工作面過上覆煤層遺留煤柱礦壓異常機理及防治技術(shù)

張傳玖

(國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司 布爾臺煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

近年來，隨著煤炭資源的持續(xù)開采，神東礦區(qū)內(nèi)各礦陸續(xù)開始開發(fā)第2層主采煤層[1，2]。但由于受地質(zhì)條件、開采工藝、裝備水平和工作面布置方式等因素影響，導(dǎo)致礦區(qū)范圍內(nèi)第1層主采煤層采空區(qū)內(nèi)存在大量區(qū)段煤柱、房柱式開采煤柱和護巷煤柱等，且大部分煤柱尺寸大于20m，甚至成群分布[3]。煤柱下方頂板巖層受力要遠遠高于原巖應(yīng)力，為下覆工作面的開采帶來巨大安全隱患，下覆工作面回采經(jīng)過煤柱區(qū)域過程中易出現(xiàn)冒頂、偏幫和突水潰沙等強礦壓顯現(xiàn)，更有甚者還會出現(xiàn)切頂壓架、支架立柱被壓死和立柱損毀等動載礦壓現(xiàn)象[4]，且工作面推出煤柱區(qū)域時往往更加危險。根據(jù)文獻統(tǒng)計[5]，神東礦區(qū)2010—2018年，共有9個煤礦的11個工作面在推出上覆煤柱過程中發(fā)生片幫、壓架、設(shè)備損毀等礦壓事故。針對此問題，大量學(xué)者研究了下覆煤層過煤柱期間強礦壓發(fā)生規(guī)律和機理，分析了不同煤柱尺寸、煤柱數(shù)量、采高、層間距以及有無關(guān)鍵層等因素條件下的頂板巖層垮落結(jié)構(gòu)及受力狀態(tài)，但在現(xiàn)場防治技術(shù)方面的研究相對較少，主動卸壓防治手段較為單一。為了研究下覆煤層過集中煤柱期間主動卸壓防治技術(shù)，以神東布爾臺煤礦42204工作面為工程背景開展研究，研究成果對指導(dǎo)類似條件工作面的安全高效開采具有重要意義。

1 工程概況

布爾臺煤礦42204綜放工作面布置在42煤二盤區(qū)，工作面長度320m，回采長度4485.2m。煤厚3.1～7m，平均厚度6.2m，傾角1°～5°，工作面沿煤層走向推進，沿煤層底板回采，采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤方法開采，采煤機割煤高度為3.7m，放頂煤高度為2.5m，工作面采用全部垮落法管理頂板。工作面內(nèi)安設(shè)ZFY18000/25/39D、ZFY18000/25/40D支架共計159臺，支架立柱安全閥開啟整定值為45.8MPa。

工作面上方距切眼830.2m處，為42204工作面上覆22204-1工作面與22204-2工作面跳采集中煤柱，煤柱凈寬50.4m，42204工作面從第82號液壓支架至工作面回風(fēng)巷道在上覆煤柱影響范圍內(nèi)。上下兩煤層之間的頂板巖性主要為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，頂板巖層厚度較大，且完整性好，層間距離為66～73m。42204工作面與上覆煤柱位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 42204工作面與上覆煤柱位置關(guān)系(m)

2 過煤柱礦壓異常機理

針對淺埋近距離回采工作面過上覆集中煤柱時礦壓異常現(xiàn)象，不同學(xué)者依據(jù)不同煤柱尺寸及分布形態(tài)、層間距、關(guān)鍵層、采高等客觀條件，提出了相應(yīng)的基于簡化的板、梁、柱的力學(xué)模型，并給出了特定條件下，煤柱是否會發(fā)生失穩(wěn)、工作面壓架等動壓事故的判據(jù)[6-13]。但是布爾臺煤礦42204工作面煤柱影響區(qū)域埋深在370m左右，層間距約為66～73m，與大多數(shù)文獻中研究案例相差較大，需要單獨研究。

通過分析可知，下覆工作面過上覆采空區(qū)遺留煤柱時，工作面礦壓異常的直接原因是垂直方向的采出空間要遠大于原來的單層煤開采，進而造成工作面上覆巖層承載結(jié)構(gòu)有更大的回轉(zhuǎn)變形空間，最終導(dǎo)致頂板巖層關(guān)鍵塊體的整體失穩(wěn)，其最終回轉(zhuǎn)變形量如果大于下覆工作面控頂區(qū)內(nèi)支架活柱的最大可伸縮量，則會發(fā)生壓架事故，反之則支架不會發(fā)生壓架事故。因此，下覆工作面的采高以及支架活柱伸縮量對過煤柱時的礦壓顯現(xiàn)有重要影響。

