工作面采出遺留煤柱壓架機(jī)理與治理措施

姚志紅，張飛騰，張永強(qiáng)，，伊文港

（1.神東天隆集團(tuán) 霍洛灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017200；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

神東礦區(qū)采用煤層群下行開(kāi)采技術(shù)，與單一煤層開(kāi)采相比，其回采難度和風(fēng)險(xiǎn)更大[1-3]。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，往往會(huì)面臨頂板、水、有害氣體等災(zāi)害防治問(wèn)題[4-7]。在上層煤存在遺留的集中保護(hù)煤柱時(shí)，工作面采出煤柱時(shí)存在嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)[1,4-8]：①煤柱受上方厚硬頂板支撐應(yīng)力對(duì)下層煤工作面及回采巷道形成較大的應(yīng)力集中；②受采空區(qū)、煤柱、頂板的影響，煤柱支承應(yīng)力與下層工作面頂板運(yùn)動(dòng)垮落形成疊加，造成頂板局部突然切頂垮落；③應(yīng)力集中引起大面積煤柱失去支撐能力，引發(fā)沖擊礦壓，導(dǎo)致綜采工作面切頂壓架災(zāi)害。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，神東礦區(qū)自2007 年以來(lái)已累計(jì)發(fā)生出煤柱壓架事故例10起以上[10-13]，煤柱壓架事故成為影響礦區(qū)安全生產(chǎn)的主要難題之一。

工作面上方存在遺留煤柱時(shí)，其強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}存在3 個(gè)主控環(huán)節(jié)[14]：施載體（遺留煤柱上方頂板）、過(guò)渡體（遺留煤柱和層間巖層）、承載體（工作面和液壓支架）。在施載體方面，鞠金峰[10,14]采用提前超前爆破遺留煤柱上方頂板、煤柱邊界預(yù)掘空巷等，破壞塊體鉸接砌體梁使其提前失穩(wěn)，從而降低工作面過(guò)煤柱期間的動(dòng)載沖擊風(fēng)險(xiǎn)；在過(guò)渡體方面，付興玉[15]提出提前爆破上覆集中煤柱的防治措施，確定了爆破時(shí)工作面與集中煤柱間應(yīng)滿(mǎn)足的安全距離，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著；在承載體方面，楊俊哲[16]使用水力壓裂技術(shù)處理層間頂板，超前弱化巖體、治理遺留煤柱下方的應(yīng)力集中問(wèn)題，壓裂后的工作面頂板來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)、最高壓力均有降低；此外，工作面開(kāi)采參數(shù)調(diào)整，如縮短面長(zhǎng)、調(diào)斜采面、提高采厚、增大支架阻力等方法在工作面過(guò)遺留煤柱期間同樣起到關(guān)鍵作用[17-18]。

上述治理手段已經(jīng)在神東礦區(qū)的石圪臺(tái)、布爾臺(tái)、上灣、大柳塔等多個(gè)煤礦實(shí)施。但應(yīng)用過(guò)程中，爆破技術(shù)易引發(fā)采空區(qū)火災(zāi)和人工動(dòng)載沖擊且應(yīng)用范圍有限；水力壓裂技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中則未充分考慮“施載體”對(duì)工作面的影響，更多集中于“過(guò)渡體”治理。為此，在已有技術(shù)和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，以霍洛灣煤礦地質(zhì)條件基礎(chǔ)，研究下位工作面采出遺留煤柱的強(qiáng)礦壓機(jī)理與治理技術(shù)。

1 地質(zhì)概況與工程問(wèn)題

1.1 地質(zhì)概況

霍洛灣煤礦為近距離煤層下行開(kāi)采，可采2-2煤層、3-1 煤層垂距37.3 m，巖性主要為砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等沉積巖，2-2 煤頂板存在1 層20 m 以上的堅(jiān)硬砂巖。2-2 煤層已經(jīng)開(kāi)采結(jié)束，正在開(kāi)采3-1煤層的31106 工作面傾向?qū)挾?40 m、走向長(zhǎng)度約3 365 m、采高3.7 m。工作面在跳采后整體位于2-2煤層采空區(qū)之下，繼續(xù)推進(jìn)149 m 后進(jìn)入160 m 大巷遺留保護(hù)煤柱（2 條5 m 巷道、3 條50 m 大巷煤柱）區(qū)域。31106 工作面過(guò)煤柱示意圖如圖1。

1.2 工程問(wèn)題

31106 工作面在跳采之前已經(jīng)有過(guò)類(lèi)似煤柱下開(kāi)采的工程案例，在推進(jìn)過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)劇烈，遺留煤柱上方地表由完整演化為開(kāi)裂、下沉，工作面主要表現(xiàn)為：來(lái)壓時(shí)液壓支架載荷急劇升高，80%以上支架開(kāi)啟安全閥；來(lái)壓范圍大、強(qiáng)度高，采煤面大面積片幫、炸幫，頂板穩(wěn)定性差；架間有空頂、漏矸等，中部和尾部各有1 架出現(xiàn)活柱突然下沉0.6～1 m 現(xiàn)象，存在較大壓架風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)工程調(diào)研和文獻(xiàn)查詢(xún)，需要對(duì)上方的遺留集中煤柱和高位厚硬頂板進(jìn)行提前處理。

