堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓動(dòng)力災(zāi)害演化機(jī)理與超前區(qū)域防治技術(shù)

鄭凱歌，王林濤，李彬剛，李延軍，楊 歡，楊 森，戴 楠，王豪杰，王澤陽(yáng)，席 杰

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)采強(qiáng)度的顯著增加，礦井開(kāi)采的地質(zhì)條件也逐漸復(fù)雜，其中工作面強(qiáng)礦壓是目前多數(shù)礦區(qū)煤層開(kāi)采面臨的主要問(wèn)題之一[1-2]，其發(fā)生時(shí)常表現(xiàn)有一定的動(dòng)力沖擊[3]。此類(lèi)條件下，工作面頂板往往存在一層或多層完整厚巖層，其力學(xué)特征往往表現(xiàn)為：強(qiáng)度大、分層厚度大、整體性好，抗拉強(qiáng)度多高于普通巖層[4]，因此工作面推進(jìn)過(guò)程中該層位頂板常懸而不垮，當(dāng)懸伸達(dá)到極限跨距后即會(huì)產(chǎn)生頂板瞬間大尺度垮落，造成工作面來(lái)壓劇烈，產(chǎn)生“颶風(fēng)”等動(dòng)力災(zāi)害[5-6]，嚴(yán)重制約煤礦井下安全高效開(kāi)采。

為此，我國(guó)眾多學(xué)者針對(duì)堅(jiān)硬頂板引起的災(zāi)害問(wèn)題展開(kāi)研究，并在災(zāi)害機(jī)理、防治措施及技術(shù)上都取得了一定成果。對(duì)于堅(jiān)硬頂板災(zāi)害機(jī)理，于斌[7]、王開(kāi)[8]等針對(duì)堅(jiān)硬厚層頂板條件，分別從頂板失穩(wěn)形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)與初次來(lái)壓前“兩端固支梁”、周期來(lái)壓“懸臂梁”結(jié)構(gòu)深入分析，并提出了合理懸頂長(zhǎng)度等控制方法。劉長(zhǎng)友[9]、楊敬軒[10]等指出采場(chǎng)來(lái)壓強(qiáng)度主要與頂板自身厚度及強(qiáng)度成正比，且多層堅(jiān)硬頂板的破斷形式及次序?qū)ΦV壓顯現(xiàn)較為明顯。夏彬偉等[11]采用關(guān)鍵層理論、VIasov 理論與薄板理論相結(jié)合的方法得到了厚硬巖層變形破斷與裂隙、應(yīng)力分布的關(guān)系。宋高峰等[12]建立了堅(jiān)硬頂板工作面架前破斷動(dòng)載沖擊力學(xué)模型，解釋了支架?chē)鷰r耦合機(jī)制關(guān)系。對(duì)于堅(jiān)硬頂板的治理措施及治理模式，馮彥軍等[13]在現(xiàn)場(chǎng)壓裂孔兩側(cè)布置監(jiān)測(cè)孔，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵壓變化,深入分析煤礦堅(jiān)硬難垮頂板水力壓裂特點(diǎn)。何江等[14]提出了傾斜薄煤層的切頂巷預(yù)裂頂板防治沖擊地壓方法，并得到了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證。張自政等[15]針對(duì)堅(jiān)硬頂板沿空留巷頂板大面積來(lái)壓等動(dòng)力災(zāi)害，提出了淺孔爆破切頂，采用巷旁充填體切落上位基本頂?shù)膱?jiān)硬頂板控制技術(shù)。黃炳香等[16]提出了堅(jiān)硬頂板水壓致裂控制技術(shù)，給出了短鉆水力致裂影響因素、技術(shù)工藝、治理問(wèn)題類(lèi)型等。鄭凱歌等[17-18]、楊俊哲等[19-20]針對(duì)神東、陽(yáng)泉等礦區(qū)典型頂板災(zāi)害問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、理論分析等方法提出了以定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂為基礎(chǔ)的控制技術(shù)，并應(yīng)用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)瞬變電磁、孔內(nèi)窺視等豐富多樣的探測(cè)手段驗(yàn)證了治理效果。于斌等[21]針對(duì)高位堅(jiān)硬頂板造成的動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題，提出了煤礦堅(jiān)硬頂板地面壓裂控制采場(chǎng)礦壓的新途徑，為解決高位堅(jiān)硬巖層破斷產(chǎn)生的災(zāi)害問(wèn)題提供借鑒。

綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)堅(jiān)硬頂板條件下的災(zāi)害機(jī)理及控制技術(shù)都進(jìn)行了豐富的研究與探索，對(duì)堅(jiān)硬頂板引起的災(zāi)害機(jī)理及防治技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。但工作面直接頂為堅(jiān)硬巖層時(shí)，其礦壓顯現(xiàn)通常表現(xiàn)較為強(qiáng)烈，伴隨有底鼓、冒頂、片幫等災(zāi)害，對(duì)于此類(lèi)條件下的頂板災(zāi)害發(fā)生機(jī)理、頂板破斷演化特征以及相應(yīng)的區(qū)域化防治技術(shù)的綜合研究較少。筆者以神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦4?2煤層工作面為研究背景，針對(duì)布爾臺(tái)4?2煤典型20～30 m 堅(jiān)硬頂板條件下的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)及頂板破斷特征展開(kāi)研究，揭示該條件下強(qiáng)礦壓災(zāi)害發(fā)生機(jī)理及頂板破斷演化特征，闡述頂板弱化防治技術(shù)，提出水力壓裂超前區(qū)域弱化的防治技術(shù)，為神東礦區(qū)典型堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題提供可借鑒的研究思路。

1 堅(jiān)硬厚頂板覆巖災(zāi)害演化機(jī)理分析

神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦目前主要開(kāi)采4?2煤層，煤層埋深較大，在400 m 左右，煤層上部頂板含有一層厚度較大的砂巖層，對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)有一定的影響，實(shí)踐表明，工作面開(kāi)采時(shí)底鼓、片幫等災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響工作面安全回采。

1.1 離散元數(shù)值模型建立

基于神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦典型堅(jiān)硬頂板綜合鉆孔柱狀(圖1)及物理力學(xué)參數(shù)(表1)，建立UDEC 數(shù)值計(jì)算模型，采用UDEC 數(shù)值軟件對(duì)工作面開(kāi)采過(guò)程中的覆巖災(zāi)害演化規(guī)律進(jìn)行模擬分析。

表1 研究區(qū)煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal rocks in the study area

模型長(zhǎng)600 m，高116 m，其余280 m 上覆巖層采用等效載荷代替。模型左右留設(shè)200 m 邊界，計(jì)算采用摩爾?庫(kù)倫本構(gòu)模型，模型頂部為自由邊界，左右面設(shè)置法向水平位移約束，底板設(shè)置法向垂直位移約束。模擬每步開(kāi)挖5 m 并平衡一次，在模型高23、26、46 m處布置三條測(cè)線，布置區(qū)域?yàn)閳D1 中開(kāi)采區(qū)域，測(cè)線長(zhǎng)200 m，每條測(cè)線共布置測(cè)點(diǎn)100 個(gè)。模型巖層分組及節(jié)理劃分如圖2 所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)堅(jiān)硬頂板鉆孔柱狀分布特征Fig.1 Column distribution characteristics of hard roof drilling in the test area

為與實(shí)際開(kāi)采工藝相符，模型在開(kāi)挖過(guò)程中采用支架命令，在煤壁處預(yù)支兩組支柱模擬支架，其材料屬性為剛性，工作面每開(kāi)挖一步，兩組支柱均同時(shí)前移支護(hù)，支架如圖2 中工作面紅色支柱所示，通過(guò)支架模擬，提取并分析支架上部頂板應(yīng)力數(shù)據(jù)，分析堅(jiān)硬頂板條件下工作面頂板破斷機(jī)理。

