大采高工作面近距離雙堅硬巖層強礦壓控制研究

史久林，鄭建偉，張 震，樊克松，唐杰兵

(1. 煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

鄂爾多斯地區(qū)煤炭資源豐富，是我國主要的煤炭生產基地，已建成多座技術水平先進，年產千萬噸的大采高綜采礦井[1，2]。大采高綜采技術一次采出空間大，引起工作面上部覆巖活動范圍和強度都增大，造成工作面礦壓顯現現象強烈，危害工作面安全生產。針對這一現象，我國眾多學者展開了大量的研究，認為大采高工作面上覆多層堅硬巖層失穩(wěn)是誘發(fā)工作面強礦壓顯現的重要因素[3-11]。許家林[3]認為堅硬頂板失穩(wěn)是誘發(fā)頂板大面積壓架冒頂事故的原因。韓剛[4]等人通過現場實測發(fā)現多堅硬巖層覆巖結構引起工作面動靜載區(qū)疊加，易誘發(fā)工作面強沖擊礦危害。尹希文[5]認為寺河礦6m大采高工作面雙堅硬巖層結構是控制工作面強壓顯現和煤壁片幫程度的關鍵。閆少宏[6，7]通過巖石破斷后的極限擠壓角與彎矩的關系定量解釋了開采空間增大，鉸接結構上移，在覆巖縱向方向能夠形成“懸臂梁-鉸接巖梁”的復合結構形式。黃慶享[8，9]認為淺埋大采高工作面上覆巖層能夠形成“等效直接頂”和“高位斜臺階巖” 形式的雙重結構，直接頂失穩(wěn)造成工作面靜載較大。楊登峰[10]結合突變理論認為直接頂失穩(wěn)引起頂板的切落。堅硬巖層與煤層的層位關系也是造成工作面強礦壓顯現的主要因素之一。曹勝根[12]通過數值模擬分析認為堅硬巖層距離煤層越近對工作面影響越大，特別當堅硬巖層直接與煤層接觸時，堅硬頂板破斷后有臺階下沉現象且支承壓力系數最大。趙通[13]根據朱仙莊煤礦近距離巨厚堅硬巖層賦存條件建立厚板力學模型，認為厚堅硬巖層距離煤層較近條件下更容易發(fā)生剪切破壞和整體滑落失穩(wěn)。

大采高工作面上覆多層堅硬巖層易于形成復合結構，特別是多層堅硬巖層距離煤層較近且層間距較小時，更易引發(fā)巖層整體失穩(wěn)，危害工作面生產安全。以母杜柴登礦30201大采高工作面為工程背景，分析確定對大采高工作面上覆近距離巖層結構失穩(wěn)可能造成的危害，并通過水力壓裂預處理堅硬巖層，達到控制工作面強礦壓危害的效果，為保障類似地質條件安全生產提供借鑒。

1 工程概況

母杜柴登煤礦30201工作面，煤層傾角1°～3°，埋深632～658m，工作面傾向長度241m，走向長度3417m，采用大采高綜采一次采全高工藝，采高4.75m，正?；夭善陂g平均日回采進度14刀，約12m，工作面選用ZY13000/28/62D型掩護式液壓支架。3-1煤層上部存在兩層厚度較大的巖層，根據現場實測，第I堅硬巖層為22m厚的細粒砂巖層，巖層強度平均值為61.34MPa，距離3-1煤層3.75m；第II堅硬巖層為14.7m厚的中粒砂巖層，巖層強度平均值為63.3MPa，均屬于堅硬巖層，巖層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 巖層綜合柱狀圖

2 上覆近距離雙堅硬巖層大采高工作面強礦壓顯現機理分析

工作面礦壓顯現的規(guī)律由其上部覆巖結構的運動特征所決定。已有研究表明：自身厚度大，強度高的堅硬巖層控制著工作面覆巖結構的運動規(guī)律，是決定工作面礦壓顯現強弱程度的關鍵因素。

2.1 覆巖結構形式的確定

覆巖結構的形成由堅硬巖層自身物理力學特性和其下部活動空間共同決定的。巖層層位的不同，其下部可活動空間范圍不同，造成巖塊間的接觸關系不同，進而形成不同的結構形式。根據文獻[7]對厚煤層開采覆巖空間結構的判斷條件可知：Δj-Δm≤0時，堅硬巖層可形成懸臂結構；Δj-Δm>0時，堅硬巖層可形成鉸接結構。其中Δj為極限下沉量，Δm為可能下沉量。

Δm=M-(kp-1)hm

(2)

