綜采工作面過上覆房采區頂板管理措施研究

朱云龍，高建勇

(國家能源集團神東柳塔煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017200)

近距離煤層群開采時，上部煤層開采通常會不可避免遺留部分受保護的、不可采的煤柱，當開采下部煤層時，上覆遺留煤柱的存在勢必會形成高應力區，對下方工作面造成威脅[1-4]，通常此條件下回采工作面礦壓顯現異常強烈，回采難度較大且易發生大面積壓架事故[5-11]。眾多學者也針對此問題進行了系列研究，陳蘇社[12-13]在解決特殊地質條件下綜采工作面頂板大面積垮落、過空巷支護困難等頂板控制難題過程中，采取了工作面超深爆破強制放頂的技術及回采期間架后懸頂處理技術等措施，有效控制了頂板事故的發生；鞠金峰等[14-16]對近距離煤層工作面在推出上覆遺留煤柱過程中普遍出現的壓架災害原因進行了研究，并提出了相應的防治對策；王永軍[17]對神東集團上灣煤礦回采工作面過上層煤集中煤柱礦壓規律進行了詳盡分析，并通過實際手段一定程度上掌握了頂板壓力變化情況；田臣等[18]對神東集團榆家梁煤礦綜采工作面過上覆集中煤柱及采空區過程中出現的冒頂事故原因進行了分析，得出上覆房采區集中煤柱和采空區的存在導致下部工作面出現次生頂板結構，上覆煤柱及采空區的失穩破壞形成動載礦壓使得下方工作面發生大面積冒頂事故，并通過集中爆破上覆煤柱的技術手段預防了該問題。

上述研究在對近距離煤層下部煤層開采過程中出現的諸多工作面強礦壓顯現問題不同程度上進行了闡述，通過不同的觀測手段對相似條件下工作面礦壓規律變化進行了總結，并各自提出了不同的回采強礦壓應對措施。但關于近距離煤層開采過程中，下部工作面經過上覆采空區不同空間位置時的工作面礦壓規律仍沒有較細致的研究，工作面強礦壓顯現的突出區域尚未有明確研究結果，且在預防強礦壓顯現、控制頂板的措施中僅有籠統概括，沒有針對性預防手段。對此，本文以柳塔煤礦22煤層22101綜采工作面為研究對象，針對其在回采過上覆近距離房采采空區及遺留集中煤柱時發生強礦壓顯現、煤壁片幫、支架下沉壓死等現象，綜合現場實測、理論分析、數值模擬等方法對工作面來壓異常原因及礦壓規律進行了研究，提出了定向長鉆孔分段水力壓裂技術，并經實際應用得知，通過實施水力壓裂提前弱化頂板的方式能夠有效解決工作面異常來壓的問題，同時為礦井后續工作面安全生產提供了一定的指導。

1 工程概況

1.1 工作面布置概況

柳塔煤礦22101工作面為該礦井22煤層一盤區第二個綜采工作面(平均厚度為3.0 m，傾角1°～3°)，布置長度235.0 m，設計推進長度1 624.9 m，采高3.0 m，該工作面切眼布置在上部12煤層12111綜采工作面采空區下方，沿走向推進41 m后進入12111工作面主輔回撤煤柱，煤柱寬度30 m，隨后依次進入12煤層EⅡ305房采采空區～EⅡ311房采采空區(包括老采空區集中煤柱和原12煤層巷道保護煤柱)，22煤層與12煤層間距25～30 m，工作面具體布置情況如圖1所示，22101工作面與12111工作面位置關系圖如圖2所示。

圖1 工作面布置情況Fig.1 Layout of working face

圖2 22101工作面與12111工作面位置關系圖Fig.2 Position relation diagram of 22101 working face and 12111 working face

1.2 工作面來壓情況

由于近距離煤層群開采的特點，下部煤層開采時受上覆房采區集中煤柱影響較大，工作面回采過上覆集中煤柱期間通常礦壓顯現異常強烈，極易發生局部冒頂、壓架等事故。結合工作面布置情況，22101綜采工作面上部存在不規則房采采空區且房采區未全部垮落，該工作面回采以來共有兩次來壓異常現象，均為房采采空區超前工作面垮落，同時期間發生部分支架安全閥開啟、立柱下沉、壓死等現象，期間地表突然長距離超前工作面出現范圍塌陷，來壓強度較大，嚴重制約礦井安全生產。

