大采高綜采端頭懸頂水力切頂控制機理

鄧廣哲，鄭 銳，徐 東

（1.西安科技大學能源學院，陜西西安710054；2.西安科技大學西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西西安710054）

0 引 言

我國煤層賦存條件復雜，屬于堅硬難垮頂板的煤層約占1/3，分布在50%以上的礦區。榆神礦區常家梁煤礦3號煤層直接頂屬于典型的強度高、厚度大、整體性強的堅硬難垮頂板，煤層開采后在采空區出現大面積懸頂。這種堅硬頂板難以及時垮落，導致頂板內集聚大量彈性能，當懸頂面積過大且超過一定極限時，就會發生大面積垮落，造成頂板彈性能瞬間釋放，給礦井生產帶來巨大安全隱患。針對堅硬頂板及時跨落問題，國內外主要采取的方法有［1-4］：①高壓注水；②炸藥爆破；③CO2爆破；④水壓致裂。其中水壓致裂因其潛在優勢，在頂板處理方面應用廣泛。如何利用頂板破斷規律更有效地實施水壓致裂有待深入研究。

關于頂板破斷規律，錢鳴高提出的頂板采動破壞理論形象直觀地闡述了工作面推進過程中的初次來壓與周期來壓［5］（圖1）。隨著工作面推進，堅硬頂板懸露面積逐漸增大，當懸頂面積達到其極限垮距時，在反彈區前方出現頂板斷裂線（圖2），而后形成為“O”形裂縫，此時“O”形板中央彎矩達到最大值，在板中央下部形成張拉破壞的“X”形裂縫，該裂縫與“O”形裂縫相結合形成“O-X”形破斷［6］。該理論給出了頂板的破斷線位置，為水壓致裂定向割縫位置與布孔參數確定提供了理論依據。

圖1 堅硬頂板破斷形態模型Fig.1 Fracturemorphologicmodel of hard roof

關于定向水壓致裂機理與試驗方面，國內外已有不少研究成果。閆少宏等提出人工對頂板切槽采用水壓致裂將堅硬老頂分層，通過降低其來壓強度控制堅硬頂板的新方法［9］；康紅普等通過數值模擬和現場試驗，分析煤層應力演化規律，得出定向水壓致裂改變煤層的應力狀態［10-11］；鄧廣哲等在研究水壓致裂擴展特性基礎上，基于水壓致裂單裂隙壓剪模型及斷裂力學理論推導出定向水壓致裂臨界水壓力，進行煤層定向水壓致裂機理研究［12-14］。富向、徐幼平、李全貴、GUO等在分析水壓致裂起裂機理和裂隙發展特征的基礎上，研究了定向孔進行裂隙控制的定向水壓致裂方法［15-18］。馮彥軍、黃炳香等針對堅硬難跨頂板，進行了定向水壓致裂控制煤礦堅硬難跨頂板的工業試驗［19-21］；秦松等采用RFPA2D-flow分析軟件對堅硬頂板定向水壓致裂最佳割縫位置進行了研究［22］。但是目前關于端頭頂板水壓裂縫及其應力場的耦合演化規律研究較少，且現場水壓致裂處理堅硬頂板的鉆孔長度較長，壓裂參數布置存在盲目性。

圖2 堅硬頂板的斷裂位置［7-8］Fig.2 Fracture position of hard roof

文中針對大采高綜采堅硬煤層開采過程中頂板破斷裂隙特征及其應力演化等問題，采用理論分析、數值模擬研究定向裂隙與其應力場耦合演化規律，提出水壓致裂在頂板破斷位置切割定向裂隙，實現短孔精準切割頂板，并開展了現場試驗，對切割壓裂頂板控制效果進行了驗證。

1 水壓致裂切頂機理

堅硬頂板定向致裂技術是根據頂板破斷裂隙演化規律，在頂板巖層破斷線位置進行高壓脈沖預裂預先切割定向裂縫，而后利用高壓水壓裂，促使頂板切割裂隙擴展延伸，在工作面采動應力及礦山壓力作用下，促使頂板破斷裂隙相互連通，把頂板巖層分為一定尺寸的獨立塊體（圖3），頂板損傷弱化，減小頂板懸露長度，使完整頂板集聚的大量彈性能通過頂板的切割破碎，釋放頂板內集聚的彈性能，達到切頂和緩解工作面沖擊動力災害。

1. 1 頂板割縫損傷弱化作用機理

根據頂板破斷裂隙演化規律，在頂板破斷線位置打鉆進行定向切割形成水壓裂縫，根據斷裂力學理論將鉆孔簡化為平面應力問題，如圖4所示。頂板因切割裂縫存在而引起的附加應變能增量 U1為［23］

圖3 堅硬頂板水力切頂示意圖Fig.3 Schematic of hydraulic roof cutting of hard roof

式中 G為能量釋放率；KⅠ，KⅡ分別為割縫尖端的Ⅰ，Ⅱ型應力強度因子；A為水壓致裂切割裂縫表面積，將圓形鉆孔和孔兩側的定向割縫簡化為長度為2（a+r），厚度為B的扁平橢圓裂縫；a為割縫長度；r為鉆孔半徑；A=2B（a+r）；E為彈性模量。

