刀柱式采空區(qū)下堅硬頂板控制技術(shù)研究

劉愛卿

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083； 2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

在煤礦開采過程中，堅硬頂板的占比可達30%以上，通常是指由堅硬的石灰?guī)r、砂巖、或礫巖等巖層構(gòu)成，堅硬頂板巖層一般具有厚度大、強度高、均質(zhì)性高、穩(wěn)定性強的特點，在工作面開采過程中難以垮落，在采空區(qū)后方或者工作面端頭易形成大面積的懸頂，工作面來壓步距大，周期來壓強度高，當(dāng)大面積垮落時，容易形成強烈的動力現(xiàn)象，造成支架立柱折損、采空區(qū)颶風(fēng)及人員傷亡等現(xiàn)象，給工作面的正常生產(chǎn)帶來嚴重威脅[1-5]。

我國很多煤礦淺部煤層在早期開采中采用刀柱式開采，刀柱式開采在采空區(qū)留下大量的不規(guī)則煤柱，給下部工作面開采造成嚴重的影響，當(dāng)?shù)吨讲煽諈^(qū)下為下部賦存煤層開采的堅硬頂板時，堅硬頂板難以隨采隨冒，易形成大面積的懸頂，給工作面的安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅。針對采空區(qū)堅硬頂板的控制常用深孔爆破強制放頂?shù)姆绞剑?016年，同生煤業(yè)安平礦年因堅硬頂板處理發(fā)生了安全生產(chǎn)事故，在8117工作面采空區(qū)強制放頂時，引起采空區(qū)大面積懸頂突然垮落，形成瞬間短暫沖擊波氣流造成了安全生產(chǎn)事故。為了避免采空區(qū)大面積懸頂，必須提前采取解決方案，為此本文在前人研究基礎(chǔ)上針對刀柱式采空區(qū)下堅硬頂板控制進行了研究，提出了刀柱式采空區(qū)下堅硬頂板水力壓裂弱化控制技術(shù)措施。

1 工程地質(zhì)條件

同生煤業(yè)安平礦位于山西省山陰縣，由2座小煤礦兼并整合而成，安平礦8107工作面主采5-1號煤，蓋山厚度平均為90 m，煤層平均厚度為10 m，工作面上覆為4-2號煤層，平均厚度6.6 m，5-1號煤同4-2號層間距為24.75～37.00 m，平均間距在30 m。在小煤窯開采期間4-2號煤采用刀柱式采煤法，留設(shè)煤柱形狀極不規(guī)則，采空區(qū)內(nèi)可能遺留大量煤柱，預(yù)測低洼處存在采空積水。

安平礦8107工作面切眼長度120 m，可采走向長度837 m，采用綜放開采，采高3.1 m，放煤高度在7 m左右，工作面上部穩(wěn)定的巖層主要是含礫粗砂巖，粗砂巖的平均厚度為15.35 m，中間夾有3.9 m的砂質(zhì)泥巖，含礫粗砂巖呈白色，含2～4 mm次棱角狀礫石，泥質(zhì)膠結(jié)，原位測試平均抗壓強度達到50 MPa，完整性好，堅硬穩(wěn)定，難以垮落。

2 頂板難以垮落原因分析

根據(jù)安平礦8107工作面地質(zhì)與開采條件，分析其頂板難以垮落原因如下：

(1)頂板穩(wěn)定性好。安平礦8107工作面工作面上部穩(wěn)定的巖層主要是含礫粗砂巖，粗砂巖的平均厚度為15.35 m，中間夾有3.9 m的砂質(zhì)泥巖，含礫粗砂巖均質(zhì)性高，堅硬穩(wěn)定，難以垮落，原因在于煤層頂板上部存在約30 m的厚層砂巖，厚層粗砂巖及砂礫巖穩(wěn)定性高，自身難以垮落。

(2)刀柱式采空區(qū)下頂板應(yīng)力分布不均。8107工作面上部為4-2號煤刀柱式采空，在柱體上形成應(yīng)力集中，但在大部分區(qū)域煤炭被采后處于懸頂狀態(tài)，使得下部底板處于應(yīng)力降低區(qū)，同時由于上部刀柱式采空區(qū)屬于小窯回采，回采不規(guī)則，致使下部頂板應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力集中和應(yīng)力降低區(qū)交錯分布，致使下部煤層頂板管理難度更大。

圖1 工作面頂板初次斷裂前力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of working face roof before initial fracture

(1)

