復合堅硬頂板強礦壓顯現特征及主控層位確定

關鍵詞：復合堅硬頂板；強礦壓顯現；水力壓裂；微震事件；卸壓主控層

中圖分類號：TD324 文獻標志碼：A

0引言

頂板事故是我國煤礦事故主要類型之一，上覆堅硬頂板是頂板事故的主要誘因之一[1-2]。工作面開采過程中上覆堅硬頂板不易自然垮落，形成采空區大面積懸頂，造成工作面超前應力集中，引起煤壁片幫、架前冒頂、壓架、底鼓等問題[3-4]。隨著工作面推進，懸頂面積增加，堅硬頂板受力到達極限時發生大面積垮落，積聚于頂板及煤層間的大量彈性能急劇釋放，大幅增加來壓強度，易產生強礦壓現象[5]，制約礦井安全高效回采[6]。

多位學者對堅硬頂板強礦壓成因進行了研究。文獻[7]認為堅硬頂板誘發沖擊礦壓的主要原因是堅硬頂板破斷或滑移失穩時，大量彈性能突然釋放，形成強烈震動，發生沖擊礦壓。文獻[8]認為堅硬頂板懸頂作用下，煤壁應力增大過程中，煤體與頂底板之間的摩擦力不斷調整，當層間摩擦力達到極限時，將誘發層間錯動型沖擊礦壓。文獻[9]認為堅硬頂板斷裂后發生壓縮、反彈的空間區域是沖擊地壓的震源。文獻[10]研究了堅硬頂板和斷層結構條件下的動力災害，分析了其發生特征和強度，揭示了斷層構造對沖擊地壓的影響機制。文獻[11]分析了初次來壓前的煤層塑性區、彈性區堅硬頂板力學特性，結果表明隨著采空區步距增大，頂板下沉量增大，煤層塑性區支承力峰值增大，煤壁處煤層支承力減小，煤壁前方與采空區頂板彎矩增大。文獻[12]分析了堅硬頂板型工作面的聲發射及應力前兆信息特點，認為堅硬頂板型沖擊地壓以能量及應力判據為主。文獻[13]指出堅硬頂板與煤層間的空間關系是強礦壓的重要誘因之一。文獻[14]建立了基于關鍵層運動狀態的礦震能量預測模型與采場等效附加應力估算模型，提出了基于K?means 聚類算法和肘部法則的煤礦覆巖主控致災層位識別技術。文獻[15]運用物理相似模擬與理論分析的方法，揭示了復合關鍵層厚硬頂板的誘沖機制與防治技術模式。以上研究表明，堅硬頂板在發生變形破壞時內部賦存能量短時間內大量釋放是誘發堅硬頂板強礦壓顯現的原因。

對煤層上覆堅硬頂板進行超前壓裂卸壓可有效抑制強礦壓現象。水力壓裂技術作為弱化堅硬頂板的有效方法，在采煤工作面巖層控制、高應力與強采動巷道圍巖控制等方面得到越來越廣泛的應用[16-18]，但在現場施工中仍存在工作面高位巖層和工作面中部堅硬頂板難以處理的問題[19]。近年來，許多學者對堅硬頂板水力壓裂控頂技術進行了大量研究。文獻[20]明確了定向水力壓裂煤柱留巷卸壓機理。文獻[21]采用真三軸實驗系統研究了水壓裂縫的扁橢球體典型形態和空間轉向擴展形態，闡明了定向壓裂臨空堅硬懸頂的斷頂線位置適當內錯煤柱的原理。文獻[22]求得了水力壓裂破裂區半徑計算公式，確定了水力壓裂有效壓裂半徑的主控因素。文獻[23]提出了定向長鉆孔分段水力壓裂區域堅硬頂板治理技術。文獻[24]分析了堅硬頂板懸頂受力特征及其對礦壓顯現的影響，提出了對工作面頂板施工定向水力壓裂措施來弱化堅硬頂板巖層，控制其垮落，揭示了水力壓裂弱化堅硬頂板以降低回采期間礦壓顯現的機理。文獻[25]采用數值模擬與理論分析的方法揭示了堅硬頂板弱化前后的應力演化特征，提出了超前區域防治技術。以上研究從不同角度揭示了水力壓裂弱化頂板機理，并提出了具有參考意義的弱化處理技術，但針對煤層上方存在復合堅硬頂板誘發強礦壓的研究較少，且復合堅硬頂板結構間的相互作用關系復雜，水力壓裂復合頂板的主控層位難以確定。

