礦山堅(jiān)硬頂板切頂卸壓技術(shù)研究

張利東

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪礦，山西 太原030053）

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，但賦存條件較為復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)約7成的煤層存在堅(jiān)硬頂板問(wèn)題，堅(jiān)硬頂板是指煤層頂板由砂巖石灰?guī)r等巖性較強(qiáng)的煤層組成。堅(jiān)硬頂板由于較難發(fā)生垮落極易形成懸頂，大面積的懸頂一旦發(fā)生垮落極易形成沖擊災(zāi)害。同時(shí)在留煤柱開(kāi)采的礦山，大面積的懸頂造成工作面圍巖變形嚴(yán)重，使得護(hù)巷煤柱的尺寸增加，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。在留煤柱開(kāi)采的礦山，大面積的懸頂造成巷道圍巖變形嚴(yán)重，加大巷道的維護(hù)成本。所以對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行及時(shí)的切頂卸壓是治理堅(jiān)硬頂板問(wèn)題的重要技術(shù)手段[1，2]。目前針對(duì)堅(jiān)硬頂板的切頂卸壓主要包括爆破切頂卸壓、水力壓裂切頂卸壓及聚能爆破切頂卸壓，由于我國(guó)提出綠色開(kāi)采的口號(hào)，所以水力壓裂成為了礦山切頂卸壓的主要技術(shù)手段，此前我國(guó)眾多學(xué)者對(duì)水力壓裂進(jìn)行過(guò)一定的研究[3]。本文以杜兒平礦62709工作面為研究背景，對(duì)不同壓裂參數(shù)下砂巖頂板的壓裂情況進(jìn)行分析，為杜兒坪礦堅(jiān)硬頂板的治理提供一定依據(jù)，為類(lèi)似問(wèn)題的礦山治理提一定的借鑒。

1 礦井概況與模型建立

西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪礦（全文簡(jiǎn)稱(chēng)杜兒坪礦）62709工作面煤層厚度為1.0～2.5 m，煤層平均厚度為1.93 m，煤層的傾角為2°～9°，平均傾角為5°，煤層埋深560 m，工作面走向長(zhǎng)度為1 127 m，巷道的頂板較為堅(jiān)硬，所以需要對(duì)回采工作面進(jìn)行切頂卸壓，保證回采工作的順利進(jìn)行。

首先為了研究切頂卸壓參數(shù)對(duì)卸壓效果的影響，本文建立二維砂巖模型，進(jìn)行定向水力壓裂，通過(guò)分析不同預(yù)制裂縫角、不同預(yù)制裂縫長(zhǎng)度及不同鉆孔直徑下砂巖起裂的起裂壓力、裂縫張開(kāi)度等進(jìn)行研究，首先進(jìn)行模擬模型建立。

首先建立長(zhǎng)寬高分別為500 mm×500 mm×1 mm的模型，在模型的中心位置進(jìn)行預(yù)制鉆孔，鉆孔的圓心為模型的中心，在建模過(guò)程引起cohesive單元，cohesive單元是一種虛擬單元，其不具有力學(xué)屬性，在鉆孔上利用cohesive單元進(jìn)行預(yù)制裂縫的建立，完成模型結(jié)構(gòu)建立后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，由于本次模擬劃分網(wǎng)格時(shí)在鉆孔壁附近為應(yīng)力及變形的集中區(qū)域，所以對(duì)模型的鉆孔附近進(jìn)行細(xì)化分，在其余位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇只?dāng)模型網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，限制模型XY方向的位移，所以在模型的上下左右進(jìn)行固定約束設(shè)置。對(duì)模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)砂巖的實(shí)際力學(xué)參數(shù)對(duì)模型的彈性模量、泊松比、滲透率、泄漏系數(shù)、斷裂韌度及允許最大位移等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。完成上述設(shè)置后對(duì)模型的應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況設(shè)置Z方向的垂直應(yīng)力為10 MPa，所以在模型的左右及上下各施加6 MPa和8 MPa的均布載荷，方向均為指向鉆孔圓心，完成模型的建立，模型示意圖如1所示。

圖1 二維模型示意圖

2 數(shù)值模擬計(jì)算

對(duì)不同預(yù)制裂縫角下模型的起裂壓力、裂縫張開(kāi)度進(jìn)行研究，選定預(yù)制裂縫角分別為15°、30°、45°、60°、75°及90°，起裂壓力及裂縫張開(kāi)度隨預(yù)制裂縫角的變化曲線如圖2所示。

