淺埋厚硬頂板特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及控制技術(shù)研究

王 銳，劉前進(jìn)，程 磊，丁維波，馮裕堂，張 震，劉曉剛

(1.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719001；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

榆神礦區(qū)是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地，該區(qū)域煤炭資源賦存豐富、開采條件優(yōu)越，并且具有煤層厚度大、埋藏深度淺、地質(zhì)構(gòu)造簡單、傾角平緩、頂板堅(jiān)硬等特點(diǎn)，非常適合大規(guī)模機(jī)械化開采，誕生了一大批千萬噸級現(xiàn)代化大型礦井。對于厚度8m以下的煤層適宜采用大采高一次采全高開采，而對于厚度10m以上的煤層，綜放開采工藝在開采效率、資源回收率、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面則具有很大優(yōu)勢，例如該地區(qū)的金雞灘煤礦、曹家灘煤礦、千樹塔煤礦、神樹畔煤礦等均采用綜放開采工藝開采特厚煤層，并針對該區(qū)域埋藏深度淺、煤層厚度大、煤質(zhì)堅(jiān)硬、裂隙不發(fā)育、頂煤冒放性較差的特點(diǎn)，普遍采用大采高、小采放比、高阻力支架來增強(qiáng)頂煤的冒放性[1]，目前該地區(qū)綜放開采的最大機(jī)采高度已達(dá)到7.0m，液壓支架最大工作阻力達(dá)到21000kN，單工作面生產(chǎn)能力最大可達(dá)1500萬t/a，基本上代表了我國綜合機(jī)械化放頂煤開采的最高水平。但在淺埋深厚硬頂板條件下，開采強(qiáng)度的大幅提高和一次采出空間的顯著增大也造成工作面頂板活動(dòng)劇烈，礦壓顯現(xiàn)異常強(qiáng)烈，引發(fā)片幫冒頂、支架壓死、設(shè)備損壞乃至人員傷亡等頂板事故，成為制約工作面安全生產(chǎn)的主要因素之一。

我國學(xué)者對于淺埋深大采高工作面強(qiáng)礦壓問題已有大量研究，而對于淺埋深綜放工作面的礦壓規(guī)律和頂板控制技術(shù)研究較少。任艷芳等[2]研究了淺埋深長壁采場切頂壓架災(zāi)害發(fā)生過程中的時(shí)間序列問題，認(rèn)為通過對支架壓力、采動(dòng)應(yīng)力、覆巖應(yīng)變等指標(biāo)的聯(lián)合監(jiān)測與預(yù)警值設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對淺埋采場切頂壓架災(zāi)害的預(yù)測和防治。劉全明等[3]研究了淺埋深條件下覆巖結(jié)構(gòu)對綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響，認(rèn)為在不同基巖厚度下，覆巖形成不同結(jié)構(gòu)特征。尹希文等[4，5]針對淺埋深綜放工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈的問題，采用相似模擬、微震實(shí)測、礦壓監(jiān)測等方法，對淺埋煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)和覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行了研究。樊克松博士[6]以大同礦區(qū)蘆子溝煤礦淺埋深堅(jiān)硬頂板條件下特厚煤層綜放工作面為工程背景，開展了特厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)與地表變形時(shí)空關(guān)系的相關(guān)研究，提出了巖層運(yùn)動(dòng)的“裂縫帶主控層”假說。許永祥博士[7]以榆神礦區(qū)金雞灘煤礦埋深較淺的特厚堅(jiān)硬煤層超大采高綜放開采為背景，研究了特厚堅(jiān)硬煤層超大采高支架-圍巖結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系。楊真等[8-10]以神東某礦綜放工作面為例，研究了淺埋深綜放工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并分析了淺埋深綜放工作面的強(qiáng)礦壓機(jī)理，提出了水壓致裂的頂板弱化措施，取得了良好的應(yīng)用效果。在堅(jiān)硬頂板特厚煤層綜放工作面強(qiáng)礦壓規(guī)律和控制技術(shù)方面，于斌等[11，12]提出了堅(jiān)硬頂板特厚煤層綜放工作面近遠(yuǎn)場覆巖結(jié)構(gòu)模型，實(shí)施了硬巖遠(yuǎn)場地面壓裂和煤巖近場井下承壓爆破預(yù)裂的協(xié)同控頂技術(shù)，取得了較好控制效果。李化敏等[13]建立了特厚煤層大采高綜放采場周期來壓巖層破斷的力學(xué)模型“上位砌體梁-下位倒臺階組合懸臂結(jié)構(gòu)”，認(rèn)為由于高位砌體梁結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)造成了工作面來壓強(qiáng)烈、動(dòng)載明顯、持續(xù)時(shí)間短的礦壓現(xiàn)象?？琢詈５萚14]對極近距采空區(qū)下特厚煤層綜放采場大空間覆巖結(jié)構(gòu)形式及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和覆巖來壓機(jī)理進(jìn)行了研究。李云鵬等[15]以大同礦區(qū)石炭系特厚煤層綜放開采礦井為工程背景開展了礦壓分級理論預(yù)測研究，認(rèn)為不同空間位置堅(jiān)硬巖層具有不同的礦壓控制作用。其他學(xué)者也對淺埋或堅(jiān)硬頂板特厚煤層綜放工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行了研究[16-18]。

