礦山堅硬頂板切頂卸壓技術研究

張利東

（西山煤電集團有限責任公司杜兒坪礦，山西 太原030053）

我國煤炭資源儲量豐富，但賦存條件較為復雜。據統計我國約7成的煤層存在堅硬頂板問題，堅硬頂板是指煤層頂板由砂巖石灰巖等巖性較強的煤層組成。堅硬頂板由于較難發生垮落極易形成懸頂，大面積的懸頂一旦發生垮落極易形成沖擊災害。同時在留煤柱開采的礦山，大面積的懸頂造成工作面圍巖變形嚴重，使得護巷煤柱的尺寸增加，造成嚴重的資源浪費。在留煤柱開采的礦山，大面積的懸頂造成巷道圍巖變形嚴重，加大巷道的維護成本。所以對堅硬頂板進行及時的切頂卸壓是治理堅硬頂板問題的重要技術手段[1，2]。目前針對堅硬頂板的切頂卸壓主要包括爆破切頂卸壓、水力壓裂切頂卸壓及聚能爆破切頂卸壓，由于我國提出綠色開采的口號，所以水力壓裂成為了礦山切頂卸壓的主要技術手段，此前我國眾多學者對水力壓裂進行過一定的研究[3]。本文以杜兒平礦62709工作面為研究背景，對不同壓裂參數下砂巖頂板的壓裂情況進行分析，為杜兒坪礦堅硬頂板的治理提供一定依據，為類似問題的礦山治理提一定的借鑒。

1 礦井概況與模型建立

西山煤電集團有限責任公司杜兒坪礦（全文簡稱杜兒坪礦）62709工作面煤層厚度為1.0～2.5 m，煤層平均厚度為1.93 m，煤層的傾角為2°～9°，平均傾角為5°，煤層埋深560 m，工作面走向長度為1 127 m，巷道的頂板較為堅硬，所以需要對回采工作面進行切頂卸壓，保證回采工作的順利進行。

首先為了研究切頂卸壓參數對卸壓效果的影響，本文建立二維砂巖模型，進行定向水力壓裂，通過分析不同預制裂縫角、不同預制裂縫長度及不同鉆孔直徑下砂巖起裂的起裂壓力、裂縫張開度等進行研究，首先進行模擬模型建立。

首先建立長寬高分別為500 mm×500 mm×1 mm的模型，在模型的中心位置進行預制鉆孔，鉆孔的圓心為模型的中心，在建模過程引起cohesive單元，cohesive單元是一種虛擬單元，其不具有力學屬性，在鉆孔上利用cohesive單元進行預制裂縫的建立，完成模型結構建立后對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，由于本次模擬劃分網格時在鉆孔壁附近為應力及變形的集中區域，所以對模型的鉆孔附近進行細化分，在其余位置進行適當的粗化，當模型網格劃分完成后，對模型的邊界條件進行設置，限制模型XY方向的位移，所以在模型的上下左右進行固定約束設置。對模型的力學參數進行設置，根據砂巖的實際力學參數對模型的彈性模量、泊松比、滲透率、泄漏系數、斷裂韌度及允許最大位移等參數進行設置。完成上述設置后對模型的應力環境進行設置，根據實際地質情況設置Z方向的垂直應力為10 MPa，所以在模型的左右及上下各施加6 MPa和8 MPa的均布載荷，方向均為指向鉆孔圓心，完成模型的建立，模型示意圖如1所示。

圖1 二維模型示意圖

2 數值模擬計算

對不同預制裂縫角下模型的起裂壓力、裂縫張開度進行研究，選定預制裂縫角分別為15°、30°、45°、60°、75°及90°，起裂壓力及裂縫張開度隨預制裂縫角的變化曲線如圖2所示。

