地面壓裂堅硬頂板對礦山壓力顯現影響的實驗研究

龔濤, 張繼, 夏彬偉

(1.四川省地質工程勘察院集團有限公司, 成都 610071; 2.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室, 重慶 400044)

堅硬頂板廣泛賦存于煤礦,尤其中國北方煤礦常賦存有大量堅硬頂板[1]。堅硬頂板困擾煤礦安全開采由來已久,因其厚度大、強度高、完整性好[2],在煤層開采后往往難以破斷和垮落,從而懸露在采空區上方,造成工作面礦壓顯現強烈[3],甚至引發沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害[4-8]。當其懸露到一定臨界長度后終將垮落,此時堅硬頂板突然大面積垮落將擠壓采空區,存在引發颶風、瓦斯超限和瓦斯爆炸等危險[1,9-12]。因此,堅硬頂板控制是安全高效采煤的重大挑戰[3],同時也是煤炭開采領域的研究重點[13-14]。

在過去相當長的一段時間里,堅硬頂板控制方法主要是爆破[15-18]。然而,爆破成本高、污染重,形成縫網方向和范圍不可控[19],且產生的強烈擾動可能誘發瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、巖爆等災害,因此一直在探索更安全的堅硬頂板控制方法。水力壓裂[1,6,9,15,20-23]是繼爆破之后被提出的一種堅硬頂板控制方法,在煤礦堅硬頂板控制中得到了越來越多的應用。如黃炳香應用水力壓裂技術控制工作面端部頂板的懸露[1]和巷道的強礦壓顯現[20-21]。Bai等[24]水力壓裂堅硬頂板用于地面控制。He等[6]水力壓裂堅硬頂板預防巖爆。然而,先前的水力壓裂幾乎都是井下水力壓裂,Yu等[3,25]提出并實施了地面水力壓裂。地面水力壓裂與井下水力壓裂的不同在于:地面水力壓裂無井下狹小的作業空間的限制,可以使用大型高性能壓裂設備,以壓裂開采煤層至地表的任一巖層,尤其是遠離開采煤層的遠場堅硬頂板,而不僅限于煤層附近的近場頂板。通過在地面鉆垂直鉆孔或L型鉆孔到目標堅硬頂板,然后使用高性能水力壓裂設備可以在堅硬頂板中形成多段水平或垂向的水壓裂縫,從而削弱堅硬頂板的完整性和強度,使其易于破斷而達到更佳的堅硬頂板控制效果[26]。然而,地面水力壓裂堅硬頂板案例以及獲得的可直接表明壓裂效果的數據較少,無法重復試驗和探究不同產狀水壓裂縫對工作面礦壓的影響。水壓裂縫的產狀對于強化堅硬頂板控制效果至關重要[9]。同時地面壓裂是一項非常昂貴的工程實踐,因此有必要開展實驗研究以明確地面水力壓裂對于降低工作面礦壓的效果和探究不同產狀水壓裂縫對工作面礦壓顯現的影響。

雖然許多學者開展了巖石試件的水力壓裂實驗和分析了水壓裂縫的擴展,但此類實驗脫離了采場應力環境,更重要的是無法分析該水力壓裂對工作面礦壓顯現的影響。因此開展采場應力環境下水力壓裂堅硬頂板對工作面礦壓顯現影響的實驗研究仍顯必要。因此,采用物理相似模擬的實驗方法,在堅硬頂板中分別不預制水壓裂縫、預制水平水壓裂縫和預制垂向水壓裂縫,然后觀察模型開挖過程中頂板的周期垮落、堅硬頂板的位移與破斷和工作面的壓力變化,進而對比分析水力壓裂堅硬頂板與堅硬頂板中不同產狀水壓裂縫對工作面礦壓顯現的影響。研究結果對于認識地面壓裂堅硬頂板控制工作面礦壓顯現的作用和水壓裂縫產狀對工作面礦壓顯現的影響具有重要價值,并有助于地面水力壓裂在煤礦堅硬頂板控制領域的推廣應用。