以上研究成果為本課題的研究提供了借鑒，但曹家灘礦井特厚煤層綜放工作面在多層厚硬頂板賦存、超大采出空間以及超高強(qiáng)度開采等條件下，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有一定特殊性，強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的頻繁發(fā)生對工作面安全生產(chǎn)造成很大威脅，研究該條件下綜放工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)，對于保障工作面的安全高效開采具有重要意義。

1 工作面概況

122108工作面是曹家灘煤礦12盤區(qū)東翼第2個(gè)回采工作面，南部為設(shè)計(jì)的122110工作面，北部是122106工作面采空區(qū)。工作面傾向長280m，走向回采長度5996m，工作面開采2-2煤層，煤層埋藏深度255～338m，煤層厚度8.47～11.8m，平均10m，傾角0°～5°。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，2-2煤層單軸抗壓強(qiáng)度為17.9～30.8MPa，平均23.89MPa；抗拉強(qiáng)度為0.67～1.08MPa，平均0.92MPa，屬中硬煤層。見表1，煤層直接頂為粉砂巖，厚度2.22～7.61m；基本頂為中粒砂巖，厚度17.52～22.8m。根據(jù)頂板圍巖強(qiáng)度原位測試結(jié)果，10m以上頂板圍巖單軸抗壓強(qiáng)度平均52MPa(圖1)，頂板單層厚度大，致密堅(jiān)硬。

工作面設(shè)計(jì)割煤高度為6.0m，放煤高度平均為4.0m，采放比為1∶0.67，工作面支護(hù)采用ZFY21000/34/63D型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架，支架額定工作阻力為21000kN，支護(hù)強(qiáng)度1.63～1.68MPa，共安裝139臺支架。

表1 煤層頂?shù)装遒x存情況

圖1 煤巖體單軸抗壓強(qiáng)度測試曲線

2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測分析

2.1 工作面周期來壓整體規(guī)律

122108工作面在2020年7月開始回采，直至2022年3月1日回采結(jié)束。借助KJ21礦壓監(jiān)測預(yù)警平臺，對122108工作面自從2021年3月以來的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了跟蹤觀測。工作面正?；夭善陂g一段時(shí)間內(nèi)的支架工作阻力三維云圖如圖2所示，工作面在周期來壓期間礦壓顯現(xiàn)普遍強(qiáng)烈，周期來壓特征顯著，具有來壓動(dòng)載強(qiáng)、來壓持續(xù)時(shí)間長、來壓區(qū)域性明顯、周期性出現(xiàn)強(qiáng)礦壓等特點(diǎn)。在2021年3月11日至11月11日(工作面推進(jìn)距離為2632～4956m)的正?；夭善陂g，共統(tǒng)計(jì)分析周期來壓128次，系統(tǒng)得出了工作面周期來壓規(guī)律。

圖2 122108工作面支架工作阻力

工作面周期來壓步距與來壓持續(xù)距離隨工作面推進(jìn)過程中的分布情況如圖3所示，工作面周期來壓步距在5～64m范圍均有分布，但主要分布在10～25m范圍內(nèi)(圖4、圖5)，平均周期來壓步距18.4m。

圖3 122108工作面周期來壓步距及來壓持續(xù)距離分布

圖4 周期來壓步距頻率分布

圖5 周期來壓持續(xù)距離頻率分布

工作面周期來壓持續(xù)距離主要分布在5～15m范圍，平均持續(xù)來壓距離11.5m。周期來壓來壓持續(xù)距離整體較長，來壓段長度平均約占整個(gè)周期來壓步距的62.5%，工作面長期處于帶壓狀態(tài)。工作面持續(xù)來壓距離與周期來壓步距整體呈現(xiàn)正相關(guān)增長關(guān)系。