由文獻[14]可知，若不發(fā)生壓架事故，下覆煤層采高M2應(yīng)滿足的關(guān)系式為：

(1)

式中，M1和M2分別為上煤層采高和下煤層采高，取M1=4.53m；K1為上煤層直接頂碎脹系數(shù)，取K1=1.2；∑h1i為上煤層直接頂厚，取∑h1i=3.33m。

由式(1)可得，42204綜放工作面不發(fā)生壓架事故的最小理論采高為6.44～10.30m，大于該工作面實際采高6.2m。通過理論計算可知，該工作面在過上覆煤柱時，將大概率會發(fā)生壓架事故，因此需要對工作面上方頂板采取強制卸壓措施。

3 水力壓裂技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

鑒于水力壓裂技術(shù)可以有效地破壞圍巖的完整性，對工作面正常生產(chǎn)工藝干擾小，且安全性較高[14-20]，由此提出了采用水力壓裂技術(shù)來防治工作面過煤柱期間的動載礦壓問題。

3.1 卸壓層位選擇

目前，針對過煤柱時動載礦壓防治主要有3個主要控制區(qū)域[5]：煤柱上方頂板巖層載荷和關(guān)鍵破斷塊體、遺留煤柱本身和層間巖層。

通過對頂板進行超前水力壓裂，可以降低頂板的完整性，促使頂板巖層在采動影響下分批垮落，并充滿采空區(qū)，進而對上覆巖層形成有效支撐，達到減弱或消除上覆巖層動載荷效應(yīng)。結(jié)合巖石破斷碎脹原理，對上覆巖層充滿采空區(qū)所需垮落高度計算公式如下：

∑h=M/(Kp-1)

(2)

式中，M為采高，取M=6.2m；Kp為本工作面煤層直接頂碎脹系數(shù)，取Kp=1.2。

由式(2)可得，42204綜放工作面上覆巖層充滿采空區(qū)所需最小理論垮落高度為31m。

3.2 卸壓方案設(shè)計

由于上覆工作面采空區(qū)遺留煤柱只有約一半寬度位于42204工作面內(nèi)，且42204回風(fēng)巷道在煤柱正下方，因此，為了保證工作面頂板垮落填充的有效性和壓裂效果，結(jié)合壓裂區(qū)域的巖層分布特征，需要對工作面及巷道圍巖同時進行壓裂卸壓，所以42204工作面過上覆工作面遺留煤柱的壓裂方案將采用“工作面定向長鉆孔+巷道淺孔”相結(jié)合的壓裂方式，工作面定向長鉆孔水平段位于距離42204工作面頂板30m的砂質(zhì)泥巖中，巷道淺孔壓裂層位基本貫穿兩層煤之間頂板，以保證位于工作面中部的頂板巖層能充分垮落并充填煤柱下方采空區(qū)，減輕工作面?zhèn)认蛑С袎毫ο锏绹鷰r的影響。其平面布置如圖2所示。

圖2 壓裂方案(m)

在42204工作面內(nèi)煤柱下方共布置3個定向鉆壓裂鉆孔，鉆孔長度分別為540m、590m和730m，從孔底開始壓裂，壓裂間隔為30m，對應(yīng)的壓裂段數(shù)分別為11段、13段和17段，壓裂鉆孔水平段位于42204工作面頂板30m的粉砂巖中。在42204工作面回風(fēng)巷道內(nèi)煤柱影響區(qū)內(nèi)的正幫、副幫側(cè)分別布置15個短鉆孔，正幫鉆孔長度為69m，鉆孔仰角55°，副幫鉆孔長度63m，鉆孔仰角為60°，正幫鉆孔與巷道軸線垂直，副幫鉆孔軸線投影與巷道軸線夾角為10°，單孔壓裂均為18次，相鄰兩次壓裂間隔為3m，壓裂鉆孔間距主要依據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗和施工地點的地質(zhì)條件。定向長鉆孔壓裂時公稱流量為400L/min，淺孔壓裂時公稱流量為120L/min，兩者的單次壓裂時間依現(xiàn)場壓裂情況動態(tài)調(diào)整，一般為30～60min。

