工作面過上覆遺留煤柱致災(zāi)機理及超前區(qū)域防治技術(shù)研究

楊 歡 ，鄭凱歌,2 ，李彬剛 ，李延軍 ，楊 森 ，王澤陽 ，王豪杰 ，戴 楠

（1.中煤科工西安研究院(集團)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）

0 引 言

近距離煤層，即相鄰煤層開采過程相互影響、煤層間距較小的煤層。淺埋近距離煤層是指埋深一般不超過150 m，基載比較大的近距離煤層。淺埋近距離煤層群開采過程中，上層可采煤層開采完成后，覆巖結(jié)構(gòu)經(jīng)歷垮落、裂隙發(fā)育及彎曲下沉到趨于穩(wěn)定的過程；當(dāng)下伏煤層開采時，覆巖結(jié)構(gòu)2 次運移，應(yīng)力場重新分布，上覆結(jié)構(gòu)出現(xiàn)下沉、垮落及回轉(zhuǎn)等運動，能量釋放規(guī)律異常[1–2]。

現(xiàn)有的上覆遺留煤柱強礦壓災(zāi)害防治方法及手段主要為爆破與常規(guī)短鉆壓裂2 種，治理機理為削弱或者轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中，從而達到治理強礦壓的目的。但爆破法受工程量大、火工品管控嚴(yán)格、成本較高且治理過程中易產(chǎn)生有毒有害氣體等因素限制；常規(guī)短鉆水力壓裂治理精度低，覆蓋范圍小，超長工作面中部難以治理。

針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量科學(xué)研究：鄭凱歌等[1,5]結(jié)合“壓裂垮落體+煤柱+承重巖層”協(xié)同支撐理念，提出了堅硬頂板分段壓裂超前弱化解危技術(shù)；楊俊哲等[6-7]依托“垮落充填體+上覆遺留煤柱”治理理念，結(jié)合定向長鉆孔水力壓裂技術(shù)，提出上覆遺留煤柱超前弱化治理機理；杜君武等[8]通過物理相似模擬及數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)的研究了近距離煤層開采過程中覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，分析了煤柱穩(wěn)定性；吳文達等[9]基于壓力拱理論，提出了房采區(qū)煤柱的應(yīng)力計算方法，并通過物理模擬研究了房柱式煤柱聯(lián)動失穩(wěn)機理；張威等[10]針對遺留煤柱下孤島工作面沖擊礦壓防治進行了深入研究；李春元等[11]通過現(xiàn)場實測、理論分析等方法，研究了上覆遺留區(qū)段煤柱對下伏工作面開采擾動規(guī)律；黃慶享等[12-13]通過對采場應(yīng)力、位移及裂隙等演化規(guī)律的深入研究，建立了其與不同煤柱結(jié)構(gòu)的關(guān)系，揭示了回采過程中裂隙發(fā)育規(guī)律；姜鵬飛等[14-15]深入分析了不同形態(tài)煤柱對應(yīng)力傳導(dǎo)規(guī)律的影響。開采實踐及相關(guān)研究表明，淺埋近距離煤層開采過程中，覆巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力環(huán)境特殊，應(yīng)力集中明顯，能量釋放規(guī)律異常，易引發(fā)動力災(zāi)害[16-17]。