2 工作面采出遺留煤柱壓架機(jī)理分析

31106 工作面上方共存在2 層堅(jiān)硬頂板關(guān)鍵層，分別為3-1 煤層上方11.8 m 細(xì)砂巖和2-2 煤層上方20.3 m 細(xì)砂巖。由于遺留煤柱較寬，上方關(guān)鍵層II 在未開(kāi)采時(shí)保持完整，隨工作面推進(jìn)周期性失穩(wěn)破斷，關(guān)鍵層II 塊體B 破斷過(guò)程中產(chǎn)生的載荷經(jīng)由煤柱和層間巖石傳遞至工作面，是支架受力的動(dòng)載源頭。工作面雙關(guān)鍵層同步破斷來(lái)壓示意圖如圖2。

圖1 31106 工作面過(guò)煤柱示意圖Fig.1 Diagram of 31106 panel and upper residual coal pillar

圖2 工作面雙關(guān)鍵層同步破斷來(lái)壓示意圖Fig.2 Schematic diagram of synchronous caving of double key strata over working face

圖2 中，2-2 煤層上方厚硬關(guān)鍵層塊體B 為施載體，煤柱、軟弱夾層、3 煤堅(jiān)硬頂板為過(guò)渡體，31106 工作面液壓支架為承載體。直接作用在支架的載荷Q 包括2 部分：

式中：Qz為直接頂載荷。

以單個(gè)支架為例，Qz是控頂范圍內(nèi)的直接頂重量之和；QⅠ為關(guān)鍵層I 傳遞載荷。

式中：Ls為支架長(zhǎng)度，m；ws為支架寬度，m；hz為直接頂厚度，m；ρz為直接頂巖層平均密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

關(guān)鍵層Ⅰ結(jié)構(gòu)傳遞載荷QⅠ與塊體E 及上方軟弱夾層的重力pER、關(guān)鍵層Ⅱ破斷經(jīng)由遺留煤柱傳遞的動(dòng)載QⅡ二者之和成正比關(guān)系[19]，計(jì)算公式為：

式中：kb為塊體E 上方的載荷傳遞系數(shù)，其大小與采高、直接頂碎脹系數(shù)、塊體長(zhǎng)度、巖層結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

pER和QⅡ分別為：

式中：LE為塊體E 長(zhǎng)度，m；h1為塊體E 厚度，m；ρE為塊體E 巖層平均密度，kg/m3；hr為塊體E 上方軟弱巖層厚度，m；ρER為塊體E 上方巖層平均密度，kg/m3；LB為塊體B 長(zhǎng)度，m；pBR為塊體B 及上方直至地表的巖層重力之和；φ 為巖層的內(nèi)摩擦角，（°）；θ 為巖層的破斷角，（°）；h2為關(guān)鍵層Ⅱ的厚度，m；W3為塊體B 的下沉值，m。

式中：hB為塊體B 厚度，m；ρB為塊體B 巖層平均密度，kg/m3；KG為塊體B 上方的巖層載荷傳遞系數(shù)；hBR為塊體B 上方直至地表巖層的厚度，m；ρBR為塊體B 及上方直至地表的巖層平均密度，kg/m3。

在圖2 情況下，上方關(guān)鍵層Ⅱ塊體B 正處于破斷狀態(tài)，2 層關(guān)鍵層對(duì)工作面均有顯著作用，由式（1）～式（5）可得，工作面液壓支架載荷Q 為：

在工作面繼續(xù)推進(jìn)且關(guān)鍵層塊體C 未破斷時(shí)，上方砌體梁結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，無(wú)動(dòng)載傳遞（QII=0），則工作面液壓支架載荷為：

從式（7）看出，在遺留集中煤柱下方的開(kāi)采礦壓規(guī)律為，工作面隨上層關(guān)鍵層Ⅱ破斷出現(xiàn)周期性動(dòng)載來(lái)壓現(xiàn)象。

遺留煤柱普遍存在側(cè)向懸頂，工作面推出煤柱邊緣時(shí)，關(guān)鍵層Ⅱ塊體B 長(zhǎng)度為正常破斷距離與懸頂長(zhǎng)度之和，工作面采出遺留煤柱支架受載模型如圖3。塊體B 破斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)（圖3 中紅色剪頭所示），此時(shí)QI組成的靜載荷pER不變、動(dòng)載荷QⅡ變?yōu)锽1、B2塊體共同作用，數(shù)值明顯增大：

式中：QB1為B1塊體傳遞的動(dòng)載；QB2為B2塊體傳遞的動(dòng)載；LB1塊體B 的破斷距離，m；LB2為塊體B懸頂長(zhǎng)度，m；PB1R為B1塊體及上方直至地表的巖層重力之和；PB2R為B2塊體及上方直至地表的巖層重力之和。