圖4 高壓脈沖預裂割縫圖Fig.4 High-pressure pulse pre-splitting slots

根據裂隙巖體能量損傷演化方程，在雙軸壓縮狀態下頂板因割縫的存在而引起的單位體積彈性應變能改變量ΔU0為

式中 σ1，σ3分別為第1，3主應力；σm為平均應力，σm=（σ1+σ3）／3；σeq為 Mises有效應力，σeq為由于鉆孔和割縫而引起的損傷變量；v為泊松比。

假設研究對象的體積為V，頂板因割縫存在而引起的彈性應變能改變量ΔU為

式（3）中的ΔU與式（1）中的U1都表示割縫引起的彈性應變能改變量，即

將式（1）、（2）、（3）代入式（4）可得

在雙軸壓縮荷載與水壓作用下，裂隙面上的正應力和切應力分別為

式中 α為割縫傾角；σα，τα分別為割縫面上的法向和切向應力；P為鉆孔水壓。

水壓作用后，由于水的潤滑作用，頂板割縫面上的內摩擦角φ變為φw. 在壓縮荷載作用下，當割縫面上的剪應力大于割縫面上的摩擦力，頂板割縫尖端形成翼型裂紋，相反裂紋將保持閉合狀態。

式中 τeff為裂隙面上有效剪切驅動力；μ為摩擦系數，μ=tanφw.

根據Lee，劉紅巖等研究可得，割縫尖端翼裂紋Ⅰ和Ⅱ型應力強度因子KⅠ和KⅡ為［24-25］

θ為割縫尖端翼裂紋擴展角，取為70. 5°；l為翼裂紋擴展長度；引入l*=0. 27a.

在翼裂紋擴展前，l=0，可得

將式（9）代入式（5），可得

1. 2 定向割縫參數確定

1. 2. 1 割縫間距

根據堅硬頂板懸臂巖梁力學模型，頂板的合理懸頂長度L為［26］

式中 L為頂板合理懸頂長度，m；LK為支架控頂距，m；P0為支架的設計支護強度，MPa；q為上覆巖層應力，MPa.

1. 2. 2 頂板處理高度

為保證冒落頂板能完全充填采空區，水壓致裂割縫處理堅硬頂板的高度H為［27］

式中 M為煤層采高，m；KP為巖層碎脹系數。

2 水壓致裂切頂數值模擬

圖5 沿工作面走向不同推進距離下的頂板塑性區Fig.5 Plastic zones of roofwith different propulsion distance along working face

根據榆神礦區常家梁煤礦地質條件，建立200 m×45 m×0.2 m的三維數值模型，煤層埋深180 m，采高4.8m，直接頂為厚度10m的粉砂巖（直接頂的物理力學參數見表1），模擬分析預裂前后不同采動作用下頂板垮落規律，為綜采工作面水壓致裂處理端頭頂板的方案設計提供依據。

表1 直接頂的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of direct roof

2. 1 采動影響下的頂板破斷規律

采用Flac3D對不同推進距離下未預裂工作面頂板的受力及破壞情況進行模擬（圖5）。

由圖5可知：隨著工作面推進，直接頂出現拉伸破壞，當工作面推進至70m時，直接頂垮落高度為7.5 m，此時頂板未完全垮落，直接頂屬于堅硬難垮頂板。直接頂的冒落角度為17°～19°，破斷角度為45°，工作面每推進10 m，冒落半徑擴大3～4 m.

由圖6可知：當工作面推進距離較短時，頂板主要承受壓應力，當工作面推進至20 m，頂板下方出現1m拉應力區，當工作面推進至30m時，煤層底板也出現了拉應力區，隨著工作面繼續推進，頂板拉應力區逐漸擴大。

圖6 沿工作面走向不同推進距離下的頂板應力云圖Fig.6 Roof stress cloud with different propulsive distances along working face

2. 2 裂隙與應力耦合作用下的頂板破斷規律

根據公式（11）、（12）計算結果，工作面每推進10m布置一個壓裂鉆孔，壓裂裂隙長度10m，水平間距10 m，裂隙傾角45°，為防止壓裂破壞頂板和裂隙貫通采空區，裂隙頂端距頂板0.5 m，底端距采空區1 m.模擬工作面推進到不同距離狀態下頂板塑性區范圍與應力分布狀況。

由圖7可知：當推進到20 m時，進行了第1次水壓致裂切割堅硬頂板，在頂板中形成一條傾角45°的剪切破壞面；當推進到30 m進行第2次切割頂板，在頂板中形成第2條傾角45°的剪切破壞面，此時2條剪切破壞面與上覆巖層層理面溝通，下部為采空區自由面，位于2條剪切裂縫間的頂板成為一獨立塊體，隨即垮落，減輕了對前方支架和煤壁的支承力。隨著工作面推進，進行水壓致裂切割，頂板均能及時垮落，且隨著礦壓作用，垮落塊體之間出現拉伸破，垮落塊度減小。

預裂裂隙面的破壞主要為剪切破壞，裂隙間塊體出現拉伸和拉剪破壞，裂隙尖端形成的翼型裂縫為拉伸破壞，反翼型裂紋為剪切破壞。每推進10 m進行一次頂板壓裂，頂板沿45°壓裂裂隙垮落，頂板垮落距為10 m，垮落角為135°，破斷角為 56°.