圖2 壓裂參數(shù)隨預(yù)制裂縫角變化曲線圖

從圖2-1起裂壓力隨預(yù)制裂縫角變化曲線可以看出，隨著預(yù)制裂縫角的增大，砂巖的起裂壓力呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)預(yù)制裂縫角為15°時(shí)，此時(shí)砂巖的起裂壓力為13.2 MPa；當(dāng)預(yù)制裂縫角為30°時(shí)，此時(shí)砂巖的起裂壓力為14.1 MPa，較預(yù)制裂縫角15°增大了0.9 MPa；當(dāng)預(yù)制裂縫角為45°時(shí)，此時(shí)砂巖的起裂壓力為14.8 MPa，較預(yù)制裂縫角15°增大了1.6 MPa；當(dāng)預(yù)制裂縫角為60°時(shí)，此時(shí)砂巖的起裂壓力為15.6 MPa，較預(yù)制裂縫角15°增大了2.4 MPa；當(dāng)預(yù)制裂縫角為75°時(shí)，此時(shí)砂巖的起裂壓力為16.2 MPa，較預(yù)制裂縫角15°增大了3 MPa；當(dāng)預(yù)制裂縫角為90°時(shí)，此時(shí)砂巖的起裂壓力為16.8 MPa，較預(yù)制裂縫角15°增大了3.6 MPa。這是由于隨著預(yù)制裂縫角的增大，最大水平主應(yīng)力與預(yù)制裂縫的夾角越大，最大水平主應(yīng)力對(duì)預(yù)制裂縫尖端的起裂限制作用越強(qiáng)，巖石沿著預(yù)制裂縫起裂的難易程度增加，砂巖的起裂壓裂增加。觀察圖2-2裂縫張開(kāi)度隨預(yù)制裂縫角變化曲線可以看出，隨著預(yù)制裂縫角的增大，砂巖起裂后的裂縫張開(kāi)度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，預(yù)制裂縫角15°、30°、45°、60°、75°及90°的裂縫張開(kāi)度分別為0.100 mm、0.108 mm、0.150 mm、0.118 mm、0.121 mm和0.125 mm。這是由于隨著預(yù)制裂縫角的增大，砂巖的起裂壓裂增大，鉆孔內(nèi)部?jī)?nèi)量的聚集越多，在砂巖沿預(yù)制裂縫尖端起裂瞬間能量釋放的也就越多，釋放的能量用于裂縫的擴(kuò)展與裂縫的張開(kāi)，所以裂縫的張開(kāi)度隨著預(yù)制裂縫角的增大而增大。

對(duì)不同預(yù)制裂縫長(zhǎng)度模型的起裂壓力、裂縫張開(kāi)度進(jìn)行研究，選定預(yù)制裂縫長(zhǎng)度分別為5 mm、8 mm、10 mm、12 mm和15 mm起裂壓力及裂縫張開(kāi)度隨預(yù)制裂縫長(zhǎng)度的變化曲線如圖3所示。

圖3 壓裂參數(shù)隨預(yù)制裂縫長(zhǎng)度變化曲線圖

觀察圖3-1砂巖起裂壓力隨預(yù)制裂縫長(zhǎng)度變化曲線可以看出，隨著預(yù)制裂縫長(zhǎng)度的增大，砂巖的起裂壓力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，預(yù)制裂縫長(zhǎng)度5 mm、8 mm、10 mm、12 mm、15 mm的起裂壓力分別為15.5 MPa、15.2 MPa、14.8 MPa、14.2 MPa，13.4 MPa。這是由于隨著預(yù)制裂縫長(zhǎng)度的增大，預(yù)制裂縫尖端附近的應(yīng)力集中更加明顯，裂縫沿著預(yù)制裂縫尖端起裂需要的起裂壓力越低。觀察圖3-2裂縫張開(kāi)度隨預(yù)制裂縫長(zhǎng)度變化曲線可以看出，隨著預(yù)制裂縫長(zhǎng)度的增大，砂巖起裂的裂縫張開(kāi)度逐步減小，預(yù)制裂縫長(zhǎng)度5 mm、8 mm、10 mm、12 mm、15 mm的裂縫張開(kāi)度分別為0.118 mm、0.117 mm、0.115 mm、0.111 mm，0.109 mm。這是由于隨著預(yù)制裂縫長(zhǎng)度的增大，巖石的起裂壓力減小，巖石瞬間釋放的能量也就越小，所以裂縫的張開(kāi)度逐步減小[5]。

對(duì)不同鉆孔直徑模型的起裂壓力進(jìn)行研究，選定鉆孔直徑分別為25 mm、30 mm、40 mm、50 mm起裂壓力隨鉆孔直徑的變化曲線，隨著鉆孔直徑的增大，砂巖的起裂壓力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，鉆孔直徑為25 mm、30 mm、40 mm、50 mm的起裂壓力分別為14.8 MPa、14.2 MPa、13.8 MPa、13.4 MPa。這是由于隨著鉆孔直徑的增大，鉆孔壁的應(yīng)力集中更加明顯，應(yīng)力在鉆孔壁附近重新分布，起裂壓力隨鉆孔直徑的增大而減小。

3 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)砂巖定向水力壓裂進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)制裂縫角的增大，砂巖起裂需要的起裂壓力越大，裂縫起裂的裂縫張開(kāi)度越大。

2）通過(guò)對(duì)砂巖定向水力壓裂進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)制裂縫長(zhǎng)度的增大，砂巖起裂需要的起裂壓力減小，裂縫起裂的裂縫張開(kāi)度減小。

3）通過(guò)對(duì)不同鉆孔直徑下砂巖的起裂壓力進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著鉆孔直徑的增大，巖石的起裂壓力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。