回撤通道圍巖變形破壞機理及其控制技術研究

曹 偉

（山西焦煤山煤國際鋪龍灣煤業有限公司，山西 大同 037000）

0 引言

堅硬頂板問題是困擾我國煤礦生產的主要問題，據統計，我國約1/3 的煤層存在堅硬頂板問題。堅硬頂板指在煤層頂板存在的一種高硬度巖層，堅硬頂板主要由砂巖、礫巖等組成，由于堅硬頂板節理裂隙不發育，使之承載能力較強，所以頂板來壓步距較長，堅硬頂板的存在使得回采過程形成難以垮落的懸頂，懸頂面積的不斷加大，使得巷道變形量增加，同時懸頂一旦發生垮落，勢必會造成巨大的沖擊載荷，嚴重威脅著礦井的正常開采，同時對施工作業人員及設備的安全均會造成嚴重影響。隨著我國機械化開采程度的不斷加深，堅硬頂板問題尤為明顯。針對堅硬頂板問題，目前常見的治理方案主要分為三種，分別為爆破切頂卸壓、水力切頂卸壓、靜力切頂卸壓，隨著對礦井環保的日漸重視，水力切頂卸壓技術成為了一項熱門技術[1-2]，其通過高壓注水將鉆孔進行壓裂，從而形成大量的裂縫，降低堅硬頂板整體性，達到切頂卸壓的目的，此前較多學者對水力壓裂進行過研究[3-4]，但大多為理論分析，本文基于前人的分析，通過數值模擬且結合現場試驗對水力切頂卸壓可行性進行研究，為礦井堅硬頂板的治理提供一定的參考。

1 工作面概況及數值模擬

鋪龍灣礦位于大同市西南部，井田面積4.86 km2，設計生產能力為1.2 Mt/a，主要開采5 號、8 號煤層。5102 工作面主采5 號煤層，煤層厚度為1.75～2.1 m，平均厚1.92 m，煤層傾角2°～8°，平均傾角5°，工作面水文地質條件簡單。頂板以粉砂巖和細粒砂巖為主，頂板巖石抗壓強度＞30 MPa 占優，巖性為中硬類巖石，軟化系數為0.65～0.75。

利用ABAQUS 數值模擬軟件對不同水力壓裂參數下壓裂效果進行分析，首先進行數值模擬模型建立，本文采用二維模型進行分析，根據鉆孔直徑的大小及裂縫擴展情況，將模型尺寸設定為500 mm×500 mm。對模型進行物理參數設定，根據實際頂板巖性，設定力學參數為彈性模量10 GPa、內摩擦角28°、泊松比0.23、黏聚力9.5 MPa、剪脹角10°，黏巖石的抗拉強度為4.0 MPa。鉆孔采用橡膠塞封堵，采用Mohr-Coulomb 本構模型。對模型進行網格劃分，網格劃分選用CPE4R 單元類型。對模型的受力進行設定，初始設定為最大主應力σH=12 MPa，水平最小主應力σh=6 MPa，垂直應力σv=10 MPa。數值模擬過程分為施加地應力、對壓裂孔施加水壓、壓裂孔壓裂、裂縫擴展四個階段。首先對不同壓裂段長度下巖石內部壓裂情況進行分析，如圖1 所示。

圖1 不同壓裂段長度下巖石內部壓力云圖

從圖1 可以看出，當壓裂段長度為200 mm 時，此時隨著水壓的增加，在壓裂段的中間位置出現拉應力，隨著注水壓力的不斷增加，此時的拉應力不斷增大。同時由于壓裂段長度較小，此時中間部位會影響壓裂段端頭的應力分布。當水壓增大至12 MPa 時，在平行于最大主應力方向開始出現擴展裂縫，此時巖體最大拉應力為4.1 MPa，最大的壓應力為20.1 MPa，持續注水后，裂縫沿著徑向和法向發生一定的擴展，同時裂縫寬度有所增加。增大壓裂段長度整體變化趨勢類似，所以在此不做贅述。綜合不同壓裂段長度下巖石垂直應力情況可知，隨著壓裂段長度的增加，此時巖石發生起裂所需的水壓值減小。當壓裂段長度較小時，此時由于中間部位應力集中的影響，使得端頭應力受到一定影響。隨著壓裂段長度的增大，中間部位應力集中現象對端頭的影響減弱。當壓裂段長度大于600 mm 時，此時的裂縫發生起裂的壓力及應力分布情況基本不變。所以綜合分析確定最佳壓裂段長度為600 mm。

