史久林，鄭建偉，張 震，樊克松，唐杰兵

(1. 煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2. 天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

鄂爾多斯地區(qū)煤炭資源豐富，是我國(guó)主要的煤炭生產(chǎn)基地，已建成多座技術(shù)水平先進(jìn)，年產(chǎn)千萬(wàn)噸的大采高綜采礦井[1，2]。大采高綜采技術(shù)一次采出空間大，引起工作面上部覆巖活動(dòng)范圍和強(qiáng)度都增大，造成工作面礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象強(qiáng)烈，危害工作面安全生產(chǎn)。針對(duì)這一現(xiàn)象，我國(guó)眾多學(xué)者展開了大量的研究，認(rèn)為大采高工作面上覆多層堅(jiān)硬巖層失穩(wěn)是誘發(fā)工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的重要因素[3-11]。許家林[3]認(rèn)為堅(jiān)硬頂板失穩(wěn)是誘發(fā)頂板大面積壓架冒頂事故的原因。韓剛[4]等人通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)多堅(jiān)硬巖層覆巖結(jié)構(gòu)引起工作面動(dòng)靜載區(qū)疊加，易誘發(fā)工作面強(qiáng)沖擊礦危害。尹希文[5]認(rèn)為寺河礦6m大采高工作面雙堅(jiān)硬巖層結(jié)構(gòu)是控制工作面強(qiáng)壓顯現(xiàn)和煤壁片幫程度的關(guān)鍵。閆少宏[6，7]通過(guò)巖石破斷后的極限擠壓角與彎矩的關(guān)系定量解釋了開采空間增大，鉸接結(jié)構(gòu)上移，在覆巖縱向方向能夠形成“懸臂梁-鉸接巖梁”的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。黃慶享[8，9]認(rèn)為淺埋大采高工作面上覆巖層能夠形成“等效直接頂”和“高位斜臺(tái)階巖” 形式的雙重結(jié)構(gòu)，直接頂失穩(wěn)造成工作面靜載較大。楊登峰[10]結(jié)合突變理論認(rèn)為直接頂失穩(wěn)引起頂板的切落。堅(jiān)硬巖層與煤層的層位關(guān)系也是造成工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要因素之一。曹勝根[12]通過(guò)數(shù)值模擬分析認(rèn)為堅(jiān)硬巖層距離煤層越近對(duì)工作面影響越大，特別當(dāng)堅(jiān)硬巖層直接與煤層接觸時(shí)，堅(jiān)硬頂板破斷后有臺(tái)階下沉現(xiàn)象且支承壓力系數(shù)最大。趙通[13]根據(jù)朱仙莊煤礦近距離巨厚堅(jiān)硬巖層賦存條件建立厚板力學(xué)模型，認(rèn)為厚堅(jiān)硬巖層距離煤層較近條件下更容易發(fā)生剪切破壞和整體滑落失穩(wěn)。

大采高工作面上覆多層堅(jiān)硬巖層易于形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，特別是多層堅(jiān)硬巖層距離煤層較近且層間距較小時(shí)，更易引發(fā)巖層整體失穩(wěn)，危害工作面生產(chǎn)安全。以母杜柴登礦30201大采高工作面為工程背景，分析確定對(duì)大采高工作面上覆近距離巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)可能造成的危害，并通過(guò)水力壓裂預(yù)處理堅(jiān)硬巖層，達(dá)到控制工作面強(qiáng)礦壓危害的效果，為保障類似地質(zhì)條件安全生產(chǎn)提供借鑒。

1 工程概況

母杜柴登煤礦30201工作面，煤層傾角1°～3°，埋深632～658m，工作面傾向長(zhǎng)度241m，走向長(zhǎng)度3417m，采用大采高綜采一次采全高工藝，采高4.75m，正?；夭善陂g平均日回采進(jìn)度14刀，約12m，工作面選用ZY13000/28/62D型掩護(hù)式液壓支架。3-1煤層上部存在兩層厚度較大的巖層，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，第I堅(jiān)硬巖層為22m厚的細(xì)粒砂巖層，巖層強(qiáng)度平均值為61.34MPa，距離3-1煤層3.75m；第II堅(jiān)硬巖層為14.7m厚的中粒砂巖層，巖層強(qiáng)度平均值為63.3MPa，均屬于堅(jiān)硬巖層，巖層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 巖層綜合柱狀圖