動(dòng)載系數(shù)是工作面周期來壓期間支架循環(huán)末阻力與非來壓期間支架循環(huán)末阻力之比，反映了工作面周期來壓強(qiáng)度的大小和工作面頂板運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，122108工作面推進(jìn)過程中周期來壓平均動(dòng)載系數(shù)分布如圖7所示。統(tǒng)計(jì)工作面周期來壓平均動(dòng)載系數(shù)分布在1.33～1.66之間，并主要分布在1.4～1.6范圍內(nèi)，平均1.45，工作面來壓期間支架最大壓力平均達(dá)到48.3MPa，工作面周期來壓整體較為強(qiáng)烈。

圖6 工作面推進(jìn)過程中周期來壓動(dòng)載系數(shù)分布

圖7 動(dòng)載系數(shù)頻率分布

工作面周期來壓期間支架工作阻力在工作面傾向方向的分布如圖8所示，由圖8可知，工作面來壓區(qū)域性明顯，來壓區(qū)域主要分布在工作面中上部的35#—125#架范圍，其中50#—110#支架范圍是來壓最為頻繁和顯著的區(qū)域，而在工作面兩端頭區(qū)域基本不受來壓影響。

圖8 工作面周期來壓期間支架壓力分布

2.2 大周期強(qiáng)動(dòng)載來壓規(guī)律

122108工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有比較明顯的大小周期現(xiàn)象，強(qiáng)動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)一般發(fā)生在大周期來壓期間。工作面每間隔3～14次(平均7.5次)小周期來壓之后，會出現(xiàn)一次大周期來壓，大周期來壓間距為54.5～255m不等，平均135m；大周期來壓期間的周期來壓步距為14.6～64m，平均為26.4m；周期來壓持續(xù)距離為5.4～60.8m，平均為18.2m；大周期來壓動(dòng)載系數(shù)為1.38～1.64，平均為1.48；大周期來壓期間工作面會出現(xiàn)支架安全閥大范圍、多個(gè)循環(huán)持續(xù)開啟的現(xiàn)象(支架安全閥開啟比例平均達(dá)到56.71%)，并伴隨支架活柱持續(xù)性的快速下縮。工作面大周期來壓時(shí)中部支架(60#—110#)的累計(jì)下縮量平均為794mm，支架最大下縮量平均為1087mm，其中2021年6月6日強(qiáng)動(dòng)載來壓時(shí)，支架最大下縮量達(dá)到2.0m(圖9)。

圖9 6月6日強(qiáng)動(dòng)載周期來壓期間工作面采高變化曲線

122108工作面大、小周期來壓特征對比統(tǒng)計(jì)見表2，工作面大周期來壓相比小周期來壓，具有來壓步距更大、來壓持續(xù)距離更長、動(dòng)載更強(qiáng)、影響范圍更廣等特點(diǎn)，對工作面安全生產(chǎn)威脅更大，工作面需要重點(diǎn)防范的主要為強(qiáng)動(dòng)載來壓。如2021年6月6日13點(diǎn)30分，工作面35#—90#架瞬間來壓，支架采高由5.6m迅速降到3.7m左右，并導(dǎo)致工作面局部漏頂，采煤機(jī)無法通行，其中70#—75#架立柱油缸無行程，73#支架壓死；強(qiáng)動(dòng)載來壓影響總時(shí)長約46h。

表2 122108工作面大、小周期來壓特征對比統(tǒng)計(jì)

3 堅(jiān)硬頂板區(qū)域壓裂控制技術(shù)

工作面上覆堅(jiān)硬頂板是工作面發(fā)生強(qiáng)礦壓的力源，為從根本上解決強(qiáng)礦壓問題，必須要對工作面上覆堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化處理。曹家灘煤礦在122108工作面剩余1000m試驗(yàn)了井下定向水平長鉆孔區(qū)域壓裂技術(shù)，對堅(jiān)硬頂板采取超前預(yù)裂。如圖10所示，根據(jù)壓裂試驗(yàn)區(qū)域鄰近的補(bǔ)53號地質(zhì)鉆孔資料，煤層上方堅(jiān)硬巖層依次為22.8m厚中粒砂巖和12.7m厚的細(xì)粒砂巖，確定壓裂目標(biāo)層位分別為10m、23m和38m。

圖10 補(bǔ)53鉆孔柱狀

工作面區(qū)域壓裂施工配備ZDY15000LD型大功率定向鉆機(jī)(額定轉(zhuǎn)矩15000N·m，功率132kW)和大流量高壓泵(功率500kW，流量1.5m3/min)，采用井下定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)。在工作面輔運(yùn)巷聯(lián)巷、回風(fēng)巷和主回撤通道分別布置鉆場，井下共設(shè)置6個(gè)鉆場，鉆孔總進(jìn)尺達(dá)17958m，單孔長度超過500m。工作面區(qū)域壓裂技術(shù)參數(shù)見表3。區(qū)域壓裂鉆孔布置在對工作面內(nèi)部三個(gè)關(guān)鍵層位實(shí)施有效壓裂的同時(shí)，對工作面運(yùn)輸巷和輔運(yùn)巷之間的區(qū)段煤柱上方堅(jiān)硬頂板實(shí)施壓裂，提前解除下一個(gè)相鄰工作面的側(cè)向支承壓力，有利于緩解下一工作面動(dòng)壓巷道的維護(hù)難度。

