大采高綜采端頭懸頂水力切頂控制機(jī)理

鄧廣哲 鄭銳 徐東

摘要：為解決大采高綜采端頭頂板難垮問題，以陜北侏羅紀(jì)典型煤層條件為背景，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)頂板破壞時(shí)的人工干預(yù)破斷裂隙演化與其采動(dòng)應(yīng)力耦合作用規(guī)律進(jìn)行研究。通過對(duì)頂板割縫損傷弱化模型的研究，揭示水壓裂隙控制頂板的破斷規(guī)律，給出定向割縫的控制參數(shù);基于此，構(gòu)建定向裂隙與采動(dòng)應(yīng)力耦合模型，分析水壓切割定向裂隙控制頂板破斷的裂隙演化規(guī)律，提出水壓致裂切割定向裂隙控制端頭頂板破斷的技術(shù)方案與工藝方法。結(jié)果表明：頂板水壓致裂后，頂板破壞類型由拉伸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔魪?fù)合破壞，定向裂隙尖端形成了翼型裂紋與反翼型裂紋，頂板破斷角由45°變成56°，煤壁塑性區(qū)、片幫深度均減小;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，初次來壓步距為32 m，周期來壓步距為12.2 m.

關(guān)鍵詞：礦業(yè)工程;端頭頂板;水壓致裂;定向裂隙;裂隙演化

中圖分類號(hào)：TD 327.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0207文章編號(hào)：1672-9315（2019）02-0224-10

0引言

我國煤層賦存條件復(fù)雜，屬于堅(jiān)硬難垮頂板的煤層約占1/3，分布在50%以上的礦區(qū)。榆神礦區(qū)常家梁煤礦3號(hào)煤層直接頂屬于典型的強(qiáng)度高、厚度大、整體性強(qiáng)的堅(jiān)硬難垮頂板，煤層開采后在采空區(qū)出現(xiàn)大面積懸頂。這種堅(jiān)硬頂板難以及時(shí)垮落，導(dǎo)致頂板內(nèi)集聚大量彈性能，當(dāng)懸頂面積過大且超過一定極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生大面積垮落，造成頂板彈性能瞬間釋放，給礦井生產(chǎn)帶來巨大安全隱患。針對(duì)堅(jiān)硬頂板及時(shí)跨落問題，國內(nèi)外主要采取的方法有[1-4]：①高壓注水;②炸藥爆破;③CO2爆破;④水壓致裂。其中水壓致裂因其潛在優(yōu)勢(shì)，在頂板處理方面應(yīng)用廣泛。如何利用頂板破斷規(guī)律更有效地實(shí)施水壓致裂有待深入研究。

關(guān)于頂板破斷規(guī)律，錢鳴高提出的頂板采動(dòng)破壞理論形象直觀地闡述了工作面推進(jìn)過程中的初次來壓與周期來壓[5]（圖1）。隨著工作面推進(jìn)，堅(jiān)硬頂板懸露面積逐漸增大，當(dāng)懸頂面積達(dá)到其極限垮距時(shí)，在反彈區(qū)前方出現(xiàn)頂板斷裂線（圖2），而后形成為“O”形裂縫，此時(shí)“O”形板中央彎矩達(dá)到最大值，在板中央下部形成張拉破壞的“X”形裂縫，該裂縫與“O”形裂縫相結(jié)合形成“O-X”形破斷[6]。該理論給出了頂板的破斷線位置，為水壓致裂定向割縫位置與布孔參數(shù)確定提供了理論依據(jù)。

關(guān)于定向水壓致裂機(jī)理與試驗(yàn)方面，國內(nèi)外已有不少研究成果。閆少宏等提出人工對(duì)頂板切槽采用水壓致裂將堅(jiān)硬老頂分層，通過降低其來壓強(qiáng)度控制堅(jiān)硬頂板的新方法[9];康紅普等通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析煤層應(yīng)力演化規(guī)律，得出定向水壓致裂改變煤層的應(yīng)力狀態(tài)[10-11];鄧廣哲等在研究水壓致裂擴(kuò)展特性基礎(chǔ)上，基于水壓致裂單裂隙壓剪模型及斷裂力學(xué)理論推導(dǎo)出定向水壓致裂臨界水壓力，進(jìn)行煤層定向水壓致裂機(jī)理研究[12-14]。富向、徐幼平、李全貴、GUO等在分析水壓致裂起裂機(jī)理和裂隙發(fā)展特征的基礎(chǔ)上，研究了定向孔進(jìn)行裂隙控制的定向水壓致裂方法[15-18]。馮彥軍、黃炳香等針對(duì)堅(jiān)硬難跨頂板，進(jìn)行了定向水壓致裂控制煤礦堅(jiān)硬難跨頂板的工業(yè)試驗(yàn)[19-21];秦松等采用RFPA2Dflow分析軟件對(duì)堅(jiān)硬頂板定向水壓致裂最佳割縫位置進(jìn)行了研究[22]。但是目前關(guān)于端頭頂板水壓裂縫及其應(yīng)力場(chǎng)的耦合演化規(guī)律研究較少，且現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂處理堅(jiān)硬頂板的鉆孔長度較長，壓裂參數(shù)布置存在盲目性。