2 上覆近距離雙堅(jiān)硬巖層大采高工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理分析

工作面礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律由其上部覆巖結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征所決定。已有研究表明：自身厚度大，強(qiáng)度高的堅(jiān)硬巖層控制著工作面覆巖結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是決定工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)弱程度的關(guān)鍵因素。

2.1 覆巖結(jié)構(gòu)形式的確定

覆巖結(jié)構(gòu)的形成由堅(jiān)硬巖層自身物理力學(xué)特性和其下部活動(dòng)空間共同決定的。巖層層位的不同，其下部可活動(dòng)空間范圍不同，造成巖塊間的接觸關(guān)系不同，進(jìn)而形成不同的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)文獻(xiàn)[7]對(duì)厚煤層開采覆巖空間結(jié)構(gòu)的判斷條件可知：Δj-Δm≤0時(shí)，堅(jiān)硬巖層可形成懸臂結(jié)構(gòu)；Δj-Δm>0時(shí)，堅(jiān)硬巖層可形成鉸接結(jié)構(gòu)。其中Δj為極限下沉量，Δm為可能下沉量。

Δm=M-(kp-1)hm

(2)

式中，h為所分析巖層的厚度，m；k為無(wú)量綱系數(shù)，對(duì)于近似解可以取k=0.1h；Rc為抗壓強(qiáng)度，MPa；q為線載荷，N/m；l為所分析巖層的斷裂步距，m；M為割煤高度，m；kP為碎脹系數(shù)；hm為第1至m層直接頂巖層累厚，m。母杜柴登煤礦頂板巖層性質(zhì)，見表1。

表1 巖層物理力學(xué)性質(zhì)

頂板來(lái)壓巖層破斷步距[14]：

將第Ⅰ堅(jiān)硬巖層細(xì)粒砂巖巖性參數(shù)代入式(3)得：l1=39.5m。將第Ⅱ堅(jiān)硬巖層中粒砂巖巖性參數(shù)代入式(3)得：l2=26.4m。根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)判斷準(zhǔn)則式(1)、(2)進(jìn)行判斷：

第Ⅰ堅(jiān)硬巖層：

Δm1=4.75-(1-1.5)×22=15.75m

第Ⅱ堅(jiān)硬巖層：

Δm2=4.75-(1-1.5)×14.7=15.2m

由計(jì)算可知，第Ⅰ堅(jiān)硬巖層細(xì)粒砂巖其下部有充足的垮落空間，巖層破斷后無(wú)法形成有效的擠壓接觸。未破斷巖層依靠自身強(qiáng)度能夠行成具有一定承載能力的“懸臂”結(jié)構(gòu)。第Ⅱ堅(jiān)硬巖層中粒砂巖下部活動(dòng)空間較小，破斷巖層能夠形成擠壓接觸，提供水平應(yīng)力，巖塊間形成具有自穩(wěn)能力的“鉸接”結(jié)構(gòu)。隨著工作面的推進(jìn)，工作面上覆巖層形成“懸臂—鉸接”形式的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 工作面上部覆巖復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 強(qiáng)礦壓現(xiàn)象機(jī)理分析