學(xué)者們深入研究了淺埋近距離煤層上覆巖層結(jié)構(gòu)運移規(guī)律，豐富了上覆遺留煤柱強礦壓致災(zāi)治理原理及機理，形成了相對成熟的技術(shù)應(yīng)用體系[18–20]。但對于淺埋近距離煤層開采過上覆遺留煤柱時，強礦壓致災(zāi)機理及超前區(qū)域防治技術(shù)研究亟需深入研究。陜、蒙、晉煤炭富集區(qū)多數(shù)礦井隨著開采強度增加、開采技術(shù)革新、設(shè)備實施智能化提升，多層煤層同時開采，下伏工作面通過上覆遺留煤柱過程中，礦壓顯現(xiàn)異常，多次發(fā)生巷道過度變形、工作面壓架等事故，嚴(yán)重影響現(xiàn)代化礦井的安全高效開采[3-4]。以神東石圪臺煤礦為例，歸納實際生產(chǎn)中上覆遺留煤柱強礦壓災(zāi)害發(fā)生特征，結(jié)合數(shù)值模擬計算，研究強礦壓災(zāi)害發(fā)生規(guī)律及致災(zāi)機理，基于“垮落充填體支撐+承載體弱化+應(yīng)力傳遞途徑阻斷”理念，提出上覆遺留煤柱強礦壓災(zāi)害超前區(qū)域弱化防治技術(shù)，在典型工作面開展工程試驗，防治效果顯著，為礦井安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

1 淺埋煤層近距離上覆遺留煤柱致災(zāi)機理

1.1 上覆遺留煤柱強礦壓災(zāi)害發(fā)生規(guī)律

1)實際案例分析。神東石圪臺煤礦2–2煤煤層厚度為1.1～2.9 m，煤層平均厚度2.1 m，埋深82～97 m，平均87 m，與上層2–2上煤層間距10～17 m，平均14.2 m，上覆2–2上煤層有綜采采空區(qū)，存在上覆遺留煤柱，寬度12 m。層間發(fā)育有硬度較大的粉砂巖層，厚度12.1 m，抗壓強度30.41 MPa，鉆孔柱狀如圖1 所示。由于下層煤層厚度變化及煤層分叉原因，下層煤層開采過程中，工作面布置方式及回采方向與上層煤不同，工作面回采經(jīng)歷“采空區(qū)→遺留煤柱→采空區(qū)”過程。

工作面回采出遺留煤柱3.3 m 位置時，工作面支架突然來壓，下沉量較大，導(dǎo)致采煤設(shè)備無法正常運行。圖2 為工作面過遺留煤柱壓架位置及實拍。

2)過上覆煤柱過程中強礦壓發(fā)生規(guī)律數(shù)值模擬

以開采工作面為背景，依據(jù)實際煤巖層物理力學(xué)參數(shù)，建立模型進行上覆遺留煤柱強礦壓發(fā)生規(guī)律數(shù)值模擬分析。圖3 為數(shù)值模型模型。大小寬300 m、長400 m、高80 m，煤層間距15 m。本次數(shù)值模擬模型為摩爾–庫侖彈塑性本構(gòu)模型，采用位移邊界條件，模型上表面為自由面，其余5 個面限制模型表面的法向位移，模擬過程中首先開采上層煤層，形成遺留煤柱后計算至設(shè)置的平衡條件，再進行下層煤層開采，模擬下伏工作面過上覆遺留煤柱的過程，對比分析應(yīng)力分布規(guī)律及塑性區(qū)變化特征，參照的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters

圖3 數(shù)值模擬模型建立Fig.3 Establishment of numerical simulation model

模擬過程中留設(shè)20 m 遺留煤柱。工作面回采過程中，工作面頂板垂直應(yīng)力變化規(guī)律如圖4 所示。由圖可知，遺留煤柱布設(shè)在50～70 m 位置，隨著工作面回采經(jīng)歷“采空區(qū)→遺留煤柱→采空區(qū)”過程，工作面頂板垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先增長后降低規(guī)律：①回采至30～50 m 時，工作面處于即將進入遺留煤柱區(qū)域，頂板垂直應(yīng)力呈現(xiàn)增長趨勢；②回采至50～70 m時，工作面進入并持續(xù)在上覆遺留煤柱區(qū)域，頂板垂直應(yīng)力突增，當(dāng)工作面回采至70 m 時，垂直應(yīng)力達到峰值；③回采至70～80 m，即工作面推出煤柱時，垂直應(yīng)力降低。