2 礦壓異常分析

2.1 礦壓規律分析

22101工作面共計采用130臺ZY12000/18/35D型支撐掩護式電液控制支架進行支護，同時機頭配置3臺ZYT12000/18/35D型端頭支架和1臺ZYG12000/18/35D型過渡支架，機尾配置4臺ZYT12000/18/35D型端頭液壓支架和1臺ZYG12000/18/35D型過渡支架。根據上覆房采區條件下工作面支架壓力數據報告可知：當在上覆煤體下回采時，工作面來壓正常，支架壓力值保持在30～45 MPa，安全閥基本未開啟，未出現立柱下沉現象；當在上覆采空區回采時，工作面支架壓力值在29～46 MPa，立柱安全閥開啟率為5%～10%，個別立柱有100～200 mm的下沉量；當工作面由上覆集中煤柱進入房采采空區回采時，支架壓力出現整體突然增大現象，最大壓力值達到52 MPa，壓力顯現十分強烈，多數立柱安全閥開啟，部分支架甚至壓死，工作面煤壁片幫、炸幫深度達到300～600 mm。

2.2 煤柱失穩分析

綜合上述礦壓規律分析及22101工作面布置特點，發生工作面來壓異常、支架下沉壓死的主要原因為上覆煤柱應力集中，加之受下部22煤層采動影響發生失穩，導致老頂大面積超前垮落出現垂直應力疊加，而煤柱失穩是導致老頂出現超前破斷的主要因素。

22煤層回采期間，一方面上覆房采區基本頂在集中煤柱邊界發生破斷形成了砌體梁式鉸接結構(圖3)，基本頂一端與集中煤柱上覆巖塊鉸接在一起，另一端與采空區已垮落巖塊鉸接在一起，形成了臨時的穩定結構并承擔上覆巖層的載荷。

A-左側采空區引起支承壓力區；B-疊加后煤柱上的支承壓力區；C-右側采空區引起支承壓力區；D、E、F為基本頂巖塊 圖3 砌體梁式鉸接結構示意Fig.3 Schematic diagram of masonry beam type hinged structure

另一方面，由于煤柱在采空區形成了孤立體，即可能承受來自采空區多個方向引起的支承壓力形成高應力區，同時，當22101工作面遞出上覆集中煤柱時，隨著基本頂巖塊E破斷垮落，上覆集中煤柱受到破壞或平衡鉸接結構失穩，則其積聚能量將釋放并傳遞到22煤層，這樣兩層煤頂板應力發生疊加形成較大的動載礦壓，若液壓支架工作阻力不能滿足要求，將導致壓架事故發生。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

依據柳塔煤礦22101工作面煤層頂底板實際賦存特征及綜合地層分布情況建立GDEM模型，GDEM模型是以連續介質力學方法CDEM(continuum-based discrete element method)為基礎，以高性能圖形處理器(GPU)為依托的一項力學分析軟件。設計模型尺寸為長×寬=130 m×30 m，模擬以工作面過上覆垂直集中煤柱為例，研究其破壞失穩機制。為簡化模型求解，建立二維模型進行求解，模型中回采工作面沿X方向推進回采，限制模型Y方向位移，同時為了更清楚地分析工作面遞出上覆煤柱時基本頂垂直破斷演化特征，本次數值模擬可忽略力學參數取值中所造成的差異，22煤層頂底板特征見表1，本次模擬中煤層及頂底板各巖層力學參數取值見表2。

3.2 工作面頂板破壞規律分析

如圖4所示，在22101工作面推進且經過上覆煤柱期間，回采面處于不同位置時其頂板破壞特征不盡相同。當回采面距上覆煤柱10 m時，頂板上方巖層未發生剪切破斷，整體應力較小；當回采面推進至距煤柱5 m時，煤壁處基本頂上方巖層開始發生剪切破壞，此時工作面上方應力明顯增大，說明上覆煤柱受采動影響出現塑性破壞，應力不斷釋放并向下轉移，從而造成工作面頂板應力增大；當回采面距煤柱0 m即開始進入煤柱正下方時， 基本頂上方整體巖層發生剪切破壞，破壞面積和應力較之前顯著增大，頂板破壞區域超前于工作面；當工作面推出煤柱5 m后，基本頂應力釋放。

表1 煤層頂底情況Table 1 Top and bottom of coal seam

表2 煤層及頂底板力學參數表Table 2 Mechanical parameter table of coal seam and roof and floor

圖4 工作面經過煤柱期間頂板破壞特征Fig.4 Roof failure characteristics during working face passing through coal pillars

圖5 工作面遞出煤柱過程頂板豎向應力曲線圖Fig.5 Vertical stress curve of roof in coal pillar process

根據模擬結果可知(圖5)，工作面在上覆集中煤柱正下方推進過程中，當距出煤柱10 m時，頂板未發生大面積剪切破壞，但應力有上升趨勢；當距出煤柱5 m時，頂板發生剪切破壞且應力上升較快；當距出煤柱0 m即工作面即將進入上覆采空區時，應力達到峰值。這說明工作面在出上覆煤柱過程中煤柱失去支撐作用，上覆巖體整體垮落，給工作面頂板造成巨大的沖擊，工作面頂板折斷后巖石應變能量短時間內釋放，之后工作面逐漸遠離上覆煤柱進入采空區的過程中，頂板應力才得到釋放，應力逐步降低。