文中針對(duì)大采高綜采堅(jiān)硬煤層開采過程中頂板破斷裂隙特征及其應(yīng)力演化等問題，采用理論分析、數(shù)值模擬研究定向裂隙與其應(yīng)力場(chǎng)耦合演化規(guī)律，提出水壓致裂在頂板破斷位置切割定向裂隙，實(shí)現(xiàn)短孔精準(zhǔn)切割頂板，并開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)切割壓裂頂板控制效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1水壓致裂切頂機(jī)理

堅(jiān)硬頂板定向致裂技術(shù)是根據(jù)頂板破斷裂隙演化規(guī)律，在頂板巖層破斷線位置進(jìn)行高壓脈沖預(yù)裂預(yù)先切割定向裂縫，而后利用高壓水壓裂，促使頂板切割裂隙擴(kuò)展延伸，在工作面采動(dòng)應(yīng)力及礦山壓力作用下，促使頂板破斷裂隙相互連通，把頂板巖層分為一定尺寸的獨(dú)立塊體（圖3），頂板損傷弱化，減小頂板懸露長度，使完整頂板集聚的大量彈性能通過頂板的切割破碎，釋放頂板內(nèi)集聚的彈性能，達(dá)到切頂和緩解工作面沖擊動(dòng)力災(zāi)害。

2水壓致裂切頂數(shù)值模擬

根據(jù)榆神礦區(qū)常家梁煤礦地質(zhì)條件，建立200 m×45 m×0.2 m的三維數(shù)值模型，煤層埋深180 m，采高4.8 m，直接頂為厚度10 m的粉砂巖（直接頂?shù)奈锢砹W(xué)參數(shù)見表1），模擬分析預(yù)裂前后不同采動(dòng)作用下頂板垮落規(guī)律，為綜采工作面水壓致裂處理端頭頂板的方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

由圖5可知：隨著工作面推進(jìn)，直接頂出現(xiàn)拉伸破壞，當(dāng)工作面推進(jìn)至70 m時(shí)，直接頂垮落高度為7.5 m，此時(shí)頂板未完全垮落，直接頂屬于堅(jiān)硬難垮頂板。直接頂?shù)拿奥浣嵌葹?7°～19°，破斷角度為45°，工作面每推進(jìn)10 m，冒落半徑擴(kuò)大3～4 m.

由圖6可知：當(dāng)工作面推進(jìn)距離較短時(shí)，頂板主要承受壓應(yīng)力，當(dāng)工作面推進(jìn)至20 m，頂板下方出現(xiàn)1 m拉應(yīng)力區(qū)，當(dāng)工作面推進(jìn)至30 m時(shí)，煤層底板也出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板拉應(yīng)力區(qū)逐漸擴(kuò)大。

2.2裂隙與應(yīng)力耦合作用下的頂板破斷規(guī)律

根據(jù)公式（11）、（12）計(jì)算結(jié)果，工作面每推進(jìn)10 m布置一個(gè)壓裂鉆孔，壓裂裂隙長度10 m，水平間距10 m，裂隙傾角45°，為防止壓裂破壞頂板和裂隙貫通采空區(qū)，裂隙頂端距頂板0.5 m，底端距采空區(qū)1 m.模擬工作面推進(jìn)到不同距離狀態(tài)下頂板塑性區(qū)范圍與應(yīng)力分布狀況。

由圖7可知：當(dāng)推進(jìn)到20 m時(shí)，進(jìn)行了第1次水壓致裂切割堅(jiān)硬頂板，在頂板中形成一條傾角45°的剪切破壞面;當(dāng)推進(jìn)到30 m進(jìn)行第2次切割頂板，在頂板中形成第2條傾角45°的剪切破壞面，此時(shí)2條剪切破壞面與上覆巖層層理面溝通，下部為采空區(qū)自由面，位于2條剪切裂縫間的頂板成為一獨(dú)立塊體，隨即垮落，減輕了對(duì)前方支架和煤壁的支承力。隨著工作面推進(jìn)，進(jìn)行水壓致裂切割，頂板均能及時(shí)垮落，且隨著礦壓作用，垮落塊體之間出現(xiàn)拉伸破，垮落塊度減小。

