定向割縫水力致裂頂板關(guān)鍵參數(shù)研究

范 軍，竇林名，賀 虎

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116 )

煤礦生產(chǎn)中通常將沖擊礦壓、頂板大面積來壓、礦震等事故稱之為動(dòng)力現(xiàn)象，其突然、急劇、猛烈的破壞特征造成重大設(shè)備損壞與人員傷亡，甚至引起地表塌陷和引發(fā)局部地震，致災(zāi)烈度、規(guī)模均遠(yuǎn)大于常規(guī)礦壓顯現(xiàn)，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)[1]。國(guó)內(nèi)外研究均表明，頂板巖層結(jié)構(gòu)，特別是煤層上方堅(jiān)硬、厚層砂巖頂板是誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害的主要因素之一，動(dòng)力災(zāi)害較嚴(yán)重的礦區(qū)普遍存在堅(jiān)硬頂板結(jié)構(gòu)，如兗州濟(jì)寧三號(hào)井、大同忻州窯礦、徐州三河尖煤礦、義馬常村煤礦、甘肅華亭煤礦、北京木城澗煤礦等，每年發(fā)生堅(jiān)硬頂板型沖擊動(dòng)力災(zāi)害數(shù)十起。波蘭西里西亞煤田、德國(guó)魯爾礦區(qū)沖擊礦壓的主要原因同樣歸于堅(jiān)硬砂巖頂板，兩國(guó)也因此將堅(jiān)硬砂巖頂板作為沖擊礦壓危險(xiǎn)的主要標(biāo)志[2]。

1 堅(jiān)硬頂板的定向割縫致裂技術(shù)

煤層上覆的堅(jiān)硬頂板的弱化治理，傳統(tǒng)方法主要有深孔爆破、頂板注水軟化兩種方式[3-5]。然而這兩種技術(shù)均存在嚴(yán)重缺陷，如頂板的深孔卸壓爆破只能在低瓦斯區(qū)域使用，并且存在深孔裝藥、封孔等工藝難度較大、瞎炮難以處理等制約因素。頂板巖層注水則由于老頂巖層的致密性，巖層滲透性能差而導(dǎo)致效果不明顯。

定向高壓水力致裂技術(shù)是弱化堅(jiān)硬頂板的一項(xiàng)新技術(shù)，對(duì)頂板巖層可以進(jìn)行定向切割、分層，從而降低頂板巖層的整體性厚度以及強(qiáng)度，對(duì)堅(jiān)硬頂板誘發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害具有極強(qiáng)的針對(duì)性，代表了堅(jiān)硬頂板弱化治理的發(fā)展方向[6-8]。定向水力致裂法就是利用專用的刀具，人為的在頂板巖層中，預(yù)先切割出一個(gè)定向裂縫，在較短的時(shí)間內(nèi)，注入高壓水，使巖(煤)體沿定向裂縫擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板的定向分層或切斷，弱化堅(jiān)硬頂板巖層的強(qiáng)度、整體性以及厚度，以達(dá)到降低沖擊危險(xiǎn)的目的。其優(yōu)點(diǎn)為，施工工藝簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)(不受瓦斯限制)，對(duì)生產(chǎn)無影響，安全高效。技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 定向割縫致裂原理

目前，國(guó)內(nèi)已有相關(guān)對(duì)類似技術(shù)進(jìn)行了理論研究報(bào)道，在大同忻州窯、煤峪口煤礦、濟(jì)寧三號(hào)煤礦進(jìn)行了工業(yè)性研究，取得了一定成果[8-9]。由于該技術(shù)處于試驗(yàn)研究階段，尚無對(duì)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及其確定方法的相關(guān)研究，而這是現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模應(yīng)用必須要解決的難題。因此，本文基于彈性板理論與關(guān)鍵層理論，系統(tǒng)研究了定向高壓水力致裂技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)及其確定方法，為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)致裂參數(shù)提供理論依據(jù)以指導(dǎo)。