圖2 壓裂參數隨預制裂縫角變化曲線圖

從圖2-1起裂壓力隨預制裂縫角變化曲線可以看出，隨著預制裂縫角的增大，砂巖的起裂壓力呈現逐步增大的趨勢，當預制裂縫角為15°時，此時砂巖的起裂壓力為13.2 MPa；當預制裂縫角為30°時，此時砂巖的起裂壓力為14.1 MPa，較預制裂縫角15°增大了0.9 MPa；當預制裂縫角為45°時，此時砂巖的起裂壓力為14.8 MPa，較預制裂縫角15°增大了1.6 MPa；當預制裂縫角為60°時，此時砂巖的起裂壓力為15.6 MPa，較預制裂縫角15°增大了2.4 MPa；當預制裂縫角為75°時，此時砂巖的起裂壓力為16.2 MPa，較預制裂縫角15°增大了3 MPa；當預制裂縫角為90°時，此時砂巖的起裂壓力為16.8 MPa，較預制裂縫角15°增大了3.6 MPa。這是由于隨著預制裂縫角的增大，最大水平主應力與預制裂縫的夾角越大，最大水平主應力對預制裂縫尖端的起裂限制作用越強，巖石沿著預制裂縫起裂的難易程度增加，砂巖的起裂壓裂增加。觀察圖2-2裂縫張開度隨預制裂縫角變化曲線可以看出，隨著預制裂縫角的增大，砂巖起裂后的裂縫張開度呈現增大的趨勢，預制裂縫角15°、30°、45°、60°、75°及90°的裂縫張開度分別為0.100 mm、0.108 mm、0.150 mm、0.118 mm、0.121 mm和0.125 mm。這是由于隨著預制裂縫角的增大，砂巖的起裂壓裂增大，鉆孔內部內量的聚集越多，在砂巖沿預制裂縫尖端起裂瞬間能量釋放的也就越多，釋放的能量用于裂縫的擴展與裂縫的張開，所以裂縫的張開度隨著預制裂縫角的增大而增大。

對不同預制裂縫長度模型的起裂壓力、裂縫張開度進行研究，選定預制裂縫長度分別為5 mm、8 mm、10 mm、12 mm和15 mm起裂壓力及裂縫張開度隨預制裂縫長度的變化曲線如圖3所示。

圖3 壓裂參數隨預制裂縫長度變化曲線圖

觀察圖3-1砂巖起裂壓力隨預制裂縫長度變化曲線可以看出，隨著預制裂縫長度的增大，砂巖的起裂壓力呈現減小的趨勢，預制裂縫長度5 mm、8 mm、10 mm、12 mm、15 mm的起裂壓力分別為15.5 MPa、15.2 MPa、14.8 MPa、14.2 MPa，13.4 MPa。這是由于隨著預制裂縫長度的增大，預制裂縫尖端附近的應力集中更加明顯，裂縫沿著預制裂縫尖端起裂需要的起裂壓力越低。觀察圖3-2裂縫張開度隨預制裂縫長度變化曲線可以看出，隨著預制裂縫長度的增大，砂巖起裂的裂縫張開度逐步減小，預制裂縫長度5 mm、8 mm、10 mm、12 mm、15 mm的裂縫張開度分別為0.118 mm、0.117 mm、0.115 mm、0.111 mm，0.109 mm。這是由于隨著預制裂縫長度的增大，巖石的起裂壓力減小，巖石瞬間釋放的能量也就越小，所以裂縫的張開度逐步減小[5]。

對不同鉆孔直徑模型的起裂壓力進行研究，選定鉆孔直徑分別為25 mm、30 mm、40 mm、50 mm起裂壓力隨鉆孔直徑的變化曲線，隨著鉆孔直徑的增大，砂巖的起裂壓力呈現減小的趨勢，鉆孔直徑為25 mm、30 mm、40 mm、50 mm的起裂壓力分別為14.8 MPa、14.2 MPa、13.8 MPa、13.4 MPa。這是由于隨著鉆孔直徑的增大，鉆孔壁的應力集中更加明顯，應力在鉆孔壁附近重新分布，起裂壓力隨鉆孔直徑的增大而減小。

3 結論

1）通過對砂巖定向水力壓裂進行模擬發現，隨著預制裂縫角的增大，砂巖起裂需要的起裂壓力越大，裂縫起裂的裂縫張開度越大。

2）通過對砂巖定向水力壓裂進行模擬發現，隨著預制裂縫長度的增大，砂巖起裂需要的起裂壓力減小，裂縫起裂的裂縫張開度減小。

3）通過對不同鉆孔直徑下砂巖的起裂壓力進行研究發現，隨著鉆孔直徑的增大，巖石的起裂壓力呈現增大的趨勢。