工作面采出遺留煤柱壓架機理與治理措施

姚志紅，張飛騰，張永強，，伊文港

（1.神東天隆集團 霍洛灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017200；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州221116）

神東礦區(qū)采用煤層群下行開采技術，與單一煤層開采相比，其回采難度和風險更大[1-3]。在工作面推進過程中，往往會面臨頂板、水、有害氣體等災害防治問題[4-7]。在上層煤存在遺留的集中保護煤柱時，工作面采出煤柱時存在嚴重的安全風險[1,4-8]：①煤柱受上方厚硬頂板支撐應力對下層煤工作面及回采巷道形成較大的應力集中；②受采空區(qū)、煤柱、頂板的影響，煤柱支承應力與下層工作面頂板運動垮落形成疊加，造成頂板局部突然切頂垮落；③應力集中引起大面積煤柱失去支撐能力，引發(fā)沖擊礦壓，導致綜采工作面切頂壓架災害。據(jù)不完全統(tǒng)計，神東礦區(qū)自2007 年以來已累計發(fā)生出煤柱壓架事故例10起以上[10-13]，煤柱壓架事故成為影響礦區(qū)安全生產(chǎn)的主要難題之一。

工作面上方存在遺留煤柱時，其強礦壓問題存在3 個主控環(huán)節(jié)[14]：施載體（遺留煤柱上方頂板）、過渡體（遺留煤柱和層間巖層）、承載體（工作面和液壓支架）。在施載體方面，鞠金峰[10,14]采用提前超前爆破遺留煤柱上方頂板、煤柱邊界預掘空巷等，破壞塊體鉸接砌體梁使其提前失穩(wěn)，從而降低工作面過煤柱期間的動載沖擊風險；在過渡體方面，付興玉[15]提出提前爆破上覆集中煤柱的防治措施，確定了爆破時工作面與集中煤柱間應滿足的安全距離，在現(xiàn)場應用效果顯著；在承載體方面，楊俊哲[16]使用水力壓裂技術處理層間頂板，超前弱化巖體、治理遺留煤柱下方的應力集中問題，壓裂后的工作面頂板來壓步距、動載系數(shù)、最高壓力均有降低；此外，工作面開采參數(shù)調(diào)整，如縮短面長、調(diào)斜采面、提高采厚、增大支架阻力等方法在工作面過遺留煤柱期間同樣起到關鍵作用[17-18]。

上述治理手段已經(jīng)在神東礦區(qū)的石圪臺、布爾臺、上灣、大柳塔等多個煤礦實施。但應用過程中，爆破技術易引發(fā)采空區(qū)火災和人工動載沖擊且應用范圍有限；水力壓裂技術應用過程中則未充分考慮“施載體”對工作面的影響，更多集中于“過渡體”治理。為此，在已有技術和工程應用的基礎，以霍洛灣煤礦地質(zhì)條件基礎，研究下位工作面采出遺留煤柱的強礦壓機理與治理技術。

1 地質(zhì)概況與工程問題

1.1 地質(zhì)概況

霍洛灣煤礦為近距離煤層下行開采，可采2-2煤層、3-1 煤層垂距37.3 m，巖性主要為砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等沉積巖，2-2 煤頂板存在1 層20 m 以上的堅硬砂巖。2-2 煤層已經(jīng)開采結(jié)束，正在開采3-1煤層的31106 工作面傾向?qū)挾?40 m、走向長度約3 365 m、采高3.7 m。工作面在跳采后整體位于2-2煤層采空區(qū)之下，繼續(xù)推進149 m 后進入160 m 大巷遺留保護煤柱（2 條5 m 巷道、3 條50 m 大巷煤柱）區(qū)域。31106 工作面過煤柱示意圖如圖1。

1.2 工程問題

31106 工作面在跳采之前已經(jīng)有過類似煤柱下開采的工程案例，在推進過程中礦壓顯現(xiàn)劇烈，遺留煤柱上方地表由完整演化為開裂、下沉，工作面主要表現(xiàn)為：來壓時液壓支架載荷急劇升高，80%以上支架開啟安全閥；來壓范圍大、強度高，采煤面大面積片幫、炸幫，頂板穩(wěn)定性差；架間有空頂、漏矸等，中部和尾部各有1 架出現(xiàn)活柱突然下沉0.6～1 m 現(xiàn)象，存在較大壓架風險。根據(jù)工程調(diào)研和文獻查詢，需要對上方的遺留集中煤柱和高位厚硬頂板進行提前處理。