1 實驗模擬對象概況

以塔山煤礦為物理相似模擬實驗對象。塔山煤礦位于中國山西省大同市,是世界上最大的地下開采煤礦之一[8]。該礦井長24.3 km,寬11.7 km,設計生產能力為1.5×105t/a[27]。該礦井的頂板主要由砂巖、砂質泥巖、泥巖等組成,砂質巖性的巖層占90%～95%,并且存在多層堅硬頂板,因而是代表性的堅硬頂板礦井并且礦壓顯現強烈。為治理該礦的強礦壓,曾采用過爆破、水力割縫、井下水力壓裂等方法。由于這些方法只能處理近場頂板,無法觸及遠場頂板,所以仍未能避免強礦壓顯現的問題,因此一直在探索新的方法。地面水力壓裂(圖1)是該礦井采用的一種新方法,應用地點位于該礦某工作面,該工作面上方賦存5層堅硬頂板,工作面走向長1 445 m,傾向長231.4 m,采用一次采全高放頂煤開采技術開采近水平賦存的均厚20.08 m的特厚煤層[27]。

圖1 地面水力壓裂Fig.1 Surface hydraulic fracturing

2 實驗方法

采用物理相似模擬實驗方法。物理相似模擬[28]是一種重要的科學研究方法,通過在實驗室內根據相似原理制作與原型相似的模型,觀察和監測實驗中發生的力學現象和力學參數的變化規律,推斷和分析原型中可能發生的力學現象以及巖體壓力分布規律,從而廣泛應用于解決巖土工程中的實際問題。

2.1 實驗裝置

本文實驗采用電液伺服二維加載相似模擬實驗系統,該系統主要由主體框架、液壓油缸、槽鋼擋板、擋板推車、推車導軌、數據采集系統、液壓控制系統和圖像采集系統等組成(圖2)。實驗模型的最大尺寸為2 600 mm(長)×2 000 mm(高)×300 mm(寬)。液壓油缸的最大加載荷載為1 MPa,頂部液壓油缸最大行程為400 mm,左右兩側液壓油缸最大行程(單側)為120 mm。

圖2 相似模擬實驗系統Fig.2 Physical similarity simulation experimental system

2.2 相似系數

根據現場和相似理論設計了一個縮小的相似模型,該相似模型的相似系數應滿足相似理論的基本條件[29-30]為

(1)

式(1)中:ασ為應力相似比;αg為幾何相似比;αρ為密度相似比。

鑒于本實驗系統所能提供的模型尺寸和需要模擬的開采長度,本次實驗所采用的幾何相似比為

(2)

式(2)中:gm、gp分別為模型和原型的幾何尺寸,m。

根據所選擇的相似材料的性質,密度相似比αρ設置為

(3)

式(3)中:ρm、ρp分別為模型和原型中巖層的密度,kg/m3。

根據相似原理和量綱分析,幾何相似比αg、密度相似比αρ、應力相似比ασ和時間相似比αt應滿足式(4)、式(5)[31]。

(4)

(5)

式中:σm、σp分別為模型和原型中的應力值,Pa;Tm、Tp分別為模型和原型中的時間長度,h。

2.3 相似材料配比與用量

相似材料由河沙、石灰和石膏按不同的比例和用量制成,以模擬不同的巖層。根據設計的相似比和參考陳現輝[32]的材料配比(研究對象為同一礦區),確定了相似模型的實驗參數,如表1所示。

2.4 實驗方案

本實驗目的在于研究地面水力壓裂堅硬頂板后對工作面礦壓顯現的影響。因此設置了3個對比實驗:無水壓裂縫模型(原型)實驗、水平裂縫模型實驗和垂向裂縫模型實驗。此3個實驗的區別在于原型中無水壓裂縫,水平裂縫模型中1#和2#堅硬頂板中間位置預制長度分別為101.45 cm和48.85 cm的水平裂縫,預制的2道水平裂縫的左、右兩端點的連線的延長線與設置的煤層的左右兩端分別相交,確保預制的2道水平裂縫處于煤層開采的垮落范圍內,從而利于探究設置裂縫對巖層垮落的影響進而探究其對工作面礦壓顯現的影響規律。垂向裂縫模型中1#堅硬頂板內預制5道等間距的與該層巖層等高(6.88 cm)的垂向裂縫,該5道垂向裂縫在水平方向上的展布寬度與水平裂縫模型中1#堅硬頂板內預制的水平裂縫的長度相等;在2#堅硬頂板中預制3道等間距的與該層巖層等高(7.20 cm)的垂向裂縫,該3道垂向裂縫在水平方向上的展布寬度與水平裂縫模型中2#堅硬頂板內預制的水平裂縫的長度相等。相似模型的概圖、水壓裂縫的位置和壓力盒的布置如圖3所示。

