采場頂板垮落特征監測分析及其結構弱化卸壓實踐研究

溫雙武

(國家能源集團 寧夏煤業有限責任公司,寧夏 銀川 750000)

“砌體梁”假說建立了采場“橫三區、豎三帶”的結構模型,按照“巖梁”假設給出了采場頂板裂縫的形成、貫穿和“砌體”的形成條件[1-2]。“傳遞巖梁”理論發現了支承壓力分布隨基本頂巖梁顯著運動而發展的變化規律,提出了在斷裂線與煤壁之間由已斷裂巖梁自重所決定的“內應力場”和斷裂線外由上覆巖層整體重量所決定的“外應力場”概念[3-4]。“切頂短壁梁”理論認為,通過預裂頂板,可使懸伸巖梁隨采場推進過程中在預裂面切落,進而達到降低懸臂梁傳遞荷載的目的[5-6]。基于以上假說、理論,“巖梁”成為了采場覆巖垮落分析的基本結構單元。對于目前普遍采用的長臂后退式開采方法,一般常采用全面垮落法控制采空區頂板,而由于覆巖巖性、結構以及不合理的巷道布置等因素影響,極易出現大面積懸頂、巷道嚴重變形等危害工作面安全生產的重大難題。

針對上述問題,國內外學者開展了大量研究,提出了一系列控制技術,如堅硬頂板的強制爆破放頂技術[7-8]、基于雙向聚能拉張爆破理論的定向爆破技術[9]、堅硬頂板水力致裂控制理論與成套技術等[10]。現今,隨著煤炭開采逐漸向深部延深,上述技術尤其頂板水力致裂技術受到推崇并被廣泛應用,但推行過程缺少對其適用條件的基本判斷及應用效果的評價認識。為此,本文提出以綜采工作面液壓支架工作阻力大數據云圖為基礎,結合與采場實際礦壓顯現特征的關系對頂板運動特征給出宏觀評價的方法,探討頂板預裂卸壓應用條件及其現實意義。研究成果可為認識采場頂板垮落規律、合理選擇頂板結構弱化卸壓方式提供方法和思路。

1 工作面開采與頂板垮落

采場液壓支架給頂板提供一定初撐力的同時也承受了直接頂垮落載荷和基本頂斷裂巖塊周期性的失穩載荷,且支架給定支撐力的不足將會進一步增加頂板的損傷程度[11-13]。液壓支架工作阻力監測作為綜合機械化開采的標準配置,其動態實時監測數據可較直觀全面地反映頂板巖層的活動情況。液壓支架工作阻力持續增加后的突然降低是基本頂巖層的斷裂或咬合巖塊的滑落變形失穩的反映。通過采集分析不同埋深、不同采高、不同傾角綜采工作面采場液壓支架工作阻力數據,并利用大數據云圖再現,結合云圖分析開采過程中的礦壓顯現及特征,為描述工作面開采與頂板垮落之間的關系提供了一種方法。

1.1 采場液壓支架工作阻力監測

基于某礦區侏羅系含煤地層,巖體結構多為互層狀,可采煤層頂板多屬于半堅硬層狀砂質巖類,穩定性為差—中等,采用綜采或綜放工藝。考慮煤層埋深、傾角和采高等可能影響采場頂板垮落特征的因素,通過對不同特征條件的綜采工作面液壓支架工作阻力監測數據進行采集和分析處理,并繪制了工作面支架末阻力大數據云圖,如圖1所示。

圖1 某工作面支架末阻力大數據云圖Fig.1 Big data cloud diagram of support end resistance in a working face