圖2 模型建立及節(jié)理劃分Fig.2 Model establishment and joint division

1.2 覆巖破斷規(guī)律及應(yīng)力演化特征

選取工作面部分典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對(duì)典型結(jié)構(gòu)采用測(cè)線進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。隨著工作面不斷推進(jìn)，頂板開(kāi)始出現(xiàn)“長(zhǎng)懸臂梁”[22]結(jié)構(gòu)，并且懸臂梁的懸臂距逐漸增大。如圖3 所示，懸臂距增大至18 m，測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到此時(shí)工作面支架上方頂板應(yīng)力為6.8 MPa；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)140 m 時(shí)，懸臂梁結(jié)構(gòu)破斷并產(chǎn)生滑落，與后方巖塊鉸接形成“砌體梁滑落失穩(wěn)”[23]結(jié)構(gòu)，此時(shí)，支架上方頂板應(yīng)力降低至3.4 MPa；當(dāng)“砌體梁滑落失穩(wěn)”結(jié)構(gòu)再次滑落失穩(wěn)壓實(shí)后，頂板來(lái)壓結(jié)束，此時(shí)工作面已推進(jìn)至150 m，工作面開(kāi)始出現(xiàn)懸臂，支架上方頂板應(yīng)力有所升高，為4.5 MPa。

圖3 弱化前工作面頂板破斷特征及應(yīng)力分布Fig.3 Roof fracture characteristics and stress distribution of working face before weakening

以上表明，懸臂梁結(jié)構(gòu)在破斷臨界點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生高應(yīng)力集中，在懸臂梁結(jié)構(gòu)破斷后會(huì)形成鉸接結(jié)構(gòu)，此時(shí)巖層破斷使部分能量釋放，頂板應(yīng)力降低，當(dāng)鉸接的“砌體梁滑落失穩(wěn)”結(jié)構(gòu)再次滑落失穩(wěn)后，工作面頂板應(yīng)力由于懸臂作用開(kāi)始上升。

1.3 堅(jiān)硬厚頂板動(dòng)力災(zāi)害形成機(jī)理

工作面堅(jiān)硬頂板往往表現(xiàn)為薄直接頂?厚硬巖層或直接頂為厚硬巖層的賦存特點(diǎn)。工作面推進(jìn)過(guò)程中，直接頂即為堅(jiān)硬厚巖層，垮落時(shí)沒(méi)有充足垮落矸石及時(shí)充滿采空區(qū)或者煤壁頂板破斷巖層下部空間，頂板破斷易形成“長(zhǎng)懸臂梁”結(jié)構(gòu)，并且在無(wú)直接頂充填以及巖層自身強(qiáng)度影響下，懸臂距離長(zhǎng)、回轉(zhuǎn)角度加大，造成來(lái)壓強(qiáng)度大、持續(xù)性強(qiáng)等礦壓異?，F(xiàn)象。

如圖4 所示，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，直接頂為堅(jiān)硬巖層時(shí)，巖層破斷往往呈“長(zhǎng)懸臂梁”結(jié)構(gòu)，其破斷演化特征主要分為3 階段。第1 階段，“長(zhǎng)懸臂梁”結(jié)構(gòu)形成：直接頂巖層具有強(qiáng)度大、分層厚、完整性好等特點(diǎn)，在工作面開(kāi)采時(shí)不易隨采隨垮，由于無(wú)直接頂充填，與后方巖層未形成鉸接結(jié)構(gòu)，逐漸形成一端自由端，另一端固支端的“長(zhǎng)懸臂梁”結(jié)構(gòu)，并且最終處于臨界破斷狀態(tài)(圖4a)；第2 階段，工作面煤壁前方頂板斷裂后，此時(shí)懸臂結(jié)構(gòu)開(kāi)始回轉(zhuǎn)，隨著工作面的推進(jìn)，懸臂結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)角度增大，且由于采出空間較大，在垂直應(yīng)力作用下發(fā)生滑落失穩(wěn)，與后方已垮落穩(wěn)定巖塊鉸接，形成“砌體梁滑落失穩(wěn)”結(jié)構(gòu)(圖4b)；第3 階段，隨著工作面推進(jìn)，“砌體梁”結(jié)構(gòu)再次滑落失穩(wěn)，直到穩(wěn)定壓實(shí)，此時(shí)垮落頂板重新壓實(shí)，新“懸臂梁”結(jié)構(gòu)又開(kāi)始形成(圖4c)。