1～40為壓力盒編號圖3 相似模型概圖Fig.3 Outline of the similarity models

2.5 模型制作

首先將配制并攪拌均勻的相似材料倒入實驗系統筑模腔體內夯實并保持平整,筑成一層巖層后在其表面均勻撒云母片以模擬巖層交界面[圖4(a)],再如前述制作下一層巖層。當到達設計的埋設壓力盒和制作水壓裂縫的位置時,按設計布置壓力盒[圖4(b)]和采用錫箔紙預制水壓裂縫[圖4(c)和圖4(d)]。當筑模完成后待模型凝固后拆除擋板并在模型表面釘定位紙片。地應力的反演根據現場地應力數據[24]按應力相似比施加到模型頂板和左右兩側,待施加的荷載分布平衡后即可模擬煤層開采。

圖4 模型制作Fig.4 Making model

3 實驗結果分析

3.1 模擬開采過程分析

相似模型中的煤層從距離模型左側邊界40 cm處開挖,煤層開挖的高度為7 cm,余下的頂煤作為放頂煤開采損失的煤。根據時間相似比和幾何相似比每隔2 h開挖一次,每次開挖4 cm。每開挖一次拍照一次,并全程記錄壓力盒數據。模型開挖過程中的10次周期垮落如圖5所示。

圖6 覆巖的垮落跡線和垮落模式Fig.6 Caving trace and caving pattern of overburden

3.2 頂板周期垮落步距分析

煤礦礦壓顯現強烈的一個重要原因是煤層開采后頂板懸露而不垮落,從而形成簡支梁或懸臂梁結構而對工作面施加壓力。因此,頂板周期垮落步距通常被視為一個預測礦壓顯現強烈程度的指標。通常頂板周期垮落步距大則礦壓顯現強烈,反之則不強烈。本次實驗記錄的煤層開挖與頂板周期垮落的對應關系如圖7所示。

圖7 煤層開挖與頂板周期垮落的對應關系圖Fig.7 Corresponding relationship between coal seam excavation and roof periodic collapse

從圖7中可以看出,原型、水平裂縫模型和垂向裂縫模型開挖過程中頂板發生的前5次周期垮落的位置和步距均完全相同。這5次周期垮落均發生在1#堅硬頂板破斷之前,也即是在預制的水平裂縫和垂向裂縫作用之前。3個模型周期垮落的位置和步距均相同表明了制作的模型具有相當的可靠性和實驗結果的穩定性。從第6次頂板周期垮落開始,頂板的周期垮落受到預制的水壓裂縫的影響,因而3個模型中的頂板周期垮落位置和步距不再相同。預制有水壓裂縫的模型的頂板周期垮落步距整體上比沒有預制水壓裂縫的原型的頂板周期垮落步距小。原型中第6次到第10次頂板周期垮落的平均步距為20.8 cm。然而,受到水壓裂縫的影響在水平裂縫模型中第6次到第10次頂板周期垮落的平均步距為16.0 cm,降低了23.08%;在垂向裂縫模型中第6次到第10次頂板周期垮落的平均步距為16.8 cm,降低了19.23%。水平裂縫模和垂向裂縫模型中頂板周期垮落的平均步距比原型中小為情理之中,但垂向裂縫模型中第6次到第10次頂板周期垮落的平均步距比水平裂縫模型中的大,究其原因為水平裂縫模型中水平裂縫作用面積大,尤其與頂板的主要變形方向(垂向)垂直,受力面大,因此在巖層向下彎曲變形過程中易張裂,使堅硬頂板分層,由于分層厚度比原厚度小,因此更易向下彎曲變形,進而促使其下巖層更易受壓而破斷垮落。相較之下,垂向裂縫模型中預制的垂向裂縫,與頂板的主要變形方向平行,且垂向裂縫的高度小,其受力面遠遠小于水平裂縫的受力面,并且其下層巖層對其具有一定保護作用,即下部巖層未破斷則預制有垂向裂縫的巖層并不易破斷,因此表現出垂向裂縫模型中第6次到第10次頂板周期垮落的平均步距比水平裂縫模型中的大。在此還應注意區分頂板周期垮落與預制裂縫的頂板的垮落或破斷的區別,前者中的“頂板”為煤層上方的眾多巖層,范圍更大,而后者僅指預制裂縫的某一層頂板。