根據(jù)上述判斷，第I堅(jiān)硬巖層破斷后的巖塊失去與前部未破斷巖塊的有效接觸，無(wú)法形成鉸接結(jié)構(gòu)，未失穩(wěn)的部分將會(huì)以“懸臂”結(jié)構(gòu)的形式存在，其單位面積承擔(dān)的載荷達(dá)q=γH=181kN。隨著工作面推進(jìn)，第Ⅰ堅(jiān)硬巖層的“懸臂結(jié)構(gòu)”懸露長(zhǎng)度超過(guò)其承載極限時(shí)，“懸臂結(jié)構(gòu)”將發(fā)生拉伸破壞。在自重及上覆載荷作用下，裂隙沿巖層破斷線迅速發(fā)展，貫穿懸臂梁。失穩(wěn)時(shí)下部活動(dòng)空間由采高和隨采隨冒頂板的厚度決定，根據(jù)Δ=M-(Kp-1)∑h，取Kp=1.3，計(jì)算得Δ=3.65m，下部活動(dòng)空間最大達(dá)到3.65m。懸臂結(jié)構(gòu)破斷塊間無(wú)水平應(yīng)力作用，摩檫作用較小，巖塊及其載荷形成的剪應(yīng)力相對(duì)較大，容易引起巖塊的快速下滑。并且懸臂結(jié)構(gòu)距離煤層較近，下部隨采隨冒巖層垮落后充填高度有限，無(wú)法為下滑的巖塊提供形成有效支撐，導(dǎo)致懸臂梁破斷巖塊發(fā)生整體滑落失穩(wěn)，表現(xiàn)為切落式失穩(wěn)特征。下部巖層的失穩(wěn)，引起上部巖層的活動(dòng)空間加大，將會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，誘發(fā)第Ⅱ堅(jiān)硬巖層形成的“鉸接結(jié)構(gòu)”滑落失穩(wěn)。當(dāng)復(fù)合結(jié)構(gòu)同時(shí)失穩(wěn)，使得堅(jiān)硬，引起雙重采動(dòng)效應(yīng)的疊加，巖層內(nèi)集聚的大量應(yīng)變能在短時(shí)間內(nèi)大量釋放，特別當(dāng)頂板破斷線在控頂區(qū)覆近時(shí)，頂板沿煤壁快速滑落，將引起工作面強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，危害工作面的設(shè)備與人員安全。

距離煤層較近的堅(jiān)硬巖層即是載荷源又是傳遞載荷的媒介。已有研究認(rèn)為大采高采場(chǎng)下部堅(jiān)硬巖層自身性質(zhì)和損傷程度控制著上部堅(jiān)硬巖層斷裂后傳遞到支架上的力[15]。當(dāng)下部頂板巖層整體強(qiáng)度低或者較為破碎時(shí)，既能夠充填采空區(qū)，控制上部巖層的下沉量，又能夠作為上部載荷傳遞的墊層，具有緩沖上部動(dòng)載，降低工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的作用。對(duì)于母杜柴登煤礦大采高工作面上覆近距離雙堅(jiān)硬巖層復(fù)合結(jié)構(gòu)存在同時(shí)失穩(wěn)引起強(qiáng)礦壓危害，可以通過(guò)采取預(yù)處理措施改變第Ⅰ堅(jiān)硬巖層的完整性達(dá)到控制工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的目的。

3 大采高工作面強(qiáng)礦壓控制措施

在利用水力壓裂技術(shù)處理堅(jiān)硬巖層，控制強(qiáng)礦壓的應(yīng)用方面，我國(guó)學(xué)者已經(jīng)在原理和實(shí)踐方面做了大量研究。其中，文獻(xiàn)[16]從原理和實(shí)踐說(shuō)明了水力壓裂處理堅(jiān)硬頂板的效果。文獻(xiàn)[17]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了水壓裂卸壓的有效性。根據(jù)上述分析，結(jié)合母杜柴登礦30201大采高工作面頂板巖層特征，采用水力壓裂技術(shù)破壞第Ⅰ堅(jiān)硬巖層完整性，縮小其所形成的懸臂梁懸露長(zhǎng)度即可能夠達(dá)到卸壓效果，保證工作面的安全回采。

根據(jù)文獻(xiàn)[14，18]煤巖體破裂條件可知，水力壓裂設(shè)定壓力閥值必須大于煤巖臨界破裂應(yīng)力，即：

Ps≥Rt+3σ1-σ3

(4)

式中，Ps為水壓值，MPa；Rt為巖體抗拉強(qiáng)度，MPa；σ1為最小主應(yīng)力，MPa；σ3為最大主應(yīng)力，MPa。

經(jīng)計(jì)算可知設(shè)備壓力值必須超過(guò)21MPa。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及壓裂經(jīng)驗(yàn)，將水壓閥值設(shè)定為26MPa。

根據(jù)井下工作面實(shí)際狀況，將壓裂位置布置在工作面的兩巷，采用倒退式壓裂。根據(jù)鉆孔綜合柱狀圖及覆巖堅(jiān)硬巖層層位關(guān)系，水力壓裂鉆孔垂直高度必須保證不低于30m。綜合現(xiàn)場(chǎng)施工條件確定孔深68m，傾角30°，各孔間隔25m，超前工作面300m開始實(shí)施。壓裂過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出水情況及時(shí)調(diào)整壓裂范圍，避免大范圍的出現(xiàn)淋水，具體實(shí)施方案如圖3、圖4所示。