本文以烏審旗蒙大礦業有限責任公司納林河二號礦井31104?1工作面復合堅硬頂板為工程背景，采用物理相似模擬、理論分析、工程試驗的研究方法，分析復合堅硬頂板工作面的礦壓顯現規律，揭示工作面強礦壓形成機理，在分析不同層位堅硬頂板預裂條件下覆巖變形破壞特征的基礎上，研究覆巖周期性運移過程中能量釋放規律，結合現場分段壓裂弱化治理工藝，確定復合堅硬頂板條件下水力壓裂的主控層位，為礦井安全高效生產提供技術保障。

1工程背景

納林河二號礦井位于東勝煤田納林河勘查區西部，井田南北長約17.8km，東西寬約13.5 km，面積約為180.67 km²。31104?1工作面平均埋深為570m，走向長度為1 769m，傾向長度為300m。主采煤層為3?1煤層，平均厚度為5.6m。煤巖物理力學參數見表1。煤層上方100m 范圍內分布有2層堅硬頂板，低位堅硬頂板為距工作面40m 處的巖層，高位堅硬頂板為距工作面60m 處的巖層，巖性均為細粒砂巖，飽和抗壓強度為41.84MPa，堅固性系數為4.2。

2復合堅硬頂板強礦壓顯現特征

2.1物理相似模擬實驗

2.1.1物理相似模型及參數

10p2為探究復合堅硬頂板強礦壓顯現特征，采用平面二維實驗架（長×寬×高為5 000 mm×300 mm×1500 mm）開展物理相似模擬實驗。物理相似模型如圖1 所示。幾何相似比為1∶200，應力相似比為1∶320，容重相似常數為1.6，載荷相似常數為1.28×10⁷，時間相似常數為10√２。

根據31104?1工作面地質資料及實驗室巖石力學實驗測得的主要巖層物理力學參數，選取河砂、煤灰作為骨料，石膏、大白粉作為膠結材料，按照相似材料配比（表2）加入適量水后拌勻裝入實驗架內部，用重物將材料夯實到所需密度，并以8～20目的云母作為巖?巖和煤?巖界面的分層材料。

2.1.2監測方案

1）位移監測。在模型表面布置16 行測點，標定測點初始坐標，在模型開挖過程中，通過全站儀記錄表面位移測點的坐標，監測工作面上覆巖層位移，分析復合堅硬頂板破斷運移特征。

2）能量監測。在模型中安裝2 個微震傳感器，編號為1 號、2 號，分別位于模型上部的左邊界與右邊界處。對開采過程中微震能量、微震事件頻次進行記錄分析，研究復合堅硬頂板破斷的能量演化特征。同時，在模型中安裝2 個聲發射傳感器，編號為Ⅰ號、Ⅱ號，與微震傳感器位于同一水平，各偏離相近微震傳感器5 cm。通過分析聲發射信號變化特征，反映覆巖破壞時釋放能量的大小和破壞劇烈程度。

2.2復合堅硬頂板破斷特征

在復合堅硬頂板工作面回采期間共發生15次周期來壓，平均來壓步距為10.3cm。在開采前期垮落范圍主要集中在低位堅硬頂板，當工作面第13次周期來壓時，高位堅硬頂板協同間隔巖層與低位堅硬頂板整體切落失穩，工作面出現強礦壓現象，垮落范圍增大至高位堅硬頂板。工作面復合堅硬頂板破斷特征如圖2 所示。

從圖2（a）可看出，隨著工作面開采，在推進至41 cm 時，直接頂已大范圍垮落至采空區，與低位堅硬頂板間形成明顯離層，此時低位堅硬頂板難以形成穩定的鉸接結構，向采空區逐漸彎曲下沉，最終發生垮落，垮落部分主要位于低位堅硬頂板的下部區域，垮落巖層厚度為3.2 cm，工作面發生初次來壓，整體垮落高度為15.2 cm。

從圖2（b）可看出，當工作面推進至54 cm 時，出現第1 次周期來壓現象，此時頂板垮落范圍增大至低位堅硬頂板中部區域，垮落高度為17.5 cm。在周期來壓后，采空區左側原鉸接結構已全部失穩垮落，右側仍存在部分鉸接結構。

從圖2（c）可看出，隨著工作面向前推進，低位堅硬頂板已充分垮落，在采空區垮落矸石的支撐作用下高位堅硬頂板難以垮落，頂板垮落范圍主要集中于低位堅硬頂板，垮落高度無明顯增加，為20.8cm。當工作面推進至130cm 時，發生第8 次周期來壓，采空區上方間隔巖層出現彎曲下沉現象，發育有橫向裂隙，并與高位堅硬頂板間產生離層現象。

