薛虎溝礦1209工作面堅硬頂板水力壓裂技術研究與應用

張曉輝

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業有限責任公司，山西臨汾 041000）

1 概述

隨著煤礦開采年限的增加，地質覆存較簡單的煤層逐步開采完畢，礦井開采逐步向埋藏較深、地質條件復雜的煤層推進。堅硬頂板工作面由于頂板巖性較為堅硬，使得采空區頂板極難垮落，并形成大面積的懸頂，大面積的懸頂一旦發生垮落極易造成層工作面沖擊地壓，同時為了保證巷道的穩定性，在留煤柱開采的巷道，大面積的懸頂使得煤柱留設寬度大幅增加，造成嚴重的資源浪費，在無煤柱開采的礦井，大面積的懸頂同樣需要投入較大的資金來維護巷道的穩定性[1]，所以對堅硬頂板的治理成為了一個熱門的課題。目前針對堅硬頂板的治理的方法主要為切頂卸壓，通過對頂板進行預裂，達到正常垮落的目的。本文以薛虎溝礦1209工作面為工程背景，采用數值模擬軟件對堅硬頂板水力壓裂技術進行研究，為礦井堅硬頂板的治理提供參考與借鑒。

2 礦井概況及數值模擬建立

薛虎溝礦位于山西省河津下化鄉陳家嶺村，生產能力90×104t/a，主采煤層為2#、10#煤層，2#煤層的平均厚度為4.3m，含煤系數為9.3%，1209工作面位于該礦南五盤區，主要開采太原組2#煤層，由于工作面頂板堅硬、難垮落導致巷道穩定性差，威脅礦井安全生產。

在礦井開采過程中，隨著開采面積的增大，使得采空區覆巖的自重逐步轉移至圍巖，此時采空區的周圍相鄰位置構成支撐壓力區域，在回采應力作用下形成不同的應力區域，分別為原巖應力區、應力增高區及應力穩定區。在超前支撐區域護巷煤柱載荷快速增長，此時巷道的變形量增大，巷道出現頂板下沉、底板底鼓及兩幫片幫現象。為了降低壓力承載區域的應力，減少巷道出現的應力集中，采用水力壓裂技術進行切頂卸壓[2]。

水力壓裂切頂卸壓技術主要是在回采前對頂板進行機械鉆孔，將鉆好的孔進行密閉，利用高壓射流水對鉆孔進行注液，當鉆孔內部壓力大于鉆孔起裂壓力時，此時鉆孔發生起裂，沿著鉆孔會形成裂縫，隨著注液時間的繼續增大，此時裂縫隨著水壓的注入發生擴展，從而達到降低頂板完整性，達到隨采隨落，降低側向支撐壓力，提升巷道穩定性的目的。為了更好地對水力壓裂切頂卸壓進行一定的研究，利用數值模擬軟件對邊界排水巷及水力壓裂卸壓的機理進行研究。

根據礦井地質條件建立模型，選定數值模擬軟件FLAC3D，根據實際情況建立比例模型，模型的長寬高分別為800m、620m、1m，完成模型的建立后對模型進行網格劃分，網格劃分直接關系到模擬計算的時間與精度，本文采用Interfacce單元進行建立，劃分完成后共計960000個單元格，對巖層進行物理參數進行設定，本文根據實際情況設定煤層頂板巖層依次為中粒砂巖、細粒砂巖、泥巖、中粒砂巖、粉砂巖、泥巖，對物理參數進行設定參照表1，數值模擬計算模型如圖1所示。

圖1 數值模量模型示意圖

表1 巖層物理參數參照表

3 數值模擬計算

首先對水力壓裂切頂卸壓對邊界巷道的穩定性影響進行研究，方案一為非水力壓裂切頂卸壓對邊界巷影響，在6號煤開挖排水巷，排水巷與保護煤柱的距離設定為25m，方案二為水力壓裂對邊界巷穩定性影響研究，正在采空區沿煤柱側向上50°的位置布置一條垂直高度30m的裂縫，分別對兩種情況進行模擬研究，研究結果如圖2所示。

圖2 水力壓裂影響云圖

從圖2可以看出，在非水力壓裂情況下，在采空區與巷道的上下方位置應力分布均低于10MPa，此區域內為低應力區，在工作面切眼與采空區的上端位置為拉應力分布區域，而高應力區域集中在煤柱附近，且距離切眼越近越大，在排水巷附近存在應力集中現象，在此范圍內應力值在20MPa左右，在排水巷5～10m及切眼左端10～20m的范圍內容易破壞，而在邊界排水巷的頂板位置易出現張拉破壞。而在水力壓裂下底應力區域主要集中在煤柱間及采空區與切眼50m的范圍，而高應力區域也由非水力壓裂情況下的17MPa左右降低至12MPa，在排水巷兩側應力最大值同樣降低至12MPa附近。可以看出經過水力壓裂下巷道應力分布有了明顯的改善，巷道的穩定性也得到了一定幅度的提升[3]。

從圖3可以看出在非水力壓裂頂板時采空區頂板發生旋轉下沉造成煤柱在上端部形成應力集中如圖3a曲線上升部分，當煤柱承載的應力超過煤柱的屈服極限時，此時的煤柱發生破壞，煤柱應力釋放此時應力下降如圖3a下降部分，而經過水力壓裂切頂卸壓后應力值明顯小于未經過切頂卸壓時的情況，此時在注液階段切縫未發生滑動此時應力出現增長的趨勢，當注液壓力超過鉆孔的承載極限時，此時鉆孔發生破壞，應力出現一定幅度的降低，隨后應力長時間區域穩定，如圖3b部分，可以看出水力壓裂頂板主要是通過切縫，從而改變頂板的破壞形式，從而影響圍巖的整體分布，降低巷道變形量[4]。

圖3 兩種方案對比圖

同樣的對比水力壓裂對輔助順槽的影響進行研究，方案一為非水力壓裂采空區煤柱側頂板受力情況，回采順槽與煤柱間距設定為25m，相鄰巷道的尺寸設定為5m×4m，方案二為水力壓裂采空區煤柱側頂板的受力情況，沿著煤柱方向在采空區設定一條裂縫，裂縫與采空區煤柱夾角為85°，裂縫的高度設定為30m，計算匯總煤柱10m處應力變化情況如圖4所示。

從圖4中可以看出，在非水力壓裂頂板情況下，頂板同樣先經歷頂板斷裂回轉，造成煤柱側的應力集中，此時應力最大值為39MPa，應力曲線呈現先增大后減小的趨勢，這是由于隨著覆巖的下沉造成煤柱應力集中，當煤柱由于承載能力不足發生破壞時應力下降，而經過水力壓裂卸壓的頂板其垂直應力分布大致不會發生變化，僅在切縫未滑動時存在一定的應力集中[5]。

圖4 兩種方案對比圖

4 結論

薛虎溝礦為解決1209工作面堅硬頂板難垮難落造成的巷道穩定性差的問題。對水力壓裂切頂卸壓機理進行研究，給出了數值模擬模型建立的全過程，為后續模擬研究提供一定的參考。通過采用數值模擬軟件對水力壓裂切頂卸壓對邊界巷道的穩定性影響進行研究。發現經過水力壓裂后巷道的應力環境得到了較大幅度的改善，巷道穩定性提升。根據對水力壓裂前后巷道垂直應力進行分析發現，未經水力壓裂頂板的垂直應力呈現先增大后減小的趨勢，而經過水力壓裂卸壓巷道應力變化不明顯。