龐立寧，魏 斌

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013)

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，切頂卸壓技術(shù)[1-4]是一種常用的防治頂板災(zāi)害事故的手段，如沿空留巷切頂卸壓(四明山煤礦、晉華宮煤礦)[5，6]、大變形巷道切頂卸壓(常村煤礦)[7]、切頂卸壓自成巷(檸條塔煤礦、店坪煤礦)[8，9]、神府礦區(qū)堅(jiān)硬頂板初采強(qiáng)制放頂[10，11]、切頂卸壓防治沖擊地壓(葫蘆素煤礦)[12，13]、動(dòng)壓巷道切頂卸壓護(hù)巷(景福煤礦)[14]；此外，切頂卸壓技術(shù)還在近距離煤層房柱采空區(qū)下長(zhǎng)壁開(kāi)采動(dòng)壓災(zāi)害防治方面有著良好效果(元寶灣煤礦、石圪臺(tái)煤礦)[15，16]。

切頂卸壓技術(shù)有很多具體實(shí)施方式[17]，如爆破、水力壓裂、CO2爆破[18，19]、產(chǎn)氣劑爆破等；針對(duì)某種特定地質(zhì)條件的礦井，往往有很多可供選擇的切頂卸壓技術(shù)方案，而如何科學(xué)地、有邏輯性地從諸方案中優(yōu)選抉擇是擺在工程技術(shù)人員面前的問(wèn)題，在以往方案抉擇中，往往是定性地分析各備選方案優(yōu)缺點(diǎn)而后確定最終方案，定量研究各因素對(duì)切頂卸壓方案抉擇的影響權(quán)重的文獻(xiàn)較少。因此，以元寶灣煤礦為例，介紹可實(shí)現(xiàn)定量分析的層次分析法[20]在優(yōu)選頂板卸壓技術(shù)方案中的應(yīng)用。

1 工作面開(kāi)采條件

元寶灣煤礦為兼并重組整合礦，重組整合前采用房柱式開(kāi)采方式，回采的層位為4#煤層，遺留下很多不規(guī)則的房柱式采空區(qū)，如圖1所示，且4#煤層砂巖頂板比較堅(jiān)硬，實(shí)測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)81.09MPa。6105工作面位于4#煤房柱式老空區(qū)下方，近水平，工作面長(zhǎng)度為240m、埋藏深度為180m、推進(jìn)長(zhǎng)度932m、煤厚采高均為3.4m，和上覆房柱采空區(qū)距離為16.6m，6105工作面附近鉆孔柱狀如圖2所示。

備注：(圖中不規(guī)則陰影區(qū)域?yàn)樯细参疵安煽諈^(qū))圖1 6105工作面內(nèi)上覆采空區(qū)分布

圖2 6105工作面煤層綜合柱狀

2 4#煤房柱式采空區(qū)頂板處理方案的提出

在6105工作面推進(jìn)過(guò)程中，為了判斷上覆4#煤頂板是否會(huì)發(fā)生突然大面積垮落從而對(duì)下伏工作面造成動(dòng)壓沖擊災(zāi)害，采用3DEC數(shù)值模擬手段進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)：如果不對(duì)4#煤房柱采空區(qū)頂板進(jìn)行切頂卸壓弱化，下伏6#煤工作面回采過(guò)程中會(huì)受到其大面積突然垮落造成的強(qiáng)動(dòng)壓危害[15]。

因此需要對(duì)4#煤房柱采空區(qū)頂板進(jìn)行切頂卸壓弱化處理，由于4#煤層內(nèi)原有老巷道附近進(jìn)行過(guò)切頂卸壓，且如今已經(jīng)封閉無(wú)法進(jìn)入，只能通過(guò)在6105工作面兩條平巷內(nèi)布置鉆場(chǎng)向上覆4#煤層頂板施工鉆孔。采用的切頂卸壓手段有多種，如定向水力壓裂切頂卸壓、爆破切頂卸壓、二氧化碳爆破切頂卸壓等手段。為了方便起見(jiàn)，選擇定向水力壓裂切頂卸壓和爆破切頂卸壓兩種方案進(jìn)行分層分析。

2.1 爆破切頂卸壓

根據(jù)元寶灣煤礦實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行了ANSYS數(shù)值模擬[15]，分析了裝藥不耦合系數(shù)為1.2、1.3、1.5、1.7時(shí)炮孔附近的裂隙發(fā)育情況，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)不耦合系數(shù)為1.3時(shí)，炮孔附近裂隙發(fā)育情況最好，爆破裂隙區(qū)半徑可達(dá)到2.64m，結(jié)合實(shí)際施工機(jī)具條件，考慮到有一定重疊以增加弱化效果確定爆破孔間距為5m，選用規(guī)格為?50mm×500mm、質(zhì)量1kg/卷的礦用3#粉狀乳化炸藥，鉆孔直徑65mm。經(jīng)計(jì)算，鉆孔累計(jì)長(zhǎng)度5904m。爆破鉆孔布置如圖4所示。

