堅硬頂板下近距離煤層群切頂卸壓技術(shù)研究

王 帥，趙國貞，2，劉 超

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024)

我國傳統(tǒng)的近距離煤層單層下行開采時上位煤層區(qū)段煤柱都會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，從而給下位煤層巷道帶來明顯的礦壓顯現(xiàn)，尤其是存在多層堅硬頂板的近距離煤層，下位煤層在開采時巷道的礦壓顯現(xiàn)更為劇烈[1-3]。近年來，切頂卸壓成為解決多層堅硬頂板近距離煤層開采的一個重要思路[4-6]。吳擁政等[7]針對存在堅硬厚頂板的煤柱留巷支護(hù)問題，提出定向水力壓裂留巷卸壓的機理和技術(shù)，經(jīng)井下試驗表明，該技術(shù)可以消除或減弱堅硬頂板形成的懸頂結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減小巷道壓力，達(dá)到留巷目的；張百勝等[8]綜合留小煤柱沿空掘巷和切頂卸壓技術(shù)，研究了大采高小煤柱切頂卸壓沿空掘巷的機理，給出了相應(yīng)的切頂參數(shù)與支護(hù)方案，并在現(xiàn)場取得良好的效果；高玉兵等[9]針對深部礦井高應(yīng)力巷道穩(wěn)定性問題，提出深部巷道定向拉張爆破切頂卸壓圍巖控制技術(shù)，通過人為主動控制頂板斷裂位置，減小采空區(qū)傳遞至控制巷道的覆巖荷載，從而達(dá)到優(yōu)化巷道應(yīng)力環(huán)境和提高巷道穩(wěn)定性的目的；王炯等[10]通過建立復(fù)合堅硬頂板切頂留巷結(jié)構(gòu)受力模型，宏觀分析了切頂后平巷圍巖應(yīng)力分布情況，并通過理論計算，分析了圍巖變形機理；鄭立軍等[11]以河南古漢山礦綜放工作面為背景，對巷道頂板運動規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明采用定向預(yù)裂爆破技術(shù)能夠阻斷巷道上方與采空區(qū)上方基本巖層中的應(yīng)力傳遞，達(dá)到卸壓和預(yù)裂目的；蘇超等[12]研究了深井臨空高應(yīng)力巷道切頂卸壓機理，采用物理相似模擬得出深井臨空巷道覆巖結(jié)構(gòu)及運移規(guī)律，并運用理論分析建立臨空巷道采空區(qū)側(cè)關(guān)鍵塊的力學(xué)模型，得出關(guān)鍵塊的穩(wěn)定性判據(jù)；別小飛等[13]針對沿空掘進(jìn)的巷道變形嚴(yán)重、支護(hù)困難等問題，研究了基于切頂卸壓的沿空掘巷技術(shù)原理，試驗結(jié)果表明，超前預(yù)裂切頂卸壓能夠人為預(yù)裂成縫，切斷巷道頂板與煤柱幫頂板之間的聯(lián)系，改善沿空掘巷力學(xué)環(huán)境，確保其頂板結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，對相鄰工作面沿空掘巷起到良好的卸壓效果。上述的研究多數(shù)為切頂卸壓對本煤層工作面和巷道的影響，而對于近距離上位煤層采用切頂卸壓后對下位煤層巷道圍巖控制的研究較少。

本文針對西銘煤礦的典型近距離煤層開采條件，研究切頂位置和煤柱寬度兩個關(guān)鍵因素與下位煤層頂板應(yīng)力分布和巷道圍巖變形之間的規(guī)律，為解決近距離煤層開采的相關(guān)問題提供參考。

1 工程概況

西銘煤礦井田面積56.29km2，設(shè)計生產(chǎn)能力300萬t/a，現(xiàn)主采8#煤和9#煤兩層近距離煤層，煤層埋深300m左右，采用下行式開采。上部8#煤層厚度為2.23～6.57m，平均厚度為3.64m；下部9#煤層厚度為1.9～4.41m，平均厚度為3.18m，8#煤層與9#煤層層間距為0.7～3.3m，平均距離為2.02m。8#煤頂板以頁巖和石灰?guī)r為主，8#煤和9#煤之間的夾矸主要是砂質(zhì)泥巖，9#煤底板以泥巖為主，8#煤、9#煤層及頂?shù)装甯鲙r層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

48709工作面和48711工作面為8#煤層的兩個相鄰工作面，工作面之間留設(shè)寬度為40m的區(qū)段煤柱，49709工作面和49711工作面為9#煤層的兩個相鄰工作面，分別位于48709工作面和48711工作面的下方。9#煤層工作面的回采巷道采用內(nèi)外錯相結(jié)合的布置方式，如圖1所示，49709回風(fēng)巷采用外錯式布置，位于8#煤層煤柱正下方，49711運輸巷采用內(nèi)錯式布置，位于48711工作面下方。