圖4 弱化前頂板破斷機(jī)理演化Fig.4 Evolution diagram of roof breakage mechanism before weakening

2 超前區(qū)域防治技術(shù)

2.1 超前區(qū)域防治技術(shù)及優(yōu)勢(shì)

1) 防治技術(shù)

依托覆巖破斷的空間關(guān)系提出一種超前廣域治理的理念。在時(shí)間上，超前工作面治理，堅(jiān)硬頂板超前分段區(qū)域防治技術(shù)提前弱化頂板，規(guī)避以往傳統(tǒng)治理方法影響生產(chǎn)接續(xù)的缺點(diǎn)；在空間上，神東礦區(qū)工作面普遍較寬，常規(guī)弱化裝備及弱化技術(shù)難以達(dá)到全工作面治理，超前分段區(qū)域防治技術(shù)突出廣域治理優(yōu)勢(shì)，在治理區(qū)域形成全范圍空間三維裂隙，改變頂板原有破斷形態(tài)，提前釋放應(yīng)力，解除強(qiáng)礦壓災(zāi)害危機(jī)。

2) 防治優(yōu)勢(shì)

綠色治理?；诘V山綠色開(kāi)采理念，超前分段區(qū)域防治技術(shù)主要基于定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂手段，壓裂液成分為清水，在其壓裂過(guò)程中，清水以高壓態(tài)射穿巖層，在壓裂結(jié)束后部分清水回流，部分清水被巖層吸收后也可達(dá)到軟化巖層的效果；與傳統(tǒng)爆破手段相比，該技術(shù)手段具有高效、安全、清潔等特點(diǎn)。

精準(zhǔn)治理。生產(chǎn)實(shí)踐表明，常規(guī)頂板弱化手段往往受到開(kāi)采環(huán)境限制較多，在局部地方不能達(dá)到治理目的。該技術(shù)下的定向長(zhǎng)鉆孔壓裂工藝通過(guò)定向鉆機(jī)能夠達(dá)到0.5 m 內(nèi)的誤差，結(jié)合拖動(dòng)多點(diǎn)式壓裂工藝可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)壓裂，高效弱化頂板的目的。

廣域治理?？蓪?shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離壓裂，規(guī)避了傳統(tǒng)短鉆壓裂距離短、壓裂強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，結(jié)合多孔聯(lián)合布置優(yōu)勢(shì)，可達(dá)到工作面頂板“廣域大空間”壓裂范圍有效覆蓋，無(wú)“應(yīng)力集中死角”，最終實(shí)現(xiàn)全工作面安全高效回采。如圖5、圖6 所示。

圖5 超前分段區(qū)域防治與傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)比Fig.5 Comparative study of prevention and control advantages in advanced sublevel regions

圖6 超前分段區(qū)域防治技術(shù)Fig.6 Prevention principle of advanced sectional area

2.2 超前區(qū)域防治關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)堅(jiān)硬頂板引起的典型強(qiáng)礦壓災(zāi)害問(wèn)題，提出了“廣域大空間”的超前分段區(qū)域化防治技術(shù)，對(duì)工作面頂板實(shí)現(xiàn)全面弱化，進(jìn)而達(dá)到全工作面范圍內(nèi)堅(jiān)硬頂板運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，削弱強(qiáng)礦壓動(dòng)力災(zāi)害威脅。通過(guò)定向長(zhǎng)鉆孔施工和“多點(diǎn)拖動(dòng)式”分段水力壓裂使目標(biāo)層位產(chǎn)生大范圍有效裂隙，弱化頂板堅(jiān)硬巖層，改造原有堅(jiān)硬頂板力學(xué)性質(zhì)，形成堅(jiān)硬頂板超前分段壓裂廣域大空間弱化解危技術(shù)。該技術(shù)作為煤礦井下堅(jiān)硬頂板條件下裸眼鉆孔弱化手段的探索，其弱化解危效果受到以下關(guān)鍵技術(shù)的影響：

