鄭凱歌，王林濤，李彬剛，李延軍，楊 歡，楊 森，戴 楠，王豪杰，王澤陽，席 杰

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

隨著我國煤炭資源開采強度的顯著增加，礦井開采的地質條件也逐漸復雜，其中工作面強礦壓是目前多數礦區(qū)煤層開采面臨的主要問題之一[1-2]，其發(fā)生時常表現有一定的動力沖擊[3]。此類條件下，工作面頂板往往存在一層或多層完整厚巖層，其力學特征往往表現為：強度大、分層厚度大、整體性好，抗拉強度多高于普通巖層[4]，因此工作面推進過程中該層位頂板常懸而不垮，當懸伸達到極限跨距后即會產生頂板瞬間大尺度垮落，造成工作面來壓劇烈，產生“颶風”等動力災害[5-6]，嚴重制約煤礦井下安全高效開采。

為此，我國眾多學者針對堅硬頂板引起的災害問題展開研究，并在災害機理、防治措施及技術上都取得了一定成果。對于堅硬頂板災害機理，于斌[7]、王開[8]等針對堅硬厚層頂板條件，分別從頂板失穩(wěn)形成的“砌體梁”結構與初次來壓前“兩端固支梁”、周期來壓“懸臂梁”結構深入分析，并提出了合理懸頂長度等控制方法。劉長友[9]、楊敬軒[10]等指出采場來壓強度主要與頂板自身厚度及強度成正比，且多層堅硬頂板的破斷形式及次序對礦壓顯現較為明顯。夏彬偉等[11]采用關鍵層理論、VIasov 理論與薄板理論相結合的方法得到了厚硬巖層變形破斷與裂隙、應力分布的關系。宋高峰等[12]建立了堅硬頂板工作面架前破斷動載沖擊力學模型，解釋了支架圍巖耦合機制關系。對于堅硬頂板的治理措施及治理模式，馮彥軍等[13]在現場壓裂孔兩側布置監(jiān)測孔，實時監(jiān)測泵壓變化,深入分析煤礦堅硬難垮頂板水力壓裂特點。何江等[14]提出了傾斜薄煤層的切頂巷預裂頂板防治沖擊地壓方法，并得到了現場實踐驗證。張自政等[15]針對堅硬頂板沿空留巷頂板大面積來壓等動力災害，提出了淺孔爆破切頂，采用巷旁充填體切落上位基本頂的堅硬頂板控制技術。黃炳香等[16]提出了堅硬頂板水壓致裂控制技術，給出了短鉆水力致裂影響因素、技術工藝、治理問題類型等。鄭凱歌等[17-18]、楊俊哲等[19-20]針對神東、陽泉等礦區(qū)典型頂板災害問題，通過實驗研究、理論分析等方法提出了以定向長鉆孔水力壓裂為基礎的控制技術，并應用于實際現場，通過瞬變電磁、孔內窺視等豐富多樣的探測手段驗證了治理效果。于斌等[21]針對高位堅硬頂板造成的動力災害問題，提出了煤礦堅硬頂板地面壓裂控制采場礦壓的新途徑，為解決高位堅硬巖層破斷產生的災害問題提供借鑒。

綜上所述，國內學者針對堅硬頂板條件下的災害機理及控制技術都進行了豐富的研究與探索，對堅硬頂板引起的災害機理及防治技術奠定了基礎。但工作面直接頂為堅硬巖層時，其礦壓顯現通常表現較為強烈，伴隨有底鼓、冒頂、片幫等災害，對于此類條件下的頂板災害發(fā)生機理、頂板破斷演化特征以及相應的區(qū)域化防治技術的綜合研究較少。筆者以神東礦區(qū)布爾臺煤礦4?2煤層工作面為研究背景，針對布爾臺4?2煤典型20～30 m 堅硬頂板條件下的強礦壓顯現及頂板破斷特征展開研究，揭示該條件下強礦壓災害發(fā)生機理及頂板破斷演化特征，闡述頂板弱化防治技術，提出水力壓裂超前區(qū)域弱化的防治技術，為神東礦區(qū)典型堅硬頂板強礦壓顯現問題提供可借鑒的研究思路。

1 堅硬厚頂板覆巖災害演化機理分析

神東礦區(qū)布爾臺煤礦目前主要開采4?2煤層，煤層埋深較大，在400 m 左右，煤層上部頂板含有一層厚度較大的砂巖層，對工作面礦壓顯現有一定的影響，實踐表明，工作面開采時底鼓、片幫等災害頻繁發(fā)生，嚴重影響工作面安全回采。

