高建勇，朱云龍

(國(guó)家能源集團(tuán)神東柳塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引 言

為緩解采掘接替緊張的局面，減少煤炭資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，柳塔煤礦當(dāng)前采煤工作面的布置方式主要采用無(wú)煤柱沿空留巷[1]。同時(shí)，為緩解巷道圍巖變形嚴(yán)重、難以支護(hù)的問(wèn)題，在進(jìn)行沿空留巷工程的同時(shí)采用水力壓裂技術(shù)對(duì)回采工作面礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行有效控制[2]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了大量研究，包括沿空巷道巷旁支護(hù)材料的選擇[3-6]、巷旁支護(hù)體的合理寬度的確定[7-10]以及沿空巷道合理巷內(nèi)支護(hù)形式的設(shè)計(jì)[11-13]。陳金宇[14]認(rèn)為通過(guò)水力壓裂頂板的方法，減少了基本頂?shù)膽冶坶L(zhǎng)度，使得沿空巷道的受力實(shí)現(xiàn)降低和轉(zhuǎn)移；王勝利[15]認(rèn)為通過(guò)水力壓裂的方法，能夠明顯提高沿空巷道巷旁支護(hù)體后期的穩(wěn)定性；司瑞江等[16]采用理論分析探討了水力壓裂切頂護(hù)巷技術(shù)，分析了沿空留巷區(qū)域圍巖結(jié)構(gòu)；郭俊良[17]認(rèn)為通過(guò)水力壓裂技術(shù)能夠明顯降低巷道圍巖變形量和巷旁支護(hù)體的壓力；王文林等[18]采用數(shù)值模擬的方法研究了水力壓裂沿空留巷的圍巖應(yīng)力環(huán)境，認(rèn)為通過(guò)水力壓裂技術(shù)，沿空巷道的圍壓應(yīng)力狀態(tài)明顯改善，巷道圍巖變形得到了有效控制。

綜上所述，現(xiàn)有對(duì)沿空巷道的研究多集中在水力壓裂作用下沿空留巷合理巷內(nèi)支護(hù)方式研究，沿空留巷頂板下沉量與巷旁支護(hù)體頂部變形量往往作為巷內(nèi)支護(hù)合理性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證手段。因此，本文以柳塔煤礦22104工作面運(yùn)輸順槽沿空留巷水力壓裂基本頂工程為背景，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)照，詳細(xì)分析了沿空留巷頂板下沉與巷旁支護(hù)體的頂部變形特征。

1 工程概況

柳塔煤礦22104綜采工作面位于22煤層?xùn)|南部，煤層平均埋深約135 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度約1 470 m，工作面煤層厚度2.5～3.2 m，可采性指數(shù)為1，煤層平均傾角約3°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定煤層。煤層直接頂為灰黑色泥巖，厚度為0～1.50 m，基本頂為深灰色細(xì)粒砂巖，厚度為7.00～11.50 m，偽底為泥巖，厚度為0.20 m，基本底為深灰色粉砂巖，厚度為2.80～5.83 m，工作面地層柱狀如圖1所示。22104工作面運(yùn)輸順槽采用沿空留巷技術(shù)，保留巷道作為22105工作面回風(fēng)順槽，進(jìn)而緩解采掘接替的緊張，減少巷道掘進(jìn)工作量，避免區(qū)段煤柱留設(shè)導(dǎo)致的煤炭資源損失。22104工作面運(yùn)輸順槽巷道寬度5.60 m，留巷寬度3.80 m，巷道高度3.00 m，留巷示意圖如圖2所示。

圖1 工作面柱狀圖Fig.1 Working face histogram

圖2 沿空巷道布置情況Fig.2 Layout of gob-side entry

22104工作面運(yùn)輸順槽的沿空留巷采用柔膜混凝土巷旁支護(hù)技術(shù)，柔膜長(zhǎng)3.0 m，寬1.2 m，高3.0 m，泵注混凝土施工主要材料為425硅酸鹽水泥，配合砂子、石子、粉煤灰、專(zhuān)用外加劑與水，使得巷旁充填體具有一定的強(qiáng)度。

2 水力壓裂技術(shù)原理、工藝及參數(shù)

水力壓裂技術(shù)的主要作用表現(xiàn)在兩方面，一方面將采場(chǎng)上部的堅(jiān)硬難垮頂板的強(qiáng)度降低，另一方面將使完整堅(jiān)硬難垮頂板變形破碎，進(jìn)而使得采場(chǎng)上部頂板能夠分層分次發(fā)生垮落，減小工作面初次來(lái)壓與周期來(lái)壓步距，實(shí)現(xiàn)對(duì)采場(chǎng)上部堅(jiān)硬難垮頂板的有效控制[19-22]。

