綜采工作面過上覆房采區(qū)頂板管理措施研究

朱云龍，高建勇

(國家能源集團(tuán)神東柳塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

近距離煤層群開采時，上部煤層開采通常會不可避免遺留部分受保護(hù)的、不可采的煤柱，當(dāng)開采下部煤層時，上覆遺留煤柱的存在勢必會形成高應(yīng)力區(qū)，對下方工作面造成威脅[1-4]，通常此條件下回采工作面礦壓顯現(xiàn)異常強(qiáng)烈，回采難度較大且易發(fā)生大面積壓架事故[5-11]。眾多學(xué)者也針對此問題進(jìn)行了系列研究，陳蘇社[12-13]在解決特殊地質(zhì)條件下綜采工作面頂板大面積垮落、過空巷支護(hù)困難等頂板控制難題過程中，采取了工作面超深爆破強(qiáng)制放頂?shù)募夹g(shù)及回采期間架后懸頂處理技術(shù)等措施，有效控制了頂板事故的發(fā)生；鞠金峰等[14-16]對近距離煤層工作面在推出上覆遺留煤柱過程中普遍出現(xiàn)的壓架災(zāi)害原因進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的防治對策；王永軍[17]對神東集團(tuán)上灣煤礦回采工作面過上層煤集中煤柱礦壓規(guī)律進(jìn)行了詳盡分析，并通過實(shí)際手段一定程度上掌握了頂板壓力變化情況；田臣等[18]對神東集團(tuán)榆家梁煤礦綜采工作面過上覆集中煤柱及采空區(qū)過程中出現(xiàn)的冒頂事故原因進(jìn)行了分析，得出上覆房采區(qū)集中煤柱和采空區(qū)的存在導(dǎo)致下部工作面出現(xiàn)次生頂板結(jié)構(gòu)，上覆煤柱及采空區(qū)的失穩(wěn)破壞形成動載礦壓使得下方工作面發(fā)生大面積冒頂事故，并通過集中爆破上覆煤柱的技術(shù)手段預(yù)防了該問題。

上述研究在對近距離煤層下部煤層開采過程中出現(xiàn)的諸多工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題不同程度上進(jìn)行了闡述，通過不同的觀測手段對相似條件下工作面礦壓規(guī)律變化進(jìn)行了總結(jié)，并各自提出了不同的回采強(qiáng)礦壓應(yīng)對措施。但關(guān)于近距離煤層開采過程中，下部工作面經(jīng)過上覆采空區(qū)不同空間位置時的工作面礦壓規(guī)律仍沒有較細(xì)致的研究，工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的突出區(qū)域尚未有明確研究結(jié)果，且在預(yù)防強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)、控制頂板的措施中僅有籠統(tǒng)概括，沒有針對性預(yù)防手段。對此，本文以柳塔煤礦22煤層22101綜采工作面為研究對象，針對其在回采過上覆近距離房采采空區(qū)及遺留集中煤柱時發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)、煤壁片幫、支架下沉壓死等現(xiàn)象，綜合現(xiàn)場實(shí)測、理論分析、數(shù)值模擬等方法對工作面來壓異常原因及礦壓規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用得知，通過實(shí)施水力壓裂提前弱化頂板的方式能夠有效解決工作面異常來壓的問題，同時為礦井后續(xù)工作面安全生產(chǎn)提供了一定的指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 工作面布置概況

柳塔煤礦22101工作面為該礦井22煤層一盤區(qū)第二個綜采工作面(平均厚度為3.0 m，傾角1°～3°)，布置長度235.0 m，設(shè)計(jì)推進(jìn)長度1 624.9 m，采高3.0 m，該工作面切眼布置在上部12煤層12111綜采工作面采空區(qū)下方，沿走向推進(jìn)41 m后進(jìn)入12111工作面主輔回撤煤柱，煤柱寬度30 m，隨后依次進(jìn)入12煤層EⅡ305房采采空區(qū)～EⅡ311房采采空區(qū)(包括老采空區(qū)集中煤柱和原12煤層巷道保護(hù)煤柱)，22煤層與12煤層間距25～30 m，工作面具體布置情況如圖1所示，22101工作面與12111工作面位置關(guān)系圖如圖2所示。

圖1 工作面布置情況Fig.1 Layout of working face

圖2 22101工作面與12111工作面位置關(guān)系圖Fig.2 Position relation diagram of 22101 working face and 12111 working face