4 集中煤柱下回采應對措施

針對柳塔礦下伏22煤層開采過程受上覆老房采區遺留煤柱集中應力影響，工作面發生礦壓顯現強烈、圍巖過渡變形、煤壁片幫、支架壓死等現象，提出定向長鉆孔分段水力壓裂技術以解決上述問題。對于受上覆煤柱結構影響的工作面礦壓控制，采用水力壓裂的方法對煤柱或煤柱上下堅硬巖層進行壓裂，可以從根本上解決煤柱處的應力集中和煤柱失穩時的能量釋放強度，高壓水壓壓裂作為新型弱化煤巖體強度的方法，目前在國內外逐漸被廣泛推廣并應用[13]。

4.1 水力壓裂鉆孔布置

水力壓裂鉆孔布置的合理性、鉆孔質量控制、鉆孔軌跡控制等均直接影響壓裂的最終效果，針對22101回采工作面上覆煤層的遺留方式和巷道煤柱強礦壓顯現問題位置，結合工作面目前的回采情況、頂板煤層賦存特征及上覆12煤層房采區遺留煤柱分布情況，分別在22101工作面集中膠帶運輸巷13聯巷、21聯巷、29聯巷內累計布置三組頂板長鉆孔鉆場，每組鉆場分別布置三道鉆孔，設計鉆孔孔徑為96 mm，單孔長度400～600 m，累計長度約4 500 m，鉆孔均采取平均布置法，孔間距為60 m，設計鉆孔壓裂目標層位為頂板砂巖層，鉆孔平面布置如圖6所示。通過高壓水預裂弱化上覆煤柱高應力集中區，促使頂板超前垮落，可對煤柱下方和邊界處位置形成有利支撐。

圖6 水力壓裂鉆孔布置平面示意圖Fig.6 Schematic diagram of the layout of hydraulic fracturing boreholes

4.2 分段水力壓裂施工

完成頂板定向長鉆孔水力壓裂鉆孔布置設計后，采用分段注入高壓清水的方式進行頂板預裂施工，頂板分段水力壓裂施工主要包括壓裂準備階段、封孔試壓階段、高壓注水分段壓裂階段和停泵回收工具階段。為達到有效弱化頂板的目的，首先對鉆孔終端頭第一段范圍內巖體進行壓裂施工，當完成第一段壓裂施工后，關閉壓裂孔口壓裂泵注設備并進行孔口排水卸壓，再利用定向鉆機拖動孔口高壓管至設計位置，即出水口到達設計第二段壓裂位置開始第二段壓裂施工，之后依次完成后續所有設計施工段的壓裂施工，具體分段水力壓裂施工平面示意圖如圖7所示。考慮到本次水力壓裂目標層砂巖層平均吸水率約3.9%，按照壓裂半徑及巖層吸水量設計單段注水量為35～40 m3，即單孔注水量約為400 m3。

圖7 分段水力壓裂施工平面示意圖Fig.7 Schematic diagram of staged hydraulic fracturing construction

4.3 水力壓裂工程效果分析

通過采用定向長鉆孔分段高壓水水力壓裂技術進行22101工作面頂板超前弱化后，根據工作面遞進上覆房采采空區礦壓顯現情況可知，工作面回采期間礦壓顯現較之前未采取治理措施時整體較弱，工作面周期來壓步距減小，且來壓規律性不強，頂板壓力相對能夠分散作用在支架上，僅有個別支架立柱安全閥開啟，立柱整體下沉量顯著降低且未有支架壓死的情況。

表3為工作面在采取水力壓裂措施前后液壓支架阻力實際監測結果，由表3可知，通過回采前水力壓裂提前弱化、卸壓頂板后，工作面整體支架阻力明顯降低，說明所實踐的定向長鉆孔分段水力壓裂施工能夠真實有效地降低回采來壓強度，解決因近距離上覆集中煤柱形成的應力集中及煤柱失穩能量沖擊問題，保證回采作業安全。

表3 不同條件下支架阻力監測數據對比Table 3 Comparison of stent resistance monitoring data under different conditions 單位：kN

5 結 論

1) 據礦壓監測分析，22101工作面在由上覆集中煤柱進入房采采空區回采期間，工作面壓力顯現十分強烈，煤壁片幫嚴重，多數支架立柱下沉明顯，安全閥開啟率較高。

2) 結合礦壓規律分析，22101工作面在由上覆集中煤柱進入房采采空區回采期間來壓強烈的主要原因為上覆煤柱應力集中，且受采動影響煤柱發生失穩導致多重應力疊加。

3) 根據數值模擬分析，房采區下部工作面逐步靠近上覆煤柱推進期間，頂板整體應力逐漸提高，且在推出煤柱時應力達到峰值，當工作面遞出煤柱5 m后應力得到釋放。

4) 通過實施定向長鉆孔分段水力壓裂提前弱化卸壓頂板的方式，能夠有效地解決上覆近距離集中煤柱條件下回采工作面來壓強烈的問題，保證了回采作業安全。