圖3 不同耦合系數(shù)時(shí)炮孔附近的裂隙發(fā)育情況

圖4 爆破卸壓鉆孔布置平剖面

2.2 定向水力壓裂切頂卸壓

為了確定水力壓裂擴(kuò)散半徑，在現(xiàn)場(chǎng)布置了監(jiān)測(cè)孔進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散半徑可達(dá)8m，考慮到兩孔間壓裂擴(kuò)散區(qū)域有部分重疊以增加壓裂效果，確定每組孔間距為15m，根據(jù)擬處理的厚巖層層位及現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)具條件確定鉆孔傾角(每組有兩個(gè)鉆孔，1#孔傾角為45°、深度45m，2#孔傾角為60°、深度37m)，用開(kāi)槽鉆在每個(gè)鉆孔內(nèi)厚巖層區(qū)域進(jìn)行切縫開(kāi)槽，用封隔器進(jìn)行封孔，實(shí)現(xiàn)對(duì)厚巖層的分層致裂，定向水力壓裂孔布置如圖5所示。經(jīng)計(jì)算，鉆孔累計(jì)進(jìn)尺為2214m。

圖5 6105工作面兩平巷內(nèi)水力壓裂孔布置

3 4#煤房柱式采空區(qū)頂板處理方案的確定

3.1 建立三層次構(gòu)造模型

方案確定層次結(jié)構(gòu)如圖6所示，模型分為三層：最高層為要解決的問(wèn)題和達(dá)到的目的，即：從諸多頂板卸壓技術(shù)方案中定量選擇一個(gè)作為最優(yōu)方案。最低層為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件擬定的諸多可供選擇的頂板卸壓技術(shù)方案。中間層為方案選擇時(shí)所需要考慮的因素，如：預(yù)計(jì)卸壓效果、工程量、方案負(fù)面效應(yīng)、政策傾向等。

圖6 方案確定層次結(jié)構(gòu)

最高層：第2節(jié)中的方案一爆破切頂卸壓和方案二定向水力壓裂切頂卸壓中確定一個(gè)最終方案。

中間層：切頂卸壓效果(爆破優(yōu)于水力壓裂)，工程量(水力壓裂優(yōu)于爆破)，方案負(fù)面效應(yīng)(水力壓裂較爆破更優(yōu))，政策傾向(水力壓裂優(yōu)于爆破)。

最低層：水力壓裂處理4煤頂板、爆破處理4煤頂板。

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

將中間層中列出的各因素對(duì)頂板卸壓技術(shù)方案確定的重要性進(jìn)行兩兩比較，相比較的兩因素的重要性不同，判斷矩陣中元素aij的取值不同(取值范圍在1～9之間)，因素i相比于因素j的判斷元素aij和因素j相比于因素i的判斷元素aij互為倒數(shù)。將諸多判斷元素aij構(gòu)造成判斷矩陣A。矩陣的判斷可以通過(guò)專家討論得出，可以使用“德?tīng)柗品ā贝_定各項(xiàng)問(wèn)題的相對(duì)重要程度。

以元寶灣煤礦6105工作面兩平巷處理其上方4#煤頂板的方案確定為例，對(duì)中間層中各因素對(duì)最優(yōu)方案抉擇的重要性進(jìn)行比較，構(gòu)造判斷矩陣A-B，見(jiàn)表1。

表1 判斷矩陣A-B

A代表最高層，即總目標(biāo)；B代表中間層各因素，B1為切頂卸壓效果，B2為工程量(水力壓裂切頂方案C1較爆破切頂方案C2優(yōu)勢(shì)為5904m/2214m=2.67，為方便計(jì)算，取值為3)，B3為負(fù)面效應(yīng)，B4為政策傾向。

根據(jù)最低層中水力壓裂技術(shù)方案和爆破卸壓技術(shù)方案分別對(duì)中間層的四個(gè)因素的重要性，構(gòu)建Bi-C矩陣，見(jiàn)表2—表5。C代表最低層中的各方案，C1為水力壓裂技術(shù)方案，C2為爆破卸壓技術(shù)方案。

表2 判斷矩陣B1-C

表3 判斷矩陣B2-C

表4 判斷矩陣B3-C

表5 判斷矩陣B4-C

3.3 計(jì)算各判斷矩陣的檢驗(yàn)指標(biāo)

采用求和法，歸一化處理后，求得：

判斷矩陣A-B的特征向量W0=[0.365 0.124 0.278 0.233]T；特征值λ0=4.046：一致性指標(biāo)CI0=(λ0-n)/(n-1)=0.0153，n=4時(shí)，RI為0.89，CR0=CI0/RI=0.0172<0.1，說(shuō)明一致性可接受。