1.2 工作面來壓情況

由于近距離煤層群開采的特點(diǎn)，下部煤層開采時受上覆房采區(qū)集中煤柱影響較大，工作面回采過上覆集中煤柱期間通常礦壓顯現(xiàn)異常強(qiáng)烈，極易發(fā)生局部冒頂、壓架等事故。結(jié)合工作面布置情況，22101綜采工作面上部存在不規(guī)則房采采空區(qū)且房采區(qū)未全部垮落，該工作面回采以來共有兩次來壓異常現(xiàn)象，均為房采采空區(qū)超前工作面垮落，同時期間發(fā)生部分支架安全閥開啟、立柱下沉、壓死等現(xiàn)象，期間地表突然長距離超前工作面出現(xiàn)范圍塌陷，來壓強(qiáng)度較大，嚴(yán)重制約礦井安全生產(chǎn)。

2 礦壓異常分析

2.1 礦壓規(guī)律分析

22101工作面共計(jì)采用130臺ZY12000/18/35D型支撐掩護(hù)式電液控制支架進(jìn)行支護(hù)，同時機(jī)頭配置3臺ZYT12000/18/35D型端頭支架和1臺ZYG12000/18/35D型過渡支架，機(jī)尾配置4臺ZYT12000/18/35D型端頭液壓支架和1臺ZYG12000/18/35D型過渡支架。根據(jù)上覆房采區(qū)條件下工作面支架壓力數(shù)據(jù)報(bào)告可知：當(dāng)在上覆煤體下回采時，工作面來壓正常，支架壓力值保持在30～45 MPa，安全閥基本未開啟，未出現(xiàn)立柱下沉現(xiàn)象；當(dāng)在上覆采空區(qū)回采時，工作面支架壓力值在29～46 MPa，立柱安全閥開啟率為5%～10%，個別立柱有100～200 mm的下沉量；當(dāng)工作面由上覆集中煤柱進(jìn)入房采采空區(qū)回采時，支架壓力出現(xiàn)整體突然增大現(xiàn)象，最大壓力值達(dá)到52 MPa，壓力顯現(xiàn)十分強(qiáng)烈，多數(shù)立柱安全閥開啟，部分支架甚至壓死，工作面煤壁片幫、炸幫深度達(dá)到300～600 mm。

2.2 煤柱失穩(wěn)分析

綜合上述礦壓規(guī)律分析及22101工作面布置特點(diǎn)，發(fā)生工作面來壓異常、支架下沉壓死的主要原因?yàn)樯细裁褐鶓?yīng)力集中，加之受下部22煤層采動影響發(fā)生失穩(wěn)，導(dǎo)致老頂大面積超前垮落出現(xiàn)垂直應(yīng)力疊加，而煤柱失穩(wěn)是導(dǎo)致老頂出現(xiàn)超前破斷的主要因素。

22煤層回采期間，一方面上覆房采區(qū)基本頂在集中煤柱邊界發(fā)生破斷形成了砌體梁式鉸接結(jié)構(gòu)(圖3)，基本頂一端與集中煤柱上覆巖塊鉸接在一起，另一端與采空區(qū)已垮落巖塊鉸接在一起，形成了臨時的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)并承擔(dān)上覆巖層的載荷。

A-左側(cè)采空區(qū)引起支承壓力區(qū)；B-疊加后煤柱上的支承壓力區(qū)；C-右側(cè)采空區(qū)引起支承壓力區(qū)；D、E、F為基本頂巖塊 圖3 砌體梁式鉸接結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of masonry beam type hinged structure

另一方面，由于煤柱在采空區(qū)形成了孤立體，即可能承受來自采空區(qū)多個方向引起的支承壓力形成高應(yīng)力區(qū)，同時，當(dāng)22101工作面遞出上覆集中煤柱時，隨著基本頂巖塊E破斷垮落，上覆集中煤柱受到破壞或平衡鉸接結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，則其積聚能量將釋放并傳遞到22煤層，這樣兩層煤頂板應(yīng)力發(fā)生疊加形成較大的動載礦壓，若液壓支架工作阻力不能滿足要求，將導(dǎo)致壓架事故發(fā)生。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