圖1 西銘礦近距離煤層巷道布置

已有實踐表明：與49709回風(fēng)巷相類似，下部9#煤層巷道采用外錯式布置時，由于受到多層堅硬石灰?guī)r頂板以及8#煤層開采后采空區(qū)遺留煤柱的影響，外錯巷道存在圍巖壓力大，支護(hù)困難，巷道變形嚴(yán)重等問題。

2 頂板多關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)懸頂效應(yīng)

8#煤層上方的堅硬頂板彈性模量大、強度高、斷裂步距大，易形成關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，根據(jù)關(guān)鍵層判別理論[14]并結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，計算出8#煤層上覆巖層的關(guān)鍵層位置，結(jié)果見表2。

表2 關(guān)鍵層位判別結(jié)果

由表2可以看出，8#煤層上方存在兩層石灰?guī)r亞關(guān)鍵層和一層粗砂巖主關(guān)鍵層，分別位于8#煤層上方頂板0.2m、6.74m和22.11m的位置處。根據(jù)式(1)得出8#煤層開采后上覆巖層充滿采空區(qū)所需垮落高度[14]為12.13m。

式中，Σh為上覆巖層充滿采空區(qū)所需垮落高度，m；M為煤層采高，取3.64m；Kp為巖石碎脹系數(shù)，取1.3。

綜合分析關(guān)鍵層層位和充滿采空區(qū)所需頂板垮落高度，得出：8#煤層開采后至少需要厚度為12.13m的頂板完全垮落才能充填滿采空區(qū)，而在8#煤層頂板上方12.13m范圍內(nèi)存在兩層石灰?guī)r關(guān)鍵層，導(dǎo)致采場上覆巖層不能隨工作面的開采而及時垮落充填采空區(qū)，易形成長時間、大跨度的懸頂結(jié)構(gòu)[15，16]如圖2所示。

圖2 上位煤層開采后的懸頂結(jié)構(gòu)

在8#煤層工作面開采完畢后，懸頂巖層未接觸到采空區(qū)，懸頂結(jié)構(gòu)及其上覆巖層的載荷均由8#煤層區(qū)段煤柱承擔(dān)，造成煤柱應(yīng)力集中，而且該應(yīng)力會向底板深部傳遞，導(dǎo)致49709回風(fēng)巷圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，巷道支護(hù)困難，故需要對懸頂巖層進(jìn)行處理，使之充分垮落。

3 堅硬頂板切頂卸壓消懸防沖方法及原理

針對長時間、大跨度的懸頂結(jié)構(gòu)對近距離煤層煤柱下巷道產(chǎn)生的高應(yīng)力、巷道變形嚴(yán)重等問題，提出采用切頂卸壓的方法對懸頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，消除懸頂結(jié)構(gòu)的影響。切頂卸壓主要是通過爆破預(yù)裂、定向水力壓裂等手段切割頂板卸壓[17，18]，其原理如圖3所示。工作面回采之前，在巷道頂板中打孔并沿設(shè)計方向壓裂圍巖，在頂板巖層中形成一個預(yù)裂面；進(jìn)行采掘活動期間，受周期來壓影響，采場上部巖層沿預(yù)裂面彎曲斷裂下沉，使上覆巖層堅硬頂板形成的懸臂梁及時斷裂垮落；由于巖石的碎脹性，垮落的懸臂梁更好地充填圖中粗線圈定的采空區(qū)，增加采空區(qū)承載載荷，降低煤柱和實體煤的載荷，改變9#煤層頂板的應(yīng)力分配比例，有效地保護(hù)了區(qū)段煤柱下方的巷道。

圖3 切頂卸壓原理

通過分析切頂卸壓的原理可知，切頂卸壓能夠人為地改變煤層頂板斷裂線的位置，煤層頂板不同的斷裂線位置能夠影響采空區(qū)的承載性能，頂板斷裂線越靠近實體煤柱，采空區(qū)的承載性能越強，煤柱下巷道圍巖的應(yīng)力相應(yīng)減弱，切頂卸壓的切頂位置是影響切頂卸壓消懸防沖的一個關(guān)鍵因素。

49709回風(fēng)巷位于8#煤層煤柱正下方，其受到的應(yīng)力大部分由8#煤柱傳遞，不同的煤柱寬度會造成煤柱底板的應(yīng)力分布不同[19，20]，煤柱寬度越大，煤柱中部傳遞應(yīng)力的彈性核區(qū)越寬，煤柱正下方49709回風(fēng)巷圍巖的應(yīng)力峰值越小，8#煤層的煤柱寬度也是影響切頂卸壓消懸防沖的一個關(guān)鍵因素。

