王 銳，劉前進，程 磊，丁維波，馮裕堂，張 震，劉曉剛

(1.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719001；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

榆神礦區(qū)是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地，該區(qū)域煤炭資源賦存豐富、開采條件優(yōu)越，并且具有煤層厚度大、埋藏深度淺、地質(zhì)構(gòu)造簡單、傾角平緩、頂板堅硬等特點，非常適合大規(guī)模機械化開采，誕生了一大批千萬噸級現(xiàn)代化大型礦井。對于厚度8m以下的煤層適宜采用大采高一次采全高開采，而對于厚度10m以上的煤層，綜放開采工藝在開采效率、資源回收率、安全性、經(jīng)濟性等方面則具有很大優(yōu)勢，例如該地區(qū)的金雞灘煤礦、曹家灘煤礦、千樹塔煤礦、神樹畔煤礦等均采用綜放開采工藝開采特厚煤層，并針對該區(qū)域埋藏深度淺、煤層厚度大、煤質(zhì)堅硬、裂隙不發(fā)育、頂煤冒放性較差的特點，普遍采用大采高、小采放比、高阻力支架來增強頂煤的冒放性[1]，目前該地區(qū)綜放開采的最大機采高度已達到7.0m，液壓支架最大工作阻力達到21000kN，單工作面生產(chǎn)能力最大可達1500萬t/a，基本上代表了我國綜合機械化放頂煤開采的最高水平。但在淺埋深厚硬頂板條件下，開采強度的大幅提高和一次采出空間的顯著增大也造成工作面頂板活動劇烈，礦壓顯現(xiàn)異常強烈，引發(fā)片幫冒頂、支架壓死、設(shè)備損壞乃至人員傷亡等頂板事故，成為制約工作面安全生產(chǎn)的主要因素之一。

我國學者對于淺埋深大采高工作面強礦壓問題已有大量研究，而對于淺埋深綜放工作面的礦壓規(guī)律和頂板控制技術(shù)研究較少。任艷芳等[2]研究了淺埋深長壁采場切頂壓架災(zāi)害發(fā)生過程中的時間序列問題，認為通過對支架壓力、采動應(yīng)力、覆巖應(yīng)變等指標的聯(lián)合監(jiān)測與預(yù)警值設(shè)計，可實現(xiàn)對淺埋采場切頂壓架災(zāi)害的預(yù)測和防治。劉全明等[3]研究了淺埋深條件下覆巖結(jié)構(gòu)對綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響，認為在不同基巖厚度下，覆巖形成不同結(jié)構(gòu)特征。尹希文等[4，5]針對淺埋深綜放工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈的問題，采用相似模擬、微震實測、礦壓監(jiān)測等方法，對淺埋煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)和覆巖破壞規(guī)律進行了研究。樊克松博士[6]以大同礦區(qū)蘆子溝煤礦淺埋深堅硬頂板條件下特厚煤層綜放工作面為工程背景，開展了特厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)與地表變形時空關(guān)系的相關(guān)研究，提出了巖層運動的“裂縫帶主控層”假說。許永祥博士[7]以榆神礦區(qū)金雞灘煤礦埋深較淺的特厚堅硬煤層超大采高綜放開采為背景，研究了特厚堅硬煤層超大采高支架-圍巖結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系。楊真等[8-10]以神東某礦綜放工作面為例，研究了淺埋深綜放工作面強礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并分析了淺埋深綜放工作面的強礦壓機理，提出了水壓致裂的頂板弱化措施，取得了良好的應(yīng)用效果。在堅硬頂板特厚煤層綜放工作面強礦壓規(guī)律和控制技術(shù)方面，于斌等[11，12]提出了堅硬頂板特厚煤層綜放工作面近遠場覆巖結(jié)構(gòu)模型，實施了硬巖遠場地面壓裂和煤巖近場井下承壓爆破預(yù)裂的協(xié)同控頂技術(shù)，取得了較好控制效果。李化敏等[13]建立了特厚煤層大采高綜放采場周期來壓巖層破斷的力學模型“上位砌體梁-下位倒臺階組合懸臂結(jié)構(gòu)”，認為由于高位砌體梁結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)造成了工作面來壓強烈、動載明顯、持續(xù)時間短的礦壓現(xiàn)象?？琢詈５萚14]對極近距采空區(qū)下特厚煤層綜放采場大空間覆巖結(jié)構(gòu)形式及其運動規(guī)律和覆巖來壓機理進行了研究。李云鵬等[15]以大同礦區(qū)石炭系特厚煤層綜放開采礦井為工程背景開展了礦壓分級理論預(yù)測研究，認為不同空間位置堅硬巖層具有不同的礦壓控制作用。其他學者也對淺埋或堅硬頂板特厚煤層綜放工作面礦壓規(guī)律進行了研究[16-18]。