圖11 122108工作面區(qū)域壓裂鉆孔布置

表3 122108工作面區(qū)域壓裂技術(shù)參數(shù)

在壓裂工程實(shí)施后，通過對比壓裂前后工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對區(qū)域壓裂效果進(jìn)行了評價(jià)。如圖12所示，通過與壓裂前大周期來壓特征相比，壓裂后工作面大周期來壓步距平均由27.6m縮短為22.7m，來壓持續(xù)距離平均由18.2m縮短為11.7m，平均動(dòng)載系數(shù)由1.48縮小為1.40，最大頂板下沉量由2.0m減小為1.1m?？梢妼ぷ髅鎴?jiān)硬頂板實(shí)施區(qū)域壓裂對于減小周期來壓步距和來壓持續(xù)距離，減弱來壓強(qiáng)度均有顯著作用，區(qū)域壓裂后，工作面未再發(fā)生頂板快速下沉的強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，頂板來壓更加可控。曹家灘煤礦122108工作面井下定向長鉆孔區(qū)域壓裂的成功應(yīng)用，對于榆神礦區(qū)淺埋厚硬頂板工作面強(qiáng)礦壓治理也具有重要借鑒意義。

圖12 區(qū)域壓裂前后大周期來壓特征對比

另外，在實(shí)施區(qū)域壓裂后，工作面支架工況也得到明顯改善：①支架工作阻力分布方面：在實(shí)施區(qū)域壓裂前，支架18000～22000kN的高阻力區(qū)間占比平均達(dá)到23.13%，支架長時(shí)間處于高阻力工作狀態(tài)；壓裂后，18000～22000kN的高阻力區(qū)間占比下降為17.24%，而12000～16000kN的理想工作阻力區(qū)間占比則由45.61%提升至72.83%(見圖13)，支架工作阻力分布更加合理。②不保壓情況：在實(shí)施區(qū)域壓裂前，由于工作面強(qiáng)動(dòng)載現(xiàn)象頻發(fā)，支架立柱受沖擊損壞嚴(yán)重，支架不保壓率平均達(dá)到16.1%；壓裂后，工作面支架不保壓率分布在0.7%～10%之間，平均4.4%(圖14)，支架不保壓率顯著降低，支架工作狀態(tài)得到了顯著改善。

圖13 工作面壓裂前后支架工作阻力整體頻率分布對比

圖14 壓裂前后工作面支架不保壓情況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

1)淺埋厚硬頂板特厚煤層綜放工作面周期來壓礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，周期來壓步距主要分布在10～25m，平均18.4m，來壓持續(xù)距離主要分布在5～15m，平均11.5m，動(dòng)載系數(shù)主要分布在1.4～1.6，平均1.45，來壓主要影響范圍35#—125#支架；具有來壓動(dòng)載強(qiáng)、來壓持續(xù)時(shí)間長、來壓區(qū)域性明顯、周期性出現(xiàn)強(qiáng)礦壓等特點(diǎn)。

2)工作面具有明顯的大小周期來壓現(xiàn)象，強(qiáng)動(dòng)載來壓主要發(fā)生在大周期來壓期間。工作面平均每間隔135m出現(xiàn)一次大周期來壓，大周期來壓具有來壓步距更大、來壓持續(xù)距離更長、動(dòng)載更強(qiáng)、影響范圍更大等特點(diǎn)，往往伴隨支架安全閥大范圍、多循環(huán)持續(xù)開啟以及支架立柱持續(xù)下縮等強(qiáng)動(dòng)載現(xiàn)象。

3)在122108工作面剩余1000m范圍試驗(yàn)了井下定向水平長鉆孔區(qū)域壓裂技術(shù)，對工作面上方堅(jiān)硬頂板實(shí)施超前預(yù)裂，壓裂后工作面大周期來壓步距平均由27.6m縮短為22.7m，來壓持續(xù)距離平均由18.2m縮短為11.7m，平均動(dòng)載系數(shù)由1.48縮小為1.40，最大頂板下沉量由2.0m減小為1.1m；區(qū)域壓裂后，工作面未再發(fā)生頂板快速下沉的強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，頂板來壓更加可控，支架工況得到明顯改善。