4 煤層群切頂卸壓關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)研究

4.1 切頂卸壓數(shù)值計算模型構(gòu)建

4.1.1 切頂卸壓參數(shù)

切頂卸壓采用定向水力壓裂的方法，并由第2節(jié)的分析結(jié)果可知，8#煤層頂板上方12.13m范圍內(nèi)存在兩層堅硬穩(wěn)定的石灰?guī)r關(guān)鍵層，難以垮落，是切頂卸壓的主要處理對象，所以將水力壓裂鉆孔末端布設(shè)在亞關(guān)鍵層2中。定向水力壓裂鉆孔垂直頂板的深度為14m，壓裂鉆孔的仰角為50°，壓裂鉆孔水平投影與巷道的夾角為20°，壓裂鉆孔的間距為10m，壓裂鉆孔的深度為18.3m，如圖4所示。

圖4 鉆孔布置

4.1.2 數(shù)值計算模型參數(shù)

假定模型內(nèi)各地層傾角均為0°，厚度均勻，模型的尺寸為長×寬×高=350m×1m×50m。為了更精確地分析研究區(qū)域，并控制塊體數(shù)量在合理范圍之內(nèi)，對模型進(jìn)行非均等塊體劃分。模型中塊體采用莫爾—庫倫本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)面采用庫倫滑動模型，重力取-9.81m/s2。模型底部利用位移邊界條件限制豎直位移，模型側(cè)面利用位移邊界條件限制水平位移，模型上部利用應(yīng)力邊界條件來模擬上覆巖層對模型的壓應(yīng)力，上部邊界應(yīng)力大小為6.65MPa。依次開采8#煤層的48709工作面、48711工作面和9#煤層的49709工作面，分析9#煤層頂板應(yīng)力分布規(guī)律和49709回風(fēng)巷的巷道圍巖變形規(guī)律。

4.2 切頂位置對頂板應(yīng)力分布規(guī)律的影響

建立4種不同工況下的模型，研究不同切頂位置對9#煤層頂板應(yīng)力分布規(guī)律的影響如圖5所示。

圖5 不同切頂位置的模型

在48709工作面和48711工作面開采完畢后，對比4種工況下9#煤層頂板的應(yīng)力分布狀態(tài)，得出不同切頂位置對9#煤層頂板應(yīng)力分布的影響規(guī)律，如圖6所示。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

(d)工況4圖6 不同工況下8#煤層工作面開采完畢后的模型垂直應(yīng)力分布

由圖6(a)可知，在不實施切頂卸壓的條件下(工況1)，當(dāng)48709工作面和48711工作面開采完畢后，8#煤層區(qū)段煤柱兩側(cè)出現(xiàn)懸臂梁結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，9#煤層頂板左側(cè)應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)最大應(yīng)力為53.92MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)Kmax為7.19，9#煤層頂板右側(cè)應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)最大應(yīng)力為55.31MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)Kmax為7.37。

由圖6(b)可知，在48709回風(fēng)巷內(nèi)實施切頂卸壓后(工況2)，8#煤層區(qū)段煤柱左側(cè)的懸臂梁被切斷，9#煤層頂板左側(cè)應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的最大應(yīng)力減小為29.54MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)Kmax減小為3.94，9#煤層頂板右側(cè)應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的最大應(yīng)力增大為63.79MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)Kmax增大為8.51。

由圖6(c)可知，在48711運輸巷內(nèi)實施切頂卸壓后(工況3)，8#煤層區(qū)段煤柱右側(cè)的懸臂梁被切斷，9#煤層頂板左側(cè)應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的最大應(yīng)力增大為64.83MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)Kmax增大為8.64，9#煤層頂板右側(cè)應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的最大應(yīng)力減小為30.32MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)Kmax減小為4.04。

由圖6(d)可知，在48709回風(fēng)巷和48711運輸巷內(nèi)實施切頂卸壓后(工況4)，8#煤層區(qū)段煤柱兩側(cè)的懸臂梁均被切斷，9#煤層頂板左側(cè)應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的最大應(yīng)力減小為35.19MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)Kmax減小為4.69，9#煤層頂板右側(cè)應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的最大應(yīng)力減小為35.79MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)Kmax減小為4.77。