圖4 垂直應(yīng)力變化規(guī)律Fig.4 Variation law of vertical stress

頂板塑性變化特征如圖5—圖7 所示。由圖5可知，當(dāng)工作面距離遺留煤柱20 m 時，工作面頂板巖層塑性區(qū)發(fā)育，且發(fā)育范圍在工作面前方0～20 m范圍，抗剪區(qū)域影響至煤柱邊界，煤柱本身未受到影響。

圖5 工作面距離煤柱區(qū)20 m 時塑性區(qū)分布特征Fig.5 Distribution characteristics of plastic zone when the working face is 20 m away from the coal pillar area

圖6 工作面進入遺留煤柱區(qū)時塑性區(qū)分布特征Fig.6 Distribution characteristics of plastic zone when the working face enters the isolated island coal pillar area

當(dāng)工作面進入煤柱下方時，頂板抗剪塑性區(qū)完全影響至遺留煤柱，煤柱受抗剪及抗拉破壞。工作面頂板塑性區(qū)發(fā)育范圍主要集中在工作面前方0～25 m。

當(dāng)工作面回采出煤柱時，工作面頂板抗剪塑性區(qū)發(fā)育，煤柱受抗剪抗拉破壞。頂板塑性區(qū)基本集中在工作面上方及超前0～10 m 范圍內(nèi)。

結(jié)合應(yīng)力變化規(guī)律及塑性區(qū)分布特征分析，總結(jié)工作面過上覆遺留煤柱特征，可分為3 個階段：①工作面回采至煤柱邊界。該階段工作面頂板塑性區(qū)超前發(fā)育，逐步影響至煤柱范圍，但煤柱及上覆結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，頂板應(yīng)力有上升趨勢，但增加幅度不大。②工作面在煤柱正下方回采。該階段工作面頂板塑性區(qū)超前發(fā)育，煤柱受采動影響，逐漸出現(xiàn)塑性區(qū)，工作面頂板垂直應(yīng)力逐漸開始上升。③工作面出煤柱過程。該階段頂板塑性區(qū)超前發(fā)育，與前兩階段相比，塑性區(qū)范圍覆蓋工作面與上覆煤柱連接區(qū)域，煤柱受采動影響發(fā)生變形。工作面出煤柱時應(yīng)力突然增加達到峰值，隨著工作面繼續(xù)推進，垂直應(yīng)力急劇下降。

綜上分析，工作面在出煤柱時，煤柱及承載體受采動影響易發(fā)生突然失穩(wěn)，造成應(yīng)力變化規(guī)律異常等現(xiàn)象。

1.2 上覆遺留煤柱致災(zāi)機理

工作面過煤柱過程中，頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后各塊體間相互鉸接，工作面出煤柱邊界后，形成一定的鉸接結(jié)構(gòu)。根據(jù)覆巖結(jié)構(gòu)特征，建立力學(xué)模型(圖8)，分析工作面出煤柱強礦壓發(fā)生機理[10]。

圖8 關(guān)鍵塊體三鉸式結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.8 Mechanical model of key block three hinge structure

模型中，兩端為位移約束邊界。結(jié)構(gòu)體中部鉸接點低于兩側(cè)鉸接點，需通過下部支撐保持平衡。

已有研究結(jié)果得出[6]，力學(xué)結(jié)構(gòu)下部支撐力表達式為

式中：P1,P2為兩個關(guān)鍵塊體承受的荷載，MPa；α1、α2為兩個關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)角度，(°)；i1為關(guān)鍵塊體的斷裂度，i1=h1/l1；h1為關(guān)鍵塊體厚度，m；l1為關(guān)鍵塊體長度，m；R0為中心節(jié)點O處的剪切力。k1，k2為系數(shù)，k1=lm/l，k2=ln/l(lm，ln分別為力q1，q2對應(yīng)于兩側(cè)鉸接點的力矩，N·m)，k1<1，k2<1。

覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的條件的上覆載荷極限值Pj為

式中：σc為關(guān)鍵巖層2 的抗壓強度，MPa；θ2為關(guān)鍵巖層2 破斷塊體回轉(zhuǎn)角，(°)；tan?為關(guān)鍵巖層2 破斷巖塊間的摩擦因數(shù)。