以上研究成果為本課題的研究提供了借鑒，但曹家灘礦井特厚煤層綜放工作面在多層厚硬頂板賦存、超大采出空間以及超高強度開采等條件下，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有一定特殊性，強礦壓顯現(xiàn)的頻繁發(fā)生對工作面安全生產(chǎn)造成很大威脅，研究該條件下綜放工作面強礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和堅硬頂板控制技術(shù)，對于保障工作面的安全高效開采具有重要意義。

1 工作面概況

122108工作面是曹家灘煤礦12盤區(qū)東翼第2個回采工作面，南部為設(shè)計的122110工作面，北部是122106工作面采空區(qū)。工作面傾向長280m，走向回采長度5996m，工作面開采2-2煤層，煤層埋藏深度255～338m，煤層厚度8.47～11.8m，平均10m，傾角0°～5°。根據(jù)實驗室測試結(jié)果，2-2煤層單軸抗壓強度為17.9～30.8MPa，平均23.89MPa；抗拉強度為0.67～1.08MPa，平均0.92MPa，屬中硬煤層。見表1，煤層直接頂為粉砂巖，厚度2.22～7.61m；基本頂為中粒砂巖，厚度17.52～22.8m。根據(jù)頂板圍巖強度原位測試結(jié)果，10m以上頂板圍巖單軸抗壓強度平均52MPa(圖1)，頂板單層厚度大，致密堅硬。

工作面設(shè)計割煤高度為6.0m，放煤高度平均為4.0m，采放比為1∶0.67，工作面支護采用ZFY21000/34/63D型兩柱掩護式放頂煤液壓支架，支架額定工作阻力為21000kN，支護強度1.63～1.68MPa，共安裝139臺支架。

表1 煤層頂?shù)装遒x存情況

圖1 煤巖體單軸抗壓強度測試曲線

2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實測分析

2.1 工作面周期來壓整體規(guī)律

122108工作面在2020年7月開始回采，直至2022年3月1日回采結(jié)束。借助KJ21礦壓監(jiān)測預(yù)警平臺，對122108工作面自從2021年3月以來的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了跟蹤觀測。工作面正?；夭善陂g一段時間內(nèi)的支架工作阻力三維云圖如圖2所示，工作面在周期來壓期間礦壓顯現(xiàn)普遍強烈，周期來壓特征顯著，具有來壓動載強、來壓持續(xù)時間長、來壓區(qū)域性明顯、周期性出現(xiàn)強礦壓等特點。在2021年3月11日至11月11日(工作面推進距離為2632～4956m)的正常回采期間，共統(tǒng)計分析周期來壓128次，系統(tǒng)得出了工作面周期來壓規(guī)律。

圖2 122108工作面支架工作阻力

工作面周期來壓步距與來壓持續(xù)距離隨工作面推進過程中的分布情況如圖3所示，工作面周期來壓步距在5～64m范圍均有分布，但主要分布在10～25m范圍內(nèi)(圖4、圖5)，平均周期來壓步距18.4m。

圖3 122108工作面周期來壓步距及來壓持續(xù)距離分布

圖4 周期來壓步距頻率分布

圖5 周期來壓持續(xù)距離頻率分布

工作面周期來壓持續(xù)距離主要分布在5～15m范圍，平均持續(xù)來壓距離11.5m。周期來壓來壓持續(xù)距離整體較長，來壓段長度平均約占整個周期來壓步距的62.5%，工作面長期處于帶壓狀態(tài)。工作面持續(xù)來壓距離與周期來壓步距整體呈現(xiàn)正相關(guān)增長關(guān)系。

