急斜煤層采空區頂板弱化方案優化及效果評價

單鵬飛，來興平，崔 峰，曹建濤

(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重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤炭資源作為我國經濟社會發展的主體能源地位不可動搖，煤炭資源的安全開發依然是重大科學問題之一[1-3]。烏魯木齊礦區作為國家批建的第14個億噸大型煤炭基地，賦存著大量的急傾斜特厚煤層群，是我國重要的能源基地接替區和戰略儲備區。急傾斜特厚煤層賦存環境復雜，煤層傾角與厚度大、地應力水平高且煤巖體堅硬，長期高強度的煤炭資源回收易導致災害的發生[4-8]。特別地，高應力強卸荷下急傾斜煤層采空區頂板大范圍懸頂，不合理的處理方案難以有效、及時弱化采空區頂板并致其出現大尺度突發性垮落，極易誘發動力災害[9-13]。烏東煤礦是烏魯木齊礦區中開采急傾斜煤層的典型礦井，其開采煤層傾角恰為45°，屬急傾斜煤層臨界角度。由于采空區特殊圍巖關系，綜放開采后大范圍頂煤放出極易在采空區頂板垂直方向形成非對稱性拱狀承載結構，采空區頂板煤巖易出現懸頂且廣泛分布；沿法線方向采空區頂板煤巖垮落、并充填后方采空區。煤巖在達到其強度極限并發生突發性垮落，極易誘發一系列開采空間的動力學災害，并造成采場上方地表的瞬時大面積坍塌[6]。

采用電磁輻射儀與微震監測，評價原有交替式采空區頂板弱化方案實施后的急傾斜煤巖體的應力演化機制與其破裂效果。工程實踐中設計優化頂采空區頂板弱化方案，探究基于水力致裂與切頂爆破耦合弱化的采空區頂板弱化方案的可行性，優化相應的采空區頂板耦合弱化方案的工序及相應參數，對比分析優化方案實施后的煤巖應力演化機制與破裂效果及經濟效益。研究成果為烏東煤礦動力災害防控提供重要理論依據。

1 原有采空區頂板弱化方案

1.1 原有方案

烏魯木齊礦區內堿溝煤礦、小紅溝煤礦、大洪溝煤礦和鐵廠溝煤礦四礦合一為現有的烏東煤礦。烏東煤礦所開采的45°急傾斜特厚煤層存在煤層厚度大、煤層傾角大、頂板堅硬等特點。主要特點是傾角大導致相應的工作面開采方法無法如一般緩傾斜工作面沿煤層傾向布置，加上堅硬頂板的影響以及水平分段開采造成的多層采空區域，帶來了頂板災害并使得工作面長期處于頭頂采空區的狀態。不同層位的采空區遺留煤炭自燃、所導致火源具有隱蔽特征，采空區頂板的突發性垮落極易壓迫有毒有害氣體并致其短時間急劇釋放，造成工作面人員傷害。

烏東煤礦45°煤層原有采空區頂板弱化方案為水力致裂與切頂爆破交替實施。煤層開采后，采空區一側頂板位移量最小，原有頂板弱化方案選取采空區一側頂板實施。此外，采空區頂板弱化方式為爆破致裂與水力致裂相結合的方式。該方案需分別留設水力致裂及切頂爆破所需的鉆孔，采空區頂板交替式弱化方案參數如下所述[6]。

1.1.1 鉆孔長度及角度

+500水平45#煤層西翼工作面頂板巷水力致裂孔與爆破孔間距為5.0 m.其中，水力致裂孔孔深為40.0 m，封孔長度為10.0 m；每排布置鉆孔2個，編號1#，2#，共計33排鉆孔，孔間距1.2 m，排距10.0 m，鉆孔直徑為110 mm，使用BZW200/56型注水泵進行注水。水力致裂孔位置布置情況如1(a)；切頂爆破孔(圖1(b))每排布置炮孔3個，編號1#～3#，具體水力致裂與切頂爆破孔具體參數見表1.

1.1.2 水力致裂壓力

水力致裂合理注水壓力值應該有上、下限值，上限值以使頂板煤巖體不發生泄水為基本原則，下限值應保證在規定的時間內注規定的水量，一般不超過2 MPa.統計整理數據，得出開采深度與注水壓力(Pw)的關系如式(1)所示。

表1 原有采空區頂板弱化方案基本參數

圖1 采空區頂板水力致裂與切頂爆破交錯式弱化方案Fig.1 Alternating weakening scheme of gob roof using hydraulic fracturing and top cutting blasting

(1)

式中H為頂板的埋藏深度，m；+500水平45#煤層埋深約為335 m，帶入式(1)，計算得出水力致裂壓力的理論上限值為10.5 MPa，最終確定頂板煤巖體水力致裂的壓力值為10 MPa.

