薛虎溝礦1209工作面堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用

張曉輝

（霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西臨汾 041000）

1 概述

隨著煤礦開采年限的增加，地質(zhì)覆存較簡單的煤層逐步開采完畢，礦井開采逐步向埋藏較深、地質(zhì)條件復(fù)雜的煤層推進(jìn)。堅(jiān)硬頂板工作面由于頂板巖性較為堅(jiān)硬，使得采空區(qū)頂板極難垮落，并形成大面積的懸頂，大面積的懸頂一旦發(fā)生垮落極易造成層工作面沖擊地壓，同時(shí)為了保證巷道的穩(wěn)定性，在留煤柱開采的巷道，大面積的懸頂使得煤柱留設(shè)寬度大幅增加，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，在無煤柱開采的礦井，大面積的懸頂同樣需要投入較大的資金來維護(hù)巷道的穩(wěn)定性[1]，所以對堅(jiān)硬頂板的治理成為了一個熱門的課題。目前針對堅(jiān)硬頂板的治理的方法主要為切頂卸壓，通過對頂板進(jìn)行預(yù)裂，達(dá)到正?？迓涞哪康?。本文以薛虎溝礦1209工作面為工程背景，采用數(shù)值模擬軟件對堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)進(jìn)行研究，為礦井堅(jiān)硬頂板的治理提供參考與借鑒。

2 礦井概況及數(shù)值模擬建立

薛虎溝礦位于山西省河津下化鄉(xiāng)陳家?guī)X村，生產(chǎn)能力90×104t/a，主采煤層為2#、10#煤層，2#煤層的平均厚度為4.3m，含煤系數(shù)為9.3%，1209工作面位于該礦南五盤區(qū)，主要開采太原組2#煤層，由于工作面頂板堅(jiān)硬、難垮落導(dǎo)致巷道穩(wěn)定性差，威脅礦井安全生產(chǎn)。

在礦井開采過程中，隨著開采面積的增大，使得采空區(qū)覆巖的自重逐步轉(zhuǎn)移至圍巖，此時(shí)采空區(qū)的周圍相鄰位置構(gòu)成支撐壓力區(qū)域，在回采應(yīng)力作用下形成不同的應(yīng)力區(qū)域，分別為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)及應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。在超前支撐區(qū)域護(hù)巷煤柱載荷快速增長，此時(shí)巷道的變形量增大，巷道出現(xiàn)頂板下沉、底板底鼓及兩幫片幫現(xiàn)象。為了降低壓力承載區(qū)域的應(yīng)力，減少巷道出現(xiàn)的應(yīng)力集中，采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行切頂卸壓[2]。

水力壓裂切頂卸壓技術(shù)主要是在回采前對頂板進(jìn)行機(jī)械鉆孔，將鉆好的孔進(jìn)行密閉，利用高壓射流水對鉆孔進(jìn)行注液，當(dāng)鉆孔內(nèi)部壓力大于鉆孔起裂壓力時(shí)，此時(shí)鉆孔發(fā)生起裂，沿著鉆孔會形成裂縫，隨著注液時(shí)間的繼續(xù)增大，此時(shí)裂縫隨著水壓的注入發(fā)生擴(kuò)展，從而達(dá)到降低頂板完整性，達(dá)到隨采隨落，降低側(cè)向支撐壓力，提升巷道穩(wěn)定性的目的。為了更好地對水力壓裂切頂卸壓進(jìn)行一定的研究，利用數(shù)值模擬軟件對邊界排水巷及水力壓裂卸壓的機(jī)理進(jìn)行研究。

根據(jù)礦井地質(zhì)條件建立模型，選定數(shù)值模擬軟件FLAC3D，根據(jù)實(shí)際情況建立比例模型，模型的長寬高分別為800m、620m、1m，完成模型的建立后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分直接關(guān)系到模擬計(jì)算的時(shí)間與精度，本文采用Interfacce單元進(jìn)行建立，劃分完成后共計(jì)960000個單元格，對巖層進(jìn)行物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，本文根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定煤層頂板巖層依次為中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、泥巖、中粒砂巖、粉砂巖、泥巖，對物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)定參照表1，數(shù)值模擬計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模量模型示意圖

表1 巖層物理參數(shù)參照表

3 數(shù)值模擬計(jì)算

首先對水力壓裂切頂卸壓對邊界巷道的穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究，方案一為非水力壓裂切頂卸壓對邊界巷影響，在6號煤開挖排水巷，排水巷與保護(hù)煤柱的距離設(shè)定為25m，方案二為水力壓裂對邊界巷穩(wěn)定性影響研究，正在采空區(qū)沿煤柱側(cè)向上50°的位置布置一條垂直高度30m的裂縫，分別對兩種情況進(jìn)行模擬研究，研究結(jié)果如圖2所示。