動載系數(shù)是工作面周期來壓期間支架循環(huán)末阻力與非來壓期間支架循環(huán)末阻力之比，反映了工作面周期來壓強度的大小和工作面頂板運動的劇烈程度，122108工作面推進過程中周期來壓平均動載系數(shù)分布如圖7所示。統(tǒng)計工作面周期來壓平均動載系數(shù)分布在1.33～1.66之間，并主要分布在1.4～1.6范圍內(nèi)，平均1.45，工作面來壓期間支架最大壓力平均達到48.3MPa，工作面周期來壓整體較為強烈。

圖6 工作面推進過程中周期來壓動載系數(shù)分布

圖7 動載系數(shù)頻率分布

工作面周期來壓期間支架工作阻力在工作面傾向方向的分布如圖8所示，由圖8可知，工作面來壓區(qū)域性明顯，來壓區(qū)域主要分布在工作面中上部的35#—125#架范圍，其中50#—110#支架范圍是來壓最為頻繁和顯著的區(qū)域，而在工作面兩端頭區(qū)域基本不受來壓影響。

圖8 工作面周期來壓期間支架壓力分布

2.2 大周期強動載來壓規(guī)律

122108工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有比較明顯的大小周期現(xiàn)象，強動載礦壓顯現(xiàn)一般發(fā)生在大周期來壓期間。工作面每間隔3～14次(平均7.5次)小周期來壓之后，會出現(xiàn)一次大周期來壓，大周期來壓間距為54.5～255m不等，平均135m；大周期來壓期間的周期來壓步距為14.6～64m，平均為26.4m；周期來壓持續(xù)距離為5.4～60.8m，平均為18.2m；大周期來壓動載系數(shù)為1.38～1.64，平均為1.48；大周期來壓期間工作面會出現(xiàn)支架安全閥大范圍、多個循環(huán)持續(xù)開啟的現(xiàn)象(支架安全閥開啟比例平均達到56.71%)，并伴隨支架活柱持續(xù)性的快速下縮。工作面大周期來壓時中部支架(60#—110#)的累計下縮量平均為794mm，支架最大下縮量平均為1087mm，其中2021年6月6日強動載來壓時，支架最大下縮量達到2.0m(圖9)。

圖9 6月6日強動載周期來壓期間工作面采高變化曲線

122108工作面大、小周期來壓特征對比統(tǒng)計見表2，工作面大周期來壓相比小周期來壓，具有來壓步距更大、來壓持續(xù)距離更長、動載更強、影響范圍更廣等特點，對工作面安全生產(chǎn)威脅更大，工作面需要重點防范的主要為強動載來壓。如2021年6月6日13點30分，工作面35#—90#架瞬間來壓，支架采高由5.6m迅速降到3.7m左右，并導(dǎo)致工作面局部漏頂，采煤機無法通行，其中70#—75#架立柱油缸無行程，73#支架壓死；強動載來壓影響總時長約46h。

表2 122108工作面大、小周期來壓特征對比統(tǒng)計

3 堅硬頂板區(qū)域壓裂控制技術(shù)

工作面上覆堅硬頂板是工作面發(fā)生強礦壓的力源，為從根本上解決強礦壓問題，必須要對工作面上覆堅硬頂板進行弱化處理。曹家灘煤礦在122108工作面剩余1000m試驗了井下定向水平長鉆孔區(qū)域壓裂技術(shù)，對堅硬頂板采取超前預(yù)裂。如圖10所示，根據(jù)壓裂試驗區(qū)域鄰近的補53號地質(zhì)鉆孔資料，煤層上方堅硬巖層依次為22.8m厚中粒砂巖和12.7m厚的細粒砂巖，確定壓裂目標層位分別為10m、23m和38m。

圖10 補53鉆孔柱狀

工作面區(qū)域壓裂施工配備ZDY15000LD型大功率定向鉆機(額定轉(zhuǎn)矩15000N·m，功率132kW)和大流量高壓泵(功率500kW，流量1.5m3/min)，采用井下定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)。在工作面輔運巷聯(lián)巷、回風巷和主回撤通道分別布置鉆場，井下共設(shè)置6個鉆場，鉆孔總進尺達17958m，單孔長度超過500m。工作面區(qū)域壓裂技術(shù)參數(shù)見表3。區(qū)域壓裂鉆孔布置在對工作面內(nèi)部三個關(guān)鍵層位實施有效壓裂的同時，對工作面運輸巷和輔運巷之間的區(qū)段煤柱上方堅硬頂板實施壓裂，提前解除下一個相鄰工作面的側(cè)向支承壓力，有利于緩解下一工作面動壓巷道的維護難度。

