董 波

（山西西山晉興能源有限責任公司，山西 呂梁 030600）

引言

隨著，礦井采掘深度的不斷延伸，煤礦資源開采的重點逐步向著覆存條件較為復雜的煤層轉化。堅硬頂板是礦井開采目前面臨的重要難題，我國約一半左右的煤層存在堅硬頂板問題，由于頂板巖性較為堅硬，使得采空區(qū)頂板極難垮落，并形成大面積的懸頂[1-2]，大面積的懸頂一旦發(fā)生垮落極易造成層工作面沖擊地壓，同時為了保證巷道的穩(wěn)定性，在留煤柱開采的巷道，大面積的懸頂使得煤柱留設寬度大幅增加，造成嚴重的資源浪費，在無煤柱開采的礦井，大面積的懸頂同樣需要投入較大的資金來維護巷道的穩(wěn)定性[3-4]，所以對堅硬頂板的治理成為了一個熱門的課題。目前針對堅硬頂板的治理的方法主要為切頂卸壓，通過對頂板進行預裂，達到正?？迓涞哪康?。本文利用數(shù)值模擬軟件對堅硬頂板水力壓裂技術進行研究，為礦井地質條件相類似的堅硬頂板工作面巷道治理提供參考。

1 礦井概況及數(shù)值模擬研究

1.1 礦井概況

斜溝礦位于山西省興縣北50 km 處，礦井面積約88.6 km2，礦井設計生產(chǎn)能力15.0 Mt/a，現(xiàn)主要開采2#、8#煤層。18108 工作面現(xiàn)在主要開采山西組8#煤層，煤層平均厚度5.2 m，煤層平均傾角8.9°。隨著，礦井開采規(guī)模、采掘深度的不斷擴大，使得采空區(qū)覆巖得自重逐步轉移至圍巖，此時采空區(qū)的周圍相鄰位置構成支撐壓力區(qū)域，在回采應力作用下形成不同的應力區(qū)域，分別為原巖應力區(qū)、應力增高區(qū)及應力穩(wěn)定區(qū)。在超前支撐區(qū)域護巷煤柱載荷快速增長，此時巷道的變形量增大，巷道出現(xiàn)頂板下沉、底板底鼓及兩幫片幫現(xiàn)象。為了降低壓力承載區(qū)域的應力，減少巷道出現(xiàn)的應力集中，采用水力壓裂技術進行切頂卸壓。

1.2 理論分析

水力壓裂切頂卸壓技術主要是在回采前對頂板進行機械鉆孔，將鉆好的孔進行密閉，利用高壓射流水對鉆孔進行注液，當鉆孔內(nèi)部壓力大于鉆孔起裂壓力時，此時鉆孔發(fā)生起裂，沿著鉆孔會形成裂縫，隨著注液時間的繼續(xù)增大，此時裂縫隨著水壓的注入發(fā)生擴展，從而達到降低頂板完整性，達到隨采隨落，降低側向支撐壓力，提升巷道穩(wěn)定性的目的。為了更好的對水力壓裂切頂卸壓進行一定的研究，利用數(shù)值模擬軟件對邊界排水巷及水力壓裂卸壓的機理進行研究。

1.3 數(shù)值模型構建

根據(jù)斜溝礦地質條件建立模型，選定數(shù)值模擬軟件FLAC3D，根據(jù)實際情況建立比例模型，模型的長寬高分別為800 m、620 m、1 m，完成模型的建立后對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分直接關系到模擬計算的時間與精度，本文采用interfacce 單元進行建立，劃分完成后共計960 000 個單元格，對巖層進行物理參數(shù)進行設定，本文根據(jù)實際情況設定煤層頂板巖層依次為中粒砂巖、細粒砂巖、泥巖、中粒砂巖、粉砂巖、泥巖，對物理參數(shù)進行設定參照，如表1 所示，數(shù)值模擬計算模型，如下頁圖1 所示。

圖1 數(shù)值模量模型示意圖

表1 巖層物理參數(shù)參照表

2 數(shù)值模擬計算

首先對水力壓裂切頂卸壓對邊界巷道的穩(wěn)定性影響進行研究，方案一為非水力壓裂切頂卸壓對邊界巷影響，在8#煤開挖排水巷，排水巷與保護煤柱的距離設定為25m，方案二為水力壓裂對邊界巷穩(wěn)定性影響研究，正在采空區(qū)沿煤柱側向上50°的位置布置一條垂直高度30 m 的裂縫，分別對兩種情況進行模擬研究，研究結果如圖2 所示。