式中，h為所分析巖層的厚度，m；k為無量綱系數，對于近似解可以取k=0.1h；Rc為抗壓強度，MPa；q為線載荷，N/m；l為所分析巖層的斷裂步距，m；M為割煤高度，m；kP為碎脹系數；hm為第1至m層直接頂巖層累厚，m。母杜柴登煤礦頂板巖層性質，見表1。

表1 巖層物理力學性質

頂板來壓巖層破斷步距[14]：

將第Ⅰ堅硬巖層細粒砂巖巖性參數代入式(3)得：l1=39.5m。將第Ⅱ堅硬巖層中粒砂巖巖性參數代入式(3)得：l2=26.4m。根據巖層結構判斷準則式(1)、(2)進行判斷：

第Ⅰ堅硬巖層：

Δm1=4.75-(1-1.5)×22=15.75m

第Ⅱ堅硬巖層：

Δm2=4.75-(1-1.5)×14.7=15.2m

由計算可知，第Ⅰ堅硬巖層細粒砂巖其下部有充足的垮落空間，巖層破斷后無法形成有效的擠壓接觸。未破斷巖層依靠自身強度能夠行成具有一定承載能力的“懸臂”結構。第Ⅱ堅硬巖層中粒砂巖下部活動空間較小，破斷巖層能夠形成擠壓接觸，提供水平應力，巖塊間形成具有自穩(wěn)能力的“鉸接”結構。隨著工作面的推進，工作面上覆巖層形成“懸臂—鉸接”形式的復合結構，如圖2所示。

圖2 工作面上部覆巖復合結構示意圖

2.2 強礦壓現象機理分析

根據上述判斷，第I堅硬巖層破斷后的巖塊失去與前部未破斷巖塊的有效接觸，無法形成鉸接結構，未失穩(wěn)的部分將會以“懸臂”結構的形式存在，其單位面積承擔的載荷達q=γH=181kN。隨著工作面推進，第Ⅰ堅硬巖層的“懸臂結構”懸露長度超過其承載極限時，“懸臂結構”將發(fā)生拉伸破壞。在自重及上覆載荷作用下，裂隙沿巖層破斷線迅速發(fā)展，貫穿懸臂梁。失穩(wěn)時下部活動空間由采高和隨采隨冒頂板的厚度決定，根據Δ=M-(Kp-1)∑h，取Kp=1.3，計算得Δ=3.65m，下部活動空間最大達到3.65m。懸臂結構破斷塊間無水平應力作用，摩檫作用較小，巖塊及其載荷形成的剪應力相對較大，容易引起巖塊的快速下滑。并且懸臂結構距離煤層較近，下部隨采隨冒巖層垮落后充填高度有限，無法為下滑的巖塊提供形成有效支撐，導致懸臂梁破斷巖塊發(fā)生整體滑落失穩(wěn)，表現為切落式失穩(wěn)特征。下部巖層的失穩(wěn)，引起上部巖層的活動空間加大，將會產生連鎖反應，誘發(fā)第Ⅱ堅硬巖層形成的“鉸接結構”滑落失穩(wěn)。當復合結構同時失穩(wěn)，使得堅硬，引起雙重采動效應的疊加，巖層內集聚的大量應變能在短時間內大量釋放，特別當頂板破斷線在控頂區(qū)覆近時，頂板沿煤壁快速滑落，將引起工作面強烈的礦壓顯現，危害工作面的設備與人員安全。

距離煤層較近的堅硬巖層即是載荷源又是傳遞載荷的媒介。已有研究認為大采高采場下部堅硬巖層自身性質和損傷程度控制著上部堅硬巖層斷裂后傳遞到支架上的力[15]。當下部頂板巖層整體強度低或者較為破碎時，既能夠充填采空區(qū)，控制上部巖層的下沉量，又能夠作為上部載荷傳遞的墊層，具有緩沖上部動載，降低工作面強礦壓顯現的作用。對于母杜柴登煤礦大采高工作面上覆近距離雙堅硬巖層復合結構存在同時失穩(wěn)引起強礦壓危害，可以通過采取預處理措施改變第Ⅰ堅硬巖層的完整性達到控制工作面強礦壓顯現的目的。

3 大采高工作面強礦壓控制措施

在利用水力壓裂技術處理堅硬巖層，控制強礦壓的應用方面，我國學者已經在原理和實踐方面做了大量研究。其中，文獻[16]從原理和實踐說明了水力壓裂處理堅硬頂板的效果。文獻[17]通過現場測試，驗證了水壓裂卸壓的有效性。根據上述分析，結合母杜柴登礦30201大采高工作面頂板巖層特征，采用水力壓裂技術破壞第Ⅰ堅硬巖層完整性，縮小其所形成的懸臂梁懸露長度即可能夠達到卸壓效果，保證工作面的安全回采。