1.2 采場頂板垮落及礦壓特征分析

順序開采工作面一般是指回風巷臨近上區段采空區,運輸巷側為下區段煤巖實體。在順序開采工作面采動過程中,大多情況下直接頂隨采隨落并充填采空區,基本頂發生周期性失穩和觸矸平衡,基本頂巖梁的失穩平衡過程以及采動影響下上區段已穩定巖梁的再次失穩,會導致回風巷相對運輸巷較強的礦壓顯現。結合支架末阻力大數據云圖(圖1)來看,工作面上下端頭約5個支架沒有來壓數據,這與兩巷頂板高強度錨索支護和兩端頭支架初撐力不足有關,也與基本頂“O-X”型斷裂規律有關[1]。隨著工作面的開采,上下端頭三角巖體懸頂面積增大將導致超前煤壁煤巖體應力集中,兩巷主要表現為以底鼓為主的礦壓顯現形式。一般400 m以淺淺部開采,支架來壓最大工作阻力低于10 MN,在不受褶曲、斷層構造,以及工作面壓茬布置等不合理開采因素影響時,工作面礦壓顯現強度較低,回風巷會有底鼓變形,周期來壓煤壁片幫會增多,但不會影響正常開采效率;埋深超過600 m進入深部開采,周期來壓支架最大工作阻力個別可能達到15 MN,工作面礦壓顯現強度增強,大量的片幫煤會影響刮板機運輸和增大架前頂板空頂,回風巷超前影響范圍可達到200 m以外。在深部開采回風巷50～100 m以外可能出現底鼓變形與周期來壓并不一致,可以間接說明基本頂周期性斷裂失穩存在時空上的差異和不協調。深部運輸巷也會表現為底鼓,以及端頭頂板下沉導致支架拉移困難,主要是端頭支架長期的初撐力不足以及恰好遇到端頭三角巖體斷裂失穩導致。

同時,采場支架工作阻力的監測可間接反映基本頂來壓步距、來壓顯現強度等頂板的垮落特征,也從宏觀上說明了頂板巖層的物理力學性質特征。從該礦區綜采工作面支架工作末阻力大數據云圖看,該礦區所開采煤層均表現出了明顯的周期來壓,但周期來壓步距不大,說明頂板為多巖層復合型頂板,直接頂垮落碎脹不能完全填充采空區,存在較堅硬巖層,但強度和完整性不是很高。

此外,支架工作阻力監測只能間接反映鄰近支架上覆走向跨度逐漸增加的巖梁的斷裂失穩,液壓支架工作阻力持續增加后的跌落間接反映了基本頂巖層的斷裂或咬合巖塊的滑落變形失穩,而不能反映受側向煤壁(煤柱)支承滯后影響,而產生的傾向懸伸巖梁斷裂失穩現象。

2 覆巖結構弱化卸壓

淺部開采采場礦壓顯現強度較弱,回采期間通過超前頂幫錨索等補強支護,工作面兩巷超前壓力影響范圍、鄰近巷道變形能夠得到控制,基本滿足了回采使用條件,一般不需采取卸壓控制措施。隨著開采深度的增加,在提高采場支架額定工作阻力和支護強度的同時,頂板預裂卸壓措施被推行應用。目前,主要應用并實踐了頂板淺眼小孔預裂爆破、深孔預裂爆破、深孔常規水力預裂等旨在減少回采兩巷懸頂、控制相鄰巷道變形的措施,以及深孔預裂爆破、頂板深孔常規水力預裂、長距離水平定向孔水力預裂等旨在破壞堅硬巖層結構完整性、避免彈性能積聚的措施。

2.1 頂板預裂實踐

(1)減少回采兩巷懸頂及控制相鄰巷道變形。某工作面埋深487～684 m,采用雙巷布置,留設寬25 m煤柱,屬于近水平煤層,平均采高3.6 m。直接頂為平均厚4.21 m的粉砂巖,直接頂含有平均厚14.33 m的細粒—中粒砂巖。前后分別采用了在工作面運輸巷靠煤柱側實施一排頂板淺眼小孔預裂爆破(孔深8 m,間距0.7 m,孔徑43 mm,每孔裝藥量1.2 kg),如圖2所示;在相鄰巷道偏煤柱側實施一排頂板深孔爆破預裂(孔深40 m,間距10 m,孔徑65 mm,每孔裝藥量42.5 kg),如圖3所示;在工作面運輸巷靠煤柱側實施一排頂板深孔常規水力預裂(孔深50 m,間距10 m,孔徑58 mm,后退式單孔多次壓裂)的切頂護巷實施方案,如圖4所示。