2 堅(jiān)硬頂板的極限破斷判據(jù)

確定堅(jiān)硬頂板的極限步距是設(shè)計(jì)致裂頂板參數(shù)的基礎(chǔ)。眾所周知，工作面老頂初次來壓期間，礦山壓力達(dá)到最大，同時(shí)伴隨有沖擊動(dòng)載效應(yīng)，在此區(qū)間沖擊礦壓發(fā)生的概率也是最大的，堅(jiān)硬頂板一般來說都滿足彈性薄板的要求，因此，可以采用薄板理論進(jìn)行分析。工作面自開切眼向前推進(jìn)，在老頂初次來壓前，可將其視為四周固支的板[10]。對(duì)于四邊固支邊界條件下的矩形薄板，一般采用能量法(里茲法、伽遼金法)、疊加法以及Marcus簡(jiǎn)算法進(jìn)行求解，但這些方法過程復(fù)雜，并且收斂慢，精度不高。納維解法是求解彈性薄板最簡(jiǎn)單的方法，能夠得到薄板撓度的精確解。雖然納維解法只給出了四邊簡(jiǎn)支狀態(tài)的精確解，但是，非簡(jiǎn)支條件下也是可以利用納維解法的思想，利用重三角級(jí)數(shù)形式對(duì)其進(jìn)行求解。如圖2為堅(jiān)硬頂板薄板模型。

圖2 堅(jiān)硬頂板薄板模型

取撓度ω(x,y)的表達(dá)式為雙重三角級(jí)數(shù)，見式(1)。

(1)

(2)

對(duì)式(2)求導(dǎo)即可得到均布載荷下四邊固支板的應(yīng)力表達(dá)式，見式(3)。

(3)

經(jīng)比較分析可得出x、y方向最大應(yīng)力值。一般情況下，巖石的抗拉強(qiáng)度最低，因此當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉極限后，巖石拉裂，因此，可得以應(yīng)力表示的堅(jiān)硬頂板極限破斷判據(jù)，見式(4)。

(4)

式中：[σtx]、[σty]分別為x、y方向堅(jiān)硬頂板的極限抗拉強(qiáng)度。

可以看出，堅(jiān)硬頂板的初次來壓形式受上覆載荷、工作面寬度、巖層厚度、抗拉強(qiáng)度所決定，在知道關(guān)鍵層的基本物理力學(xué)屬性后，即可按照式(4)計(jì)算關(guān)鍵層的極限跨距。

3 定向高壓水力致裂關(guān)鍵參數(shù)的確定

3.1 致裂頂板厚度

3.1.1 致裂頂板巖層總厚度

致裂孔的致裂深度要根據(jù)堅(jiān)硬頂板巖層分層位置確定，使垮落帶巖層的厚度垮落碎脹后能填滿采空區(qū)自由空間，根據(jù)垮落帶的高度確定基礎(chǔ)巖層分層的位置，為實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板巖層分層，就把致裂孔布置在堅(jiān)硬頂板巖層需要分層的位置。堅(jiān)硬頂板巖層分層位置的確定，首先計(jì)算理論垮落高度，計(jì)算出理論垮落高度后，再根據(jù)垮落帶高度為直接頂厚度和若干老頂基礎(chǔ)分層的厚度之和，最后確定堅(jiān)硬頂板巖層分層高度。

定向致裂頂板巖層的總厚度應(yīng)大于理論垮落帶的高度，見式(5)。

(5)

式中：Hzl為致裂巖層總厚度；M為煤層的采高；K為巖石碎脹系數(shù)。

3.1.2 致裂頂板巖層分層厚度

如果煤層上方直接賦存巨厚堅(jiān)硬頂板，如濟(jì)三煤礦六采區(qū)，或者直接頂較薄的情況下，滿足式(5)的一次致裂厚度過大，頂板來壓步距依然較大，起不到頂板弱化的目的。因此，需要分層致裂，每次致裂的厚度為Hzli。