圖2 水力壓裂影響云圖

從圖2可以看出，在非水力壓裂情況下，在采空區(qū)與巷道的上下方位置應(yīng)力分布均低于10MPa，此區(qū)域內(nèi)為低應(yīng)力區(qū)，在工作面切眼與采空區(qū)的上端位置為拉應(yīng)力分布區(qū)域，而高應(yīng)力區(qū)域集中在煤柱附近，且距離切眼越近越大，在排水巷附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在此范圍內(nèi)應(yīng)力值在20MPa左右，在排水巷5～10m及切眼左端10～20m的范圍內(nèi)容易破壞，而在邊界排水巷的頂板位置易出現(xiàn)張拉破壞。而在水力壓裂下底應(yīng)力區(qū)域主要集中在煤柱間及采空區(qū)與切眼50m的范圍，而高應(yīng)力區(qū)域也由非水力壓裂情況下的17MPa左右降低至12MPa，在排水巷兩側(cè)應(yīng)力最大值同樣降低至12MPa附近?？梢钥闯鼋?jīng)過水力壓裂下巷道應(yīng)力分布有了明顯的改善，巷道的穩(wěn)定性也得到了一定幅度的提升[3]。

從圖3可以看出在非水力壓裂頂板時(shí)采空區(qū)頂板發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉造成煤柱在上端部形成應(yīng)力集中如圖3a曲線上升部分，當(dāng)煤柱承載的應(yīng)力超過煤柱的屈服極限時(shí)，此時(shí)的煤柱發(fā)生破壞，煤柱應(yīng)力釋放此時(shí)應(yīng)力下降如圖3a下降部分，而經(jīng)過水力壓裂切頂卸壓后應(yīng)力值明顯小于未經(jīng)過切頂卸壓時(shí)的情況，此時(shí)在注液階段切縫未發(fā)生滑動此時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)增長的趨勢，當(dāng)注液壓力超過鉆孔的承載極限時(shí)，此時(shí)鉆孔發(fā)生破壞，應(yīng)力出現(xiàn)一定幅度的降低，隨后應(yīng)力長時(shí)間區(qū)域穩(wěn)定，如圖3b部分，可以看出水力壓裂頂板主要是通過切縫，從而改變頂板的破壞形式，從而影響圍巖的整體分布，降低巷道變形量[4]。

圖3 兩種方案對比圖

同樣的對比水力壓裂對輔助順槽的影響進(jìn)行研究，方案一為非水力壓裂采空區(qū)煤柱側(cè)頂板受力情況，回采順槽與煤柱間距設(shè)定為25m，相鄰巷道的尺寸設(shè)定為5m×4m，方案二為水力壓裂采空區(qū)煤柱側(cè)頂板的受力情況，沿著煤柱方向在采空區(qū)設(shè)定一條裂縫，裂縫與采空區(qū)煤柱夾角為85°，裂縫的高度設(shè)定為30m，計(jì)算匯總煤柱10m處應(yīng)力變化情況如圖4所示。

從圖4中可以看出，在非水力壓裂頂板情況下，頂板同樣先經(jīng)歷頂板斷裂回轉(zhuǎn)，造成煤柱側(cè)的應(yīng)力集中，此時(shí)應(yīng)力最大值為39MPa，應(yīng)力曲線呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是由于隨著覆巖的下沉造成煤柱應(yīng)力集中，當(dāng)煤柱由于承載能力不足發(fā)生破壞時(shí)應(yīng)力下降，而經(jīng)過水力壓裂卸壓的頂板其垂直應(yīng)力分布大致不會發(fā)生變化，僅在切縫未滑動時(shí)存在一定的應(yīng)力集中[5]。

圖4 兩種方案對比圖

4 結(jié)論

薛虎溝礦為解決1209工作面堅(jiān)硬頂板難垮難落造成的巷道穩(wěn)定性差的問題。對水力壓裂切頂卸壓機(jī)理進(jìn)行研究，給出了數(shù)值模擬模型建立的全過程，為后續(xù)模擬研究提供一定的參考。通過采用數(shù)值模擬軟件對水力壓裂切頂卸壓對邊界巷道的穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過水力壓裂后巷道的應(yīng)力環(huán)境得到了較大幅度的改善，巷道穩(wěn)定性提升。根據(jù)對水力壓裂前后巷道垂直應(yīng)力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)水力壓裂頂板的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而經(jīng)過水力壓裂卸壓巷道應(yīng)力變化不明顯。