2.1 技術(shù)原理

目前，柳塔煤礦主要采用雙封單卡多點(diǎn)拖動(dòng)管柱分段水力壓裂技術(shù)，技術(shù)原理如圖3所示。 當(dāng)完成定向鉆孔施工和壓裂工具串送入指定位置后，通過(guò)雙封隔器單卡壓裂目標(biāo)層位段，利用在封隔器中設(shè)計(jì)平衡泄壓通道，實(shí)現(xiàn)了高壓管柱壓裂液與封隔器壓力的平衡傳遞，保障“即壓即封、卸壓解封”的目標(biāo)。

圖3 水力壓裂技術(shù)原理圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic fracturing technology

當(dāng)高壓水壓達(dá)到3 MPa后，封隔器實(shí)現(xiàn)完全坐封，繼續(xù)增壓壓力達(dá)到5 MPa后，限流器打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)壓裂段的壓裂施工。在壓裂施工過(guò)程中，高壓水壓不斷注入頂板巖層中，促使作用于巖層的水壓逐漸升高，當(dāng)壓力大于巖層破裂壓力后，巖層的彈性余能以動(dòng)能形式釋放，表現(xiàn)為巖體壓縮破裂、引起振動(dòng)等動(dòng)力現(xiàn)象，促使巖層產(chǎn)生新的裂縫系統(tǒng)，破壞巖層整體完整性，降低其強(qiáng)度。當(dāng)完成第一段壓裂施工后，關(guān)閉壓裂孔口壓裂泵注設(shè)備，進(jìn)行孔口排水卸壓，封隔器自動(dòng)回彈至原有規(guī)格；隨后利用定向鉆機(jī)拖動(dòng)孔口高壓管柱，將封隔器拖動(dòng)至設(shè)計(jì)位置，進(jìn)行第二段壓裂施工，依次完成設(shè)計(jì)施工段的壓裂施工，相鄰壓裂段形成三維立體連續(xù)性巖層裂縫，實(shí)現(xiàn)煤層堅(jiān)硬頂板的有效弱化。

2.2工藝流程及參數(shù)設(shè)計(jì)

雙封單卡拖動(dòng)管柱分段水力壓工藝主要由壓裂設(shè)備優(yōu)選、壓裂工具組合、工具選型、泵注流程等組成，分段壓裂方式由里向外依次壓裂，如圖4所示。水力壓力技術(shù)涉及的主要參數(shù)包括壓裂液的選擇、裂縫形態(tài)、單孔壓裂段及注水量，水力壓力相關(guān)設(shè)備包括壓裂泵組、平板車(chē)與水箱，水力壓裂技術(shù)主要參數(shù)與相關(guān)設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 水力壓裂主要參數(shù)Table 1 Main parameters of hydraulic fracturing technology

圖4 水力壓裂工藝流程圖Fig.4 Process of hydraulic fracturing technology

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)柳塔煤礦22104工作面運(yùn)輸順槽沿空留巷水力壓裂基本頂工程為背景，建立FLAC3D數(shù)值模擬模型，探究水力壓力前后沿空巷道的頂板下沉與巷旁支護(hù)體頂部變形的特征。 數(shù)值模型長(zhǎng)×寬×高=200 m×200 m×130 m，如圖5所示。模型底部邊界固定垂直位移，模型四周固定水平位移，模型頂部施加60 m×0.025 MN/m=1.5 MPa的載荷以模擬未建立的地層，數(shù)值模型參數(shù)見(jiàn)表2。

圖5 數(shù)值模型及測(cè)線(xiàn)布置Fig.5 Numerical model and surveying line layout

表2 模型參數(shù)Table 2 Parameters of numerical model

3.2 結(jié)果分析

圖6為基本頂水水力壓裂前后22104工作面運(yùn)輸順槽沿空留巷垂直變形云圖。由圖6可知，壓裂前后沿空巷道頂板下沉量與巷旁支護(hù)體的頂部變形量均明顯減小，為進(jìn)一步探究頂板下沉量與頂部變形量的變化范圍，將數(shù)值模型中測(cè)線(xiàn)1的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，得到圖7和圖8。

圖6 垂直變形云圖Fig.6 Nephogram of vertical deformation

圖7 沿空巷道頂板下沉圖Fig.7 Vertical deformation of roof of gob-side entry

圖8 巷旁支護(hù)體頂部變形Fig.8 Vertical deformation of top positionroadside backfilling body

