李海龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司 山西 大同 037103）

我國探明的煤炭儲(chǔ)量達(dá)1.34萬億t，其中44%埋在6 m～20 m 的井下開采厚煤層，煤炭已成為我國主要能源。在大采高綜采放頂煤技術(shù)研究和應(yīng)用的推動(dòng)下，超厚煤層的年產(chǎn)量已達(dá)到1000 萬t。隨著開采高度增加，煤層開采引起的覆巖移動(dòng)和應(yīng)力集中效應(yīng)日益明顯，并伴隨著頂板坍塌、煤層瓦斯突出、沖擊地壓等事故，對(duì)開采安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。許多學(xué)者通過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、相似建模和數(shù)值模擬進(jìn)行了廣泛研究，對(duì)硬頂板下大采高工作面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及覆巖破壞特征取得了豐碩成果。本文以東周窯煤礦8102工作面典型的堅(jiān)硬頂板為研究背景，用數(shù)值模擬方法研究堅(jiān)硬頂板條件下采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律。確定采場(chǎng)圍巖的分布規(guī)律和應(yīng)力特征，用水力壓裂法弱化頂板巖層[1]，降低采場(chǎng)圍巖應(yīng)力，提出一種防止堅(jiān)硬頂板采場(chǎng)發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害的方法，研究結(jié)果可為硬巖頂板壓裂弱化及水力壓裂技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 東周窯煤礦8102工作面簡介

東周窯煤礦8102工作面位于山西組4#層一盤區(qū)，北部為山4#層一盤區(qū)三條采區(qū)巷道，西部為南部三條盤區(qū)巷道，南部及東部均為實(shí)煤區(qū)。對(duì)應(yīng)的上覆為店灣煤礦侏羅系煤層采空區(qū)。煤層厚度平均5.97 m，開采深度500 m左右。本工作面開采二疊系下統(tǒng)山西組4#煤層，煤層平均厚度為5.97 m，中間有2～10層夾矸，最大為1.93 m，最小為0.20 m，巖性多為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、煌斑巖，次為粘土質(zhì)泥巖、泥巖。地應(yīng)力結(jié)果表明，垂直方向的主應(yīng)力為10 MPa，中間主應(yīng)力和次要主應(yīng)力都在水平方向上分別約為6.2 MPa 和3.3 MPa。

表1 構(gòu)造情況表

表2 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 堅(jiān)硬頂板對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響

為了確定堅(jiān)硬頂板對(duì)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布的影響，采用數(shù)值模擬方法研究了采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力分布。利用有限差分軟件FLAC3D對(duì)工作面開挖進(jìn)行模擬。根據(jù)東周窯煤礦8102 工作面實(shí)際情況建立了數(shù)值模擬模型，模型尺寸為長×寬×高=500 m×600 m×200 m，其所有邊界（頂部邊界除外）均受正常約束。由于堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度大，在覆巖移動(dòng)中起決定性作用，將堅(jiān)硬頂板巖層簡化為相同巖性的巖層，以埋深為基準(zhǔn)，在頂部施加等效垂直荷載7.5 MPa。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 煤巖物理力學(xué)參數(shù)及厚度

圖1 顯示了不同工作面推進(jìn)距離（即100 m、200 m、300 m 和400 m）下工作面開采期間的支承壓力分布。上覆巖層壓力約為12.5 MPa，隨著工作面開采的不斷推進(jìn)，上覆巖層對(duì)超前支承壓力的強(qiáng)度和影響范圍影響不同。工作面推進(jìn)打破了采場(chǎng)周圍的巖體平衡，采空區(qū)上覆巖層的重力轉(zhuǎn)移到煤體，導(dǎo)致應(yīng)力集中。在采場(chǎng)附近一定范圍內(nèi)，煤體中的垂直應(yīng)力顯著增加，產(chǎn)生支承壓力，最大應(yīng)力為23 MPa。垂直應(yīng)力的增加并不是無限的，因?yàn)樵谶_(dá)到一定程度后，垂直應(yīng)力逐漸降低到原始巖石應(yīng)力。在工作面前方，支承壓力先升高后降低，形成三個(gè)區(qū)域，即原始巖石應(yīng)力區(qū)、增加應(yīng)力區(qū)和減少應(yīng)力區(qū)。由于覆巖強(qiáng)度和厚度較大，工作面推進(jìn)一定距離后仍能保持穩(wěn)定。隨著開挖距離的增加，超前支撐壓力影響范圍和峰值強(qiáng)度逐漸增大，圖中白色范圍為煤層開挖后區(qū)域。

圖1 工作面開采期間的支承壓力

3 水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

水力壓裂產(chǎn)生的裂縫通常集中在鉆孔上，主應(yīng)力方向的裂紋較長，而垂直主應(yīng)力方向的裂紋較短，水力壓裂布置在工作面中部[2-3]。如圖2所示在回風(fēng)巷設(shè)置A、B、C 三個(gè)孔，三個(gè)鉆孔為一組，每隔10 m 布置一組鉆孔。A 和B 兩孔主要用來壓裂端頭懸頂，呈三花布置，B和C兩孔主要用來壓裂煤柱上方頂板，呈扇形布置。孔B 同時(shí)兼顧端頭懸頂和動(dòng)壓巷道壓裂的作用。鉆孔A 貼正幫平行巷道向采空區(qū)方向施工，開孔位置距離巷幫300 mm，仰角為45°，鉆孔長度11.5 m達(dá)到老頂?shù)钠屏逊秶?；鉆孔B貼副幫向采空區(qū)后方施工，開孔位置距離巷幫300 mm，方位角為偏離巷道方向10°，仰角45°，鉆孔長度為22.5 m；鉆孔C 垂直巷幫斜向煤柱頂板施工，仰角45°，鉆孔長度22.5 m。A、B、C 鉆孔直徑均為60 mm，鉆孔A 壓裂3段，孔B 和孔C 壓裂5段，兩段之間的間距平均為4 m～5 m，每段的壓裂時(shí)間控制在30 min。