1.1 離散元數值模型建立

基于神東礦區(qū)布爾臺煤礦典型堅硬頂板綜合鉆孔柱狀(圖1)及物理力學參數(表1)，建立UDEC 數值計算模型，采用UDEC 數值軟件對工作面開采過程中的覆巖災害演化規(guī)律進行模擬分析。

表1 研究區(qū)煤巖物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal rocks in the study area

模型長600 m，高116 m，其余280 m 上覆巖層采用等效載荷代替。模型左右留設200 m 邊界，計算采用摩爾?庫倫本構模型，模型頂部為自由邊界，左右面設置法向水平位移約束，底板設置法向垂直位移約束。模擬每步開挖5 m 并平衡一次，在模型高23、26、46 m處布置三條測線，布置區(qū)域為圖1 中開采區(qū)域，測線長200 m，每條測線共布置測點100 個。模型巖層分組及節(jié)理劃分如圖2 所示。

圖1 試驗區(qū)堅硬頂板鉆孔柱狀分布特征Fig.1 Column distribution characteristics of hard roof drilling in the test area

為與實際開采工藝相符，模型在開挖過程中采用支架命令，在煤壁處預支兩組支柱模擬支架，其材料屬性為剛性，工作面每開挖一步，兩組支柱均同時前移支護，支架如圖2 中工作面紅色支柱所示，通過支架模擬，提取并分析支架上部頂板應力數據，分析堅硬頂板條件下工作面頂板破斷機理。

圖2 模型建立及節(jié)理劃分Fig.2 Model establishment and joint division

1.2 覆巖破斷規(guī)律及應力演化特征

選取工作面部分典型結構進行分析，并對典型結構采用測線進行應力監(jiān)測。隨著工作面不斷推進，頂板開始出現“長懸臂梁”[22]結構，并且懸臂梁的懸臂距逐漸增大。如圖3 所示，懸臂距增大至18 m，測點監(jiān)測到此時工作面支架上方頂板應力為6.8 MPa；當工作面繼續(xù)推進140 m 時，懸臂梁結構破斷并產生滑落，與后方巖塊鉸接形成“砌體梁滑落失穩(wěn)”[23]結構，此時，支架上方頂板應力降低至3.4 MPa；當“砌體梁滑落失穩(wěn)”結構再次滑落失穩(wěn)壓實后，頂板來壓結束，此時工作面已推進至150 m，工作面開始出現懸臂，支架上方頂板應力有所升高，為4.5 MPa。

圖3 弱化前工作面頂板破斷特征及應力分布Fig.3 Roof fracture characteristics and stress distribution of working face before weakening

以上表明，懸臂梁結構在破斷臨界點會產生高應力集中，在懸臂梁結構破斷后會形成鉸接結構，此時巖層破斷使部分能量釋放，頂板應力降低，當鉸接的“砌體梁滑落失穩(wěn)”結構再次滑落失穩(wěn)后，工作面頂板應力由于懸臂作用開始上升。

1.3 堅硬厚頂板動力災害形成機理

工作面堅硬頂板往往表現為薄直接頂?厚硬巖層或直接頂為厚硬巖層的賦存特點。工作面推進過程中，直接頂即為堅硬厚巖層，垮落時沒有充足垮落矸石及時充滿采空區(qū)或者煤壁頂板破斷巖層下部空間，頂板破斷易形成“長懸臂梁”結構，并且在無直接頂充填以及巖層自身強度影響下，懸臂距離長、回轉角度加大，造成來壓強度大、持續(xù)性強等礦壓異常現象。

如圖4 所示，在工作面推進過程中，直接頂為堅硬巖層時，巖層破斷往往呈“長懸臂梁”結構，其破斷演化特征主要分為3 階段。第1 階段，“長懸臂梁”結構形成：直接頂巖層具有強度大、分層厚、完整性好等特點，在工作面開采時不易隨采隨垮，由于無直接頂充填，與后方巖層未形成鉸接結構，逐漸形成一端自由端，另一端固支端的“長懸臂梁”結構，并且最終處于臨界破斷狀態(tài)(圖4a)；第2 階段，工作面煤壁前方頂板斷裂后，此時懸臂結構開始回轉，隨著工作面的推進，懸臂結構回轉角度增大，且由于采出空間較大，在垂直應力作用下發(fā)生滑落失穩(wěn)，與后方已垮落穩(wěn)定巖塊鉸接，形成“砌體梁滑落失穩(wěn)”結構(圖4b)；第3 階段，隨著工作面推進，“砌體梁”結構再次滑落失穩(wěn)，直到穩(wěn)定壓實，此時垮落頂板重新壓實，新“懸臂梁”結構又開始形成(圖4c)。