圖7為水力壓裂前后沿空巷道頂板下沉結(jié)果。由圖7可知，沿空巷道頂板下沉量呈現(xiàn)由煤壁處向支護(hù)體處逐漸增加的趨勢(shì)，也就是說(shuō)，沿空巷道煤壁處的下沉量大于巷旁支護(hù)體處的下沉量，呈傾斜狀態(tài)。同時(shí)，當(dāng)基本頂未壓裂時(shí)，沿空巷道整體的頂板下沉量較大，而當(dāng)基本頂進(jìn)行壓裂后，沿空巷道整體的頂板下沉量明顯降低。當(dāng)基本頂未壓裂時(shí)，煤壁處沿空巷道頂板下沉量為4.06 mm，而巷旁支護(hù)體處沿空巷道頂板下沉量為15.93 mm，頂板的平均下沉量為10.70 mm。當(dāng)基本頂壓裂后，煤壁處沿空巷道頂板下沉量為5.37 mm，而巷旁支護(hù)體處沿空巷道頂板下沉量為8.74 mm，頂板平均下沉量為7.23 mm。對(duì)比分析數(shù)據(jù)可知，在靠近煤壁附近，基本頂未壓裂時(shí)沿空巷道的頂板下沉量小于基本頂壓裂時(shí)的頂板下沉量，而靠近巷旁支護(hù)體附近，基本頂未壓裂時(shí)沿空巷道的頂板下沉量大于基本頂壓裂時(shí)的頂板下沉量。

通過(guò)對(duì)基本頂進(jìn)行水力壓裂，沿空巷道頂板下沉量呈現(xiàn)的傾斜狀態(tài)趨勢(shì)也趨于平緩，頂板平均下沉量減少3.47 mm，減少了32.43%，也就是說(shuō)，沿空巷道頂板下沉量的最大值與最小值的差值也在逐漸減小。由此可知，水力壓裂導(dǎo)致基本頂?shù)膹?qiáng)度降低、完整性發(fā)生破壞，使得基本頂更容易發(fā)生破斷、下沉和垮落，水力壓裂技術(shù)能夠明顯降低沿空巷道頂板的下沉量，更有利于巷道的維護(hù)與使用。

圖8為水力壓裂前后巷旁支護(hù)體頂部變形結(jié)果。由圖8可知，巷旁支護(hù)體頂部變形量呈現(xiàn)由巷道處向采空區(qū)處逐漸增加的趨勢(shì)，也就是說(shuō)，巷旁支護(hù)體在巷道處的變形量大于采空區(qū)處的下沉量，也呈傾斜狀態(tài)。同時(shí)，當(dāng)基本頂未壓裂時(shí)，巷旁支護(hù)體整體的頂部變形量較大，當(dāng)基本頂進(jìn)行壓裂后，巷旁支護(hù)體整體的頂部變形量明顯降低。當(dāng)基本頂未壓裂時(shí)，沿空巷道處巷旁支護(hù)體的頂部變形量為15.93 mm，采空區(qū)處巷旁支護(hù)體的頂部變形量為17.73 mm，頂部的平均變形量為16.82 mm，當(dāng)基本頂壓裂后，沿空巷道處巷旁支護(hù)體的頂部變形量為8.74 mm，采空區(qū)處巷旁支護(hù)體的頂部變形量為9.52 mm，頂部的平均變形量為9.13 mm。

通過(guò)對(duì)基本頂進(jìn)行水力壓裂，巷旁支護(hù)體的頂部變形量明顯降低，頂部平均變形量減少7.69 mm，減少了45.72%。此外，巷旁支護(hù)體呈現(xiàn)的傾斜狀態(tài)趨勢(shì)也趨于平緩，即巷旁支護(hù)體頂部變形量的最大值與最小值的差值也在逐漸減小。由此可以說(shuō)明，水力壓裂技術(shù)能夠明顯降低巷旁支護(hù)體的頂部變形量，使得巷旁支護(hù)體更好地發(fā)揮其支護(hù)性能，同樣有利于巷道的維護(hù)與使用。

3.3 結(jié)果討論

沿空留巷工作面?zhèn)认蝽敯宓钠茢嘈问饺鐖D9所示，在工作面基本頂未進(jìn)行水力壓裂時(shí)，巷道上方基本頂會(huì)形成弧形三角塊B，弧形三角塊B與巷道上方的基本頂巖塊A與采空區(qū)已垮落的基本頂巖塊C相互鉸接，形成鉸接結(jié)構(gòu)，因此，弧形三角塊B的穩(wěn)定性對(duì)沿空留巷的變形特征起到關(guān)鍵作用?，F(xiàn)有研究[23]認(rèn)為當(dāng)弧形三角塊B在沿空巷道上方斷裂時(shí)，巷旁支護(hù)體所需的支護(hù)阻力最大，因此可認(rèn)為此時(shí)巷道圍巖變形最嚴(yán)重，而當(dāng)弧形三角塊在采空區(qū)側(cè)斷裂時(shí)，巷旁支護(hù)體所需的支護(hù)阻力最小，也就是說(shuō)此時(shí)巷道圍巖的變形最緩和，因此弧形三角塊B的破斷位置直接影響沿空巷道頂板下沉量和巷旁支護(hù)體頂部下沉。在基本頂進(jìn)行水力壓裂后，基本頂強(qiáng)度降低，在煤層開(kāi)采后基本頂發(fā)生大范圍垮落，無(wú)法形成弧形三角塊B，因此巷道頂板下沉與巷旁支護(hù)體頂部變形也相對(duì)較小。