對不同鉆孔直徑下巖石內部壓裂情況進行分析，不同鉆孔直徑下巖石垂直應力云圖如圖2 所示。

圖2 不同鉆孔直徑下巖石內部壓力云圖

如圖2 所示，當鉆孔直徑為56 mm 時，鉆孔拉應力增大而出現裂縫，最大拉應力值達到了4.1 MPa，最大壓應力值為19.7 MPa。當鉆孔直徑89 mm 時，隨著注水壓力的增大，最大壓應力、拉應力均呈現不斷增加的趨勢，當巖石發生起裂、擴展時，此時的最大壓應力為20.0 MPa，最大拉應力為4.1 MPa。當鉆孔直徑增大至100 mm，此時的巖體的最大壓應力為20.2 MPa，最大拉應力為4.0 MPa。綜合分析可知，當鉆孔直徑逐步增大，巖體應力整體的變化趨勢相差不大，均呈現為中部受拉區，一旦超過巖石的抗拉強度后，此時的裂縫發生起裂，并沿著徑向和法向擴展，所以最佳的鉆孔直徑為56 mm。

2 應用分析

根據模擬研究結果對頂板進行切頂，在工作面主回撤通道布置10 個S 型和9 個L 型孔，布置鉆孔間距為15 m，在順槽布置3 個S 型孔和2 個L 型孔，間距10 m，利用橡膠封堵鉆孔，利用高壓水泵對鉆孔內部進行注水加壓，注水壓力保持在10～15 MPa，等到鉆孔發生起裂后，鉆孔內部水壓下降，持續進行注液，進入保壓階段，此時可促進巖石內部裂紋的擴展，通過采用流量計監測流量，從而有效保證頂板充分預裂，同時在注液過程中時刻關注頂板漏水情況，壓裂共計持續時長為30 min。對經過切頂卸壓后的效果進行分析，并通過在垛式支架上安裝應力監測計對巷道應力環境進行分析，切頂前后垛式支架壓力曲線如圖3 所示。

圖3 切頂前后垛式支架壓力曲線

從圖3 曲線可以看出，經過切頂卸壓后，整體垛式支架應力有了明顯的減小，工作面距離回撤通道50 m 時，未經切頂及切頂后垛式支架壓力均較小，此時經過切頂后垛式支架應力差為0.12 MPa，不是十分明顯；當工作面距離回撤通道15 m 時，垛式支架壓力快速上升，此時對比切頂前后垛式支架的應力情況，發現經過切頂后的垛式支架壓力降低了0.5 MPa；當工作面距離回撤通道5 m 時，垛式支架迅速上升，經過切頂后的垛式支架壓力較未切頂前降低了0.9 MPa。通過對比圖可以看出，經過水力壓裂切頂后，工作面后方的覆巖頂板能夠及時發生垮落，回撤通道垛式支架壓力降低，整體巷道應力環境得到較大幅度的改善。

3 結論

1）隨著壓裂段長度的增大，中間部位應力集中現象對端頭的影響減弱，綜合分析確定最佳壓裂段長度為600 mm。

2）當鉆孔直徑逐步增大，巖體應力整體的變化趨勢相差不大，均呈現為中部受拉區，一旦超過巖石的抗拉強度后，此時的裂縫發生起裂，并沿著徑向和法向擴展，所以最佳的鉆孔直徑為56 mm。

3）經過水力壓裂切頂后，工作面后方的覆巖頂板能夠及時發生垮落，回撤通道垛式支架壓力降低，整體巷道應力環境得到較大幅度的改善。