研究區(qū)域巖石力學(xué)參數(shù)σc=88 MPa，θ2=10°，通過上述公式計算可得，關(guān)鍵塊體三角式鉸接結(jié)構(gòu)不失穩(wěn)的載荷極限值為0.53 MPa，通過覆巖巖性及力學(xué)參數(shù)推算出研究區(qū)域覆巖不失穩(wěn)的臨界條件是關(guān)鍵巖層及其覆巖厚度不超過21.2 m。本次研究區(qū)域煤層覆巖厚度超過40 m，均超過所述鉸接結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的覆巖厚度臨界值，層間關(guān)鍵塊體必然失穩(wěn)，極易引發(fā)強礦動力災(zāi)害。

下伏工作面開采通過上覆遺留煤柱過程中，當(dāng)工作面出煤柱時，煤層頂板裂縫超前工作面發(fā)育，基本頂破斷形成塊體C,D，并造成回轉(zhuǎn)(圖9、圖10)，致使煤柱及上覆巖體傾倒，關(guān)鍵巖層1 形成的塊體A,B 之間鉸接結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，上層煤層開采形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)2 次運移，瞬間釋放大量能量，造成強礦壓動力災(zāi)害。

圖9 工作面過上覆遺留煤柱裂縫超前發(fā)育Fig.9 Cracks in the overlying coal pillar of the working face are developed in advance

圖10 工作面出遺留煤柱造成覆巖2 次運移Fig.10 Secondary migration of coal out of overburden caused by coal pillar concentration

2 上覆遺留煤柱強礦壓水力壓裂超前區(qū)域弱化防治思路

以上覆遺留煤柱強礦壓災(zāi)害發(fā)生規(guī)律及致災(zāi)機理研究結(jié)果為基礎(chǔ)，基于“垮落充填體支撐+關(guān)鍵巖層弱化+應(yīng)力傳遞路徑轉(zhuǎn)移”防治理念，提出上覆遺留煤柱強礦壓災(zāi)害水力壓裂超前區(qū)域弱化防治思路，將層間關(guān)鍵巖層劃分 “進煤柱區(qū)域、煤柱下方區(qū)域、出煤柱區(qū)域”3 個部分(圖11)，對其進行分區(qū)超前弱化改造(圖12)，改變煤柱及承載體運移空間，均布集中應(yīng)力，轉(zhuǎn)移應(yīng)力傳遞路徑，達到強礦壓動力災(zāi)害超前防治的目的。

2.1 改造承載體運移空間

關(guān)鍵巖層“進煤柱區(qū)域”通過改造后，破壞其完整性，降低強度，頂板能隨采隨垮，誘導(dǎo)上覆煤柱及承載體超前運移且垮落后與煤柱及承載體形成聯(lián)合支撐作用，規(guī)避煤柱瞬間回轉(zhuǎn)失穩(wěn)風(fēng)險。關(guān)鍵巖層“出煤柱區(qū)域”改造后，降低關(guān)鍵巖層相對回轉(zhuǎn)強度，改變工作面出煤柱時懸頂結(jié)構(gòu)，形成的人造垮落充填體可減小上覆采空區(qū)運移空間，降低煤柱失穩(wěn)帶動采空區(qū)結(jié)構(gòu)體運動所造成的能量釋放。

2.2 均布集中應(yīng)力及轉(zhuǎn)移應(yīng)力傳遞路徑

工作面回采過程中形成的超前應(yīng)力集中隨著關(guān)鍵巖層的弱化轉(zhuǎn)移和削弱，由于層間關(guān)鍵巖層被超前弱化改造，原有應(yīng)力場受到擾動，應(yīng)力均布化，且超前弱化過程中，煤巖體聚集能量被消散。再者高壓壓裂液擴散本身對巖體有浸潤作用，有助于應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力分散。