3.3 堅硬頂板破斷步距分析

水力壓裂堅硬頂板后堅硬頂板的完整性和強度降低,因而其破斷步距發生變化。實驗過程中記錄的堅硬頂板的破斷步距如表2所示。相較于沒有預制裂縫的原型,水平裂縫模型和垂向裂縫模型中堅硬頂板的破斷提前了,平均破斷步距均由19.0 cm縮短到了17.0 cm,縮短了10.53%。并且由于垂向裂縫削弱了堅硬頂板在水平方向的連續性,從而使堅硬頂板在礦山壓力作用下易于被切落和折斷,所以在垂向裂縫模型中1#和2#堅硬頂板同時破斷,并導致覆巖壓力的突變,進而引發3#和4#堅硬頂板此后短時間內的相繼破斷。表明預制垂直裂縫對所在巖層的破斷影響是顯著和劇烈的,與平常認知是相符的。

表2 堅硬頂板破斷步距Table 2 Breaking span of hard roofs

3.4 支承壓力分析

工作面的支承壓力是反映工作面礦壓顯現強烈與否的重要指標。在本次實驗中原型、水平裂縫模型、垂向裂縫模型中壓力盒的布置位置相同。因此可通過相同位置的壓力對比來分析堅硬頂板中預制裂縫與否和預制不同產狀水壓裂縫對工作面的不同影響。首先,通過工作面最左側的1#壓力盒監測的數據來對比分析堅硬頂板中無水壓裂縫、堅硬頂板含水平水壓裂縫和堅硬頂板含垂向水壓裂縫給開切眼煤壁造成的不同壓力,如圖8所示。

圖8 開切眼煤壁附近的支承壓力Fig.8 Abutment pressure near the coal wall of open-off cut

從圖8可以看出,隨著工作面推進長度的增加,1#壓力盒監測的壓力隨之增大,表明了隨著工作面推進長度增大上覆巖層作用在采空區開切眼煤壁附近的應力集中加劇。由于3個模型均是在工作面推進至96 cm處時發生初次破斷,所以在此之前3個模型中1#壓力盒監測的壓力基本相同,表明了實驗模型的穩定性和實驗結果的可靠性。工作面從96 cm推進至156 cm期間,3個模型均在相同位置發生周期垮落,但垮落形態有所差異,所以至此3個模型中1#壓力盒監測的壓力有所不同。由于此期間水平裂縫模型與原型的垮落形態整體差異較小,又因水平裂縫模型的垮落高度略高于原型,使得作用在開切眼煤壁附近的支承壓力整體上與原型相近但略小于原型。而此期間垂向裂縫模型與原型的垮落形態差異較大,且垂向裂縫模型的垮落高度高于原型,所以垂向裂縫模型中的1#壓力盒監測的壓力明顯小于原型中監測的壓力。

當工作面推進至156 cm后,3個模型中都即將迎來堅硬頂板的破斷。由于原型中無裂縫,水平裂縫模型和垂向裂縫模型中1#、2#堅硬頂板中分別預制有水平裂縫和垂向裂縫,所以導致水平裂縫模型和垂向裂縫模型中1#和2#堅硬頂板的提前破斷,并擾亂了采場應力分布,進而引發其余堅硬頂板的提前破斷,最終作用到1#壓力盒上的礦壓明顯低于原型作用到1#壓力盒上的礦壓。表明水力壓裂堅硬頂板形成水平裂縫或垂向裂縫能有效降低原采場工作面的礦山壓力。

此外,同樣值得關注的還有預制裂縫的堅硬頂板的破斷對工作面支承壓力的影響。圖9為水平裂縫模型中1#堅硬頂板破斷時監測的壓力與原型的對比。圖9中1#～20#壓力盒布置在煤層中以監測工作面推進過程中工作面的超前支承壓力,21#～30#壓力盒布置在1#堅硬頂板底部,31#～35#壓力盒布置在2#堅硬頂板底部,36#～40#壓力盒布置在5#堅硬頂板底部,如圖3(a)所示。

圖9 水平裂縫模型中1#堅硬頂板破斷時的壓力與原型的對比Fig.9 Comparison between the pressure of the 1# hard roof breaking in the horizontal crack model and the prototype