判斷矩陣B1-C的特征向量W1=[0.333 0.667]T；特征值λ1=2：一致性指標(biāo)CI1=0，CR1=0，說(shuō)明一致性可接受。

判斷矩陣B2-C的特征向量W2=[0.750 0.250]T；特征值λ2=2：一致性指標(biāo)CI2=0，CR2=0，說(shuō)明一致性可接受。

判斷矩陣B3-C的特征向量W3=[0.750 0.250]T；特征值λ3=2：一致性指標(biāo)CI3=0，CR3=0，說(shuō)明一致性可接受。

判斷矩陣B4-C的特征向量W4=[0.667 0.333]T；特征值λ4=2：一致性指標(biāo)CI4=0，CR4=0，說(shuō)明一致性可接受。

3.4 層次總排序

獲得同一層次各要素之間的相對(duì)重要度之后，計(jì)算各級(jí)要素對(duì)最終卸壓方案確定的綜合重要度。

依據(jù)各方案綜合重要程度的大小，對(duì)各方案進(jìn)行排序，層次總排序見(jiàn)表6。

表6 層次總排序

由表6可以看出，水力壓裂技術(shù)方案較爆破切頂技術(shù)方案權(quán)重更高。因此，6105工作面兩平巷內(nèi)處理上覆4煤老空區(qū)頂板采用方案二即水力壓裂切頂卸壓技術(shù)手段。

4 定向水力壓裂切頂方案效果監(jiān)測(cè)

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)6105工作面上方4#煤房柱采空區(qū)頂板的垮落情況，實(shí)時(shí)做出預(yù)警，同時(shí)作為驗(yàn)證采用層次分析法優(yōu)選出的定向水力壓裂切頂方案效果的手段之一，在6105工作面運(yùn)輸平巷、回風(fēng)平巷、6106輔運(yùn)平巷和切眼交叉口處共計(jì)安裝了7個(gè)微震監(jiān)測(cè)探頭，探頭布置方案如圖7所示。

圖7 6105工作面微震探頭布置

如圖8所示，對(duì)微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)6105工作面推進(jìn)過(guò)程中其前方100m范圍內(nèi)微震時(shí)間較頻繁，從剖面圖可知，事件主要集中在4#煤房柱采空區(qū)頂板上方0～50m范圍內(nèi)。這在一定程度上說(shuō)明4#煤房柱式采空區(qū)頂板已經(jīng)超前下伏6105工作面進(jìn)行了垮落，驗(yàn)證了針對(duì)4#煤房柱采空區(qū)頂板的定向水力壓裂切頂卸壓方案的效果。

注：圖中紅色圓點(diǎn)表示能量>1000J的微震事件，藍(lán)色圓點(diǎn)表示能量在100～1000J的微震事件，綠色圓點(diǎn)表示能量<100J的微震事件。黑色粗實(shí)線表示工作面推進(jìn)度為250m位置圖8 6105工作面周?chē)⒄鹗录植计狡拭鎴D

同時(shí)，在6105工作面推進(jìn)過(guò)程中，對(duì)地表沉陷情況也進(jìn)行了觀測(cè)，繪制出了初采期間地表沉降范圍圖，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)地表沉降范圍均超前工作面(5月16日超前工作面30.1m，5月22日超前工作面57.8m，6月1日超前工作面43.8m)，且與超前工作面的水力壓裂切頂卸壓區(qū)域大致吻合，最終6105工作面安全順利的完成了回采，說(shuō)明針對(duì)4#煤頂板的定向水壓致裂技術(shù)取得了好的效果。

(不同顏色直線代表推進(jìn)位置，多段線代表沉降區(qū)域)圖9 初采期間工作面位置及地表沉陷范圍

5 結(jié) 論

1)數(shù)值分析表明：如果不對(duì)4#煤房柱采空區(qū)頂板進(jìn)行切頂卸壓弱化，下伏6#煤工作面回采過(guò)程中會(huì)受到其大面積突然垮落造成的強(qiáng)動(dòng)壓危害，因此必須進(jìn)行弱化處理。

2)針對(duì)4#煤頂板的切頂卸壓方案有定向水力壓裂切頂卸壓方案和爆破切頂卸壓方案兩種可供選擇，影響方案確定的因素有：預(yù)計(jì)卸壓效果、工程量、方案負(fù)面效應(yīng)、政策傾向等。

3)通過(guò)建立三層次構(gòu)造模型、構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算出特征向量和特征值，給出兩方案層次排序權(quán)重，發(fā)現(xiàn)定向水力壓裂切頂卸壓方案總權(quán)重為0.578，爆破切頂卸壓方案總權(quán)重為0.422，因此確定前者為最終方案。

4)6105工作面兩平巷安裝的微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和地表沉陷觀測(cè)表明采用層次分析法定量選出的定向水力壓裂切頂卸壓方案取得了良好效果，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。