2 工作面采出遺留煤柱壓架機理分析

31106 工作面上方共存在2 層堅硬頂板關鍵層，分別為3-1 煤層上方11.8 m 細砂巖和2-2 煤層上方20.3 m 細砂巖。由于遺留煤柱較寬，上方關鍵層II 在未開采時保持完整，隨工作面推進周期性失穩(wěn)破斷，關鍵層II 塊體B 破斷過程中產(chǎn)生的載荷經(jīng)由煤柱和層間巖石傳遞至工作面，是支架受力的動載源頭。工作面雙關鍵層同步破斷來壓示意圖如圖2。

圖1 31106 工作面過煤柱示意圖Fig.1 Diagram of 31106 panel and upper residual coal pillar

圖2 工作面雙關鍵層同步破斷來壓示意圖Fig.2 Schematic diagram of synchronous caving of double key strata over working face

圖2 中，2-2 煤層上方厚硬關鍵層塊體B 為施載體，煤柱、軟弱夾層、3 煤堅硬頂板為過渡體，31106 工作面液壓支架為承載體。直接作用在支架的載荷Q 包括2 部分：

式中：Qz為直接頂載荷。

以單個支架為例，Qz是控頂范圍內(nèi)的直接頂重量之和；QⅠ為關鍵層I 傳遞載荷。

式中：Ls為支架長度，m；ws為支架寬度，m；hz為直接頂厚度，m；ρz為直接頂巖層平均密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

關鍵層Ⅰ結(jié)構(gòu)傳遞載荷QⅠ與塊體E 及上方軟弱夾層的重力pER、關鍵層Ⅱ破斷經(jīng)由遺留煤柱傳遞的動載QⅡ二者之和成正比關系[19]，計算公式為：

式中：kb為塊體E 上方的載荷傳遞系數(shù)，其大小與采高、直接頂碎脹系數(shù)、塊體長度、巖層結(jié)構(gòu)等有關。

pER和QⅡ分別為：

式中：LE為塊體E 長度，m；h1為塊體E 厚度，m；ρE為塊體E 巖層平均密度，kg/m3；hr為塊體E 上方軟弱巖層厚度，m；ρER為塊體E 上方巖層平均密度，kg/m3；LB為塊體B 長度，m；pBR為塊體B 及上方直至地表的巖層重力之和；φ 為巖層的內(nèi)摩擦角，（°）；θ 為巖層的破斷角，（°）；h2為關鍵層Ⅱ的厚度，m；W3為塊體B 的下沉值，m。

式中：hB為塊體B 厚度，m；ρB為塊體B 巖層平均密度，kg/m3；KG為塊體B 上方的巖層載荷傳遞系數(shù)；hBR為塊體B 上方直至地表巖層的厚度，m；ρBR為塊體B 及上方直至地表的巖層平均密度，kg/m3。

在圖2 情況下，上方關鍵層Ⅱ塊體B 正處于破斷狀態(tài)，2 層關鍵層對工作面均有顯著作用，由式（1）～式（5）可得，工作面液壓支架載荷Q 為：

在工作面繼續(xù)推進且關鍵層塊體C 未破斷時，上方砌體梁結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，無動載傳遞（QII=0），則工作面液壓支架載荷為：

從式（7）看出，在遺留集中煤柱下方的開采礦壓規(guī)律為，工作面隨上層關鍵層Ⅱ破斷出現(xiàn)周期性動載來壓現(xiàn)象。

遺留煤柱普遍存在側(cè)向懸頂，工作面推出煤柱邊緣時，關鍵層Ⅱ塊體B 長度為正常破斷距離與懸頂長度之和，工作面采出遺留煤柱支架受載模型如圖3。塊體B 破斷時會出現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)（圖3 中紅色剪頭所示），此時QI組成的靜載荷pER不變、動載荷QⅡ變?yōu)锽1、B2塊體共同作用，數(shù)值明顯增大：

式中：QB1為B1塊體傳遞的動載；QB2為B2塊體傳遞的動載；LB1塊體B 的破斷距離，m；LB2為塊體B懸頂長度，m；PB1R為B1塊體及上方直至地表的巖層重力之和；PB2R為B2塊體及上方直至地表的巖層重力之和。

圖3 工作面采出遺留煤柱支架受載模型Fig.3 The hydraulic support loading model of working face during mining out the upper residual coal pillar