圖2 鉆孔布置示意圖

為了增加水力壓裂過程中裂縫的數(shù)量，需采用大排量壓裂泵，泵的排量確定為120 L/min。由于灰?guī)r頂板的強(qiáng)度較高，f系數(shù)接近10，抗拉強(qiáng)度為8 MPa～13 MPa，且最小主應(yīng)力為3.3 MPa，按照富余系數(shù)為2 考慮，泵需要提供35 MPa以上的壓力[4-5]。

4 實(shí)施效果

通過分析管路壓力、綜采面煤體應(yīng)力變化判別煤層壓裂效果。

（1）管路壓力

煤體裂隙在高壓水的作用下，煤體裂隙發(fā)生起裂擴(kuò)展，煤體充水空間變大，與此相對(duì)應(yīng)管路壓力將發(fā)生突降，據(jù)此可以判別煤體裂隙發(fā)育程度，從而判定煤體卸壓效果。圖3為鉆孔煤體預(yù)裂與壓裂曲線。

圖3 壓力-時(shí)間曲線圖

由圖3煤體水力預(yù)裂、壓裂曲線可知，煤體水力預(yù)裂曲線壓力始終維持在40 MPa～50 MPa 之間，煤體在高壓脈沖水力壓裂作用下，形成定向水力壓裂切割裂縫，從而降低后續(xù)煤體壓裂時(shí)的起裂壓力。當(dāng)煤體進(jìn)行水力壓裂擴(kuò)展煤體裂縫時(shí)，煤體的起裂壓力為23 MPa，隨后壓力迅速降低，在壓裂進(jìn)行到12 min 和23 min時(shí)煤體又分別進(jìn)行了裂隙的一次擴(kuò)展與二次擴(kuò)展，擴(kuò)展壓力小于起裂壓力，此時(shí)煤體內(nèi)裂縫已充分?jǐn)U展，觀測(cè)到煤體1#孔和2#孔均有不同程度出水，巷道煤壁出現(xiàn)滲水，煤壁裂隙發(fā)育，壓裂半徑達(dá)到5 m 以上，煤體內(nèi)卸壓效果顯著。

（2）煤體應(yīng)力

根據(jù)工作面推進(jìn)位置不同，分別觀測(cè)工作面在非預(yù)裂區(qū)和預(yù)裂區(qū)煤體應(yīng)力分布規(guī)律。關(guān)鍵層壓裂后壓力值會(huì)逐漸減小，但不會(huì)無限減小，達(dá)到原巖應(yīng)力后，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，加大壓裂深度對(duì)壓力有一定影響。

由圖4 和圖5 觀測(cè)數(shù)據(jù)可知：8102 工作面在非預(yù)裂區(qū)時(shí)超前支承壓力為25 MPa，壓力峰值超前工作面4 m，應(yīng)力集中系數(shù)為2.56；工作面推進(jìn)到1#孔預(yù)裂區(qū)時(shí)超前支承壓力為17.1 MPa，壓力峰值超前工作面6 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.74；工作面推進(jìn)到2#孔預(yù)裂區(qū)時(shí)超前支承壓力為18.3 MPa，壓力峰值超前工作面8 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.87。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，工作面推進(jìn)到單排孔預(yù)裂區(qū)之后，壓力峰值前移2 m，應(yīng)力集中系數(shù)降低32%，工作面推進(jìn)到雙排孔預(yù)裂區(qū)之后，壓力峰值前移4 m，應(yīng)力集中系數(shù)降低26.9%。而造成雙排孔預(yù)裂區(qū)應(yīng)力集中系數(shù)降低率較低的原因?yàn)?，工作面雙排孔預(yù)裂區(qū)前方存在一斷層構(gòu)造，造成該處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4 超前支承壓力圖 圖5 超前支承壓力峰值及位置圖

研究發(fā)現(xiàn)，工作面煤體預(yù)裂之后，超前支承壓力峰值前移，峰值降低，工作面煤壁區(qū)域卸壓范圍增大，有效減緩了工作面應(yīng)力集中。

5 結(jié)論

（1）數(shù)值分析研究了某煤層采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)果表明:采場(chǎng)圍巖受堅(jiān)硬頂板影響，圍巖受集中應(yīng)力影響范圍大，采場(chǎng)圍巖受集中應(yīng)力影響范圍大，容易導(dǎo)致強(qiáng)礦壓災(zāi)害的發(fā)生。

（2）壓裂井技術(shù)能夠有效地裂縫煤層堅(jiān)硬頂板，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，水力壓裂在硬巖層內(nèi)部形成一系列裂縫，對(duì)頂板的壓裂效果較好。

（3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，水力壓裂后支護(hù)壓力影響范圍為49.15 m，超前支護(hù)壓力峰值降至18.58 MPa。結(jié)果表明，采場(chǎng)頂板水力壓裂有效降低了采場(chǎng)圍巖應(yīng)力對(duì)生產(chǎn)的影響。