層間關(guān)鍵巖層是應(yīng)力傳導(dǎo)的主要路徑，對其超前弱化使得應(yīng)力傳遞路徑轉(zhuǎn)移，出煤柱過程中集中應(yīng)力不會瞬間傳遞至采場周圍，有效防止動力災(zāi)害發(fā)生。

3 強礦壓超前區(qū)域防治技術(shù)工程試驗

基于淺埋煤層近距離上覆遺留煤柱致災(zāi)機理研究及上覆遺留煤柱強礦壓超前區(qū)域防治思路，提出上覆遺留煤柱強礦壓定向長鉆孔分段水力壓裂超前區(qū)域弱化治理技術(shù)，并在研究區(qū)域開展工程應(yīng)用。

3.1 分段水力壓裂超前區(qū)域弱化技術(shù)

分段水力壓裂工藝示意如圖13 所示。

圖13 分段水力壓裂示意Fig.13 Schematic diagram of staged hydraulic fracturing

通過定向鉆進在設(shè)計治理范圍及位置形成鉆孔，壓裂裝備通過專用連接管柱連接，推送至指定位置。利用可控排量高壓泵組進行注水壓裂，過程中自動監(jiān)測系統(tǒng)將壓裂相關(guān)參數(shù)直觀的呈現(xiàn)在操作系統(tǒng)，并實時記錄。達到本段設(shè)計壓裂要求后，排水卸壓，將孔內(nèi)壓裂裝備移動至下一設(shè)計位置，循環(huán)壓裂施工。單段壓裂形成橢球體裂縫網(wǎng)絡(luò)，多孔多段壓裂完成后，巖層內(nèi)形成三維立體網(wǎng)絡(luò)體系，有效破壞巖體完整性，降低整體強度。

3.2 工程試驗

1)工程背景。神東石圪臺煤礦2–2上102 工作面長度237 m，走向長度837 m。煤層厚度1.8～2.2 m，平均1.9 m，煤層整體相對穩(wěn)定，傾角為1°～3°。2–2上煤煤層基本頂發(fā)育細(xì)粒砂巖，致密堅硬，厚度5.25～14.22 m。2–2上煤層距上層1–2煤層間距為11.2～16.8 m，工作面回采過程中存在上覆綜采采空區(qū)遺留煤柱，寬度10 m，屬淺埋近距離煤層開采。工作面情況如圖14 所示，工作面巖性柱狀(K39)如圖15 所示。

圖14 工作面概況Fig.14 Overview of working face

2)水力壓裂實施?；谇笆龇乐卫砟睿槍Ρ窘M煤柱，設(shè)計并實施3 組壓裂鉆孔，鉆孔單孔長度288～388 m。每個鉆孔均壓裂8 段。1 號孔位于“進煤柱區(qū)域”，布置在煤柱前35 m 位置，2 號孔位于“煤柱下方區(qū)域”，布置在煤柱正下方，3 號孔位于“出煤柱區(qū)域”，布置在出煤柱35 m 位置。水力壓裂鉆孔布置如圖16 所示。

圖16 水力壓裂鉆孔布置Fig.16 Hydraulic fracturing borehole layout

水力壓裂過程中，共注水977 m3，總計壓裂時間1 338 min。最高壓力23.40 MPa，壓力突降降幅最大達3.5 MPa，壓力突降60 余次。實際壓裂壓力–時間曲線如圖17 所示。

圖17 水力壓裂實際壓力–時間曲線Fig.17 Hydraulic fracturing borehole layout typical pressure time curve of hydraulic fracturing

由圖17 可知，隨著注水量的增加，封隔器膨脹，壓力突增至23.4 MPa，壓裂液繼續(xù)注入，泵注壓力呈現(xiàn)“鋸齒狀”變化特征，巖層內(nèi)微裂縫持續(xù)發(fā)育。隨著壓裂液注入，壓力由20.8 MPa 突降至17.3 MPa，巖層發(fā)生明顯破裂，之后壓力恢復(fù)。隨著持續(xù)壓裂的進行，壓力發(fā)生再次突降，由20.6 MPa 降低至18.0 MPa，巖體再次發(fā)生破裂。