(1)頂板壓裂層位的優(yōu)選，定向長(zhǎng)鉆孔軌跡的精準(zhǔn)控制：鉆孔軌跡所處巖層垮落高度以及鉆孔布置方位能否形成廣域大空間三維裂隙，直接決定了壓裂弱化解危效果。壓裂前應(yīng)優(yōu)選目標(biāo)層位，且精準(zhǔn)控制鉆孔軌跡位于目標(biāo)層位高度位置，誤差要求在0.5 m 以內(nèi)。

(2)封孔質(zhì)量控制：封孔效果直接關(guān)系到壓裂裂縫形成和延展規(guī)模。煤礦井下壓裂封孔與地面頁(yè)巖氣、煤層氣、油田壓裂不同，其為近水平或上向孔，且為裸眼段坐封，坐封難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。井下巖層破裂壓力較高，常達(dá)十至數(shù)十兆帕，封孔效果應(yīng)保證耐壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

(3)多鉆孔聯(lián)動(dòng)效應(yīng)：超前分段區(qū)域防治的目的在于全工作面廣域覆蓋治理，在工作面傾向及走向可以完全滿足任意布孔，使工作面頂板區(qū)域式弱化，避免了常規(guī)弱化技術(shù)造成的工作面局部未完全治理問(wèn)題，導(dǎo)致局部仍存在強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}。多鉆孔聯(lián)合布置特點(diǎn)在于其在單孔可分多段壓裂，根據(jù)壓裂有效半徑條件可多孔布置，多孔聯(lián)合壓裂，形成區(qū)域式空間裂隙網(wǎng)，對(duì)工作面頂板進(jìn)行宏觀全面改造，從而控制頂板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，削弱強(qiáng)來(lái)壓動(dòng)力災(zāi)害。

2.3 超前分段區(qū)域防治效果評(píng)價(jià)體系

針對(duì)堅(jiān)硬頂板造成的典型強(qiáng)礦壓動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題，形成了一套工作面頂板超前區(qū)域治理技術(shù)，提出了超前分段區(qū)域治理效果評(píng)價(jià)體系。如圖7 所示。評(píng)價(jià)體系主要分為3 大部分：壓裂分析評(píng)價(jià)，瞬變電磁效果評(píng)價(jià)，圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)效果評(píng)價(jià)。

圖7 超前分段效果評(píng)價(jià)Fig.7 Effect evaluation of advanced segmentation

2.4 堅(jiān)硬厚頂板弱化防治機(jī)理

為進(jìn)一步驗(yàn)證區(qū)域防治技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及效果，采用數(shù)值模擬的方法按照弱化后的效果進(jìn)行建模，分析弱化后模型的破斷規(guī)律，為區(qū)域弱化技術(shù)提供理論依據(jù)。

2.4.1 弱化后頂板破斷規(guī)律及應(yīng)力演化特征

根據(jù)水力壓裂技術(shù)原理掌握壓裂前后頂板的弱化程度，結(jié)合UDEC 離散元軟件，進(jìn)行壓裂后模型建模，通過(guò)在模型外部塊體上增加裂隙面，在內(nèi)部增加節(jié)理密集度，以達(dá)到壓裂后的裂隙網(wǎng)效果；再對(duì)節(jié)理以及塊體的強(qiáng)度進(jìn)行弱化以達(dá)到與壓裂等效的綜合弱化效果，并對(duì)模型煤層頂板采用測(cè)線進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

