復合硬厚頂板采場覆巖垮落控制研究

楊春鶴，朱翔斌，程雁斌，趙 均，劉志杰

（內蒙古銀宏能源開發有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引 言

我國煤層賦存條件復雜，在許多煤層開采中，均存在堅硬難垮頂板的問題。這種巖體強度高，節理、裂隙不發育的頂板，在開采過程中易形成大面積懸頂，引起沖擊地壓危害，造成高瓦斯礦山采空區瓦斯的瞬時排放，嚴重影響礦井安全生產。針對堅硬難垮頂板問題，國內外開展了一系列研究。

目前較為有效的方法有煤柱支撐法、爆破斷頂法、水壓致裂法、充填開采法。我國硬厚頂板垮落控制普遍采用爆破斷頂法，該方法存在成本高、污染空氣、圍巖擾動大等不足；煤柱支撐法未能從根本上解決硬厚頂板垮落問題且煤炭回收利用率低；水壓致裂法采用高壓水使頂板出現裂隙并擴展，從而切斷堅硬頂板，需要專用高壓水設備[1-2]。王海洋等[3]對水壓裂縫的擴展壓力和擴展模式進行理論分析，結合數值模擬及相似模型試驗，對水壓裂縫在復合堅硬頂板的擴展規律開展研究。黃智剛等[4]通過單軸壓縮、核測共振和電鏡掃描等實驗分析出水巖作用下的泥質板巖軟化規律，并建立相對應的軟化模型。鄧廣哲等[5]針對硬煤預壓裂存在的問題，在大型煤塊試件中采用地應力場控制水壓致裂的方法，研究出水壓致裂破壞煤體結構的力學機制。潘超等[6]通過對模擬不同模型破壞模式及水力壓裂數據的分析表明，裂隙的擴展不僅受到孔隙水壓力的影響，同時也受到層理弱面、應力卸壓圈和頂板底端自由面影響。黃炳香等[7]認為水壓致裂弱化頂板是控制工作面頂板冒落的有效方法，并提出了堅硬頂板水壓致裂控制的成套技術框架。

運用水力壓裂弱化煤巖體的理論與試驗研究已經比較深入[8]，但其設備要求高、技術難度大。針對我國西部地區煤炭資源的開發常涉及侏羅系和白堊系地層，具有巖石在原始賦存狀態下強度較高，但遇水卻迅速軟化，強度大幅降低甚至完全喪失的弱膠結地層特點，本文提出采用注水方式軟化巖層，從而降低巖石強度，達到控制頂板垮落步距的目的。以泊江海子113100 回采工作面的堅硬難垮頂板為研究對象，通過數值模擬判定注水軟化方案可行性，進而進行注水軟化放頂試驗，為安全高效生產提供切實有效的保障。

1 概 況

泊江海子煤礦位于我國華北板塊的北緣，屬于內蒙古自治區鄂爾多斯市東勝煤田和準格爾煤田。113100 工作面位于礦井803.5 m 水平西翼一盤區，北起西翼采區大巷保護煤柱線，南至109 國道保護煤柱線，西鄰113101 工作面，東臨實體煤壁。113100 工作面所在煤層為3-1 煤。具體位置如圖1所示，113101 工作面、113102 工作面已開采完畢，現在進行113100 工作面的開采。113100 工作面可采走向長為2 603 m，工作面長250 m。煤層傾角1°～3°，為穩定煤層。泊江海子控制層為侏羅系地層，3-1 煤層的直接頂為砂質泥巖、粉砂巖，平均厚度7.1 m；基本頂為細砂巖、中砂巖，平均厚度8.3 m。根據現有資料，113100 工作面的開采會引起覆巖上巨厚的砂巖層彎曲下沉，易引起突發性的礦山壓力顯現，因此有必要對113100 工作面頂板進行有效的預裂，防止頂板礦壓危害。

2 理論計算

2.1 初步來壓步距的理論計算

根據Marcus 算法，對中部來說即為交叉的條梁，巖板各方向上的載荷與彎矩按撓度相等的原則計算，根據113100 工作面實際工況，將計算模型簡化為兩邊固支，兩邊簡支的情況計算如下。