(6)

例如，假設(shè)頂板厚度為20 m，初次來壓步距為80 m，工作面長(zhǎng)度為200 m，致裂后頂板來壓步距為40 m，則一次致裂厚度按照(6)可得為：Hzli=5.24m。

公式(9)給出的是頂板處于豎或者正“O-X”破斷頂板一次致裂厚度的確定方法，對(duì)于頂板呈橫“O-X”破斷，用同樣的方法可得。

3.2 致裂頂板懸頂長(zhǎng)度的確定

式(6)前提是必須知道致裂前后頂板的來壓步距，那么致裂后的頂板來壓步距是否還存在安全隱患呢？因此，必須對(duì)合理的懸頂長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，從而保證致裂后頂板的來壓步距在安全的范圍呢。從防沖與工作面支架的能力兩方面考慮。

(7)

(8)

式中：γZ為直接頂巖層容重；HZ為直接頂巖層厚度；γL為老頂巖層容重；其余符號(hào)同前。

圖3 支護(hù)要求的頂板最大懸頂計(jì)算模型

堅(jiān)硬頂板的來壓不但會(huì)造成工作面支架超過支護(hù)能力而發(fā)生壓架，同時(shí)也會(huì)造成煤體的沖擊破壞。頂板在彎曲下沉過程中積累了大量的彈性能，伴隨頂板的斷裂釋放，與煤體中的彈性能疊加，超過了煤體沖擊破壞的最小能量則會(huì)誘發(fā)沖擊礦壓。蘇聯(lián)阿維爾申教授認(rèn)為，煤層內(nèi)的彈性能可由體變彈性能Uv、形變彈性能Uf和頂板彎曲彈性能Uw三部分組成[1,8]，見式(9)。

(9)

(10)

可得防沖最小懸頂，見式(11)。

(11)

頂板最大懸頂由式(7)與式(11)中的最小值確定，見式(12)。

(12)

3.3 致裂鉆孔傾角

對(duì)頂板進(jìn)行水平分層致裂時(shí)，只要考慮致裂總厚度與一次分層致裂厚度，鉆孔間距為致裂面擴(kuò)展直徑。但當(dāng)使用傾斜鉆孔進(jìn)行致裂切割頂板時(shí)，則需要考慮鉆孔傾角。致裂面在工作面前方完成后，當(dāng)工作面接近時(shí)，堅(jiān)硬頂板便會(huì)沿著此裂隙面擴(kuò)展發(fā)生斷裂。根據(jù)致裂面與工作面開采方向關(guān)系，即逆向與順向，將其簡(jiǎn)化為兩種力學(xué)模型，一種是逆向工作面推進(jìn)方向(傾斜致裂模型1)；另一種是順向工作面推進(jìn)(傾斜致裂模型2)，如圖4所示。

圖4 傾斜致裂巖塊平衡結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

在圖4(a)中，致裂面上正應(yīng)力N與剪應(yīng)力F以及它們相互間力的關(guān)系及平衡條件見式(13)。

(13)

在圖4(b)中，致裂面上的正應(yīng)力N與剪應(yīng)力F以及它們之間的平衡條件見式(14)。

(14)

式中：T為水平推力；R為剪切力；Rcosθ-Tsinθ為巖塊間的摩擦角；θ為斷裂面與垂直面成的斷裂角。

隨著工作面距離致裂面越來越近，煤體對(duì)頂板的支承力減小，巖塊B的剪切力R增大。若不考慮水平推力T的變化，則在圖4(a)中，致裂面上正應(yīng)力減小，剪應(yīng)力增加，頂板巖體利用致裂面發(fā)生滑移、回轉(zhuǎn)和破壞失穩(wěn)，不易取得平衡，由式(13)可知，當(dāng)θ=φ時(shí)，不論水平推力T值有多大，都不能取得平衡條件，一般情況下，φ=38～45°，當(dāng)致裂面與層面夾角小于45～52°時(shí)，頂板都會(huì)發(fā)生滑落失穩(wěn)。相反在圖4(b)中，則情況要好得多，隨著工作面推進(jìn)，致裂面上正應(yīng)力增加，頂板易于形成“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)，對(duì)控制頂板有利。