依據(jù)柳塔煤礦22101工作面煤層頂?shù)装鍖?shí)際賦存特征及綜合地層分布情況建立GDEM模型，GDEM模型是以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法CDEM(continuum-based discrete element method)為基礎(chǔ)，以高性能圖形處理器(GPU)為依托的一項(xiàng)力學(xué)分析軟件。設(shè)計(jì)模型尺寸為長×寬=130 m×30 m，模擬以工作面過上覆垂直集中煤柱為例，研究其破壞失穩(wěn)機(jī)制。為簡化模型求解，建立二維模型進(jìn)行求解，模型中回采工作面沿X方向推進(jìn)回采，限制模型Y方向位移，同時為了更清楚地分析工作面遞出上覆煤柱時基本頂垂直破斷演化特征，本次數(shù)值模擬可忽略力學(xué)參數(shù)取值中所造成的差異，22煤層頂?shù)装逄卣饕姳?，本次模擬中煤層及頂?shù)装甯鲙r層力學(xué)參數(shù)取值見表2。

3.2 工作面頂板破壞規(guī)律分析

如圖4所示，在22101工作面推進(jìn)且經(jīng)過上覆煤柱期間，回采面處于不同位置時其頂板破壞特征不盡相同。當(dāng)回采面距上覆煤柱10 m時，頂板上方巖層未發(fā)生剪切破斷，整體應(yīng)力較小；當(dāng)回采面推進(jìn)至距煤柱5 m時，煤壁處基本頂上方巖層開始發(fā)生剪切破壞，此時工作面上方應(yīng)力明顯增大，說明上覆煤柱受采動影響出現(xiàn)塑性破壞，應(yīng)力不斷釋放并向下轉(zhuǎn)移，從而造成工作面頂板應(yīng)力增大；當(dāng)回采面距煤柱0 m即開始進(jìn)入煤柱正下方時， 基本頂上方整體巖層發(fā)生剪切破壞，破壞面積和應(yīng)力較之前顯著增大，頂板破壞區(qū)域超前于工作面；當(dāng)工作面推出煤柱5 m后，基本頂應(yīng)力釋放。

表1 煤層頂?shù)浊闆rTable 1 Top and bottom of coal seam

表2 煤層及頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)表Table 2 Mechanical parameter table of coal seam and roof and floor

圖4 工作面經(jīng)過煤柱期間頂板破壞特征Fig.4 Roof failure characteristics during working face passing through coal pillars

圖5 工作面遞出煤柱過程頂板豎向應(yīng)力曲線圖Fig.5 Vertical stress curve of roof in coal pillar process

根據(jù)模擬結(jié)果可知(圖5)，工作面在上覆集中煤柱正下方推進(jìn)過程中，當(dāng)距出煤柱10 m時，頂板未發(fā)生大面積剪切破壞，但應(yīng)力有上升趨勢；當(dāng)距出煤柱5 m時，頂板發(fā)生剪切破壞且應(yīng)力上升較快；當(dāng)距出煤柱0 m即工作面即將進(jìn)入上覆采空區(qū)時，應(yīng)力達(dá)到峰值。這說明工作面在出上覆煤柱過程中煤柱失去支撐作用，上覆巖體整體垮落，給工作面頂板造成巨大的沖擊，工作面頂板折斷后巖石應(yīng)變能量短時間內(nèi)釋放，之后工作面逐漸遠(yuǎn)離上覆煤柱進(jìn)入采空區(qū)的過程中，頂板應(yīng)力才得到釋放，應(yīng)力逐步降低。

4 集中煤柱下回采應(yīng)對措施

針對柳塔礦下伏22煤層開采過程受上覆老房采區(qū)遺留煤柱集中應(yīng)力影響，工作面發(fā)生礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、圍巖過渡變形、煤壁片幫、支架壓死等現(xiàn)象，提出定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)以解決上述問題。對于受上覆煤柱結(jié)構(gòu)影響的工作面礦壓控制，采用水力壓裂的方法對煤柱或煤柱上下堅(jiān)硬巖層進(jìn)行壓裂，可以從根本上解決煤柱處的應(yīng)力集中和煤柱失穩(wěn)時的能量釋放強(qiáng)度，高壓水壓壓裂作為新型弱化煤巖體強(qiáng)度的方法，目前在國內(nèi)外逐漸被廣泛推廣并應(yīng)用[13]。

4.1 水力壓裂鉆孔布置

水力壓裂鉆孔布置的合理性、鉆孔質(zhì)量控制、鉆孔軌跡控制等均直接影響壓裂的最終效果，針對22101回采工作面上覆煤層的遺留方式和巷道煤柱強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題位置，結(jié)合工作面目前的回采情況、頂板煤層賦存特征及上覆12煤層房采區(qū)遺留煤柱分布情況，分別在22101工作面集中膠帶運(yùn)輸巷13聯(lián)巷、21聯(lián)巷、29聯(lián)巷內(nèi)累計(jì)布置三組頂板長鉆孔鉆場，每組鉆場分別布置三道鉆孔，設(shè)計(jì)鉆孔孔徑為96 mm，單孔長度400～600 m，累計(jì)長度約4 500 m，鉆孔均采取平均布置法，孔間距為60 m，設(shè)計(jì)鉆孔壓裂目標(biāo)層位為頂板砂巖層，鉆孔平面布置如圖6所示。通過高壓水預(yù)裂弱化上覆煤柱高應(yīng)力集中區(qū)，促使頂板超前垮落，可對煤柱下方和邊界處位置形成有利支撐。