對比圖6四種工況下9#煤層頂板的應(yīng)力分布狀態(tài)，得出不同切頂位置對9#煤層頂板應(yīng)力分布的影響規(guī)律：

1)切頂卸壓能夠改善9#煤層頂板的應(yīng)力分布狀態(tài)，有效弱化懸頂結(jié)構(gòu)對9#煤層產(chǎn)生的高集中應(yīng)力，不同的切頂位置對9#煤層頂板應(yīng)力分布的影響不同。

2)單側(cè)切頂卸壓能夠降低切頂一側(cè)9#煤層頂板的應(yīng)力集中程度。如工況2和工況3，在煤柱一側(cè)巷道內(nèi)實施切頂卸壓后，切頂一側(cè)9#煤層頂板的最大應(yīng)力分別減小45.22%和45.18%，平均減小45.20%。

3)雙側(cè)切頂卸壓能夠降低整體9#煤層頂板的應(yīng)力集中程度，但降低的幅度小于單側(cè)切頂卸壓。如工況4，在煤柱兩側(cè)巷道內(nèi)實施切頂卸壓后，9#煤層頂板的最大應(yīng)力分別減小34.74%和35.29%，平均減小35.02%，比單側(cè)切頂卸壓的最大應(yīng)力平均降低幅度少10.18個百分點。

上述規(guī)律表明，在8#煤層巷道內(nèi)實施切頂卸壓能夠有效減弱9#煤層頂板的應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低9#煤層工作面和巷道的支護(hù)難度，節(jié)約支護(hù)成本。按照西銘礦9#煤層的開采順序，對比不同切頂位置的卸壓效果，可以得出，在48709回風(fēng)巷內(nèi)實施切頂卸壓能夠同時對49709工作面和49709回風(fēng)巷起到卸壓作用，是較為的合理切頂位置。

4.3 煤柱寬度對巷道圍巖變形規(guī)律的影響

在49709工作面開采過程中，對比8#煤層區(qū)段煤柱寬度分別為40m、35m、30m、25m和20m條件下49709回風(fēng)巷的巷道圍巖變形特征，不同區(qū)段煤柱寬度對49709回風(fēng)巷圍巖變形的影響規(guī)律見表3。

由表3可知，8#煤層區(qū)段煤柱寬度從40m逐漸縮小至20m的過程中，巷道圍巖最大相對移近量逐漸增大。區(qū)段煤柱寬度大于30m時，隨煤柱寬度減小，巷道圍巖的最大相對移近量緩慢增大，平均增速為16.95%；區(qū)段煤柱寬度小于30m時，隨煤柱寬度減小，巷道圍巖的最大相對移近量快速增大，平均增速為58.68%。以上數(shù)據(jù)表明，30m是區(qū)段煤柱寬度的分界點，煤柱寬度大于30m時巷道的變形量增長平緩，煤柱寬度小于30m時巷道的變形量增長加快。

表3 49709回風(fēng)巷圍巖相對移近量對比

為了兼顧資源利用與煤礦安全，西銘礦近距離煤層的合理煤柱寬度應(yīng)該為30m。當(dāng)煤柱寬度為30m時，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖畲笙鄬σ平烤鶠?.73m，變形量較大，需要加強對巷道的支護(hù)。

5 結(jié) 論

1)存在多層堅硬頂板的近距離煤層在上部煤層開采完畢后，堅硬頂板起到關(guān)鍵層的作用，控制著上部一定范圍內(nèi)巖層的垮落，會在下部煤層開采之前形成長時間、大跨度的懸頂結(jié)構(gòu)。

2)通過對比分析不同切頂位置，得到切頂卸壓可以有效改變下位煤層頂板的應(yīng)力分布狀態(tài)，不同的切頂位置對9#煤層頂板應(yīng)力分布的影響不同。單側(cè)切頂卸壓后，切頂一側(cè)9#煤層頂板的最大應(yīng)力平均減小45.20%；雙側(cè)切頂卸壓后，9#煤層頂板的最大應(yīng)力平均減小35.02%，比單側(cè)切頂卸壓的最大應(yīng)力平均降低幅度少10.18個百分點。48709回風(fēng)巷內(nèi)實施切頂卸壓能夠同時對49709工作面和49709回風(fēng)巷起到良好的卸壓作用，是西銘礦8#煤層采用切頂卸壓消懸防沖時的合理切頂位置。

3)煤柱寬度是影響多層堅硬頂板近距離煤層切頂卸壓消懸防沖的一個關(guān)鍵因素，隨煤柱寬度減小，巷道變形量增大，煤柱寬度30m是巷道圍巖變形速度加快的分界點。30m煤柱在保證巷道變形較小的同時最大限度地避免了煤炭資源的浪費，是西銘礦近距離煤層切頂卸壓消懸的合理煤柱寬度。