圖4 弱化前頂板破斷機理演化Fig.4 Evolution diagram of roof breakage mechanism before weakening

2 超前區(qū)域防治技術

2.1 超前區(qū)域防治技術及優(yōu)勢

1) 防治技術

依托覆巖破斷的空間關系提出一種超前廣域治理的理念。在時間上，超前工作面治理，堅硬頂板超前分段區(qū)域防治技術提前弱化頂板，規(guī)避以往傳統治理方法影響生產接續(xù)的缺點；在空間上，神東礦區(qū)工作面普遍較寬，常規(guī)弱化裝備及弱化技術難以達到全工作面治理，超前分段區(qū)域防治技術突出廣域治理優(yōu)勢，在治理區(qū)域形成全范圍空間三維裂隙，改變頂板原有破斷形態(tài)，提前釋放應力，解除強礦壓災害危機。

2) 防治優(yōu)勢

綠色治理?；诘V山綠色開采理念，超前分段區(qū)域防治技術主要基于定向長鉆孔分段水力壓裂手段，壓裂液成分為清水，在其壓裂過程中，清水以高壓態(tài)射穿巖層，在壓裂結束后部分清水回流，部分清水被巖層吸收后也可達到軟化巖層的效果；與傳統爆破手段相比，該技術手段具有高效、安全、清潔等特點。

精準治理。生產實踐表明，常規(guī)頂板弱化手段往往受到開采環(huán)境限制較多，在局部地方不能達到治理目的。該技術下的定向長鉆孔壓裂工藝通過定向鉆機能夠達到0.5 m 內的誤差，結合拖動多點式壓裂工藝可實現精準壓裂，高效弱化頂板的目的。

廣域治理?？蓪崿F超長距離壓裂，規(guī)避了傳統短鉆壓裂距離短、壓裂強度低等缺點，結合多孔聯合布置優(yōu)勢，可達到工作面頂板“廣域大空間”壓裂范圍有效覆蓋，無“應力集中死角”，最終實現全工作面安全高效回采。如圖5、圖6 所示。

圖5 超前分段區(qū)域防治與傳統技術優(yōu)勢對比Fig.5 Comparative study of prevention and control advantages in advanced sublevel regions

圖6 超前分段區(qū)域防治技術Fig.6 Prevention principle of advanced sectional area

2.2 超前區(qū)域防治關鍵技術

針對堅硬頂板引起的典型強礦壓災害問題，提出了“廣域大空間”的超前分段區(qū)域化防治技術，對工作面頂板實現全面弱化，進而達到全工作面范圍內堅硬頂板運動穩(wěn)定，削弱強礦壓動力災害威脅。通過定向長鉆孔施工和“多點拖動式”分段水力壓裂使目標層位產生大范圍有效裂隙，弱化頂板堅硬巖層，改造原有堅硬頂板力學性質，形成堅硬頂板超前分段壓裂廣域大空間弱化解危技術。該技術作為煤礦井下堅硬頂板條件下裸眼鉆孔弱化手段的探索，其弱化解危效果受到以下關鍵技術的影響：

(1)頂板壓裂層位的優(yōu)選，定向長鉆孔軌跡的精準控制：鉆孔軌跡所處巖層垮落高度以及鉆孔布置方位能否形成廣域大空間三維裂隙，直接決定了壓裂弱化解危效果。壓裂前應優(yōu)選目標層位，且精準控制鉆孔軌跡位于目標層位高度位置，誤差要求在0.5 m 以內。

(2)封孔質量控制：封孔效果直接關系到壓裂裂縫形成和延展規(guī)模。煤礦井下壓裂封孔與地面頁巖氣、煤層氣、油田壓裂不同，其為近水平或上向孔，且為裸眼段坐封，坐封難度大、風險高。井下巖層破裂壓力較高，常達十至數十兆帕，封孔效果應保證耐壓強度和穩(wěn)定性。

(3)多鉆孔聯動效應：超前分段區(qū)域防治的目的在于全工作面廣域覆蓋治理，在工作面傾向及走向可以完全滿足任意布孔，使工作面頂板區(qū)域式弱化，避免了常規(guī)弱化技術造成的工作面局部未完全治理問題，導致局部仍存在強礦壓問題。多鉆孔聯合布置特點在于其在單孔可分多段壓裂，根據壓裂有效半徑條件可多孔布置，多孔聯合壓裂，形成區(qū)域式空間裂隙網，對工作面頂板進行宏觀全面改造，從而控制頂板運動狀態(tài)，削弱強來壓動力災害。

