堅硬頂板綜放工作面水力壓裂控頂技術(shù)研究

蘇斌華

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

1 前言

我國大多數(shù)煤礦對采空區(qū)頂板的管理一般優(yōu)選采用全部垮落法進行管理，而我國煤層受其形成環(huán)境影響，賦存條件相對復雜，大部分煤礦頂板較堅硬，巖層結(jié)構(gòu)相對完整，直接頂、基本頂厚度大，因此在開采過程中頂板覆巖無法實現(xiàn)隨采隨冒，往往會造成開采后方大面積懸頂問題。懸空頂板往往能夠維持相當長一段時間的穩(wěn)定，而當達到其極限跨度，懸空頂板會發(fā)生突然斷裂垮落，發(fā)生強烈的動力沖擊災害[1-4]，對生產(chǎn)班組人員安全及生產(chǎn)工作帶來極大危害?？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行。張杰、薛德平等[5-6]針對厚硬頂板開采后采空區(qū)大面積懸頂問題，通過深孔預爆破強制放頂技術(shù)較好地對頂板實現(xiàn)了控制。齊學元[7]在研究水對煤巖體軟化機理及效果基礎上，通過對采場煤巖體深孔注水軟化技術(shù)對采空區(qū)頂板進行了較好地控制，不僅大大減小了頂板垮落步距，而且對于控制沖擊地壓發(fā)生也起到較好作用。郝鵬程[8]則以深孔預爆破技術(shù)為基礎，在實現(xiàn)深孔爆破破碎巖體后進一步通過注水對厚硬頂板實現(xiàn)軟化和二次破碎，現(xiàn)場應用后，頂板控制效果較好。盡管深孔預爆破方法與注水軟化方法對厚硬頂板的控制效果較好，但是這種控制方法存在著應用條件上的限制及自身無法避免的缺陷。例如，在高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井使用深孔爆破方法進行頂板控制時，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，其爆破應力波對地表建筑影響較為嚴重。同時該方法施工工程量較大，對于井下空氣污染也較為嚴重。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，隨著水壓致裂技術(shù)的成熟，越來越多學者開始將此方法應用于采空區(qū)厚硬頂板的控制上?？导t普、馮彥軍[9-11]將水力壓裂方法引入對于堅硬頂板的控制之中，并對該方法在應用中致裂過程及其裂紋演化規(guī)律進行研究分析，通過實踐發(fā)現(xiàn)該方法經(jīng)濟可行且對于頂板的控制作用較上述兩種方法更優(yōu)。孟秀峰等[12]通過總結(jié)水力壓裂頂板弱化頂板強度及其對頂板軟化作用基礎上，通過大量現(xiàn)場試驗揭示了水力壓裂頂板應力及頂板結(jié)構(gòu)分布規(guī)律。郭皞[13]在實踐中提出先使用水力壓裂一次破碎頂板巖層基礎上利用遺留鉆孔進行二次淺孔爆破實現(xiàn)雙重致裂，應用效果良好。因此，本文以大同煤礦集團忻州窯礦8937綜放工作面為工程背景，綜合運用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對堅硬頂板綜采工作面水力壓裂控頂技術(shù)進行研究，以保證礦井正常生產(chǎn)工作，并能夠為相似條件礦井提供技術(shù)參考。

2 工程地質(zhì)概況

8937綜放工作面地面標高1 202～1 229 m，井下標高950～996m，平均埋深256m，工作面走向長1 502.5～1 524.5m，平均長1 513.5m，傾向長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)簡單，性質(zhì)穩(wěn)定。直接頂為15.37m的中、細砂巖，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。隨著開采活動繼續(xù)，控頂面積逐步增大，形成兩端固支的簡支梁形式，當頂板達到其極限跨度，則會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于生產(chǎn)活動而言都會造成極大的災害損失。頂板初次破斷后，繼續(xù)向前推進，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)，此時形成的三角體結(jié)構(gòu)也相對穩(wěn)定，能維持數(shù)十日之久，因此其周期斷裂也會帶來較大的沖擊動力災害。為消除這種災害隱患，在工作面開采開切眼后，對前方煤體進行預破碎，以達到有效控頂目的。

采用水力壓裂方式進行控頂時，需進行鉆孔預處理，以期實現(xiàn)對水力壓裂方向的誘導，在鉆孔后，每隔10m對鉆孔進行橫向切割槽作業(yè)，實現(xiàn)巖壁預破裂與裂隙破裂方向控制。如圖2a所示為初次垮落時進行水力壓裂范圍，圖2b所示為周期垮落期間水力壓裂范圍，通過利用水力壓裂的方法，能夠有效對工作面前方頂板巖體進行有效破碎，當工作面回采至破碎區(qū)域，支護阻力大大減小，當推過該區(qū)域，頂板能夠迅速垮落至采空區(qū)內(nèi)，實現(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)的主要原理是通過使用高壓水壓裂及軟化作用，對厚硬頂板形成的懸頂效應進行削弱或者消除，使初次垮落步距及周期垮落步距減小，切斷具有動災隱患的采空區(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，改變應力分布情況，減小進煤壁處煤巖體變形。

圖2 水力壓裂機理及破碎區(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

試驗地點選擇忻州窯礦8937綜放工作面，該工作面屬于典型的厚硬頂板條件，初次來壓步距和周期來壓步距分別約為55m和36m，來壓時支架受力大，有明顯沖擊影響，礦壓顯現(xiàn)劇烈。根據(jù)該工作面實際地質(zhì)采礦條件，在回風巷道、運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型鉆頭在鉆孔堅硬段進行橫向切割槽預制工作，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，對封隔器進行注水加壓，具體如圖4b所示。最后對封隔段進行高壓水水力壓裂，具體圖4c所示。

圖4 注水壓裂實驗操作過程

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)×50m(寬)×100m(高)，煤層厚5.38m，埋深256m。根據(jù)計算分析的需要，同時考慮計算效率，對巖層厚度及性質(zhì)進行了適當?shù)暮喕哼x取的巖層傾角較小，因此在進行建模分析時，巖層按照水平布置；在網(wǎng)格進行劃分時采取了非均勻劃分，在煤層及其頂?shù)装甯浇W(wǎng)格劃分較為密集，遠離煤層的巖層網(wǎng)絡劃分較為稀疏。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倫—摩爾塑性模型，節(jié)理選用庫倫滑移模型。模擬過程中模型各層位巖的力學參數(shù)來自現(xiàn)場試樣進行室內(nèi)力學試驗后獲得的參數(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在頂板兩固支點出現(xiàn)破裂。而隨著對頂板進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，推采跨度達到70m時，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，在兩支點出現(xiàn)拉伸破壞，當推采90m后，頂板大面積垮落，垮落高度達到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)生較為強烈的動災事故。

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時預先進行了水力壓裂破碎控頂處理，推采過后，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2.7m，直至推采至100m停止，頂板均能實現(xiàn)隨采隨冒，且無堅硬大面積懸空結(jié)構(gòu)體，對于生產(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，達到其極限跨度，中部發(fā)生斷裂，當推采至90m時，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)，較好地實現(xiàn)了對于頂板地控制作用。

5 結(jié)論

(1)通過運用3DEC模擬試驗，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，頂板跨度達到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烈動災事故發(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)，阻斷其力學傳播，而不使用該方法控頂時，隨推采進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，當推采至80m時才到達其極限跨度，開始下沉破壞，且在較短時間內(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)，較好地實現(xiàn)了對于頂板地控制作用。