根據文獻[14，18]煤巖體破裂條件可知，水力壓裂設定壓力閥值必須大于煤巖臨界破裂應力，即：

Ps≥Rt+3σ1-σ3

(4)

式中，Ps為水壓值，MPa；Rt為巖體抗拉強度，MPa；σ1為最小主應力，MPa；σ3為最大主應力，MPa。

經計算可知設備壓力值必須超過21MPa。結合現場地質條件及壓裂經驗，將水壓閥值設定為26MPa。

根據井下工作面實際狀況，將壓裂位置布置在工作面的兩巷，采用倒退式壓裂。根據鉆孔綜合柱狀圖及覆巖堅硬巖層層位關系，水力壓裂鉆孔垂直高度必須保證不低于30m。綜合現場施工條件確定孔深68m，傾角30°，各孔間隔25m，超前工作面300m開始實施。壓裂過程中根據現場出水情況及時調整壓裂范圍，避免大范圍的出現淋水，具體實施方案如圖3、圖4所示。

圖3 水壓致裂實施方案剖面圖(m)

圖4 水壓致裂實施方案平面圖(m)

鉆孔水壓達到預定值時，巖體內部新的裂隙產生，原生裂隙開始擴展。裂隙相互貫通后，孔內水壓開始降低，但是降低幅度有限，并能維持穩(wěn)定，裂隙隨著加壓時間不斷擴展。根據現場實測，水力壓裂時間持續(xù)25min后，孔內壓力開始維持穩(wěn)定。因此設定鉆孔加壓至少持續(xù)30min，能夠保障壓裂效果。為便于工作面頂板管理，需保持煤層上方5m范圍巖層完整性。水力壓裂方案實施參數見表2。

表2方案實施參數

4 工作面覆巖堅硬巖層壓裂效果評價

通過工作面推進過程中微震系統(tǒng)對巖層釋放能量的強弱監(jiān)測，檢驗壓裂直接頂范圍內堅硬巖層的卸壓效果。微震監(jiān)測方法是通過安裝在工作面范圍內的傳感器接收采動影響下，煤巖體產生破裂、擴容、貫通甚至失穩(wěn)等物理現象所產生的彈性振動波，根據彈性振動波引起的微震事件，反演計算出微震事件發(fā)生的位置及釋放的能量[19]。

4.1 監(jiān)測系統(tǒng)布置方案

根據微震監(jiān)測系統(tǒng)必須成網的特點，超前工作面250m的位置，在主運巷內布置安裝3個拾震探頭，輔運巷內布置安裝4個拾震探頭，探頭之間間隔200m，分別對7個探頭進行編號、定位。其中，1#、3#、4#、7#為垂直探頭，2#、5#、6#為水平探頭，將水力壓裂區(qū)域包括在監(jiān)測區(qū)域內，監(jiān)測系統(tǒng)布置如圖5所示。

圖5 微震系統(tǒng)布置平面圖(m)

4.2 微震監(jiān)測覆巖活動規(guī)律分析

通過對回采過程中微震能量的統(tǒng)計分析，工作進入水力壓裂卸壓區(qū)后，微震事件的能量和頻次均大幅度下降，卸壓后103J能量以上的事件降低了40%，大能量微震頻次由卸壓前的8次，到卸壓后的平均2次。卸壓后微震事件能量和頻次雖有波動，但是震幅較小，如圖6所示。根據實測回采期間來壓步距也由正?；夭傻?2.5m，縮短到卸壓區(qū)的5.3m。監(jiān)測數據顯示水力壓裂直接頂內第Ⅰ堅硬巖層后，工作面來壓強度和步距均明顯減小。

圖6 回采期間微震事件監(jiān)測

5 結 論

1)大采高工作面近距離的雙層堅硬巖層中第Ⅰ堅硬巖層形成“懸臂梁”結構，第Ⅱ堅硬巖層形成“鉸接”結構。其中第Ⅰ堅硬巖層的完整性與層位是影響工作面礦壓顯現程度的關鍵。結合母杜柴登礦井30201工作面覆巖實際狀況，通過預處理第Ⅰ堅硬巖層即可達到卸壓效果，確定垂直壓裂高度必須達到30m的水力壓裂方案。通過壓裂破壞第Ⅰ堅硬巖層的完整性，控制“懸臂梁”懸露長度

2)通過現場實測實施和微震監(jiān)測系統(tǒng)數據分析，水力壓裂后的來壓步距縮小了57%，大的微震能量降低了40%，微震事件頻次降低了60%。卸壓后頂板來壓強度和步距均明顯弱化，保證了大采高工作面的安全回采。