圖7 裂隙與應力耦合作用下的頂板塑性區Fig.7 Plastic zones of roof under coupling of crack and stress

由圖8可知：在推進到20m時，進行第1次水壓割縫，壓裂裂隙下端出現了翼型拉伸裂紋；在推進至30 m時，第1次壓裂裂隙上端出現翼型拉伸裂紋，第2次壓裂裂隙下端出現翼型裂紋。在推進至40 m時，第3次壓裂裂隙下端翼型裂紋與第2次壓裂裂隙中部出現拉伸貫通。隨著工作面繼續推進，壓裂裂隙尖端均出現了翼型裂紋。

由圖9可知，水壓致裂處理堅硬頂板前后煤壁超前支承壓力位置、峰值變化不大，頂板預裂后煤壁塑性區、片幫深度均減小，且預裂前后煤壁均為剪切滑移式片幫。

3 現場試驗

3. 1 工作面概況

試驗工作面選定榆神礦區常家梁煤礦30107工作面，工作面長度200 m，工作面推進長度580 m，采高4.8 m，煤層厚度穩定，上覆基巖平均厚度180 m，煤層直接頂為強度高，厚度大，裂隙不發育的粉砂巖，單軸抗壓強度65.2 MPa，抗拉強度5.46 MPa，彈性模量為17.4 GPa，平均厚度為10 m，屬于堅硬難跨頂板。

3. 2 試驗方案

采用水壓致裂切割定向裂縫，處理堅硬頂板，根據式（11）、（12）和數值模擬結果，確定工作面端頭和正常回采期間頂板鉆孔布置參數。工作面初采時，在工作面兩端頭和工作面上方布置鉆孔壓裂處理頂板，正常回采期間在兩順槽布置鉆孔，鉆孔間距20 m，每隔10 m切割一條定向裂縫進行壓裂，鉆孔布置如圖10所示。

圖8 裂隙與應力耦合作用下的頂板應力云圖Fig.8 Roof stress cloud under coupling of crack and stress

3. 3 實施效果

3.3.1 頂板損傷分析

由室內實驗、現場測試與壓裂方案設計參數及現場施工情況，計算得到工作面頂板圍巖應力及物理力學參數：第1，3主應力分別為5，2 MPa，泊松比為0.35，水壓作用后裂隙內摩擦角為11.5°，裂隙半徑5 m，傾角 45°，裂隙水壓 1 MPa，取扁平橢圓裂縫厚度為1 m，割落巖塊體積為70 m3.依據式（10）計算判定切割一條定向水壓裂縫，巖體損傷變量為0.17，在切割多條水壓裂縫與礦山壓力作用下，損傷變量繼續增加，頂板破碎及時垮落，減少工作面支架壓力。

3.3.2 工作面來壓情況

由表2可知，工作面堅硬頂板進行水壓致裂定向切割后，工作面初次來壓步距32 m，周期來壓步距12.2 m，來壓時動載系數明顯降低。因此，采用水壓致裂切割定向裂隙處理堅硬頂板，使得頂板及時垮落，保障了工作面的安全生產。

圖9 預裂前后效果對比圖Fig.9 Comparison of effects before and after Pre-splitting

圖10 頂板處理鉆孔布置平面圖Fig.10 Roof treatment borehole layout plan

表2 預裂后工作面來壓情況Table 2 Pressure of fully mechanized face after fracturing

4 結 論

1）通過分析頂板破斷裂隙演化規律，建立了鉆孔和割縫而引起的損傷變量，為切割定向裂隙處理端頭頂板提供理論依據；

2）頂板未壓裂時，頂板的破壞主要是拉伸破壞；頂板壓裂后，頂板壓裂裂隙面的破壞主要為剪切破壞，裂隙間塊體出現拉伸破壞和拉剪破壞，并且裂隙尖端形成拉伸翼型裂紋和剪切反翼型裂紋；

3）頂板未壓裂時，頂板冒落角度為17°～19°，破斷角度為45°，垮落高度0～7.5 m；頂板壓裂后，頂板沿45°壓裂裂隙垮落，垮落角度135°，破斷角度為56°，垮落高度10 m，垮落步距為10 m；

4）水壓致裂處理堅硬頂板前后煤壁超前支承壓力變化不大，頂板預裂后煤壁塑性區、片幫深度均減小，且預裂前后煤壁均為剪切滑移式片幫；

5）現場試驗后，試驗工作面初次來壓步距32 m，周期來壓步距12.2 m，切割定向裂縫，巖體損傷變量為0.17，結果表明壓裂后頂板具有較好的垮落性。