當(dāng)然，出于防沖要求的考慮，對(duì)于理論垮落帶范圍的堅(jiān)硬頂板，致裂程度越大，越利于防沖，因此，可以將水平致裂與傾斜致裂相結(jié)合。

對(duì)與采空區(qū)中一側(cè)的懸臂結(jié)構(gòu)主要采用采用傾斜致裂，此時(shí)關(guān)鍵是采空區(qū)懸頂長(zhǎng)度的確定，往上的各層頂板的懸頂長(zhǎng)度見式(15)。

圖5 傾斜致裂鉆孔布置法

(15)

式中：i關(guān)鍵層層位號(hào)，i=2，3，4...；ΔH為第i關(guān)鍵層至第一亞關(guān)鍵層(老頂)的垂直間距，α為煤壁支撐影響角。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)選在山東濟(jì)寧三號(hào)井63下05與53下07工作面進(jìn)行試驗(yàn)與應(yīng)用，取得了顯著效果。53下07綜放工作面位于五采區(qū)西北部，西鄰53下06(北)采空區(qū)，東鄰53下07(南)工作面(未回采)，北側(cè)為西部輔運(yùn)巷。工作面老頂為細(xì)砂巖及中砂巖，厚度為6.58～28.32m，平均厚度為14.68m，成分以石英為主，f=8～10。經(jīng)鑒定53下07具有發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)。在工作面前方150m向停采線方向50m范圍內(nèi)進(jìn)了垂直與傾斜致裂。鉆孔布置圖如6所示。

為了驗(yàn)證水力致裂對(duì)煤巖層的卸壓效果，在對(duì)1#致裂孔致裂前，在致裂鉆孔附近位置打煤粉鉆，并觀測(cè)鉆屑量大小。在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)了吸鉆卡鉆等煤巖動(dòng)力效應(yīng)，且煤粉量高于臨界煤粉量，說明此處為高應(yīng)力區(qū)域。在水力致裂結(jié)束后，在致裂范圍內(nèi)又打煤粉鉆，進(jìn)行鉆屑測(cè)定，在打鉆過程中沒有出現(xiàn)動(dòng)力效應(yīng)，煤粉量在臨界煤粉量以下，這說明水力致裂能人為的形成一個(gè)弱面，破壞厚硬巖層的整體性，改變其物理屬性，降低其強(qiáng)度，使局部應(yīng)力釋放，大大降低其沖擊性，從而能夠有效防止發(fā)生沖擊礦壓的可能。

圖6 53下07工作面定向致裂布置

5 結(jié)論

1)基于彈性薄板理論，利用納維解法建立了堅(jiān)硬頂板薄板模型，給出了應(yīng)力分布的解析解，建立了頂板破斷的應(yīng)力判據(jù)。

2)定向高壓水力致裂堅(jiān)硬頂板致裂總厚度應(yīng)能充滿采空空間，分層致裂厚度取決于致裂后頂板的來壓步距以及致裂前工作面寬度與來壓步距的比值，給出了相應(yīng)的計(jì)算公式。

3)從支架控頂與防止沖擊礦壓發(fā)生的角度，給出了致裂后堅(jiān)硬頂板最大懸頂長(zhǎng)度的確定關(guān)系式。

4)基于砌體梁理論，指出致裂后頂板進(jìn)入垮落帶，應(yīng)采用順向工作面推進(jìn)方向的致裂方式，致裂傾角應(yīng)與等于頂板巖體內(nèi)摩擦角；致裂后進(jìn)入裂隙帶，則應(yīng)采取逆向工作面推進(jìn)方向致裂方式，致裂傾角應(yīng)滿足形成“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)要求。

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