從圖2（d）可看出，隨著工作面繼續向前推進，低位堅硬頂板繼續發生周期的破斷垮落，間隔巖層彎曲下沉程度逐漸增大，導致橫向裂隙持續發育，離層量不斷增加，為高位堅硬頂板提供了一定的回轉空間，最終隨著離層長度增加，在高位堅硬頂板的下部區域產生新的橫向裂隙。當工作面推進至158 cm時，間隔巖層與高位堅硬頂板間的離層長度達到高位堅硬頂板的破斷極限，間隔巖層受高位堅硬頂板的垮落壓覆作用與高位堅硬頂板整體下沉，工作面產生強礦壓現象，頂板的垮落范圍增大至高位堅硬頂板的下部區域，垮落高度為47.3 cm。

2.3復合堅硬頂板破斷能量演化特征

2.3.1聲發射信號特征

工作面推進過程中聲發射信號特征如圖3所示。

從圖3（a）可看出，在工作面推進0～50cm過程中，直接頂發生4次垮落，振鈴計數與能量出現小峰值。當工作面推進至41cm 時，頂板發生初次來壓，垮落范圍為低位堅硬頂板的下部區域，產生劇烈的能量波動，振鈴計數和聲發射釋放能量出現明顯大峰值，分別為22400個和21400 mV·μs。

從圖3（b）可看出，在工作面推進50～100cm 過程中，頂板共產生5次周期來壓，平均來壓步距為9.8 cm，每次來壓時伴隨有明顯的波動，且來壓前后的振鈴計數與能量指標總體呈U 型分布。其中第4次周期來壓強度較大，來壓步距較小，振鈴計數和聲發射釋放能量分別為25300個和18300mV·μs，說明此前3 次周期來壓時覆巖中積聚的能量并未完全釋放，導致第4 次周期來壓垮落步距減小，垮落范圍增大，來壓更為劇烈。

從圖3（c）可看出，工作面推進100～150cm 過程中振鈴計數與釋放能量較推進50～100 cm 時整體上升，但上升幅度并不顯著，振鈴計數和聲發射釋放能量的最大值分別為24 100 個和19 200 mV·μs，說明此時周期來壓的頂板垮落范圍仍主要集中在低位堅硬頂板區域，并未到達高位堅硬頂板。

從圖3（d）可看出，當工作面推進至175 cm 時，發生第13 次周期來壓，振鈴計數和聲發射釋放能量較前述階段有顯著增大， 分別為32500 個和30000 mV·μs，來壓強度劇烈，來壓范圍已到達高位堅硬頂板下部區域，在覆巖中積聚的能量得到充分釋放，工作面出現強礦壓現象。

2.3.2微震能量特征

工作面開采過程中的微震事件分布如圖4 所示?？煽闯鲈谕七M至137cm 之前，微震事件基本分布在低位堅硬頂板與間隔巖層中，高位堅硬頂板中未出現微震事件，其中微震能量為2000～4000 J 與4000～6000J 的事件占比最高，此階段頂板的垮落范圍集中在低位堅硬頂板與間隔巖層之間，高能量事件主要受低位堅硬頂板垮落影響，礦壓顯現強度較低。隨著工作面推進，低位堅硬頂板持續垮落，間隔巖層彎曲下沉，為高位堅硬頂板提供回轉空間。當工作面推進至137cm 后，高位堅硬頂板產生橫向裂隙，在高位堅硬頂板下部區域中出現微震事件，且由于頂板整體下沉，分別在推進160，185cm 位置出現高能量事件，頂板垮落范圍已到達高位堅硬頂板，工作面出現強礦壓現象。

2.4復合堅硬頂板工作面強礦壓形成機理

通過前述實驗現象可知，在工作面回采初期，頂板垮落范圍主要集中于低位堅硬頂板，低位堅硬頂板的破斷形成工作面的周期來壓，而高位堅硬頂板受下方垮落矸石的支撐作用難以垮落，當工作面推進至見方位置，高位堅硬頂板協同間隔巖層整體切落，產生強礦壓現象。據此，建立復合堅硬頂板破斷理論模型（圖5），分析工作面強礦壓形成機理。

