Ｉ皫r。前后分別采用了在工作面運(yùn)輸巷靠煤柱側(cè)實(shí)施一排頂板淺眼小孔預(yù)裂爆破(孔深8 m,間距0.7 m,孔徑43 mm,每孔裝藥量1.2 kg),如圖2所示;在相鄰巷道偏煤柱側(cè)實(shí)施一排頂板深孔爆破預(yù)裂(孔深40 m,間距10 m,孔徑65 mm,每孔裝藥量42.5 kg),如圖3所示;在工作面運(yùn)輸巷靠煤柱側(cè)實(shí)施一排頂板深孔常規(guī)水力預(yù)裂(孔深50 m,間距10 m,孔徑58 mm,后退式單孔多次壓裂)的切頂護(hù)巷實(shí)施方案,如圖4所示。

圖2 淺眼小孔爆破預(yù)裂Fig.2 Shallow hole blasting pre-splitting

圖3 深孔爆破預(yù)裂Fig.3 Deep hole blasting pre-splitting

圖4 深孔常規(guī)水力預(yù)裂Fig.4 Deep hole conventional hydraulic pre-splitting

(2)破壞堅(jiān)硬巖層頂板避免彈性能積聚。某工作面埋深600～690 m,采用雙巷布置,留設(shè)寬35 m煤柱,屬于近水平煤層,煤層平均厚度8 m,綜放工藝,距煤層24 m上方為厚度58～67 m的完整粗砂巖。為控制礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度、降低超前巷道變形,采用了在工作面回風(fēng)巷靠煤柱、煤體側(cè)同時(shí)實(shí)施頂板深孔常規(guī)水力預(yù)裂(孔深50 m,間距10 m,孔徑58 mm,后退式單孔多次壓裂)、覆巖堅(jiān)硬巖層長距離水平孔定向水力預(yù)裂(孔深500 m,走向布置5～7個(gè),孔徑120 mm,后退式單孔多次壓裂)的實(shí)施方案,如圖5所示。鉆孔布置分別如圖4(b)、圖5(a)所示。

圖5 長距離水平孔水力預(yù)裂Fig.5 Long distance horizontal hole hydraulic pre-splitting

2.2 頂板結(jié)構(gòu)弱化的效果分析

通過觀測對(duì)比,淺眼小孔爆破可以有效減少采場端頭采空區(qū)頂板懸頂距離,尤其是在淺部開采以及頂板局部較硬的情況下,能夠避免端頭大面積懸頂,如圖2(b)所示;實(shí)施深孔大直徑爆破后,由圖3(b)可知,隨采煤工作面推進(jìn),巷道底鼓加速變化仍出現(xiàn)在滯后回采位置100～200 m段,期間變化率降低了0.029 m/d,但巷道穩(wěn)定后的最終變形量仍然較大。從深孔常規(guī)水力預(yù)裂壓裂壓力監(jiān)測曲線分析,在20 MPa壓力浮動(dòng)范圍的較軟巖層條件下,深孔常規(guī)水力預(yù)裂在保護(hù)鄰近巷道應(yīng)用目標(biāo)方面與以上爆破預(yù)裂相似,不能達(dá)到控制巷道變形基本要求;在40 MPa壓力浮動(dòng)范圍(圖4(c))的較堅(jiān)硬完整巖層條件下,深孔常規(guī)水力預(yù)裂在減小周期來壓步距及支架工作阻力、減弱工作面壓力顯現(xiàn)強(qiáng)度方面起到了一定的效果,如圖5(b)所示。

實(shí)踐表明,對(duì)于單一采場中邊界頂板所采取的預(yù)裂等護(hù)巷措施,不能實(shí)現(xiàn)控制巷道最基本使用功能和有效減少巷道變形維修的護(hù)巷目標(biāo),深部開采應(yīng)避免運(yùn)輸巷與下區(qū)段回風(fēng)巷雙巷布置掘進(jìn),可采用單巷布置的無煤柱開采或沿空掘巷小煤柱開采。

在頂板預(yù)裂方式方面,爆破預(yù)裂參數(shù)設(shè)計(jì)不合理,可能會(huì)對(duì)巷道表層巖體及支護(hù)產(chǎn)生影響,存在火工用品使用安全及爆破作業(yè)過程影響正?；夭傻葐栴}。但其在破壞堅(jiān)硬巖層完整性、增加巖體裂隙、弱化頂板結(jié)構(gòu)效果方面是直觀有效的,水力預(yù)裂存在覆巖條件、分段逐次壓裂方法的局限性,即使堅(jiān)硬完整巖層原有裂隙不發(fā)育或巖層節(jié)理裂隙發(fā)育,其產(chǎn)生新的裂隙能力都會(huì)不足。分段逐次壓裂在任意分段范圍不能準(zhǔn)確地對(duì)堅(jiān)硬層進(jìn)行預(yù)裂,也增加了無效鉆孔工程量和低效率壓裂。

3 結(jié)論

(1)對(duì)綜采工作面采場液壓支架工作阻力的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集結(jié)果表明,上下端頭三角巖體懸頂面積增大將導(dǎo)致超前煤壁煤巖體應(yīng)力集中,基本頂呈現(xiàn)“O-X”型斷裂規(guī)律,所開采煤層均表現(xiàn)出了明顯的周期來壓,但周期來壓步距不大。

(2)從減少回采兩巷懸頂、控制相鄰巷道變形和破壞堅(jiān)硬巖層頂板避免彈性能積聚2個(gè)方面,探討了頂板預(yù)裂措施的應(yīng)用條件及其現(xiàn)實(shí)意義。結(jié)果表明,對(duì)于單一采場中邊界頂板所采取的預(yù)裂等護(hù)巷措施,不能實(shí)現(xiàn)控制巷道最基本使用功能和有效減少巷道變形的目的,深部開采應(yīng)避免運(yùn)輸巷與下區(qū)段回風(fēng)巷雙巷布置掘進(jìn)。

(3)現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果表明,覆巖條件和采場液壓支架工作阻力的變化規(guī)律是選擇頂板預(yù)裂方案和進(jìn)行預(yù)裂參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),間接給出了實(shí)施水力預(yù)裂時(shí)的必要條件是具有堅(jiān)硬完整巖層且能保證一定的壓裂壓力和壓力波動(dòng)。