圖6 水力壓裂鉆孔布置平面示意圖Fig.6 Schematic diagram of the layout of hydraulic fracturing boreholes

4.2 分段水力壓裂施工

完成頂板定向長鉆孔水力壓裂鉆孔布置設(shè)計(jì)后，采用分段注入高壓清水的方式進(jìn)行頂板預(yù)裂施工，頂板分段水力壓裂施工主要包括壓裂準(zhǔn)備階段、封孔試壓階段、高壓注水分段壓裂階段和停泵回收工具階段。為達(dá)到有效弱化頂板的目的，首先對鉆孔終端頭第一段范圍內(nèi)巖體進(jìn)行壓裂施工，當(dāng)完成第一段壓裂施工后，關(guān)閉壓裂孔口壓裂泵注設(shè)備并進(jìn)行孔口排水卸壓，再利用定向鉆機(jī)拖動孔口高壓管至設(shè)計(jì)位置，即出水口到達(dá)設(shè)計(jì)第二段壓裂位置開始第二段壓裂施工，之后依次完成后續(xù)所有設(shè)計(jì)施工段的壓裂施工，具體分段水力壓裂施工平面示意圖如圖7所示。考慮到本次水力壓裂目標(biāo)層砂巖層平均吸水率約3.9%，按照壓裂半徑及巖層吸水量設(shè)計(jì)單段注水量為35～40 m3，即單孔注水量約為400 m3。

圖7 分段水力壓裂施工平面示意圖Fig.7 Schematic diagram of staged hydraulic fracturing construction

4.3 水力壓裂工程效果分析

通過采用定向長鉆孔分段高壓水水力壓裂技術(shù)進(jìn)行22101工作面頂板超前弱化后，根據(jù)工作面遞進(jìn)上覆房采采空區(qū)礦壓顯現(xiàn)情況可知，工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)較之前未采取治理措施時整體較弱，工作面周期來壓步距減小，且來壓規(guī)律性不強(qiáng)，頂板壓力相對能夠分散作用在支架上，僅有個別支架立柱安全閥開啟，立柱整體下沉量顯著降低且未有支架壓死的情況。

表3為工作面在采取水力壓裂措施前后液壓支架阻力實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，由表3可知，通過回采前水力壓裂提前弱化、卸壓頂板后，工作面整體支架阻力明顯降低，說明所實(shí)踐的定向長鉆孔分段水力壓裂施工能夠真實(shí)有效地降低回采來壓強(qiáng)度，解決因近距離上覆集中煤柱形成的應(yīng)力集中及煤柱失穩(wěn)能量沖擊問題，保證回采作業(yè)安全。

表3 不同條件下支架阻力監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of stent resistance monitoring data under different conditions 單位：kN

5 結(jié) 論

1) 據(jù)礦壓監(jiān)測分析，22101工作面在由上覆集中煤柱進(jìn)入房采采空區(qū)回采期間，工作面壓力顯現(xiàn)十分強(qiáng)烈，煤壁片幫嚴(yán)重，多數(shù)支架立柱下沉明顯，安全閥開啟率較高。

2) 結(jié)合礦壓規(guī)律分析，22101工作面在由上覆集中煤柱進(jìn)入房采采空區(qū)回采期間來壓強(qiáng)烈的主要原因?yàn)樯细裁褐鶓?yīng)力集中，且受采動影響煤柱發(fā)生失穩(wěn)導(dǎo)致多重應(yīng)力疊加。

3) 根據(jù)數(shù)值模擬分析，房采區(qū)下部工作面逐步靠近上覆煤柱推進(jìn)期間，頂板整體應(yīng)力逐漸提高，且在推出煤柱時應(yīng)力達(dá)到峰值，當(dāng)工作面遞出煤柱5 m后應(yīng)力得到釋放。

4) 通過實(shí)施定向長鉆孔分段水力壓裂提前弱化卸壓頂板的方式，能夠有效地解決上覆近距離集中煤柱條件下回采工作面來壓強(qiáng)烈的問題，保證了回采作業(yè)安全。