式中：L0為巖頂板初次開裂時的步距；Mmax、σmax為最大彎矩、長邊最大拉應力；Pt為板巖最大抗拉強度。

巖板斷裂時巖板內最大拉應力等于板巖最大抗拉強度，即σmax=Pt，

式中：l 為工作面長度；H 為上覆巖層厚度；Pt為巖頂板最大抗拉強度；q 為巖頂板上的均布荷載；q=γ·H，γ 為覆巖容重；L0為巖頂板初次開裂時的步距。

2.2 周期來壓步距的理論計算

式中：a 為懸板長度與工作面長度的比值。

當頂板內最大拉應力超過巖板的極限抗拉強度，根據材料力學判斷，當σmax'=σ，算得最大斷裂步距為：

式中：Hn為上覆巖層厚度；σ 為巖板的極限抗拉強度；qn為巖頂板上的均布荷載；qn=γ·Hn，γ 為覆巖容重；Ln為巖頂板開裂時的步距。

2.3 計算結果分析

將巖層各參數帶入式（2），可得113100 工作面直接頂初次來壓步距為37.7 m，基本頂初次來壓步距為44.3 m。初次來壓步距過大，易造成大面積懸頂，引起下方煤層應力增高，給頂板管理和巷道維護帶來困難，煤體中積累的大量彈性能可能突然釋放誘發沖擊地壓，過長的懸頂突然斷裂，還會引起大規模的覆巖運動，甚至沖擊類災害事故。需對113100 工作面頂板進行預軟化處理，直接頂及基本頂及時垮落，保證113100 工作面的安全回采。

將巖層各參數帶入式（4），計算得工作面周期來壓步距小于20 m，不影響煤層正常開采。

3 數值模擬

3.1 數值計算模型

針對上述問題進行煤層頂板注水軟化數值模擬。數值模型尺寸盡可能按照原始結構實際尺寸建立，具體模型中結構位置關系如圖2 所示。模型共劃分網格單元454 460 個，節點180 808 個。以模型左下角為原點，水平向右為X 軸方向，沿巷道軸向向內為Y 軸正方向，垂直向上為Z 軸正方向，整個模型范圍大小為800 m×837 m×270 m，注水鉆孔布置在切眼位置，底部和前后邊界采用位移約束，上部施加8.75 MPa 載荷模擬地層壓力。

圖2 工作面數值模型Fig.2 Numerical model of working face

工作面在切眼以及膠帶順槽向頂板布置注水鉆孔，通過注水孔向頂板注水軟化頂板巖層，軟化系數0.5，長時間帶壓注水提高煤巖體軟化效果，有利于頂板礦壓管理。

注水鉆孔斜剖面豎向應力影響區如圖3 所示。注水孔有效軟化煤巖體，鉆孔中心區域巖體強度降低，其承載應力向巖體深部轉移，豎向應力值下降，部分區域應力下降達到3.5 MPa，鉆孔上方頂板存在應力集中區域，在工作面推進過程中，應力集中區域進一步擴大，堅硬頂板發生破斷。

圖3 注水鉆孔斜剖面豎向應力影響區Fig.3 Vertical stress influence zone of inclined section of water injection borehole

3.2 數值模擬分析

對比分析未布置注水軟化孔工作面與布置注水軟化孔工作面回采30 m、40 m 過程中應力場、塑性區演變情況，得出水力軟化鉆孔對周邊煤巖體應力的影響以及直接頂和基本頂發生破壞的位置。

3.2.1 工作面切眼鉆孔斜剖面豎向應力演變

為便于分析水力軟化鉆孔對周邊煤巖體的應力場影響，以切眼煤壁為原點，沿水力軟化孔方向做剖面分析豎向應力演變，如圖4 所示。

圖4 工作面切眼鉆孔斜剖面豎向應力演變Fig.4 Vertical stress evolution of inclined section of cutting hole in working face

在切眼和膠帶順槽布置水力軟化孔，煤巖體中鉆孔區域豎向應力降低，鉆孔周邊豎向應力增大，工作面開采后，支承壓力向四周實體煤傳遞，形成壓力拱形態，輔運順槽側應力集中程度較高，達到26 MPa，膠帶順槽側峰值在水力軟化作用下，支承壓力峰值增加，峰值位置靠近巷道煤幫，上方巖層處于低應力區，水力軟化減弱頂板強度，壓力拱高于未進行水力軟化的工作面，表明頂板出現塑性區，承載能力降低。

