孟村煤礦堅(jiān)硬頂板工作面沖擊地壓防治技術(shù)應(yīng)用*

凌志強(qiáng)，張?zhí)燔姡嬅骼?，馬小輝

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.國(guó)家礦山安全監(jiān)察局陜西局，陜西 西安 710018；3.陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500)

0 引言

沖擊地壓是煤巖體集聚的彈性能突然釋放而發(fā)生的一種動(dòng)力顯現(xiàn)，具有突發(fā)性、破壞性、復(fù)雜性，經(jīng)常造成巷道破壞、設(shè)備損壞，導(dǎo)致人員傷亡等[1-2]。煤層上覆堅(jiān)硬頂板破斷造成的沖擊與振動(dòng)是開采空間周圍煤巖體應(yīng)力急劇增長(zhǎng)的主要因素之一，很多沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生都與煤層上覆巖層中的堅(jiān)硬頂板破斷有關(guān)[3-4]。改善煤層上覆堅(jiān)硬頂板性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等條件是減少?zèng)_擊地壓發(fā)生次數(shù)、減弱沖擊地壓發(fā)生強(qiáng)度的一個(gè)重要手段[5]，對(duì)確保礦井安全回采具有重要意義。

孟村煤礦位于彬長(zhǎng)礦區(qū)中西部，井田東西長(zhǎng)10.6 km，南北寬8.3 km，唯一可采的4號(hào)煤層埋深達(dá)890 m，經(jīng)鑒定具有強(qiáng)沖擊傾向性。礦井建設(shè)期間，動(dòng)力顯現(xiàn)頻繁。2014年7月19日，401101工作面措施巷里程520～648 m出現(xiàn)劇烈強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，頂板現(xiàn)整體下沉200～300 mm，局部金屬網(wǎng)被撕裂，造成 3處冒頂，大量煤體垮落，導(dǎo)致工作面停產(chǎn)近1個(gè)月；2015年8月31日，中央一號(hào)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面掛網(wǎng)期間，迎頭向后0～30 m發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，最大幫鼓量 0.5 m，肩部變形量相對(duì)較大，十余處大塊漿皮崩落，局部開裂，2處錨網(wǎng)被撕裂，4處木托盤被壓裂。

為獲取強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)工作面的防沖關(guān)鍵數(shù)據(jù)，指導(dǎo)后期礦井沖擊地壓防治工作，針對(duì)401101首采工作面存在的堅(jiān)硬頂板、大斷層、大向斜等地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，在回采期間開展水力壓裂等弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)試驗(yàn)，同時(shí)布設(shè)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)期間沖擊地壓能量事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以考察壓裂的實(shí)際效果。

1 工作面條件

1.1 地質(zhì)條件

孟村煤礦401101首采工作面總體為單斜構(gòu)造，煤層傾角為 1°～8°，煤層厚度為 16.0～23.9 m，平均煤厚 19.95 m。老頂為13.7 m厚中細(xì)砂巖，飽和抗壓強(qiáng)度28.4 MPa，堅(jiān)硬，層理發(fā)育，巖層穩(wěn)固性較好，不易冒落。直接頂為3.38 m厚砂質(zhì)泥巖，飽和抗壓強(qiáng)度16.5 MPa，局部含植物葉片化石，薄層狀，平行層理極發(fā)育。直接底為8.4 m厚的炭質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖，其中鋁質(zhì)泥巖遇水易膨脹，穩(wěn)定性差。

根據(jù)掘進(jìn)期間情況，孟村煤礦401101工作面回采過程中會(huì)陸續(xù)經(jīng)過B2背斜、F1斷層及X1向斜。F1斷層橫穿工作面，分別在回風(fēng)巷624 m、運(yùn)輸巷960 m處(沿巷道掘進(jìn)方向)被揭露，落差15～18 m，斷層附近構(gòu)造復(fù)雜，應(yīng)力較為集中，而且斷層?xùn)|西側(cè)分別為X1向斜和B2背斜，褶曲軸部水平應(yīng)力較其他區(qū)域高，這些復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力疊加在一起形成較大范圍應(yīng)力集中區(qū)域，在回采擾動(dòng)下極具沖擊危險(xiǎn)。