4 壓裂效果評價

4.1 壓裂壓力-時間曲線

依據(jù)體積壓裂破裂理論，在壓裂施工過程中，可通過壓裂壓力-時間曲線變化來推斷水力壓裂過程中的裂縫擴展情況，壓力-時間曲線不僅反映了壓裂壓力與壓裂時間的動態(tài)變化關(guān)系，也能側(cè)面反映裂縫發(fā)育和擴展情況。本次壓裂過程中典型的定向長鉆孔和短孔壓裂壓力-時間曲線如圖3所示。

圖3 壓裂壓力-時間曲線

由圖3(a)可知，開始加壓后的最大破裂壓力為25MPa左右，而后突降至14.9MPa，然后隨著持續(xù)大流量高壓水的注入，壓力迅速回升至17MPa左右，裂縫持續(xù)擴展，共監(jiān)測到3處明顯壓降點，最大壓降10.6MPa，說明該位置頂板內(nèi)形成了有效的壓裂裂縫，并且通過多次壓降，形成的裂縫也充分得到擴展。

由圖3(b)可知，開始壓裂后，8s時達到峰值壓力40.4MPa，4s后壓力降為 19.5MPa，產(chǎn)生的壓力降為20.9MPa，表示該壓裂段的巖層產(chǎn)生了大尺度的水力裂縫，之后水壓力穩(wěn)定在22～30MPa之間，期間出現(xiàn)了4次明顯的壓力降，注水到40min時，相鄰鉆孔開始大量出水，壓裂區(qū)附近的錨索開始淋水，孔口也出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，壓裂時間持續(xù)50min后，停止壓裂，后退3m至下一個壓裂位置。

4.2 壓裂裂紋檢驗

水力壓裂作業(yè)多為隱蔽性工程，尤其是對于煤礦井下水力壓裂工程來講，尚無特別有效的低成本、常態(tài)化、定量化的裂紋擴展形態(tài)的直接監(jiān)測手段，本文通過對壓裂后的淺孔水力壓裂鉆孔進行窺視，對裂紋擴展進行間接評價。窺視結(jié)果如圖4所示。

圖4 窺視結(jié)果

在水力壓裂位置，均可以發(fā)現(xiàn)明顯的壓裂裂縫，裂縫主要以縱向圓弧形裂縫和橫向圓環(huán)形裂縫為主，縱向裂縫一般成對出現(xiàn)，裂縫的延伸方向與鉆孔的軸向一致，且裂縫長度較長。橫向圓環(huán)形裂縫分布長度要比縱向向裂縫小，一般與孔壁傾斜相交。但孔壁的裂縫形態(tài)僅能反映裂紋起裂狀態(tài)，巖體內(nèi)部的裂縫擴展還要受地應(yīng)力方向、原生裂隙、采動因素等影響，僅通過窺視手段無法獲得，但可以結(jié)合壓裂過程中相鄰鉆孔、頂板出水、錨索淋水等情況，大致判斷裂縫的擴展范圍。在壓裂過程中，可以觀測到相鄰鉆孔、壓裂鉆孔周圍出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，但出水點位置、距離并不特別規(guī)律，較近的出水點一般距離壓裂孔15～20m左右，較遠的出水點一般距離壓裂孔50m以上。

4.3 礦壓規(guī)律分析

按照工作面與煤柱的相對位置關(guān)系，工作面礦壓顯現(xiàn)情況可劃分為三個階段，即正?；夭呻A段、進煤柱階段和出煤柱階段。

1)階段Ⅰ：正?；夭呻A段。工作面在未進入煤柱影響區(qū)前，工作面支架整體壓力均較大，且周期來壓不明顯，主要是與42204工作面埋深大、頂板巖層完整性好和開采強度大等因素有關(guān)。當(dāng)工作面進入壓裂區(qū)，工作面整體壓力比非壓裂段明顯減小。

2)階段Ⅱ：進煤柱階段。當(dāng)工作面進入煤柱下方6m后，工作面經(jīng)歷一次周期來壓，28#—138#支架壓力普遍超過40MPa，但現(xiàn)場無明顯礦壓顯現(xiàn)。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進14m后，工作面又發(fā)生一次周期來壓，煤柱影響范圍內(nèi)的支架壓力要明顯大于正常工作面。當(dāng)工作面進入煤柱下方31.5m時，此時工作面位于煤柱中間空巷附近，工作面又發(fā)生一次周期來壓，工作面礦壓顯現(xiàn)較為明顯，120#至機尾區(qū)域煤壁片幫最大深度0.6m，來壓持續(xù)距離約10m，此后工作面直至回采至煤柱附近，工作面無明顯礦壓。

