周學(xué)斌

(淮北礦業(yè)股份有限公司渦北煤礦, 安徽 亳州 230006)

工作面回采后引起的采動應(yīng)力分布規(guī)律對相鄰沿空巷道、底板巷道等穩(wěn)定性具有重要影響?？刂葡锏绹鷰r穩(wěn)定可以從改善圍巖應(yīng)力環(huán)境和圍巖力學(xué)性質(zhì)兩方面入手,對于受采動影響巷道,應(yīng)優(yōu)先考慮從控制采動應(yīng)力環(huán)境(降低遠(yuǎn)場采動力源)角度來控制巷道圍巖穩(wěn)定。采用水力壓裂技術(shù)是實(shí)現(xiàn)采動應(yīng)力轉(zhuǎn)移的重要手段之一,是當(dāng)前采礦工程圍巖控制領(lǐng)域重要研究熱點(diǎn)之一。吳擁政[1]采用頂板預(yù)裂方法轉(zhuǎn)移雙巷布置中留巷處高采動應(yīng)力;董卓[2]采用數(shù)值模擬計(jì)算方法研究水力預(yù)裂技術(shù)的主控影響;姜鵬飛[3]使用相似材料模型試驗(yàn)?zāi)M頂板預(yù)裂后巖層垮落斷裂形態(tài)?，F(xiàn)有研究已在水力壓裂理論、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以及現(xiàn)場測試等方面取得了一定的研究進(jìn)展,但是總體來講針對水力壓裂對工作面采動應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果和規(guī)律的研究尚不深入[4-10]。本文以渦北煤礦842工作面具體工程地質(zhì)條件為背景,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立842工作面頂板水力壓裂弱化數(shù)值計(jì)算模型,分析水力壓裂后842工作面?zhèn)认虿蓜討?yīng)力場分布規(guī)律,探究水力壓裂切頂技術(shù)用于工作面?zhèn)认虿蓜討?yīng)力轉(zhuǎn)移的效果。

1 工程地質(zhì)概況

渦北煤礦842工作面為84采區(qū)首采工作面,采用81、82煤層聯(lián)合綜放開采技術(shù),平均煤層厚度8.7 m,煤層傾角15°～32°,平均25.5°,工作面設(shè)計(jì)標(biāo)高-817.27～-889.38 m。工作面北鄰GF115、BF23及劉樓斷層,東為設(shè)計(jì)841工作面,西為設(shè)計(jì)843工作面,上下鄰近層無可采的經(jīng)濟(jì)煤層,未進(jìn)行采掘,如圖1所示。工作面煤層及頂?shù)装迩闆r見表1,煤層老頂為細(xì)中粉砂巖,平均厚度7.63 m,巖性堅(jiān)硬致密,厚度大,強(qiáng)度高,回采過程中不易垮落。

表1 842工作面煤層頂?shù)装迩闆r

圖1 渦北煤礦842工作面布置平面圖

842工作面回采后將引起強(qiáng)烈的側(cè)向采動應(yīng)力,對842巖石風(fēng)巷、841工作面沿空掘巷等產(chǎn)生顯著影響。其中,842巖石風(fēng)巷位于設(shè)計(jì)841工作面底部10 m處,左為設(shè)計(jì)842工作面,841工作面沿空掘巷設(shè)計(jì)距842工作面采空區(qū)留設(shè)5 m小煤柱。為科學(xué)制定842巖石風(fēng)巷和841工作面沿空掘巷圍巖控制技術(shù)方案,需要查明842工作面回采后側(cè)向采動應(yīng)力分布規(guī)律,并進(jìn)一步探究頂板水力壓裂技術(shù)轉(zhuǎn)移工作面?zhèn)认虿蓜討?yīng)力的效果,從而為842巖石風(fēng)巷和841工作面沿空掘巷圍巖控制提供一定的理論依據(jù)。