預(yù)裂裂隙面的破壞主要為剪切破壞，裂隙間塊體出現(xiàn)拉伸和拉剪破壞，裂隙尖端形成的翼型裂縫為拉伸破壞，反翼型裂紋為剪切破壞。每推進(jìn)10 m進(jìn)行一次頂板壓裂，頂板沿45°壓裂裂隙垮落，頂板垮落距為10 m，垮落角為135°，破斷角為56°

由圖8可知：在推進(jìn)到20m時(shí)，進(jìn)行第1次水壓割縫，壓裂裂隙下端出現(xiàn)了翼型拉伸裂紋;在推進(jìn)至30 m時(shí)，第1次壓裂裂隙上端出現(xiàn)翼型拉伸裂紋，第2次壓裂裂隙下端出現(xiàn)翼型裂紋。在推進(jìn)至40 m時(shí)，第3次壓裂裂隙下端翼型裂紋與第2次壓裂裂隙中部出現(xiàn)拉伸貫通。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，壓裂裂隙尖端均出現(xiàn)了翼型裂紋。

由圖9可知，水壓致裂處理堅(jiān)硬頂板前后煤壁超前支承壓力位置、峰值變化不大，頂板預(yù)裂后煤壁塑性區(qū)、片幫深度均減小，且預(yù)裂前后煤壁均為剪切滑移式片幫。

3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1工作面概況

試驗(yàn)工作面選定榆神礦區(qū)常家梁煤礦30107工作面，工作面長度200 m，工作面推進(jìn)長度580 m，采高4.8 m，煤層厚度穩(wěn)定，上覆基巖平均厚度180 m，煤層直接頂為強(qiáng)度高，厚度大，裂隙不發(fā)育的粉砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度65.2 MPa，抗拉強(qiáng)度5.46 MPa，彈性模量為17.4 GPa，平均厚度為10 m，屬于堅(jiān)硬難跨頂板。

3.2試驗(yàn)方案

采用水壓致裂切割定向裂縫，處理堅(jiān)硬頂板，根據(jù)式（11）、（12）和數(shù)值模擬結(jié)果，確定工作面端頭和正?；夭善陂g頂板鉆孔布置參數(shù)。工作面初采時(shí)，在工作面兩端頭和工作面上方布置鉆孔壓裂處理頂板，正?；夭善陂g在兩順槽布置鉆孔，鉆孔間距20 m，每隔10 m切割一條定向裂縫進(jìn)行壓裂，鉆孔布置如圖10所示。

3.3實(shí)施效果

3.3.1頂板損傷分析

由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與壓裂方案設(shè)計(jì)參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，計(jì)算得到工作面頂板圍巖應(yīng)力及物理力學(xué)參數(shù)：第1，3主應(yīng)力分別為5，2 MPa，泊松比為0.35，水壓作用后裂隙內(nèi)摩擦角為11.5°，裂隙半徑5 m，傾角45°，裂隙水壓1 MPa，取扁平橢圓裂縫厚度為1 m，割落巖塊體積為70 m3.依據(jù)式（10）計(jì)算判定切割一條定向水壓裂縫，巖體損傷變量為0.17，在切割多條水壓裂縫與礦山壓力作用下，損傷變量繼續(xù)增加，頂板破碎及時(shí)垮落，減少工作面支架壓力。

3.3.2工作面來壓情況

由表2可知，工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行水壓致裂定向切割后，工作面初次來壓步距32 m，周期來壓步距12.2 m，來壓時(shí)動(dòng)載系數(shù)明顯降低。因此，采用水壓致裂切割定向裂隙處理堅(jiān)硬頂板，使得頂板及時(shí)垮落，保障了工作面的安全生產(chǎn)。

4結(jié)論

1）通過分析頂板破斷裂隙演化規(guī)律，建立了鉆孔和割縫而引起的損傷變量，為切割定向裂隙處理端頭頂板提供理論依據(jù);

2）頂板未壓裂時(shí)，頂板的破壞主要是拉伸破壞;頂板壓裂后，頂板壓裂裂隙面的破壞主要為剪切破壞，裂隙間塊體出現(xiàn)拉伸破壞和拉剪破壞，并且裂隙尖端形成拉伸翼型裂紋和剪切反翼型裂紋;

3）頂板未壓裂時(shí)，頂板冒落角度為17°～19°，破斷角度為45°，垮落高度0～7.5 m;頂板壓裂后，頂板沿45°壓裂裂隙垮落，垮落角度135°，破斷角度為56°，垮落高度10 m，垮落步距為10 m;

4）水壓致裂處理堅(jiān)硬頂板前后煤壁超前支承壓力變化不大，頂板預(yù)裂后煤壁塑性區(qū)、片幫深度均減小，且預(yù)裂前后煤壁均為剪切滑移式片幫;

5）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，試驗(yàn)工作面初次來壓步距32 m，周期來壓步距12.2 m，切割定向裂縫，巖體損傷變量為0.17，結(jié)果表明壓裂后頂板具有較好的垮落性。

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