圖3 水壓致裂實(shí)施方案剖面圖(m)

圖4 水壓致裂實(shí)施方案平面圖(m)

鉆孔水壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，巖體內(nèi)部新的裂隙產(chǎn)生，原生裂隙開始擴(kuò)展。裂隙相互貫通后，孔內(nèi)水壓開始降低，但是降低幅度有限，并能維持穩(wěn)定，裂隙隨著加壓時(shí)間不斷擴(kuò)展。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，水力壓裂時(shí)間持續(xù)25min后，孔內(nèi)壓力開始維持穩(wěn)定。因此設(shè)定鉆孔加壓至少持續(xù)30min，能夠保障壓裂效果。為便于工作面頂板管理，需保持煤層上方5m范圍巖層完整性。水力壓裂方案實(shí)施參數(shù)見表2。

表2方案實(shí)施參數(shù)

4 工作面覆巖堅(jiān)硬巖層壓裂效果評(píng)價(jià)

通過(guò)工作面推進(jìn)過(guò)程中微震系統(tǒng)對(duì)巖層釋放能量的強(qiáng)弱監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)壓裂直接頂范圍內(nèi)堅(jiān)硬巖層的卸壓效果。微震監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)安裝在工作面范圍內(nèi)的傳感器接收采動(dòng)影響下，煤巖體產(chǎn)生破裂、擴(kuò)容、貫通甚至失穩(wěn)等物理現(xiàn)象所產(chǎn)生的彈性振動(dòng)波，根據(jù)彈性振動(dòng)波引起的微震事件，反演計(jì)算出微震事件發(fā)生的位置及釋放的能量[19]。

4.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案

根據(jù)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須成網(wǎng)的特點(diǎn)，超前工作面250m的位置，在主運(yùn)巷內(nèi)布置安裝3個(gè)拾震探頭，輔運(yùn)巷內(nèi)布置安裝4個(gè)拾震探頭，探頭之間間隔200m，分別對(duì)7個(gè)探頭進(jìn)行編號(hào)、定位。其中，1#、3#、4#、7#為垂直探頭，2#、5#、6#為水平探頭，將水力壓裂區(qū)域包括在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置如圖5所示。

圖5 微震系統(tǒng)布置平面圖(m)

4.2 微震監(jiān)測(cè)覆巖活動(dòng)規(guī)律分析

通過(guò)對(duì)回采過(guò)程中微震能量的統(tǒng)計(jì)分析，工作進(jìn)入水力壓裂卸壓區(qū)后，微震事件的能量和頻次均大幅度下降，卸壓后103J能量以上的事件降低了40%，大能量微震頻次由卸壓前的8次，到卸壓后的平均2次。卸壓后微震事件能量和頻次雖有波動(dòng)，但是震幅較小，如圖6所示。根據(jù)實(shí)測(cè)回采期間來(lái)壓步距也由正?；夭傻?2.5m，縮短到卸壓區(qū)的5.3m。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示水力壓裂直接頂內(nèi)第Ⅰ堅(jiān)硬巖層后，工作面來(lái)壓強(qiáng)度和步距均明顯減小。

圖6 回采期間微震事件監(jiān)測(cè)

5 結(jié) 論

1)大采高工作面近距離的雙層堅(jiān)硬巖層中第Ⅰ堅(jiān)硬巖層形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，第Ⅱ堅(jiān)硬巖層形成“鉸接”結(jié)構(gòu)。其中第Ⅰ堅(jiān)硬巖層的完整性與層位是影響工作面礦壓顯現(xiàn)程度的關(guān)鍵。結(jié)合母杜柴登礦井30201工作面覆巖實(shí)際狀況，通過(guò)預(yù)處理第Ⅰ堅(jiān)硬巖層即可達(dá)到卸壓效果，確定垂直壓裂高度必須達(dá)到30m的水力壓裂方案。通過(guò)壓裂破壞第Ⅰ堅(jiān)硬巖層的完整性，控制“懸臂梁”懸露長(zhǎng)度

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)施和微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，水力壓裂后的來(lái)壓步距縮小了57%，大的微震能量降低了40%，微震事件頻次降低了60%。卸壓后頂板來(lái)壓強(qiáng)度和步距均明顯弱化，保證了大采高工作面的安全回采。