通過(guò)分析得知，在模型進(jìn)行弱化后，堅(jiān)硬頂板能夠隨著工作面推進(jìn)及時(shí)垮落，懸頂距離大幅降低，且壓裂后工作面在推進(jìn)過(guò)程中有效避免了因“長(zhǎng)懸臂梁”結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。如圖8 所示，隨著工作面推進(jìn)，支架上方應(yīng)力逐漸增大，此時(shí)頂板還未垮落，且即將來(lái)壓，支架上方頂板應(yīng)力4.6 MPa；頂板發(fā)生破斷，形成較小尺度的“砌體梁滑落失穩(wěn)”結(jié)構(gòu)，支架上方頂板應(yīng)力為0.7 MPa；頂板破斷后，巖塊再次發(fā)生滑落失穩(wěn)且逐漸穩(wěn)定，頂板又將形成新的“砌體梁滑落失穩(wěn)”結(jié)構(gòu)，此時(shí)支架上方頂板應(yīng)力為2.6 MPa。

圖8 弱化后工作面頂板破斷特征及應(yīng)力分布Fig.8 Roof fracture characteristics and stress distribution of working face after weakening

2.4.2 頂板水力壓裂弱化防治機(jī)理

堅(jiān)硬頂板災(zāi)害防治的基本原理是通過(guò)弱化頂板，提前破壞頂板完整性和強(qiáng)度，釋放頂板積聚的部分能量，使頂板破壞時(shí)的應(yīng)力趨于均布化，削弱甚至消除應(yīng)力集中，減小其單次釋放的能量，實(shí)現(xiàn)工作面的安全開(kāi)采。如圖9 所示，根據(jù)堅(jiān)硬頂板破斷特征及應(yīng)力分布規(guī)律，布置水力壓裂鉆孔，進(jìn)行頂板弱化，改變覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及應(yīng)力分布，使堅(jiān)硬巖層在空間結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生三維弱面，破壞巖層完整性，減小懸臂長(zhǎng)度，降低應(yīng)力集中程度，同時(shí)增加垮落矸石的碎脹性，使頂板懸臂梁回轉(zhuǎn)角度減小，最終達(dá)到頂板整體弱化效果，降低堅(jiān)硬頂板條件下工作面強(qiáng)來(lái)壓災(zāi)害。

弱化后頂板演化特征主要為3 階段：第1 階段，“砌體梁滑落失穩(wěn)”形成前階段，在水力壓裂弱化與支架聯(lián)合作用下，堅(jiān)硬頂板下部強(qiáng)度及完整度均降低，頂板破斷距減小，堅(jiān)硬巖層頂板懸臂長(zhǎng)度大幅減小，此時(shí)，頂板應(yīng)力處于增壓過(guò)程(圖9a)；第2 階段，在工作面繼續(xù)推進(jìn)后，頂板周期性破斷，破斷后巖塊形成“砌體梁滑落失穩(wěn)”結(jié)構(gòu)，頂板應(yīng)力大幅下降(圖9b)；第3 階段，后方垮落頂板開(kāi)始重新壓實(shí)，此階段工作面上方頂板應(yīng)力開(kāi)始上升(圖9c)。

圖9 弱化后頂板破斷機(jī)理演化示意Fig.9 Evolution diagram of roof breakage mechanism after weakening

2.4.3 弱化前后效果對(duì)比

通過(guò)弱化前后頂板破斷演化特征以及機(jī)理分析得出，堅(jiān)硬頂板未采取治理手段時(shí)，頂板破斷演化3 階段：“長(zhǎng)懸臂梁”—“砌體梁滑落失穩(wěn)”—滑落失穩(wěn)后重新壓實(shí)；弱化后頂板演化3 階段：來(lái)壓前階段—“砌體梁滑落失穩(wěn)”—滑落失穩(wěn)后重新壓實(shí)。壓裂前“長(zhǎng)懸臂梁”結(jié)構(gòu)階段煤壁上部頂板應(yīng)力為6.8 MPa，壓裂后煤壁上部頂板應(yīng)力為4.6 MPa，弱化后頂板應(yīng)力降低32.4%；在形成“砌體梁滑落失穩(wěn)”結(jié)構(gòu)階段，弱化前后工作面上部頂板應(yīng)力分別為3.4、0.7 MPa，弱化后頂板應(yīng)力降幅79.4%；重新壓實(shí)階段煤壁上部頂板應(yīng)力分別為4.5、2.6 MPa，弱化后降幅42.2%。如圖3d 與圖8d所示。