1.2 開采技術(shù)條件

孟村煤礦401101工作面可采走向長(zhǎng)度2 090 m，傾向長(zhǎng)度180 m，面積376 200 m2，可采儲(chǔ)量504萬t，煤層底板標(biāo)高為+255～+325 m。采用綜采放頂煤開采工藝，后退式開采、全部垮落法管理頂板。401101工作面巷道布置如圖1所示。東側(cè)為401盤區(qū)大巷，西側(cè)為403盤區(qū)大巷，南側(cè)為中央大巷，北側(cè)為未開拓的401102工作面。401101運(yùn)輸、回風(fēng)巷斷面均為5.5 m×3.75 m的矩形，均采用錨網(wǎng)+索+鋼帶+桁架支護(hù)方式。

圖1 401101工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of 401101 working face

1.3 沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果

采用綜合指數(shù)法對(duì)401101工作面回采期間沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到該工作面存在強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域8處，見表1。

表1 401101工作面強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果Table 1 Division results of strong rockburst dangerous areas in 401101 working face

2 問題分析及控制思路

2.1 問題分析

從沖擊地壓發(fā)生機(jī)制上講，促成沖擊地壓?jiǎn)?dòng)的能量可以是集中靜載荷，也可以是集中動(dòng)載荷，但是從根本上講，都是系統(tǒng)內(nèi)部集中靜載荷必須達(dá)到臨界條件[6]。也就是集中動(dòng)載荷如果參與，即幫助系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷達(dá)到臨界條件[7]。堅(jiān)硬頂板由于具有集聚大量彈性能的條件，一旦承載系統(tǒng)中巖體載荷超過其強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生劇烈破壞和冒落，瞬時(shí)釋放出大量的彈性能并作用在煤體上，造成沖擊。巖石越堅(jiān)硬，剛度越大，發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性就越大[8-9]。

401101工作面沖擊地壓的發(fā)生以煤巖層產(chǎn)生積聚的靜載荷為基本力源，但工作面推進(jìn)過程中會(huì)遇到F1斷層、X1向斜、B2背斜等構(gòu)造影響，具有較高的構(gòu)造應(yīng)力；且由于煤層上方賦存硬厚砂巖，在回采過程中，硬厚砂巖不僅因懸頂而導(dǎo)致彎曲彈性能在煤體內(nèi)的積聚，還會(huì)因巖層斷裂產(chǎn)生沖擊動(dòng)載，易誘發(fā)沖擊地壓。

因此，401101工作面回采期間沖擊地壓發(fā)生的主要影響因素為該區(qū)域巖層自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和回采期間厚硬砂巖頂板運(yùn)動(dòng)形成的動(dòng)載源。

2.2 控制思路

巖層自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力暫無技術(shù)手段進(jìn)行控制，但可以通過對(duì)工作面上方的厚硬砂巖頂板進(jìn)行技術(shù)改性，來促使采空區(qū)頂板冒落，促進(jìn)應(yīng)力釋放，從而降低沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[10]。水力壓裂技術(shù)是指在鉆孔壓裂段預(yù)制裂縫[11]，從而控制水力壓裂裂紋擴(kuò)展方向的技術(shù)，對(duì)堅(jiān)硬頂板的控制有著非常明顯的效果，主要表現(xiàn)在壓裂和軟化2個(gè)方面。通過削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達(dá)到減小或消除堅(jiān)硬難垮落頂板對(duì)工作面回采危害的目的[12]。針對(duì)401101工作面煤層上覆厚硬砂巖這一地質(zhì)條件，采用深孔水力壓裂技術(shù)對(duì)回風(fēng)巷上方頂板進(jìn)行弱化處理，降低其強(qiáng)度，達(dá)到減弱頂板巖層動(dòng)載荷，阻斷頂板側(cè)向活動(dòng)性的目的。

3 方案設(shè)計(jì)及施工過程

3.1 水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

3.1.1 回風(fēng)巷上方頂板壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

在工作面1 075 m至停采線2 072 m段，沿推進(jìn)方向在回風(fēng)巷左幫布置F1～F101共計(jì)101個(gè)鉆孔，如圖2所示?？组g距10 m，其中F1～F65號(hào)孔方位角垂直煤壁，傾角45°，孔深40 m，終孔位置位于垂直煤層頂板上方16.3 m的巖層中。F66～F101號(hào)孔方位角垂直煤壁，傾角70°，孔深45 m，終孔位置位于垂直煤層頂板上方30.3 m的巖層中。