圖2 淺眼小孔爆破預裂Fig.2 Shallow hole blasting pre-splitting

圖3 深孔爆破預裂Fig.3 Deep hole blasting pre-splitting

圖4 深孔常規水力預裂Fig.4 Deep hole conventional hydraulic pre-splitting

(2)破壞堅硬巖層頂板避免彈性能積聚。某工作面埋深600～690 m,采用雙巷布置,留設寬35 m煤柱,屬于近水平煤層,煤層平均厚度8 m,綜放工藝,距煤層24 m上方為厚度58～67 m的完整粗砂巖。為控制礦壓顯現強度、降低超前巷道變形,采用了在工作面回風巷靠煤柱、煤體側同時實施頂板深孔常規水力預裂(孔深50 m,間距10 m,孔徑58 mm,后退式單孔多次壓裂)、覆巖堅硬巖層長距離水平孔定向水力預裂(孔深500 m,走向布置5～7個,孔徑120 mm,后退式單孔多次壓裂)的實施方案,如圖5所示。鉆孔布置分別如圖4(b)、圖5(a)所示。

圖5 長距離水平孔水力預裂Fig.5 Long distance horizontal hole hydraulic pre-splitting

2.2 頂板結構弱化的效果分析

通過觀測對比,淺眼小孔爆破可以有效減少采場端頭采空區頂板懸頂距離,尤其是在淺部開采以及頂板局部較硬的情況下,能夠避免端頭大面積懸頂,如圖2(b)所示;實施深孔大直徑爆破后,由圖3(b)可知,隨采煤工作面推進,巷道底鼓加速變化仍出現在滯后回采位置100～200 m段,期間變化率降低了0.029 m/d,但巷道穩定后的最終變形量仍然較大。從深孔常規水力預裂壓裂壓力監測曲線分析,在20 MPa壓力浮動范圍的較軟巖層條件下,深孔常規水力預裂在保護鄰近巷道應用目標方面與以上爆破預裂相似,不能達到控制巷道變形基本要求;在40 MPa壓力浮動范圍(圖4(c))的較堅硬完整巖層條件下,深孔常規水力預裂在減小周期來壓步距及支架工作阻力、減弱工作面壓力顯現強度方面起到了一定的效果,如圖5(b)所示。

實踐表明,對于單一采場中邊界頂板所采取的預裂等護巷措施,不能實現控制巷道最基本使用功能和有效減少巷道變形維修的護巷目標,深部開采應避免運輸巷與下區段回風巷雙巷布置掘進,可采用單巷布置的無煤柱開采或沿空掘巷小煤柱開采。

在頂板預裂方式方面,爆破預裂參數設計不合理,可能會對巷道表層巖體及支護產生影響,存在火工用品使用安全及爆破作業過程影響正常回采等問題。但其在破壞堅硬巖層完整性、增加巖體裂隙、弱化頂板結構效果方面是直觀有效的,水力預裂存在覆巖條件、分段逐次壓裂方法的局限性,即使堅硬完整巖層原有裂隙不發育或巖層節理裂隙發育,其產生新的裂隙能力都會不足。分段逐次壓裂在任意分段范圍不能準確地對堅硬層進行預裂,也增加了無效鉆孔工程量和低效率壓裂。

3 結論

(1)對綜采工作面采場液壓支架工作阻力的監測和數據采集結果表明,上下端頭三角巖體懸頂面積增大將導致超前煤壁煤巖體應力集中,基本頂呈現“O-X”型斷裂規律,所開采煤層均表現出了明顯的周期來壓,但周期來壓步距不大。

(2)從減少回采兩巷懸頂、控制相鄰巷道變形和破壞堅硬巖層頂板避免彈性能積聚2個方面,探討了頂板預裂措施的應用條件及其現實意義。結果表明,對于單一采場中邊界頂板所采取的預裂等護巷措施,不能實現控制巷道最基本使用功能和有效減少巷道變形的目的,深部開采應避免運輸巷與下區段回風巷雙巷布置掘進。

(3)現場實踐結果表明,覆巖條件和采場液壓支架工作阻力的變化規律是選擇頂板預裂方案和進行預裂參數設計的基礎,間接給出了實施水力預裂時的必要條件是具有堅硬完整巖層且能保證一定的壓裂壓力和壓力波動。