圖11 122108工作面區(qū)域壓裂鉆孔布置

表3 122108工作面區(qū)域壓裂技術(shù)參數(shù)

在壓裂工程實施后，通過對比壓裂前后工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對區(qū)域壓裂效果進行了評價。如圖12所示，通過與壓裂前大周期來壓特征相比，壓裂后工作面大周期來壓步距平均由27.6m縮短為22.7m，來壓持續(xù)距離平均由18.2m縮短為11.7m，平均動載系數(shù)由1.48縮小為1.40，最大頂板下沉量由2.0m減小為1.1m?？梢妼ぷ髅鎴杂岔敯鍖嵤﹨^(qū)域壓裂對于減小周期來壓步距和來壓持續(xù)距離，減弱來壓強度均有顯著作用，區(qū)域壓裂后，工作面未再發(fā)生頂板快速下沉的強礦壓現(xiàn)象，頂板來壓更加可控。曹家灘煤礦122108工作面井下定向長鉆孔區(qū)域壓裂的成功應(yīng)用，對于榆神礦區(qū)淺埋厚硬頂板工作面強礦壓治理也具有重要借鑒意義。

圖12 區(qū)域壓裂前后大周期來壓特征對比

另外，在實施區(qū)域壓裂后，工作面支架工況也得到明顯改善：①支架工作阻力分布方面：在實施區(qū)域壓裂前，支架18000～22000kN的高阻力區(qū)間占比平均達到23.13%，支架長時間處于高阻力工作狀態(tài)；壓裂后，18000～22000kN的高阻力區(qū)間占比下降為17.24%，而12000～16000kN的理想工作阻力區(qū)間占比則由45.61%提升至72.83%(見圖13)，支架工作阻力分布更加合理。②不保壓情況：在實施區(qū)域壓裂前，由于工作面強動載現(xiàn)象頻發(fā)，支架立柱受沖擊損壞嚴重，支架不保壓率平均達到16.1%；壓裂后，工作面支架不保壓率分布在0.7%～10%之間，平均4.4%(圖14)，支架不保壓率顯著降低，支架工作狀態(tài)得到了顯著改善。

圖13 工作面壓裂前后支架工作阻力整體頻率分布對比

圖14 壓裂前后工作面支架不保壓情況統(tǒng)計

4 結(jié) 論

1)淺埋厚硬頂板特厚煤層綜放工作面周期來壓礦壓顯現(xiàn)強烈，周期來壓步距主要分布在10～25m，平均18.4m，來壓持續(xù)距離主要分布在5～15m，平均11.5m，動載系數(shù)主要分布在1.4～1.6，平均1.45，來壓主要影響范圍35#—125#支架；具有來壓動載強、來壓持續(xù)時間長、來壓區(qū)域性明顯、周期性出現(xiàn)強礦壓等特點。

2)工作面具有明顯的大小周期來壓現(xiàn)象，強動載來壓主要發(fā)生在大周期來壓期間。工作面平均每間隔135m出現(xiàn)一次大周期來壓，大周期來壓具有來壓步距更大、來壓持續(xù)距離更長、動載更強、影響范圍更大等特點，往往伴隨支架安全閥大范圍、多循環(huán)持續(xù)開啟以及支架立柱持續(xù)下縮等強動載現(xiàn)象。

3)在122108工作面剩余1000m范圍試驗了井下定向水平長鉆孔區(qū)域壓裂技術(shù)，對工作面上方堅硬頂板實施超前預(yù)裂，壓裂后工作面大周期來壓步距平均由27.6m縮短為22.7m，來壓持續(xù)距離平均由18.2m縮短為11.7m，平均動載系數(shù)由1.48縮小為1.40，最大頂板下沉量由2.0m減小為1.1m；區(qū)域壓裂后，工作面未再發(fā)生頂板快速下沉的強礦壓現(xiàn)象，頂板來壓更加可控，支架工況得到明顯改善。