圖2 401101工作面回風(fēng)巷水力壓裂鉆孔平面布置和剖面Fig.2 Layout of hydraulic fracturing boreholes in air return roadway of 401101 working face

3.1.2 F1斷層前后頂板壓裂強(qiáng)化鉆孔設(shè)計(jì)

以回風(fēng)巷F1斷層揭露位置左側(cè)30 m、右側(cè)20 m為起點(diǎn)，在巷道右?guī)推叫袛鄬幼呦蚍謩e在斷層兩側(cè)布置H1～H8、H1～H30共計(jì)38個(gè)頂板壓裂鉆孔。鉆孔傾角70°，孔深45 m，間距10 m，以強(qiáng)化對(duì)斷層附近堅(jiān)硬頂板的弱化。

3.1.3 F1斷層附近煤層壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

為預(yù)防斷層沖擊，本次方案對(duì)斷層附近煤體進(jìn)行了壓裂設(shè)計(jì)。以回風(fēng)巷F1斷層揭露位置左側(cè)30 m為施工起點(diǎn)，在巷道右?guī)拖蜃蟛贾肔1～L12共計(jì)12個(gè)煤體壓裂鉆孔，鉆孔傾角45°，孔深40 m，間距10 m。

3.2 水力壓裂系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方案

試驗(yàn)使用的水力壓裂系統(tǒng)由17部分組成，主要包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水3項(xiàng)工序，如圖3所示。為了對(duì)壓裂前后工作面回采期間大能量事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)在工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷各布置2個(gè)拾震器，拾震器之間距離300～500 m，拾震器與工作面距離300～500 m，根據(jù)工作面推進(jìn)速度及時(shí)調(diào)整拾震器位置。

3.3 施工過程

自2019年1月21日在401101工作面回風(fēng)巷1 075 m位置進(jìn)行F1鉆孔，施工作業(yè)開始，至2019年6月15日，完成全部設(shè)計(jì)的151個(gè)鉆孔的水力壓裂施工。鉆孔壓裂采用后退式分段作業(yè)方式，壓裂期間水壓保持在18～55 MPa之間，平均壓力在25～30 MPa。孔底壓裂時(shí)，壓力較大，一般在35～40 MPa。每孔壓裂4～5次，每次20～30 min，平均每孔壓裂時(shí)間120 min，單孔壓裂注水量在3 m3，累計(jì)壓裂728次。

1-靜壓水進(jìn)水管路；2-高壓水泵；3-水泵壓力表；4-流量計(jì)；5-手動(dòng)泵；6-快速連接的高壓供水膠管；7-手動(dòng)泵壓力表；8-水壓儀；9-接頭；10-注水鋼管；11-快速連接的高壓供水膠管；12-蓄存壓裂介質(zhì)水和油的儲(chǔ)能器；13-封孔器；14-壓裂鋼管(管壁打孔)；15-預(yù)裂縫(必要時(shí))；16-下封孔器注水管；17-水力壓裂鉆孔圖3 水力壓裂系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of hydraulic fracturing system

4 效果評(píng)價(jià)

4.1 各區(qū)域推采進(jìn)尺

401101工作面自2018年11月1日至2019年7月30日從642.2 m推采至1 468.4 m，共計(jì)推進(jìn)了826.2 m，期間經(jīng)過了B2背斜、F1斷層影響區(qū)域。以微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合工作面推進(jìn)情況、沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分情況，將工作面分為5個(gè)不同的區(qū)域，對(duì)頂板水力壓裂的防沖擊效果進(jìn)行考察，見表2。自642.2 m至909.2 m處為區(qū)域1，此區(qū)域401101工作面未開始水力壓裂施工；自909.2 m位置至1 015.7 m處為區(qū)域2，此區(qū)域距高壓水壓裂區(qū)166～60 m，為B2背斜影響區(qū)域之外；自1 015.7 m位置至1 176 m處為區(qū)域3，3月17日開始工作面推采至壓裂區(qū)域，此區(qū)域工作面受B2背斜影響較大；自1 176 m位置至1 315.6 m處為區(qū)域4，工作面進(jìn)入完全處于回順側(cè)高壓水壓裂區(qū)域，且從4月16日F66鉆孔開始優(yōu)化了壓裂鉆孔的布置角度和鉆孔深度，增加了頂板的壓裂高度；自1 315.6 m位置至1 468.4 m處為區(qū)域5，工作面進(jìn)入F1斷層影響區(qū)域。