水力壓裂過程中，泵注壓力變化規(guī)律為整體呈現(xiàn)“鋸齒狀”波動，局部伴有差值大于3 MPa 的壓力突降，表明水力壓裂在巖體內(nèi)主裂縫與微裂縫持續(xù)交替發(fā)育，破壞了巖層的整體性。

3)治理效果評價

對比分析2–2上102 工作面上覆遺留煤柱水力壓裂治理前后礦壓顯現(xiàn)、支架參數(shù)、圍巖變形等參數(shù)(表2)，綜合評價超前弱化治理效果。

表2 對比分析相關(guān)參數(shù)Table 2 Comparative analysis of relevant parameters

由表2 可知，工作面過上覆遺留煤柱時，水力壓裂超前弱化治理后，周期來壓強度、巷道變形、支架立柱下沉等參數(shù)均大幅降低。治理后，來壓峰值及平均來壓值降幅分別降低15.41%，8.29%，動載系數(shù)峰值及平均動載系數(shù)降幅分別為17.39%，11.88%，立柱最大下沉量降幅達50.00%，巷道頂板最大下沉量降幅33.33%，表明水力壓裂超前弱化分散了采場的應(yīng)力集中，降低了能量突然釋放的程度，有效控制了巷道圍巖變形(圖18)。該工作面采煤機采高1.5～3.0 m，煤層厚度1.9 m，支架立柱下沉量大于0.4 m 后正?；夭蓪⑹苡绊?。工作面過未治理煤柱時，立柱下沉大于0.4 m 的支架占比74.70%，且部分支架閥組、液管損壞，導(dǎo)致回采停滯；水力壓裂治理后，立柱最大下沉量均小于0.4 m。

圖18 治理前后遺留煤柱影響區(qū)域巷道圍巖變形Fig.18 Surrounding rock deformation of roadway in the area affected by residual coal pillar before and after treatment

工作面安全通過上覆遺留煤柱區(qū)域。工程試驗驗證了超前區(qū)域弱化治理的有效性。

4 結(jié) 論

1)采用特征歸納、數(shù)值模擬計算、理論分析等方法，明確了上覆遺留煤柱強礦壓災(zāi)害機理，揭示了淺埋近距離煤層上覆遺留煤柱致災(zāi)機理，當(dāng)工作面出煤柱時，煤柱及承載體受采動影響易發(fā)生突然失穩(wěn)，能量瞬間釋放，繼而發(fā)生動力災(zāi)害。

2)基于上覆遺留煤柱強礦壓災(zāi)害發(fā)生規(guī)律及機理研究，提出了基于“垮落充填體支撐+關(guān)鍵巖層弱化+應(yīng)力傳遞路徑轉(zhuǎn)移”防治理念的超前區(qū)域弱化防治技術(shù)，指導(dǎo)了工程應(yīng)用。

3)針對神東煤炭石圪臺煤礦上覆遺留煤柱區(qū)域強礦壓問題，開展了水力壓裂超前區(qū)域弱化防治技術(shù)工程試驗。壓裂曲線顯示，泵注壓力變化規(guī)律整體呈現(xiàn)“鋸齒狀”波動并伴有壓力突變，表明水力裂縫在巖體內(nèi)主裂縫與微裂縫交替發(fā)育，破壞了巖層的整體性。

4)該技術(shù)應(yīng)用前后，治理區(qū)域來壓峰值及平均來壓值分別降低15.41%,8.29%，動載系數(shù)峰值及平均動載系數(shù)降幅分別為17.39%,11.88%，立柱最大下沉量小于0.4 m，工作面巷道頂板最大下沉量降幅33.33%，能量釋放程度及應(yīng)力集中得到有效改善，工作面安全回采通過遺留煤柱區(qū)域，驗證了超前區(qū)域弱化防治技術(shù)的有效性。