由于水平裂縫對堅硬頂板具有分層作用,使得含水平裂縫的堅硬頂板可能上下兩部分同時破斷,或者下半部分先破斷,然后上部分再破斷。本次實驗中,1#堅硬頂板破斷時并未完全破斷,而是從水平裂縫處開裂,僅水平裂縫下半部分的堅硬頂板破斷垮落了[圖10(b)],而上半部分依然對其上覆巖層的運動起著控制作用。同時此時的水平裂縫模型中的巖層垮落情況與原型差異不大(圖10),所以在圖9中水平裂縫模型和原型中監測的壓力整體上差別較小。

圖10 水平裂縫模型中1#堅硬頂板破斷時與原型圖像的對比Fig.10 Comparison between the 1# hard roof fracture in the horizontal crack model and the prototype image

圖11為垂向裂縫模型中1#堅硬頂板破斷時監測的壓力與此時原型中的壓力對比。可以看出,在1#和2#堅硬頂板中預制垂向裂縫后,工作面的超前支承壓力較原型顯著降低。這是由于在1#和2#堅硬頂板中預制垂向裂縫后,切斷了1#和2#堅硬頂板在水平方向上的連續性而使其易于破斷,所以在工作面推進至172 cm時1#和2#堅硬頂板同時破斷,頂板巖層從20#巖層瞬間垮落到了26#巖層[圖12(b)]。伴隨著頂板巖層的快速垮落,覆巖作用到工作面的壓力也隨之降低。

圖11 垂向裂縫模型中1#堅硬頂板破斷時監測的壓力與原型的對比Fig.11 Comparison between the pressure monitored during the fracture of the 1# hard roof in the vertical crack model and the prototype

圖12 垂向裂縫模型中1#堅硬頂板破斷時與原型圖像的對比Fig.12 Comparison between the 1# hard roof fracture in the vertical crack model and the prototype image

圖13為水平裂縫模型中2#堅硬頂板破斷時監測的壓力與此時原型中的壓力。此時可以看到水平裂縫模型中工作面的超前支承壓力明顯小于原型中的超前支承壓力。原因在于水平裂縫模型中2#堅硬頂板破斷時為全部破斷,而非其1#堅硬頂板破斷時的部分破斷,并使其上覆直至上一層堅硬頂板之間的巖層隨之破斷,使頂板的垮落較原型更為充分,如圖14所示。工作面的壓力得到一定程度的釋放,導致作用在工作面的超前支承壓力降低。至于垂向裂縫模型中2#堅硬頂板破斷時監測的壓力則與圖11相同,因為垂向裂縫模型中1#和2#堅硬頂板同時破斷。

圖13 水平裂縫模型中2#堅硬頂板破斷時監測的壓力與原型的對比Fig.13 Comparison between the pressure monitored during the fracture of the 2# hard roof in the horizontal crack model and the prototype

圖14 水平裂縫模型中2#堅硬頂板的破斷與原型圖像的對比Fig.14 Comparison between the fracture of the 2# hard roof in the horizontal crack model and the prototype image

4 結論

采用物理相似模擬實驗方法,通過在模型中堅硬頂板內分別不預制裂縫、預制水平裂縫和預制垂向裂縫,研究了采場上覆堅硬頂板無水壓裂縫、堅硬頂板含水平水壓裂縫或含垂向水壓裂縫時對工作面礦山壓力顯現的影響,得出如下結論:

(2) 水力壓裂堅硬頂板后頂板周期垮落步距縮短。在本實驗中,受水平裂縫影響,頂板平均周期垮落步距降低23.08%;受垂向裂縫影響,頂板平均周期垮落步距降低19.23%。無論是含水平水壓裂縫的模型,還是含垂向水壓裂縫的模型,其堅硬頂板的破斷位置均提前了,平均破斷步距縮短了10.23%。

(3) 隨工作面推進長度增大,上覆巖層在開切眼煤壁附近的壓力隨之增大。水力壓裂堅硬頂板并未改變此壓力增長趨勢,但當工作面進入裂縫影響區后此壓力增長值降低,同時工作面超前支承壓力降低,表明水力壓裂堅硬頂板能有效地降低工作面的礦山壓力顯現,從而可避免或降低礦山壓力災害。