3.2.2 工作面推進過程塑性區域演變

工作面回采30 m（含切眼），頂板塑性區域演變如圖5 所示。采空區范圍擴大，頂板懸露面積增大，受到采場應力作用，頂板巖層中裂紋擴展，對比發現，未水力軟化工作面頂板10 m 處巖層塑性區存在擴展，20 m 處巖層塑性區分布較散，40 m處巖層塑性區零星分布，進行水力軟化工作面，頂板10 m 處巖層塑性區擴展呈破壞分布，20 m 處巖層塑性區呈擴展趨勢，40 m 處巖層出現塑性區擴展，表明工作面直接頂在回采30 m 左右發生破斷。

圖5 工作面回采30 m頂板塑性區域演變Fig.5 Evolution of roof plastic zone with mining 30m of working face

工作面回采40 m（含切眼），頂板塑性區域演變如圖6 所示，采空區范圍進一步擴大，頂板巖層中塑性區進一步擴展，頂板10 m 處巖層塑性區呈破壞分布，未水力軟化工作面頂板20 m 處巖層塑性區存在擴展，40 m 處巖層塑性區分布較散，進行水力軟化工作面頂板20 m 處巖層塑性區擴展呈破壞分布，40 m 處巖層塑性區呈擴展趨勢，表明水力軟化有效改善頂板塑性區分布，基本頂在工作面推進40 m 左右發生破斷，有利于卸壓切頂。

圖6 工作面回采40m頂板塑性區域演變Fig.6 Evolution of roof plastic zone with mining 40m of working face

模擬結果表明水力軟化有效改善頂板應力分布，基本頂破斷位置在30m、直接頂破斷位置在20 m。水力軟化能為工作面上方巨厚砂巖層的斷裂、翻轉、下沉提供足夠的時間，有利于卸壓切頂減小動力顯現。

4 現場施工

4.1 施工方案設計

在切眼迎頭與頂板的交接處，采用12 個鉆孔對切眼前方平距20 m、上方24 m 范圍內的直接頂進行弱化處理；15 個鉆孔對切眼前方平距30 m、上方48 m 內基本頂進行弱化處理。113100 工作面輔助運輸順槽上方的頂板由于113101 工作面的開采已經斷裂，膠帶順槽上方的頂板也需要進行軟化處理才能保證工作面頂板整體的控制致裂效果。因此在膠帶順槽采用間距為7 m 的7 個鉆孔對膠帶順槽上方45 m、工作面側平距12 m 的頂板進行軟化。從而達到切頂卸壓控制頂板壓力的目的。鉆孔參數設計見表1，鉆孔孔徑75 mm。

表1 鉆孔參數設計Table 1 Drilling Parameter Design

采用橫向切槽的特殊鉆頭，預制橫向切槽，利用普通注漿孔的封孔技術對鉆孔進行封堵，封孔長度8 m。所有鉆孔施工完畢后，連接注漿泵以5 MPa 的壓力向鉆孔內注入清水，鉆孔注入工作每3～5 d 重復一次，直到工作面開始回采。

4.2 應用結果分析

對綜采支架礦壓力的監測情況如圖7 所示。巖頂板通過注水弱化處理后，上覆厚的垮斷步距得到有效控制，礦壓均未達到安全閥開啟值。在工作面開采期間，未出現頂板大面積懸露、壓架、颶風等現象，可見該方案能有效控制頂板的來壓強度，消除厚硬頂板冒落時的動力沖擊現象，保證了工作面的安全高效開采。

圖7 綜采支架礦壓力曲線Fig.7 Pressure curve of fully mechanized support

5 結 論

（1）通過理論計算可以看出，113100 工作面堅硬煤層巨厚頂板初次來壓步距大，約35～45 m，來壓期間造成工作面礦壓顯現劇烈，沖擊工作面支護設備，影響工作面正常生產，威脅井下人員生命安全，因此需要對頂板強制放頂。

（2）數值模擬實驗結果表明，針對具體的巖層，通過布置注水軟化孔對頂板進行預軟化處理，可以實現對堅硬頂板初次來壓步距的控制，根據數值計算分析工作面應力分布特點，有利于工作面礦壓顯現控制，從而指導現場工程的施工。

（3）鉆孔注水對113100 工作面頂板進行預先軟化，直接頂垮落步距控制在20 m 左右，基本頂垮落步距控制在30 m 左右，有效控制了工作面直接頂及基本頂的來壓步距，實現了對113100 工作面上覆硬厚頂板初次來壓垮落步距的控制，為弱膠結地區硬厚頂板的垮落控制提供借鑒方案。