圖9 側(cè)向頂板破斷形式Fig.9 Breaking model of lateral roof

4 工業(yè)性試驗(yàn)

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)22104工作面運(yùn)輸順槽布置測(cè)站1、測(cè)站2、測(cè)站3、測(cè)站4，對(duì)水力壓力基本頂沿空留巷的留巷效果進(jìn)行觀測(cè)，其中，測(cè)站1和測(cè)站2觀測(cè)沿空巷道的頂板下沉量，而測(cè)站3和測(cè)站4觀測(cè)巷旁支護(hù)體的頂部變形，均采用YHJ-200J礦用本安型手持式激光測(cè)距儀對(duì)巷道及巷旁支護(hù)體頂板變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，沿空巷道頂板下沉量的觀測(cè)結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，隨著工作面超前距離的不斷增加，沿空巷道的頂板下沉量先增加后維持穩(wěn)定，穩(wěn)定后的頂板下沉量基本維持在20～25 mm之間，留巷效果良好。

圖10 沿空巷道頂板下沉實(shí)測(cè)Fig.10 Actual measurement of roof subsidence ofgob-side entry

此外，由于沿空巷道巷旁支護(hù)體的頂部與巷道頂板直接接觸，無(wú)法直接對(duì)巷旁支護(hù)體頂部變形進(jìn)行測(cè)量。因此，通過(guò)在沿空巷道頂板靠近巷旁支護(hù)體的位置布置測(cè)站3和測(cè)站4來(lái)間接反映巷旁支護(hù)體的頂部變形，如圖11所示。由圖11可知，隨著工作面超前距離的不斷增加，沿空巷道的巷旁支護(hù)體的頂部變形同樣呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)，穩(wěn)定后的頂部變形量基本維持在60～65 mm之間。

圖11 巷旁支護(hù)體頂部變形實(shí)測(cè)Fig.11 Actual measurement of roof subsidence ofroadside backfilling body

綜上所述，柳塔煤礦22104工作面運(yùn)輸順槽留巷后，巷道頂板下沉較小，而巷旁支護(hù)體由于受到沿空留巷側(cè)向頂板的下沉變形和擠壓，巷旁支護(hù)體的頂部變形量明顯大于巷道頂板的下沉量，但是由于巷旁支護(hù)體本身具備一定的強(qiáng)度和抗變形能力，巷旁支護(hù)體能夠有效隔絕采空區(qū)的積水與有害氣體，同時(shí)能夠?qū)?cè)向頂板的下沉變形起到一定的支撐作用，22104工作面沿空留巷巷道頂板下沉與巷旁支護(hù)體的頂部變形均處于可控范圍內(nèi)，并未對(duì)安全生產(chǎn)造成影響，因此，水力壓裂基本頂沿空留巷技術(shù)在柳塔煤礦22104工作面運(yùn)輸順槽成功應(yīng)用，應(yīng)用效果如圖12所示。

圖12 沿空巷道應(yīng)用效果Fig.12 Application effect of gob-side entry

5 結(jié) 論

本文以柳塔煤礦22104工作面運(yùn)輸順槽沿空留巷水力壓裂基本頂工程為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法，詳細(xì)分析了沿空留巷頂板下沉與巷旁支護(hù)體的頂部變形特征，主要結(jié)論如下所述。

1) 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，沿空留巷頂板下沉量呈現(xiàn)由煤壁處向支護(hù)體處逐漸增大的趨勢(shì)。水力壓裂基本頂后，沿空留巷頂板平均下沉量由10.70 mm減小到7.23 mm。

2) 由數(shù)值模擬結(jié)果顯示，巷旁支護(hù)體頂部變形量呈現(xiàn)由沿空留巷處向采空區(qū)處逐漸增大的趨勢(shì)。水力壓裂基本頂后，巷旁支護(hù)體頂部平均變形量由16.82 mm減小到9.13 mm。水力壓裂基本頂前后，沿空留巷頂板下沉量與巷旁支護(hù)體頂部變形量均明顯降低，說(shuō)明水力壓裂基本頂對(duì)沿空留巷巷道圍巖變形起到有效的控制作用。

3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，水力壓裂基本頂沿空留巷技術(shù)在柳塔煤礦22104工作面運(yùn)輸順槽成功應(yīng)用，應(yīng)用后沿空巷道頂板下沉量與巷旁支護(hù)體頂部變形分別維持在20～25 mm和60～65 mm之間。