圖3 工作面采出遺留煤柱支架受載模型Fig.3 The hydraulic support loading model of working face during mining out the upper residual coal pillar

式（8）顯示，出煤柱期間的載荷QⅡ是正常破斷塊體B1的動(dòng)載與懸頂塊體B2的動(dòng)載之和，塊體失穩(wěn)強(qiáng)度更大、范圍更廣，對(duì)上覆遺留煤柱的厚硬頂板進(jìn)行破壞、減小其周期破斷距離和側(cè)向懸頂長(zhǎng)度，是減輕高位關(guān)鍵層失穩(wěn)破斷動(dòng)載的有效治理手段。

3 工作面采出遺留煤柱頂板壓裂治理措施

3.1 方案制定

綜合考慮霍洛灣煤礦工程地質(zhì)條件與各類(lèi)技術(shù)手段局限性，選擇水力壓裂對(duì)遺留煤柱上方頂板進(jìn)行處理。方案中，對(duì)遺留煤柱緣6～20 m 范圍的上方頂板進(jìn)行分段壓裂，壓裂范圍包括關(guān)鍵層II 塊體、鉆孔經(jīng)過(guò)的3-1 煤層頂板，遺留煤柱上方頂板水力切頂卸壓如圖4。壓裂目的與預(yù)期效果為：①煤柱邊緣6～16 m 的上方頂板因水力裂縫出現(xiàn)提前旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)，可以消除或減輕懸頂塊體動(dòng)載QB1；②煤柱邊緣18～30 m 范圍內(nèi)形成的人工弱面會(huì)減小關(guān)鍵層II 破斷距離，緩解QB2對(duì)下方支架的影響；③水力裂隙產(chǎn)生過(guò)程中，降低巖層中的集中應(yīng)力與破斷動(dòng)載，起到“切頂卸壓”作用[20]。

圖4 遺留煤柱上方頂板水力切頂卸壓方案Fig.4 Hydraulic fracturing scheme of main roof under the residual coal pillar

3.2 水力壓裂施工效果驗(yàn)證

在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，水力壓裂現(xiàn)象如下：①高壓泵壓力經(jīng)歷緩慢上升、突然升高后降低、小幅度穩(wěn)定波動(dòng)3 個(gè)階段；②起裂壓力范圍大小為16.4～28.3 MPa，穩(wěn)定壓力范圍大小為11.2～18.7 MPa；③在壓力峰值點(diǎn)處，部分壓裂區(qū)域頂板有斷裂聲響，水泵產(chǎn)生壓力降4～10 MPa；④壓裂期間，鉆孔附近頂板局部錨索淋水、臨孔出水等現(xiàn)象，卸壓后鉆孔大量涌水。

在現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行窺視，結(jié)果表明各壓裂點(diǎn)均有水力裂隙分布，壓裂達(dá)到預(yù)期效果，鉆孔水力壓裂裂隙如圖5。

4 切頂卸壓效果驗(yàn)證與礦壓顯現(xiàn)分析

對(duì)2-2 煤層高位頂板壓裂的基礎(chǔ)上，31106 工作面在出煤柱期間依據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)[17-18]輔助采取了工作面調(diào)斜、快速推進(jìn)、增大初撐力等手段，工作面礦壓顯現(xiàn)顯著改善。

圖5 鉆孔水力壓裂裂隙Fig.5 The hydraulic fracture propagation in the borehole

遺留煤柱上方未壓裂與已壓裂情況下，來(lái)壓時(shí)的支架壓力平均值分別為43.43 MPa 和35.10 MPa，空頂支架數(shù)量分別為7 架和2 架；壓裂后出現(xiàn)局部來(lái)壓，支架平均壓力降低15%～20%，僅部分支架開(kāi)啟安全閥；遺留煤柱上方水力切頂降低了塊體B 失穩(wěn)后的動(dòng)壓顯現(xiàn)，改善了工作面煤幫和頂板的破碎區(qū)發(fā)育，壓裂效果顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）31106 工作面過(guò)煤柱期間礦壓顯現(xiàn)劇烈、存在壓架事故風(fēng)險(xiǎn)，需要提前對(duì)上方的遺留集中煤柱和厚硬頂板進(jìn)行處理。

2）建立工作面關(guān)鍵層同步破斷的動(dòng)載來(lái)壓模型，推導(dǎo)了關(guān)鍵層II 是否破斷下的液壓支架載荷，得到工作面隨關(guān)鍵層II 破斷周期性動(dòng)載來(lái)壓的礦壓規(guī)律。

3）根據(jù)工作面推出遺留煤柱支架受載模型，計(jì)算得出工作面出煤柱期間的載荷QⅡ?yàn)檎Ｆ茢鄩K體B1與懸頂塊體B2的動(dòng)載之和。

4）根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果確定31106 工作面出遺留煤柱切頂卸壓方案，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后礦壓顯現(xiàn)改善，支架載荷明顯降低，壓裂效果顯著。