1.1.3 水力致裂單孔注水量

單孔注水量主要與所選取的高壓注水泵的有效工作范圍及待水力致裂的煤巖體需浸潤的合理范圍有關，由式(2)可計算水力致裂單孔注水量。

MK=K·T(W1-W2)×100%

(2)

式中MK為單一注水鉆孔的注水質量，t；T為鉆孔周邊所需濕潤煤巖體質量，t；W1為頂板所含水分上限值，%，根據調研資料可確定數值；W2為頂板注水前巖體的原始含水分值，%；K為水量不均衡系數，0.5～1.0.

當注水鉆孔為傾斜長鉆孔時，單一鉆孔周邊所需濕潤巖體量可按式(3)計算。

T=l×a×h×ρr

(3)

式中l為單一注水鉆孔的設計長度，m；a為注水鉆孔待浸潤半徑，m；h為巖層厚度，m；ρr為頂板巖體平均密度，kg/m3.根據地質調研結果：K=0.5，l=30 m，a=5 m，h=300 m，ρr=2.4×103kg/m3，(W1-W2)=0.01.將相應參數帶入式(2)，式(3)可以得出單一注水鉆孔的注水質量約為56.25 t.

1.2 原有采空區頂板弱化方案效果評價

1.2.1 采空區頂板應力演化機制

現場采用KBD5礦用本安型電磁輻射監測儀采集煤巖體的電磁輻射強度及脈沖數，該監測儀可實現非接觸、定向、區域的連續實時預測，且現場操作簡單、無需打鉆。在采動工作面前方采空區頂板應力可分為3個區域：應力松馳區域、應力集中區和原始應力區，非接觸式電磁輻射監測儀預測范圍僅為采空區頂板的卸壓區及應力集中區，上述的應力劃分區域始終存在于采空區頂板處且隨著采動空間的不斷向前推進沿工作面推進方向遷移。應力松馳區內，煤巖體已破裂，其內部形成大量宏觀裂隙，因而，該區域內煤巖體已不能承載較大外部載荷，屬低應力區域；應力集中區內，煤巖體的應力值為最大值，煤巖體的變形破裂程度顯著，電磁輻射信號最強。進入原始應力區后，電磁輻射強度將明顯下降，并逐漸趨于原始應力值。電磁輻射幅值與應力成正比關系，電磁輻射強度值可表征采空區頂板煤巖體應力演化特征。當單位體積煤巖體受載應力與應變值分別為σ，ε時，其所儲備的總能量W如式(4)所示。

W=σε=σ2/E

(4)

式中E為煤巖體的彈性模量值，GPa.假定電磁輻射能量與總能量成正比，比例系數為ae，則電磁輻射能量We如式(5)。

(5)

式中a為常數。相關電磁理論可以得到電磁輻射能量與電磁輻射幅值量化關系如公式(6)所示。

(6)

式中ωe為單位體積的煤巖體電磁輻射能量密度，V/m；E′為電磁輻射的幅值；D為電位移大小,c/m2；V為煤巖體體積，m3；ε′為煤巖體介電常數。

圖2給出了4月13日至5月20日電磁輻射監測電磁輻射幅值分布總體特征。現場發生動力現象時，電磁輻射幅值監測值為67 mV，該數值可視為煤巖體發生動力性災害的臨界電磁輻射幅值。分析可以看出，電磁輻射幅值總體數值水平不高，變化幅度較小，平均電磁輻射幅值為38.5 mV，遠低于臨界電磁輻射幅值。監測時間內包含煤巖體應力演化的2個周期：4月13日至4月28日、4月28日至5月20日，平均周期為15個工作日。各周期內，電磁輻射幅值變化趨勢均為先降后升，5月6日至5月12日頂板煤巖體強度劣化、卸壓，電磁輻射幅值下降顯著，5月15日煤巖體再度突發應力集中現象，電磁輻射幅值為最大值，已超過100 mV，遠超臨界電磁輻射幅值。巖爆發生后，煤巖體應力突然釋放，電磁輻射信號水平迅速下降到臨界電磁輻射幅值之下。

圖2 原有方案下頂板電磁輻射幅值分布特征Fig.2 Distribution characteristics of electromagnetic radiation amplitude of roof using the original scheme