隨著工作面向前推進，上一次周期來壓已結束，此時低位堅硬頂板呈一端固定的“懸臂梁”結構，如圖5（a）所示。當工作面繼續向前推進時，低位堅硬頂板的“懸臂梁”結構失穩破斷，垮落至采空區，形成工作面的周期來壓，且在推進一定距離后低位堅硬頂板再次呈現“懸臂梁”結構，如圖5（b）所示。在低位堅硬頂板“懸臂梁”結構再次破斷后，上方間隔巖層由于自身強度較弱無法形成結構，出現彎曲下沉現象，與高位堅硬頂板間產生離層現象，為高位堅硬頂板提供了一定的回轉空間，如圖5（c）所示。隨著工作面推進，當上一次低位堅硬頂板“懸臂梁”結構破斷后，間隔巖層彎曲程度進一步增加，致使高位堅硬頂板的回轉空間也進一步增大，在懸露長度達到極限時發生破斷，形成具有一定穩定性的“砌體梁”鉸接結構，如圖5（d）所示。在高位堅硬頂板形成“砌體梁”鉸接結構后的某一刻，鉸接結構失穩，高位堅硬頂板發生垮落，對間隔巖層施加額外載荷q₁。間隔巖層自身載荷為q₂，受自身強度影響無法承受高位堅硬頂板垮落對其施加的額外載荷發生破斷，此時，高位堅硬頂板協同間隔巖層整體切落，壓覆在低位堅硬頂板垮落的塊體上，工作面上方來自頂板的載荷由原低位堅硬頂板施加載荷q₃增大至q₁+q₂+q₃，出現強礦壓現象。

3復合堅硬頂板卸壓主控層位確定

3.1堅硬頂板預裂方案

為探究復合堅硬頂板卸壓主控層位，在前述物理相似模擬實驗研究基礎上，針對預裂低位堅硬頂板與預裂高位堅硬頂板2 種工況，對比分析其頂板破斷特征與能量演化特征。

由于31104?1工作面一次見方位置易發生沖擊地壓災害，現場鉆孔壓裂段位置分布在一次見方（距切眼300m） 位置左右， 相鄰壓裂段間距為20～40m。結合現場鉆孔位置、參數及模擬實驗相似比、材料等特點，選用位于工作面切眼的鉆場1 為模擬對象，分別對不同層位堅硬頂板進行預裂，具體布置方案如圖6所示。

定向長鉆孔分段水力壓裂技術將高壓壓裂液注入堅硬巖層中，使巖層產生新的裂縫系統，破壞巖層整體完整性，降低其強度。模擬實驗中，采用壓裂泵向鉆孔中依次進行高壓注水，待相鄰鉆孔間巖層有水液滲出，即說明該鉆孔壓裂段完成弱化。

3.2預裂不同層位頂板破斷特征

預裂低位堅硬頂板垮落特征如圖7（a）所示。預裂低位堅硬頂板后，巖層完整性降低，初次來壓步距為42cm，周期來壓步距減小，平均為8.2cm。初次來壓至第12次周期來壓期間，頂板垮落高度較低，集中在低位堅硬頂板范圍。當第13次周期來壓以后，高位堅硬頂板發生破斷回轉，積聚的彈性能大量釋放，垮落高度突然增大為36.5cm，工作面出現強烈的礦壓現象。第14次周期來壓至第19次周期來壓期間，高位堅硬頂板繼續有離層發育，巖層最大破壞高度為47.2cm，但受低位堅硬頂板預裂影響，采空區垮落矸石較為破碎，垮落空間基本被充實，高位堅硬頂板無法及時破斷，當開采距離過長時，預計高位堅硬頂板會出現回轉破壞，工作面再次出現強礦壓現象。

預裂高位堅硬頂板垮落特征如圖7（b）所示。高位堅硬頂板預裂后，共形成17次周期來壓，初次來壓垮落步距為42cm。隨著工作面推進，覆巖形成典型“三帶”結構，煤層底板至其上方20 cm 處為垮落帶，煤層底板以上20～70.8cm 為裂隙帶，煤層底板以上70.8～140cm 為彎曲下沉帶。在初次來壓至第5 次周期來壓期間，低位堅硬頂板周期性破斷，上覆巖層未有明顯裂隙產生；第6次周期來壓至第9次周期來壓期間，頂板裂隙發育至高位堅硬頂板巖層中，覆巖出現彎曲下沉現象；第10次周期來壓至第17次周期來壓期間，隨著工作面推進，頂板裂隙繼續向上發育，模型出現整體下沉現象。

對比分析預裂不同層位堅硬頂板垮落特征發現，預裂高位堅硬頂板后，隨著工作面推進，覆巖形成了巖層破壞高度較高、來壓次數少等特征，無強礦壓現象，預裂效果相對較好。

3.3預裂不同層位能量演化特征

3.3.1預裂不同層位聲發射信號特征

聲發射信號特征反映覆巖破壞釋放能量的大小和破壞劇烈程度。工作面推進至見方位置時聲發射信號特征如圖8 所示?？煽闯鲱A裂低位堅硬頂板工況下見方位置振鈴計數為24826個，聲發射釋放能量為15732mV·μs；預裂高位堅硬頂板工況下見方位置振鈴計數為15302個，較預裂低位堅硬頂板減少了38.36%，聲發射釋放能量為9448mV·μs，較預裂低位堅硬頂板降低了39.94%。