式中,a為工作面初放前回采長度；b為工作面傾向長度；q為頂板均布載荷。

當(dāng)工作面初采40 m時，假設(shè)工作面傾斜長度分別為120 m和200 m時，彎矩最大值為162.79和170.89，由于8107工作面蓋山厚度小，僅為90 m左右，且上部為刀柱式采空區(qū)，即q值偏小，因此彎矩峰值更小，致使頂板不易垮落。

由上述分析可知，8107工作面頂板為厚層砂巖穩(wěn)定性好，在刀柱式采空區(qū)下受頂板不均勻應(yīng)力影響，同時工作面傾斜長度小、煤層蓋山厚度小，使得工作面初采初放時頂板壓力小，不易垮落，容易形成大面積的懸頂。安平礦因出現(xiàn)過爆破強制放頂發(fā)生過重大安全事故，為此需要采用新的方式解決，確保工作面初采初放安全。

水力壓裂控制技術(shù)以其安全性高、施工速度快、取材便利等優(yōu)勢已經(jīng)在國內(nèi)外煤礦堅硬頂板治理方面進行了大面積的推廣應(yīng)用[6-21]，根據(jù)8107工作面情況，計劃采用水力壓裂弱化頂板強度，使得工作面頂板能夠及時垮落，為此采用數(shù)值計算的方式分析了水力壓裂控制技術(shù)對刀柱式采空區(qū)下堅硬頂板的弱化效果。

根據(jù)安平礦8107工作面建立UDEC離散元數(shù)值計算模型，采放比設(shè)置為1∶2，設(shè)置工作面的走向回采長度為150 m，分步開挖，每次開挖長度為5 m，相當(dāng)于工作面每天開采5 m，上部4-2號煤采用刀柱式開采時在采空區(qū)遺留的煤柱尺寸為5 m，開采尺寸為10 m，建立模型如圖2所示。模型選取圍巖力學(xué)性能參數(shù)表見表1。

圖2 數(shù)值計算模型Fig.2 Numerical computation model

表1 圍巖力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical properties of surrounding rock

模擬方案分為2種：①工作面頂板不進行任何處理，直接回采；②采用水力壓裂弱化頂板，水力壓裂弱化頂板采用激活原生裂隙的方式，根據(jù)實踐經(jīng)驗，在工作面初放時水力壓裂鉆孔一般布置在工作面切眼中，水力壓裂在現(xiàn)場施工過程中鉆孔間距為8～10 m，為此設(shè)計水力壓裂的擴散半徑5 m，在工作面切眼采煤幫上部對頂板進行弱化，弱化寬度10 m，弱化高度30 m，通過上述2種方案分析8107工作面在有、無水力壓裂弱化時頂板初次垮落步距的差異性。

工作面有無水力壓裂弱化時工作面回采20 m和40 m時頂板變形情況如圖3所示。由圖3可以看出，頂板無水力壓裂弱化處理時，工作面回采40 m，工作面頂板無明顯變化，而采用水力壓裂對工作面頂板進行局部弱化后，工作面回采20 m時頂板淺部開始垮落，而當(dāng)工作面回采40 m時，頂板垮落范圍明顯加大，當(dāng)頂板初次垮落后，隨著工作面的回采，頂板在周期性壓力作用下逐步垮落。

圖3 有、無水力壓裂處理對于工作面頂板垮落的影響Fig.3 Effect of hydraulic fracturing treatment with and without hydraulic fracturing treatment on roof caving of working face

3 水力壓裂控制技術(shù)與參數(shù)設(shè)計

目前針對工作面堅硬頂板的處理主要有2種方式：深孔預(yù)裂爆破和水力壓裂技術(shù)，深孔預(yù)裂爆破應(yīng)用廣泛，但由于其采用炸藥，在高瓦斯礦井及淺埋深地區(qū)應(yīng)用受到很多限制，并且在安平礦因采用深孔爆破處理頂板引發(fā)過事故，使用受到限制，而水力壓裂控制技術(shù)成為新的發(fā)展方向。國內(nèi)外學(xué)者針對水力壓裂處理煤礦堅硬頂板處理開展了大量的研究工作，但安平礦8107工作面上部為刀柱式采空區(qū)，其水力壓裂弱化參數(shù)同常規(guī)工作面并不完全一致，不能直接引用，為此針對刀柱式采空區(qū)下8107工作面初次放頂水力壓裂參數(shù)設(shè)計進行如下考量。