模擬結(jié)果顯示，采取弱化技術(shù)措施后，從頂板破斷形式上避免了長(zhǎng)懸臂梁產(chǎn)生的集中應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減小了頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)模，頂板應(yīng)力整體減弱，來(lái)壓步距明顯縮小，與壓裂后頂板破斷機(jī)理分析結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了防治技術(shù)的可靠性。

3 工程試驗(yàn)效果

3.1 研究區(qū)概況

神東布爾臺(tái)煤礦4?2煤層埋深340～410 m，研究區(qū)為42204 工作面，煤厚5.96 m，工作面寬度320 m。煤層頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖，其中直接頂為粉砂巖，厚度20 m左右。由于上覆存在堅(jiān)硬頂板，在工作面回采過(guò)程中存在來(lái)壓強(qiáng)度高、來(lái)壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、后方采空區(qū)懸頂面積大等問(wèn)題，嚴(yán)重影響工作面安全高效開(kāi)采。

3.2 超前區(qū)域治理設(shè)計(jì)

針對(duì)堅(jiān)硬頂板引發(fā)的強(qiáng)礦壓災(zāi)害等問(wèn)題，基于42204工作面開(kāi)采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，結(jié)合提出的“廣域大空間”區(qū)域防治技術(shù)，開(kāi)展了定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂弱化頂板工程試驗(yàn)。為促使壓裂鉆孔形成有效、貫通的三維立體裂縫體系，保證超前弱化的有效性，針對(duì)工作面寬度，在堅(jiān)硬頂板布置區(qū)域全方位鉆孔，鉆孔布置方案如圖10 所示。

圖10 工作面超前弱化空間布置Fig.10 Advanced weakening space layout of working face

共完成了5 個(gè)鉆場(chǎng)15 個(gè)鉆孔的分段壓裂施工，累計(jì)鉆探進(jìn)尺10 184 m，累計(jì)壓裂時(shí)間12 570 min，累計(jì)注水量8 915.5 m3，分段壓裂203 段，出現(xiàn)3 MPa 以上明顯壓降597 次。

3.3 治理效果評(píng)價(jià)

采用壓裂監(jiān)測(cè)、瞬變電磁、圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)治理區(qū)域展開(kāi)全面分析。

3.3.1 壓裂數(shù)據(jù)分析

如圖11 所示，為2 號(hào)鉆場(chǎng)SF1 號(hào)孔第8 段水力壓裂施工數(shù)據(jù)：開(kāi)啟高壓注水泵，首先膨脹封隔器，壓裂緩慢上升，當(dāng)封隔器完全膨脹坐封后，壓力驟然上升達(dá)到18.3 MPa，而后呈鋸齒狀波動(dòng)，隨后突降至15.1 MPa，壓降達(dá)到3.2 MPa，表明孔內(nèi)壓裂段圍巖發(fā)生明顯破裂。繼續(xù)注水壓裂增壓，壓力上升至18.2 MPa，壓裂過(guò)程中伴隨多次明顯壓降點(diǎn)，共監(jiān)測(cè)到3 處明顯壓降點(diǎn)。綜合表明該段水力壓裂確實(shí)對(duì)頂板形成了有效的破裂，并且通過(guò)多次壓降，形成的裂縫也充分得到延伸。

圖11 壓裂數(shù)據(jù)變化特征Fig.11 Variation characteristics of fracturing data

3.3.2 壓裂范圍評(píng)價(jià)