1.2.2 采空區頂板破裂效果評價

運用ESG公司所生產的PaladinTM型24位微震監測系統對原有頂板弱化方案實施后采空區頂板破碎效果進行效果驗證。通過在+500水平43#西翼煤層綜采工作面安設的4個A1-30-1.0型微震單軸傳感器接收煤巖體斷裂所釋放的彈性波或應力波，并經微震主機處理，轉變并分析模電信號，實現對微震事件準確定位及事件特征的量化描述，評價相應頂板弱化方案的可行性。

工作面南、北巷單軸傳感器孔分別位于北、南幫上距離底部1.5 m處。傳感器直徑為50.0 mm，埋入深度3.0 m，仰角為30°，傳感器間距為100～150 m.微震事件按其能量大小分為Ⅰ～Ⅴ5個級別。具體分類如下：級別Ⅰ代表0～102J，級別Ⅱ代表102～103J，級別Ⅲ代表103～104J，級別Ⅳ代表104～105J，級別Ⅴ代表大于105J.微震釋放能量(E)等級與震級(M)關系如式(7)所示。

lgE=4.8+1.5M

(7)

圖3給出了2014年4月13日至5月20日間的采空區頂板煤巖體破裂過程中的微震能量參數統計結果。結果表明，該時間段內主要以Ⅱ，Ⅲ級事件為主，約占全部微震事件總數的60.53%，大能量事件(Ⅳ，Ⅴ級事件)僅占總事件數的20.61%.

圖3 原有方案下頂板煤巖體破裂過程微震能量分布特征Fig.3 Distribution characteristics of Micro-seismic energy of roof with coal-rock mass fracturing under the original scheme

2 采空區頂板弱化方案優化

原有的采空區頂板弱化方案對采空區頂板起到了一定弱化效果，頂板煤巖體應力場出現周期性“加-卸載荷”特征，并在一定程度上提升了采空區頂板煤巖體的破碎效果。但是，從監測數據可以看出，頂板弱化后的微震事件以小能量事件居多，電磁輻射幅值主要分布在20～30 mV范圍且應力演化周期長，表明采空區頂板煤巖體未能充分破碎，應力集中現象顯著且影響時間甚長。此外，交替式頂板弱化方案中水力致裂與切頂爆破實施過程需分離，施工工藝較為復雜、施工成本高，且爆破過程的降塵、降溫難度大，亟待合理結合水力致裂與切頂爆破的優點、互補缺點、優化采空區頂板弱化工藝，即在同一鉆孔內分別實施水力致裂與切頂爆破(采空區頂板注水與爆破耦合弱化方案)。

頂板耦合弱化方案即可降低鉆孔所帶來的工程成本，又能達到降溫、降塵的作用。此外，水力致裂需要良好的封孔效果，實現“保壓”才能有效的致裂采空區頂板煤巖體，鑒于注水的周期較長，超前注水不影響工作面的開采，注水是將原始煤巖體在一定程度上致裂并浸潤煤巖體，在煤巖體已被注水弱化的基礎上(煤巖體呈現固液耦合狀態)實施爆破，這樣可進一步增加頂板煤巖體內部裂隙的數量及密度，規避了注水所需的保壓問題。爆生氣體在強度已劣化的煤巖體中傳播進一步加大了爆破的致裂效果。因而優化后的方案確定先注水后爆破的頂板弱化順序，超前于工作面在頂板中實施注水，在致裂煤巖體的基礎上再實施切頂爆破。

優化后頂板弱化方案參數見表2.水力致裂與切頂爆破孔布置及參數如圖4所示。水力致裂注水壓力仍保持在10 MPa；相應參數帶入式(2)、式(3)計算出單孔注水量約為36 t.

圖4 采空區頂板耦合弱化方案鉆孔空間布置Fig.4 Spatial arrangement of borehole for gob roof coupling weakening scheme

鉆孔編號炮孔角度/(°)鉆孔長度/m注水長度/m裝藥長度/m裝藥量/kg雷管量/發封孔長度/m1#8340.030.030.0309410.02#8040.030.030.0

3 優化方案應用后評價

3.1 效果評價

圖5給出采空區頂板耦合弱化方案應用后2014年6月20日至7月26日頂板煤巖電磁輻射監測電磁輻射幅值分布總體特征。可以看出，與采空區頂板交替式弱化方案實施后的電磁輻射幅值水平相比較，優化方案實施后監測數值較小，平均電磁輻射幅值僅為17.0 mV左右，遠低于臨界電磁輻射幅值。應力演化周期特征依舊明顯(先降后升)：6月30日至7月7日、7月17日至7月26日，但采空區頂板煤巖體應力演化平均周期縮短，約為9個工作日；隨著工作面向前推進，采空區頂板陸續地經歷應力松馳區域、應力集中區和原始應力區。