2 842工作面?zhèn)认虿蓜討?yīng)力分布規(guī)律

2.1 842工作面回采數(shù)值計(jì)算模型建立

在工作面回采過程中,采場周圍空間應(yīng)力分布出現(xiàn)劇烈變化,即采動應(yīng)力。由于工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件差異,因此回采所引起采動應(yīng)力場分布也不盡相同[11-13]。以渦北煤礦842工作面為研究對象,利用FLAC3D軟件建立842工作面回采三維精細(xì)化數(shù)值模型,如圖2所示。數(shù)值計(jì)算模型尺寸為220 m×180 m×125 m,842工作面傾向長度140 m。數(shù)值模型中最小水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值約為0.8,最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值約為1.8。模型上邊界受上覆巖層載荷作用,大小為20 MPa,底部、兩側(cè)邊界為約束法向位移。為模擬842采空區(qū)垮落壓實(shí)情況,在回采完成后,每20 m采用屬性較弱的材料重新充填一次。數(shù)值模擬計(jì)算所選用的巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值模型中的典型煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 842工作面?zhèn)认虿蓜討?yīng)力分布規(guī)律

圖3為數(shù)值模擬獲得的842工作面推進(jìn)140 m時垂直應(yīng)力分布云圖,圖4進(jìn)一步給出了監(jiān)測線1和監(jiān)測線2位置處的支承壓力分布曲線,其中監(jiān)測線1位于842采空區(qū)左側(cè)40 m處,監(jiān)測線2位于距842工作面后方70 m處。從圖中可以看到:①842工作面回采引起的側(cè)向支承壓力隨著距離采空區(qū)距離呈現(xiàn)“先增加后減小”的趨勢,側(cè)向支承壓力峰值距采空區(qū)約10 m,最大垂直應(yīng)力約為42.7 MPa,采動應(yīng)力集中系數(shù)約為2.1,該側(cè)向支承壓力集中區(qū)對于841工作面沿空掘巷具有顯著影響;②對于842巖石風(fēng)巷,巷道所受采動應(yīng)力影響最大位置位于842工作面后方80～150 m位置處,采動應(yīng)力集中系數(shù)約為1.5。

圖3 842工作面推進(jìn)140 m時垂直應(yīng)力分布云圖

圖4 842工作面周圍采動應(yīng)力分布曲線

3 頂板水力壓裂對側(cè)向采動應(yīng)力分布規(guī)律的影響

3.1 842工作面水力切頂數(shù)值計(jì)算模型建立

通過水力壓裂弱化方法來破壞頂板應(yīng)力傳遞路徑,能夠轉(zhuǎn)移側(cè)向采動應(yīng)力分布[14-18]。為定量分析頂板水力壓裂對側(cè)向采動應(yīng)力分布規(guī)律的影響,在前面842工作面回采數(shù)值計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步建立了考慮頂板水力切頂作用的數(shù)值計(jì)算模型,如圖5所示。

圖5 842工作面頂板水力壓裂三維數(shù)值計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算中考慮了2種頂板水力壓裂方案,其中:方案1為垂直切頂,水力切縫長度為36.4 m;方案2為傾斜切頂,水力切縫長度為50 m,與垂直方向夾角為36°。通過數(shù)值模擬分析842工作面頂板垂直切頂和傾斜切頂方案對842工作面?zhèn)认虿蓜討?yīng)力分布的影響規(guī)律,探究水力壓裂轉(zhuǎn)移采動應(yīng)力技術(shù)對842巖石風(fēng)巷和841工作面沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性的影響。

3.2 不同水力切頂方案對側(cè)向采動應(yīng)力分布規(guī)律的影響

圖6給出了不同水力切頂方案下842工作面監(jiān)測線2處采動應(yīng)力分布曲線,圖7進(jìn)一步給出了圖6中842巖石風(fēng)巷位置處采動應(yīng)力分布曲線,從圖中可以看到:①對842工作面采用水力壓裂技術(shù)方案后,可使得距離采空區(qū)30 m范圍內(nèi)支承壓力有較顯著降低,降幅為1.3～8.84 MPa,且方案2(傾斜切頂方案)比方案1(垂直切頂方案)卸壓效果明顯;②水力切頂方案對距842采空區(qū)距離超過30 m外的區(qū)域卸壓效果微弱,由于842巖石風(fēng)巷距842工作面采空區(qū)距離約40 m,采用水力切頂技術(shù)方案引起的側(cè)向采動壓力降幅僅有3%;③842工作面頂板水力壓裂弱化轉(zhuǎn)移采動應(yīng)力后,對于841工作面沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制有良好的效果,但對于842巖石風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定性的影響不明顯。