采用瞬變電磁監(jiān)測(cè)手段對(duì)頂板壓裂前后區(qū)域進(jìn)行綜合評(píng)判，如圖12 所示。

圖12 可知，在深度為190、215、240～285、305 m附近明顯低阻異常，異常強(qiáng)度較強(qiáng)，異常中心分別位于鉆孔徑向15、30 m 范圍內(nèi)，且呈明顯條帶狀發(fā)育。

圖12 壓裂后區(qū)域瞬變電磁探測(cè)分布特征Fig.12 Distribution characteristics of transient electromagnetic detection before and after fracturing

綜合考慮認(rèn)為，以上異常為水力壓裂裂縫反映，因此，可判別水力壓裂效果良好。

3.3.3 壓裂效果評(píng)價(jià)

圖13 與表2 為部分未治理與治理區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)特征對(duì)比，圖13 中紅色虛線框部分為治理后的礦壓顯現(xiàn)特征。由圖13 與表2 可得出，未治理區(qū)域周期來(lái)壓步距較大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，周期來(lái)壓步距范圍為9.6～18.4 m，平均15.6 m，來(lái)壓時(shí)支架載荷為57.3～57.9 MPa，平均57.6 MPa；而水力壓裂治理區(qū)域的周期來(lái)壓步距與礦壓強(qiáng)度顯著減小，周期來(lái)壓步距范圍為6.4～11.2 m，平均8.6 m，降幅44.9%，來(lái)壓時(shí)支架載荷為44.4～51.9 MPa，平均47.2 MPa，降幅18.1%。以上表明治理效果良好。

圖13 壓裂區(qū)域支架載荷分布特征Fig.13 Distribution characteristics of support resistance before and after fracturing

表2 壓裂前后區(qū)域礦壓顯現(xiàn)特征對(duì)比Table 2 Comparison of regional ore pressure characteristics before and after fracturing

綜合以上分析，在工作面在實(shí)施了堅(jiān)硬頂板分段水力壓裂弱化后，平均來(lái)壓步距降幅44.9%，壓裂區(qū)域支架載荷整體降低，來(lái)壓范圍及強(qiáng)度大幅降低，達(dá)到了“廣域大空間”的治理效果，工程實(shí)踐驗(yàn)證了數(shù)值模擬及理論分析的可靠性。

4 結(jié) 論

a.數(shù)值模擬表明：神東礦區(qū)典型堅(jiān)硬巖層頂板破斷演化特征主要為3 個(gè)階段：即“長(zhǎng)懸臂梁”階段—“砌體梁滑落失穩(wěn)”階段—重新壓實(shí)階段，其中“長(zhǎng)懸臂梁”臨界破斷是引起強(qiáng)礦壓的根本原因，其破斷前支架上方頂板應(yīng)力約為破斷后的2 倍。

b.基于堅(jiān)硬頂板災(zāi)害發(fā)生機(jī)理，提出超前區(qū)域防治技術(shù)，闡明了其治理核心關(guān)鍵技術(shù)以及治理評(píng)價(jià)體系。

c.數(shù)值模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了防治技術(shù)可行性，弱化后的支架上方頂板應(yīng)力4.6 MPa，降幅32.4%，頂板破斷演化特征仍可劃分3 個(gè)階段，各階段頂板應(yīng)力總體降幅達(dá)到32.4%～79.4%，表明裂隙弱面的增加，能夠有效改變頂板破斷結(jié)構(gòu)，顯著降低來(lái)壓強(qiáng)度。

d.神東布爾臺(tái)煤礦42204 工作面頂板礦壓工程防治實(shí)踐可知，壓裂過(guò)程產(chǎn)生多次壓降，降幅均達(dá)到3 MPa以上，表明壓裂效果良好；瞬變電磁探測(cè)得知裂縫發(fā)育達(dá)到30 m 以上，壓裂前后工作面周期來(lái)壓步距降幅44.9%，支架來(lái)壓載荷降幅18.1%，表明治理效果整體良好，有效地掩護(hù)了工作面安全開(kāi)采。