(1)采用實鉆方式確定5-1號煤和4-2號煤層層間距，并采用鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)窺視方式分析層間巖層結(jié)構(gòu)分布情況，為水力壓裂參數(shù)選取提供依據(jù)，確定壓裂孔終孔位置距離5-1號煤層頂板的垂直高度為30 m，終孔位置距離4-2號煤采空區(qū)垂直距離5 m左右，防止壓裂水同采空區(qū)貫通。

(2)壓裂過程中采用后退式多分段壓裂技術(shù)，利用跨式鉆孔封隔器[12-13]，逐段封孔，分段壓裂，壓裂分段長度為3 m，距離孔口4 m因受錨桿和錨索孔泄壓影響保壓困難不再壓裂。

(3)壓裂過程采用高位孔和低位孔交叉壓裂，使得弱化面能夠盡可能多地分布在壓裂區(qū)范圍。

基于上述原因及工作面初采初放水力壓裂卸壓經(jīng)驗，設(shè)計8107工作面壓裂參數(shù)為：①壓裂鉆孔(S孔)，鉆孔長度40 m，仰角為50°，采用分段多次壓裂方式，每3 m壓裂1次，距離孔口4 m不壓裂，如圖4(a)所示；②壓裂鉆孔(L孔)，鉆孔長度40 m，仰角為30°，距離孔口4 m不壓裂，如圖4(b)所示；③采用分段多次壓裂方式，利用跨式鉆孔封隔器每3 m壓裂1次，L孔和S孔間距為8 m，與煤壁夾角為90°。

圖4 水力壓裂鉆孔參數(shù)Fig.4 Hydraulic fracturing drilling parameters

4 井下實施效果監(jiān)測

在壓裂過程中采用水壓儀對水力壓裂壓力全程監(jiān)測，同時對頂板的垮落及支架壓力變化狀況進行了監(jiān)測。

(1)壓裂壓力變化。采用水壓儀監(jiān)測壓裂過程中壓力變化情況，如圖5所示，由圖5可以看出，起裂壓力最大可達18 MPa，保壓期間壓力一般維持在12～16 MPa。

(2)頂板垮落情況。現(xiàn)場觀測到8107工作面在工作面推進至15 m時頂頂板出現(xiàn)了塊狀冒落現(xiàn)象，工作面回采長度32 m時，在工作面可見垮落的大塊白砂巖，在可視范圍垮落的頂煤和白砂巖已經(jīng)填充滿采空區(qū)，而臨近的8121工作面在工作面回采30 m時頂煤出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，在工作面推進至50 m位置時開始采用爆破，當(dāng)工作面推采過10 m后頂板仍無垮落，在支架間可見完整頂板懸頂現(xiàn)象，8107工作面頂板初采垮落更為及時。

圖5 水壓儀監(jiān)測曲線Fig.5 Monitoring curve of water pressure gauge

(3)工作面液壓支架最大壓裂曲線變化情況。對8107工作面液壓支架壓力進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計周期為工作面推進3 m和推進38 m，如圖6所示。

圖6 工作面液壓支架最大壓力曲線Fig.6 Maximum pressure curve of hydraulic support on working face

由圖6可知，在推進38 m時，工作面支架最大壓力發(fā)生突變現(xiàn)象，并且38號支架的最大壓力顯示達到60 MPa，而且28號支架和33號支架的最大壓力均超過40 MPa，超過30 MPa的支架總數(shù)為10架，占安裝壓力監(jiān)測支架總數(shù)的66.7%，在14日零點班出現(xiàn)了大面積的頂板垮落現(xiàn)象，而且在14日早班入井可見采空區(qū)已被冒落頂煤和矸石充填，反映出液壓支架壓力顯現(xiàn)同工作面采空區(qū)頂板大面積垮落有關(guān)。

5 結(jié)論

(1)對于刀柱式采空下工作面而言，受頂板圍巖自穩(wěn)性高、工作面傾斜長度小撓度低、蓋山厚度小作用在頂板壓力低等多重地質(zhì)和生產(chǎn)因素影響，工作面初采頂板不易垮落。

(2)刀柱式采空區(qū)下工作面頂板控制難點在于其處于不均勻應(yīng)力作用，在柱體上形成應(yīng)力集中，但在大部分區(qū)域煤炭被采后處于懸頂狀態(tài)，使得下部底板處于應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)交錯分布，加大下部煤層頂板管理難度。

(3)采用水力壓裂對頂板進行弱化，壓裂過程中采用后退式多分段壓裂技術(shù)，壓裂鉆孔采用高位孔和低位孔交叉布置方式，有效解決了刀柱式采空下工作面初次垮落步距長引起的安全問題，取得了良好的效果。