6月20日至7月7日間鉆孔泄水期間，采空區頂板煤巖體宏觀裂隙再次打開，應力集中現象顯著，相應的電磁輻射幅值出現最大值45 mV，未超過臨界數值。爆破裝藥期間應力二次集中，但增幅極小，表明裝藥所產生的擾動影響遠小于前期水力致裂，頂板的第3次應力集中為切頂爆破所致。從圖5可以發現，頂板耦合弱化方案應用后，爆破所產生的電磁輻射幅值遠低于單一爆破的幅值，即耦合弱化中爆破對煤巖體應力集中效應削弱程度降低，這主要是因為內部裂隙場已基本在前期水力致裂的作用下形成，爆破的所產生的能量更多作用于宏觀裂隙的擴展，而非細微觀裂隙的萌生及宏觀裂隙的起裂。所以，爆破的相對效果得以提升；此外，頂板集中應力的合理釋放可以有效地降低頂板煤巖體動力災害的可能性。因而注水與爆破耦合弱化方案對采空區頂板煤巖體致裂的效果更加佳。

圖5 頂板耦合弱化方案實施后煤巖電磁輻射幅值分布特征Fig.5 Distribution characteristics of electromagnetic radiation amplitude of coal-rock mass after the implementation of roof coupling weakening scheme

圖6給出了2014年6月20日至8月20日期間微震事件的能量參數統計結果。對比分析前期獲取的微震數據可以看出，采用注水與爆破耦合弱化方案后，特別是6月20日前已完成注水工藝，頂板破裂效果顯著，強度快速降低，煤巖體內所存儲的內能快速釋放，微震事件數更為豐富，并以Ⅲ，Ⅳ級別事件為主，約占事件總數的80%，采空區頂板煤巖體破碎程度增大。

7月8日至7月14日，耦合弱化方案鉆孔完成裝藥、封孔工作，切頂爆破期間高級別微震事件數上升。爆破完成后，低級別微震事件數急劇上升、高級別微震事件數突降，為頂板內短時間出現大量宏觀破裂所致，表明耦合弱化后，煤巖體的破碎效果進一步提升。相比較而言，高級別事件釋放能量的減少量遠大于低級別事件釋放能量的增加量，為采空區頂板集中應力充分緩解所致。耦合弱化方案改變了頂板能量存儲與釋放的特征；同時，該優化方案提升了采空區頂板煤巖體的整體破碎度，這將大幅度的降低采空區頂板發生動力災害的幾率。

圖6 優化方案應用后煤巖破裂過程微震能量分布特征Fig.6 Distribution characteristics of micro-seismic energy with coal-rock mass fracturing after the application of the optimized scheme

3.2 經濟效益評價

耦合弱化方案實施后(6～8月)，現場直接經濟效益顯著。+500水平45#煤層西翼綜采工作面平均月推進量172.5 m，較4至5月的平均推進度93.6 m，增幅約84%.與4，5月份相比，無論是工作面產量還是工作面回采率都有所增加，累計完成產量239 573.6 t，平均單月產量79 857.9 t，增幅131.2%；原有頂板弱化方案實施后，工作面的平均回采率僅為33.38%，耦合弱化應用后平均回采率提升至48.82%，在爆破切頂后，工作面單日回采率曾增至83.59%，安全、經濟效益大增。

頂板耦合弱化施工成本方面也取得一定的經濟效益。采用水力致裂與切頂爆破交錯式弱化方案時，采空區頂板弱化百米施工成本約為27 413.112元。調整采用頂板耦合弱化方案后，百米實施成本僅為16 163.828元，為原有弱化方案成本的58.96%.

4 結 論

1)原有弱化方案中電磁輻射平均幅值為38.5 mV，應力演化周期性顯著，電磁輻射幅值最大值已超過100 mV；煤巖微震事件以Ⅱ，Ⅲ級事件為主，煤巖破碎程度較低。

2)耦合弱化方案簡化施工流程，電磁輻射平均幅值僅為17.0 mV，頂板耦合弱化方案對頂板應力集中效應削弱顯著；優化方案改變了頂板能量存儲釋放方式；煤巖微震事件數以Ⅲ，Ⅳ級別事件為主，降低了采空區頂板發生動力性災害的幾率。

3)耦合弱化方案實施后，工作面平均月推進量較以往增幅84%，平均單月產量增幅131.2%，工作面平均回采率提升至48.82%，最大單日回采率83.59%，百米實施成本僅為原方案成本的58.96%.