圖6 不同水力切頂方案下842工作面監(jiān)測線2處采動應(yīng)力分布曲線

圖7 不同水力切頂方案下842巖石風(fēng)巷位置處采動應(yīng)力分布曲線

4 工程實(shí)踐

根據(jù)前面數(shù)值模擬結(jié)果,為了提供841工作面沿空掘巷良好的“應(yīng)力環(huán)境”,有必要對842工作面上方堅(jiān)硬巖層進(jìn)行處理,以減少側(cè)向采動應(yīng)力的傳遞[19-21]。為此,設(shè)計(jì)在842工作面風(fēng)巷內(nèi)施工鉆孔,進(jìn)行水力壓裂,壓裂段長度為300 m,共計(jì)施工22個鉆孔。

水力壓裂鉆孔布置方案如圖8所示,關(guān)鍵參數(shù)包括:鉆孔終孔長度均為31 m,鉆孔與巷道夾角16°,斜向頂板施工,仰角45°,鉆孔間距為14 m,鉆孔直徑均為75 mm;鉆孔開孔位置位于距離巷道腰線幫部水平1 m的位置。水力壓裂施工時,從孔底開始壓裂,每后退4.5 m壓裂一次,每個鉆孔壓裂4段,壓裂壓力30 MPa,每段壓裂25～30 min。

L鉆孔終孔長度;γ為鉆孔與巷道夾角;β為鉆孔仰角

為了評價842工作面頂板水力壓裂效果,采用智能鉆孔窺視儀對水力壓裂裂隙形態(tài)特征進(jìn)行了現(xiàn)場測試,如圖9所示?？梢钥吹?842工作面老頂砂巖在水力壓裂弱化之前,結(jié)構(gòu)完整,工作面回采后易形成大面積懸頂;當(dāng)采用水力壓裂弱化后,在老頂砂巖中產(chǎn)生了明顯的壓裂裂隙,老頂完整性被明顯破壞,這將有效阻隔842工作面?zhèn)认虿蓜討?yīng)力傳遞路徑,進(jìn)而改善841工作面沿空掘巷整體應(yīng)力環(huán)境,有利于841工作面沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制。

圖9 842工作面風(fēng)巷頂板水力壓裂鉆孔窺視結(jié)果

5 結(jié)論

以渦北煤礦842工作面具體工程地質(zhì)條件為背景,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段,研究了842工作面回采后側(cè)向采動應(yīng)力分布規(guī)律,探究了頂板水力壓裂技術(shù)對工作面?zhèn)认虿蓜討?yīng)力轉(zhuǎn)移效果的影響規(guī)律,得到如下結(jié)論。

(1)842工作面回采引起側(cè)向支承壓力隨著距采空區(qū)距離呈“先增加后減小”趨勢,側(cè)向支承壓力峰值距采空區(qū)約10 m,采動應(yīng)力集中系數(shù)約2.1;842巖石風(fēng)巷所受采動應(yīng)力最大位置位于842工作面后方80～150 m位置處,采動應(yīng)力集中系數(shù)約1.5。

(2)842工作面采用水力壓裂技術(shù)方案后,可使得距離采空區(qū)30 m范圍內(nèi)支承壓力有較顯著降低,但對距離采空區(qū)超過30 m外的區(qū)域卸壓效果微弱,因此水力壓裂弱化對841工作面沿空掘巷圍巖控制具有良好的效果,但對于842巖石風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定性的影響不明顯。

(3)開展了842工作面風(fēng)巷水力壓裂現(xiàn)場工程實(shí)踐,設(shè)計(jì)鉆孔長度31 m,鉆孔間距14 m,鉆孔直徑75 mm,各鉆孔每4.5 m壓裂一次,壓裂壓力30 MPa,每段壓裂25～30 min。水力壓裂后老頂砂巖中產(chǎn)生了明顯的壓裂裂隙,為有效阻隔842工作面?zhèn)认虿蓜討?yīng)力傳遞提供了良好的條件,有利于改善841工作面沿空掘巷整體應(yīng)力環(huán)境。