圖2 水力壓裂影響云圖

從圖2 可以看出，在非水力壓裂情況下，在采空區(qū)與巷道的上下方位置應力分布均低于10 MPa，此區(qū)域內(nèi)為低應力區(qū)，在工作面切眼與采空區(qū)的上端位置為拉應力分布區(qū)域，而高應力區(qū)域集中在煤柱附近，且距離切眼越近越大，在排水巷附近存在應力集中現(xiàn)象，在此范圍內(nèi)應力值在20 MPa 左右，在排水巷5 m～10 m 及切眼左端10 m～20 m 的范圍內(nèi)容易破壞，而在邊界排水巷的頂板位置易出現(xiàn)張拉破壞。而在水力壓裂下底應力區(qū)域主要集中在煤柱間及采空區(qū)與切眼50 m 的范圍，而高應力區(qū)域也由非水力壓裂情況下的17 MPa 左右降低至12 MPa，在排水巷兩側應力最大值同樣降低至12 MPa 附近?？梢钥闯鼋?jīng)過水力壓裂下巷道應力分布有了明顯的改善，巷道的穩(wěn)定性也得到了一定幅度的提升。計算匯總90 m 煤柱近切眼15 m 的垂直方向應力變化情況，如圖3 所示。

圖3 兩種方案對比圖

從圖3 可以看出在非水力壓裂頂板時采空區(qū)頂板發(fā)生旋轉下沉造成煤柱在上端部形成應力集中如圖藍色曲線上升部分，當煤柱承載的應力超過煤柱的屈服極限時，此時的煤柱發(fā)生破壞，煤柱應力釋放發(fā)此時應力下降如圖藍色下降部分，而經(jīng)過水力壓裂切頂卸壓后應力值明顯小于未經(jīng)過切頂卸壓時的情況，此時在注液階段切縫未發(fā)生滑動此時應力出現(xiàn)增長的趨勢，當注液壓力超過鉆孔的承載極限時，此時鉆孔發(fā)生破壞，應力出現(xiàn)一定幅度的降低，隨后應力長時間區(qū)域穩(wěn)定，如圖棕色部分，可以看出水力壓裂頂板主要是通過切縫，從而改變頂板的破壞形式，從而影響圍巖的整體分布，降低巷道變形量[5]。

同樣的對比水力壓裂對輔助順槽的影響進行研究，方案一為非水力壓裂采空區(qū)煤柱側頂板受力情況，回采順槽與煤柱間距設定為25 m，相鄰巷道的尺寸設定為5 m×4 m，方案二為水力壓裂采空區(qū)煤柱側頂板的受力情況，沿著煤柱方向在采空區(qū)設定一條裂縫，裂縫與采空區(qū)煤柱夾角為85°，裂縫的高度設定為30 m，計算匯總煤柱10 m 處應力變化情況，如圖4 所示。

圖4 兩種方案對比圖

從圖中可以看出，在非水力壓裂頂板情況下，頂板同樣先經(jīng)歷頂板斷裂回轉，造成煤柱側的應力集中，此時應力最大值為39 MPa，應力曲線呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是由于隨著覆巖的下沉造成煤柱應力集中，當煤柱由于承載能力不足發(fā)生破壞時應力下降，而經(jīng)過水力壓裂卸壓的頂板其垂直應力分布大致不會發(fā)生變化，僅在切縫未滑動時存在一定的應力集中。

3 結論

1）對水力壓裂切頂卸壓機理進行研究，給出了數(shù)值模擬模型建立的全過程，為后續(xù)模擬研究提供一定的參考。

2）利用數(shù)值模擬軟件對水力壓裂切頂卸壓對邊界巷道的穩(wěn)定性影響進行研究。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過水力壓裂后巷道的應力環(huán)境得到了較大幅度的改善，巷道穩(wěn)定性提升。

3）根據(jù)對水力壓裂前后巷道垂直應力進行分析發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)水力壓裂頂板的垂直應力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而經(jīng)過水力壓裂卸壓巷道應力變化不明顯。