表2 各區(qū)域情況及推采進(jìn)尺Table 2 regional conditions and mining footage

4.2 微震能量與頻次活動(dòng)規(guī)律對(duì)比

對(duì)2018年11月1日至2019年7月30日期間，401101工作面區(qū)域內(nèi)發(fā)生的各能量級(jí)別微震事件總次數(shù)和總能量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表3、圖4)。2019年3月12日，工作面距F1壓裂孔23 m，預(yù)計(jì)進(jìn)入壓裂范圍區(qū)；3月17日，工作面推進(jìn)總進(jìn)尺1 076.6 m，至F1壓裂孔位置，同時(shí)也進(jìn)入了B2背斜構(gòu)造區(qū)。

表3 基于微震監(jiān)測(cè)的高壓水預(yù)裂效果對(duì)比Table 3 Comparison of high pressure water presplitting effect based on microseismic monitoring

由表3分析得出，工作面自3月17日進(jìn)入高壓水壓裂區(qū)域后日均總能量及頻次趨于平緩；區(qū)域4發(fā)生總能量1.26×107J，最高時(shí)3.83×105J，最低時(shí)1.88×104J，日均總能量2.75×105J，相比于區(qū)域3降低了17%；發(fā)生微震總頻次3 873次，最高時(shí)166次/d，最低時(shí)7次/d，日均84.2次/d，相比降低了17%。

由圖4可以看出，工作面進(jìn)入高壓水壓裂區(qū)域之前(區(qū)域1、區(qū)域2)，回順范圍內(nèi)的每日微震事件總能量和頻次普遍較運(yùn)順高；工作面進(jìn)入高壓水預(yù)裂區(qū)域后，回順范圍內(nèi)的每日微震事件總能量和頻次普遍較運(yùn)順低，尤其在受F1斷層影響的區(qū)域5更為明顯，高壓水預(yù)裂對(duì)微震活動(dòng)的削弱作用較為明顯。

圖4 工作面區(qū)域微震能量和頻率分析Fig.4 Analysis of microseismic energy and frequency in working face area

4.3 不同能量級(jí)別微震頻次和能量活動(dòng)規(guī)律對(duì)比

由于各區(qū)域內(nèi)的回采時(shí)間及進(jìn)尺均不相同，計(jì)算在同等開采強(qiáng)度條件下(每開采5 m)的微震事件頻次及釋放的能量進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。

從圖5可以看出，在同等開采強(qiáng)度條件下(每開采5 m)，未進(jìn)入壓裂區(qū)域的區(qū)域1、區(qū)域2內(nèi)隨著工作面的推采回順的微震事件頻次和能量有所增加，運(yùn)順的微震事件頻次和能量有所減少；進(jìn)入B2背斜影響段區(qū)域3后，運(yùn)順的微震事件頻次和能量明顯增加，回順的微震事件頻次變化不大，釋放的能量有所減小，且在區(qū)域4、區(qū)域5回順側(cè)事件頻次和能量都較為平穩(wěn)，而回順在進(jìn)入F1斷層影響區(qū)域5后事件頻次和能量都大幅增加，對(duì)比表明回順側(cè)高壓水壓裂緩解了圍巖活動(dòng)的能量釋放劇烈程度，有效地緩解了沖擊礦壓的強(qiáng)度及危險(xiǎn)程度。

圖5 各分區(qū)域每推采5 m微震事件頻次及釋放能量變化Fig.5 The frequency of microseismic events and the change of released energy per 5 m of mining in each sub-region

401101工作面回順和運(yùn)順側(cè)的微震事件頻次占比對(duì)比圖，如圖6所示，可以看出回順側(cè)的高壓水壓裂對(duì)頂板圍巖的弱化作用，影響整個(gè)頂板范圍的破斷運(yùn)動(dòng)，回順及運(yùn)順側(cè)103J微震事件占比均有所降低，102J微震事件占比有所增高；回順側(cè)微震事件頻次變化更為明顯，區(qū)域2進(jìn)入預(yù)裂區(qū)后高級(jí)別能量事件隨即有所降低，運(yùn)順側(cè)較為滯后，表明煤層在回采后頂板的斷裂運(yùn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)變化逐步影響至運(yùn)順側(cè)。