式（8）顯示，出煤柱期間的載荷QⅡ是正常破斷塊體B1的動載與懸頂塊體B2的動載之和，塊體失穩(wěn)強度更大、范圍更廣，對上覆遺留煤柱的厚硬頂板進行破壞、減小其周期破斷距離和側(cè)向懸頂長度，是減輕高位關鍵層失穩(wěn)破斷動載的有效治理手段。

3 工作面采出遺留煤柱頂板壓裂治理措施

3.1 方案制定

綜合考慮霍洛灣煤礦工程地質(zhì)條件與各類技術手段局限性，選擇水力壓裂對遺留煤柱上方頂板進行處理。方案中，對遺留煤柱緣6～20 m 范圍的上方頂板進行分段壓裂，壓裂范圍包括關鍵層II 塊體、鉆孔經(jīng)過的3-1 煤層頂板，遺留煤柱上方頂板水力切頂卸壓如圖4。壓裂目的與預期效果為：①煤柱邊緣6～16 m 的上方頂板因水力裂縫出現(xiàn)提前旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)，可以消除或減輕懸頂塊體動載QB1；②煤柱邊緣18～30 m 范圍內(nèi)形成的人工弱面會減小關鍵層II 破斷距離，緩解QB2對下方支架的影響；③水力裂隙產(chǎn)生過程中，降低巖層中的集中應力與破斷動載，起到“切頂卸壓”作用[20]。

圖4 遺留煤柱上方頂板水力切頂卸壓方案Fig.4 Hydraulic fracturing scheme of main roof under the residual coal pillar

3.2 水力壓裂施工效果驗證

在現(xiàn)場施工過程中，水力壓裂現(xiàn)象如下：①高壓泵壓力經(jīng)歷緩慢上升、突然升高后降低、小幅度穩(wěn)定波動3 個階段；②起裂壓力范圍大小為16.4～28.3 MPa，穩(wěn)定壓力范圍大小為11.2～18.7 MPa；③在壓力峰值點處，部分壓裂區(qū)域頂板有斷裂聲響，水泵產(chǎn)生壓力降4～10 MPa；④壓裂期間，鉆孔附近頂板局部錨索淋水、臨孔出水等現(xiàn)象，卸壓后鉆孔大量涌水。

在現(xiàn)場觀測的基礎上，對孔內(nèi)進行窺視，結(jié)果表明各壓裂點均有水力裂隙分布，壓裂達到預期效果，鉆孔水力壓裂裂隙如圖5。

4 切頂卸壓效果驗證與礦壓顯現(xiàn)分析

對2-2 煤層高位頂板壓裂的基礎上，31106 工作面在出煤柱期間依據(jù)已有工程經(jīng)驗[17-18]輔助采取了工作面調(diào)斜、快速推進、增大初撐力等手段，工作面礦壓顯現(xiàn)顯著改善。

圖5 鉆孔水力壓裂裂隙Fig.5 The hydraulic fracture propagation in the borehole

遺留煤柱上方未壓裂與已壓裂情況下，來壓時的支架壓力平均值分別為43.43 MPa 和35.10 MPa，空頂支架數(shù)量分別為7 架和2 架；壓裂后出現(xiàn)局部來壓，支架平均壓力降低15%～20%，僅部分支架開啟安全閥；遺留煤柱上方水力切頂降低了塊體B 失穩(wěn)后的動壓顯現(xiàn)，改善了工作面煤幫和頂板的破碎區(qū)發(fā)育，壓裂效果顯著。

5 結(jié) 語

1）31106 工作面過煤柱期間礦壓顯現(xiàn)劇烈、存在壓架事故風險，需要提前對上方的遺留集中煤柱和厚硬頂板進行處理。

2）建立工作面關鍵層同步破斷的動載來壓模型，推導了關鍵層II 是否破斷下的液壓支架載荷，得到工作面隨關鍵層II 破斷周期性動載來壓的礦壓規(guī)律。

3）根據(jù)工作面推出遺留煤柱支架受載模型，計算得出工作面出煤柱期間的載荷QⅡ為正常破斷塊體B1與懸頂塊體B2的動載之和。

4）根據(jù)理論計算結(jié)果確定31106 工作面出遺留煤柱切頂卸壓方案，現(xiàn)場實施后礦壓顯現(xiàn)改善，支架載荷明顯降低，壓裂效果顯著。