對比2 種工況下見方位置聲發射信號特征發現，預裂高位堅硬頂板后，工作面推進至見方位置時聲發射信號明顯降低，說明受高位堅硬頂板預裂影響，低位堅硬頂板周期性破斷后，上覆巖層能夠及時彎曲下沉，沒有大面積頂板懸露現象產生，能量釋放程度較預裂低位堅硬頂板小，預裂效果顯著。

3.3.2預裂不同層位微震事件分布特征

預裂不同層位堅硬頂板微震事件分布特征如圖9所示?？煽闯鲱A裂低位堅硬頂板后，能量為2000～4000 J 的微震事件發生頻率最高，4000～6000 J 次之，且存在能量大于8000J 的強烈震動，預裂低位堅硬頂板后可一定程度減小平均周期來壓步距。當工作面推進至第13次周期來壓時，微震事件能量量級、頻次均較大，分別為49 730J和13次，說明工作面開采過程中仍具有頂板沖擊危險性，需進一步對高位堅硬頂板預裂并縮小壓裂段距離。而預裂高位堅硬頂板后，周期來壓過程中能量為1000～000 J 的微震事件發生頻率最高，破斷時所釋放的能量相對較小。當工作面推進至第12 次周期來壓時，微震事件頻次和能量量級增長幅度較為平緩，預裂效果較好。

4.1現場施工方案

采用頂板定向長鉆孔對31104?1工作面上方高位堅硬頂板進行分段水力壓裂，共布置4 個鉆場，1 號、2號鉆場位于工作面開切眼，3號、4號鉆場位于工作面回風巷，鉆場布置如圖10 所示，定向鉆孔及壓裂段剖面如圖11所示。

4.2預裂效果

采用KJ551微地震監測系統對工作面回采期間的微震事件頻次、能量數據進行持續采集。通過對比工作面進壓裂區域前、過壓裂區域、出壓裂區域后的微震事件頻次、能量及煤體應力，評價預裂效果。

31104?1工作面回采150～750m過程中的微震事件總能量、單刀能量及事件數隨推進度變化關系如圖12 所示?？煽闯?，工作面回采150～225 m 區間， 水力壓裂治理區域范圍達83%； 工作面回采225～425 m 區間，水力壓裂治理區域范圍達100%；工作面回采425～475 m 區間，水力壓裂治理區域范圍達83%；水力壓裂治理區域范圍達100% 后，微震能量迅速降低，僅在一次見方位置處出現110kJ 能量的微震事件，平均能量在50 kJ 以下，單刀能量及事件數大幅降低。對比未進行水力壓裂治理區域（工作面回采475～750 m 區間），預裂高位堅硬頂板后，頂板微震事件總能量、單刀能量及事件數分別降低了62.17%，71.92%，56.32%，驗證了預裂高位堅硬頂板的有效性。

5結論

1）復合堅硬頂板工作面開采初期，頂板垮落范圍集中于低位堅硬頂板，其周期性破斷形成工作面周期來壓，高位堅硬頂板受下部垮落矸石支撐作用難以充分垮落，工作面推進至一次見方位置時，高位堅硬頂板協同間隔巖層整體切落，造成采空區強礦壓現象。

2）復合堅硬頂板工作面中低位堅硬頂板主要以“懸臂梁”結構形式進行垮落，形成工作面周期來壓，垮落至一定程度時，間隔巖層彎曲下沉，高位堅硬頂板破斷形成“砌體梁”鉸接結構，當鉸接結構失穩時，高位堅硬頂板協同間隔巖層整體切落，導致工作面所受載荷瞬間增大，產生強礦壓現象。

3）預裂高位堅硬頂板后，工作面覆巖呈現典型的“三帶”結構，上方頂板及時破斷下沉，在工作面見方位置聲發射振鈴計數較預裂低位堅硬頂板減少了38.36%，聲發射釋放能量降低了39.94%。微震事件集中分布區能量降低至1000～2000J，有效抑制了工作面強礦壓顯現，高位堅硬頂板為卸壓主控層位。

4）納林河二號礦井31104?1工作面定向長鉆孔分段水力壓裂弱化結果表明，預裂高位堅硬頂板后，頂板微震事件總能量、頻次及單刀能量分別降低了62.17%， 56.32%， 71.92%， 驗證了高位堅硬頂板為31104?1工作面的卸壓主控層位。