3)階段Ⅲ：出煤柱階段。在工作面推出煤柱1.4m時，工作面整體來壓，機尾煤壁片幫最大深度0.8m，機尾附近工作面頂板出現(xiàn)較明顯下沉，最大下沉量200mm。

在42204工作面回風(fēng)巷道內(nèi)，還布置了一個位移測站，工作面過煤柱期間巷道頂板下沉量和兩幫移近量如圖5所示。因巷道表面位移測站位于回采巷道內(nèi)，所以只監(jiān)測了工作面過煤柱前和過煤柱過程中的巷道位移變化。由圖5可知，在工作面距離煤柱邊界50m時，巷道圍巖基本保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯變形，在工作面繼續(xù)向前推進到煤柱邊界過程中，巷道頂?shù)装逡票M量最大達到16mm，兩幫移近量最大達到28mm，在此階段巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰谱兓瘦^低。

圖5 巷道表面位移-時間曲線

當(dāng)工作面進入煤柱正下方后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰谱兓恃杆僭龃?，且前者的變化率要小于后者，過煤柱期間回風(fēng)巷道內(nèi)的頂板最大下沉量約為80mm，兩幫移盡量最大為150mm。此外，巷道內(nèi)兩幫最大變形位置發(fā)生在巷道副幫肩部，其最大幫鼓量為300～400mm，巷道內(nèi)的錨索托盤也未出現(xiàn)明顯翻轉(zhuǎn)變形。

從工作面開始進入煤柱正下方至工作面推出煤柱影響區(qū)，期間共監(jiān)測到微震事件1316個，總能量17.8×105J，微震事件主要分布在三個區(qū)域，即42203工作面采空區(qū)靠近42203工作面運輸巷道一側(cè)、42204工作面煤柱影響區(qū)內(nèi)和42204與42205工作面之間煤柱附近。與其它位置相比，在煤柱影響區(qū)內(nèi)的微震事件分布較為均勻分散，且沒有特別大的能量事件發(fā)生。在42204工作面回風(fēng)巷道周圍的能量事件也要比42203工作面運輸巷道內(nèi)的能量事件明顯減少。通過對比工作面過煤柱期間微震能量事件的分布及其與壓裂區(qū)的位置關(guān)系，側(cè)面驗證了水力壓裂可以破壞頂板的完整性，降低了頂板破斷、垮落引起的大能量事件發(fā)生的概率。

通過對比分析42204工作面進入和推出煤柱期間工作面礦壓實測數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示與本工作面正常回采相比，過煤柱期間僅局部出現(xiàn)了來壓現(xiàn)象，但范圍和強度不大，支架未出現(xiàn)被壓死情況。可見，“工作面定向長鉆孔+巷道淺孔”水力壓裂卸壓技術(shù)及方案的合理性，可以有效緩解因工作面過上覆工作面采空區(qū)遺留煤柱時的動載礦壓問題。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)理論計算，布爾臺42204工作面過上覆工作面采空區(qū)遺留煤柱時，不發(fā)生壓架事故的最小采高為10.32m，該值遠大于實際采高，因此需要提前采取卸壓措施，防止工作面出現(xiàn)壓架事故。

2)通過分析布爾臺42204工作面煤柱影響范圍內(nèi)的頂板巖層結(jié)構(gòu)和上下煤層層間距，并結(jié)合現(xiàn)有主要的卸壓控制區(qū)域，提出利用水力壓裂方法，壓裂上下煤層間頂板，降低頂板的整完性，使其垮落后能充滿整個采空區(qū)，減小上覆巖層的活動空間，并計算了頂板的壓裂層位。

3)結(jié)合上覆煤柱的位置和影響范圍，提出了“工作面定向長鉆孔+巷道淺孔”水力壓裂卸壓方案。現(xiàn)場應(yīng)用表明，與正?；夭啥蜗啾?，水力壓裂弱化了頂板完整性，降低了來壓強度，減小周期來壓步距，減輕了工作面過煤柱期間的壓力顯現(xiàn)，表明“工作面定向長鉆孔+巷道淺孔”水力壓裂卸技術(shù)的合理和有效性。