圖6 回順、運(yùn)順各區(qū)域1×103 J、1×102 J級(jí)微震事件頻次占比Fig.6 Frequency proportion of 1×103 J and 1×102 J microseismic event in each area

4.4 微震事件位置變化規(guī)律分析

圖7為各分區(qū)域工作面前方和工作面后方的微震事件占比情況，可以看出工作面由區(qū)域2進(jìn)入高壓水壓裂區(qū)域3后，發(fā)生在工作面前的微震事件占比逐漸增大，微震事件逐漸由工作面后方向工作面前方轉(zhuǎn)移，表明高壓水壓裂破壞了工作面前方的頂板圍巖，工作面推采過程中頂板圍巖在超前工作面位置發(fā)生斷裂，有效弱化了圍巖的聚能載體，使能量得到均勻緩慢地釋放；同時(shí)，由區(qū)域4的微震事件位置分布圖可以看出，微震事件位置在工作面前方全范圍內(nèi)基本呈均勻分布，高壓水壓裂有效地降低了能量釋放的劇烈程度，避免了能量的大量集聚及突然釋放，緩解了沖擊地壓的強(qiáng)度及危險(xiǎn)程度。

圖7 各分區(qū)域面前、面后微震事件占比情況Fig.7 The proportion of microseismic events in front and behind the working face in each sub-region

5 結(jié)論

(1)根據(jù)礦井地質(zhì)條件和技術(shù)條件，綜合分析得出401101工作面回采期間沖擊地壓發(fā)生的主要影響因素為該區(qū)域巖層自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和回采期間厚硬砂巖頂板運(yùn)動(dòng)形成的動(dòng)載源。提出可采用深孔水力壓裂技術(shù)對(duì)回風(fēng)巷上方堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化，降低其強(qiáng)度，達(dá)到減弱頂板巖層動(dòng)載荷，阻斷因頂板側(cè)向活動(dòng)而誘發(fā)沖擊地壓的目的。

(2)工作面自2019年3月17日進(jìn)入高壓水壓裂區(qū)域后日均總能量及頻次趨于平緩；區(qū)域4發(fā)生總能量1.26×107J，最高時(shí)3.83×105J，最低時(shí)1.88×104J，日均總能量2.75×105J，比區(qū)域3降低了17%；發(fā)生微震總頻次3 873次，最高時(shí)166次/d，最低時(shí)7次/d，日均84.2次/d，相比降低了17%。

(3)工作面進(jìn)入高壓水壓裂區(qū)域之前(區(qū)域1、區(qū)域2)，回順范圍內(nèi)的每日微震事件總能量和頻次普遍比運(yùn)順高；進(jìn)入高壓水壓裂區(qū)域后，回順范圍內(nèi)的每日微震事件總能量和頻次普遍比運(yùn)順低，尤其在受F1斷層影響的區(qū)域5更為明顯，由此可見高壓水壓裂對(duì)微震活動(dòng)的削弱作用明顯。

(4)回順側(cè)的高壓水預(yù)壓對(duì)頂板圍巖的弱化作用影響整個(gè)頂板范圍的破斷運(yùn)動(dòng)，回順及運(yùn)順側(cè)大于1×103J微震事件占比均有所降低，大于1×102J微震事件占比有所增高；回順側(cè)微震事件頻次變化更為明顯，區(qū)域2進(jìn)入壓裂區(qū)后，高級(jí)別能量事件隨即降低，運(yùn)順側(cè)則較為滯后，表明煤層回采后頂板的斷裂運(yùn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)變化逐步影響至運(yùn)順側(cè)。

(5)工作面由區(qū)域2進(jìn)入高壓水壓裂區(qū)域3后，發(fā)生在工作面前方的微震事件占比逐漸增大，微震事件逐漸由工作面后方向工作面前方轉(zhuǎn)移，表明高壓水壓裂破壞了工作面前方的頂板圍巖，工作面推采過程中頂板圍巖在超前工作面位置發(fā)生斷裂，有效地弱化了圍巖的聚能載體，使能量得到均勻緩慢地釋放；同時(shí)，由區(qū)域4的微震事件位置分布圖可以看出，微震事件位置在工作面前方全范圍內(nèi)基本呈均勻分布，高壓水壓裂有效降低了能量釋放的劇烈程度，避免了能量的大量集聚及突然釋放，緩解了沖擊地壓的強(qiáng)度及危險(xiǎn)程度。