2.3 超前分段區(qū)域防治效果評價體系

針對堅硬頂板造成的典型強礦壓動力災害問題，形成了一套工作面頂板超前區(qū)域治理技術，提出了超前分段區(qū)域治理效果評價體系。如圖7 所示。評價體系主要分為3 大部分：壓裂分析評價，瞬變電磁效果評價，圍巖應力監(jiān)測效果評價。

圖7 超前分段效果評價Fig.7 Effect evaluation of advanced segmentation

2.4 堅硬厚頂板弱化防治機理

為進一步驗證區(qū)域防治技術的優(yōu)勢及效果，采用數值模擬的方法按照弱化后的效果進行建模，分析弱化后模型的破斷規(guī)律，為區(qū)域弱化技術提供理論依據。

2.4.1 弱化后頂板破斷規(guī)律及應力演化特征

根據水力壓裂技術原理掌握壓裂前后頂板的弱化程度，結合UDEC 離散元軟件，進行壓裂后模型建模，通過在模型外部塊體上增加裂隙面，在內部增加節(jié)理密集度，以達到壓裂后的裂隙網效果；再對節(jié)理以及塊體的強度進行弱化以達到與壓裂等效的綜合弱化效果，并對模型煤層頂板采用測線進行應力監(jiān)測。

通過分析得知，在模型進行弱化后，堅硬頂板能夠隨著工作面推進及時垮落，懸頂距離大幅降低，且壓裂后工作面在推進過程中有效避免了因“長懸臂梁”結構導致的應力集中現象。如圖8 所示，隨著工作面推進，支架上方應力逐漸增大，此時頂板還未垮落，且即將來壓，支架上方頂板應力4.6 MPa；頂板發(fā)生破斷，形成較小尺度的“砌體梁滑落失穩(wěn)”結構，支架上方頂板應力為0.7 MPa；頂板破斷后，巖塊再次發(fā)生滑落失穩(wěn)且逐漸穩(wěn)定，頂板又將形成新的“砌體梁滑落失穩(wěn)”結構，此時支架上方頂板應力為2.6 MPa。

圖8 弱化后工作面頂板破斷特征及應力分布Fig.8 Roof fracture characteristics and stress distribution of working face after weakening

2.4.2 頂板水力壓裂弱化防治機理

堅硬頂板災害防治的基本原理是通過弱化頂板，提前破壞頂板完整性和強度，釋放頂板積聚的部分能量，使頂板破壞時的應力趨于均布化，削弱甚至消除應力集中，減小其單次釋放的能量，實現工作面的安全開采。如圖9 所示，根據堅硬頂板破斷特征及應力分布規(guī)律，布置水力壓裂鉆孔，進行頂板弱化，改變覆巖運動狀態(tài)及應力分布，使堅硬巖層在空間結構上產生三維弱面，破壞巖層完整性，減小懸臂長度，降低應力集中程度，同時增加垮落矸石的碎脹性，使頂板懸臂梁回轉角度減小，最終達到頂板整體弱化效果，降低堅硬頂板條件下工作面強來壓災害。

弱化后頂板演化特征主要為3 階段：第1 階段，“砌體梁滑落失穩(wěn)”形成前階段，在水力壓裂弱化與支架聯合作用下，堅硬頂板下部強度及完整度均降低，頂板破斷距減小，堅硬巖層頂板懸臂長度大幅減小，此時，頂板應力處于增壓過程(圖9a)；第2 階段，在工作面繼續(xù)推進后，頂板周期性破斷，破斷后巖塊形成“砌體梁滑落失穩(wěn)”結構，頂板應力大幅下降(圖9b)；第3 階段，后方垮落頂板開始重新壓實，此階段工作面上方頂板應力開始上升(圖9c)。

圖9 弱化后頂板破斷機理演化示意Fig.9 Evolution diagram of roof breakage mechanism after weakening

2.4.3 弱化前后效果對比

通過弱化前后頂板破斷演化特征以及機理分析得出，堅硬頂板未采取治理手段時，頂板破斷演化3 階段：“長懸臂梁”—“砌體梁滑落失穩(wěn)”—滑落失穩(wěn)后重新壓實；弱化后頂板演化3 階段：來壓前階段—“砌體梁滑落失穩(wěn)”—滑落失穩(wěn)后重新壓實。壓裂前“長懸臂梁”結構階段煤壁上部頂板應力為6.8 MPa，壓裂后煤壁上部頂板應力為4.6 MPa，弱化后頂板應力降低32.4%；在形成“砌體梁滑落失穩(wěn)”結構階段，弱化前后工作面上部頂板應力分別為3.4、0.7 MPa，弱化后頂板應力降幅79.4%；重新壓實階段煤壁上部頂板應力分別為4.5、2.6 MPa，弱化后降幅42.2%。如圖3d 與圖8d所示。

模擬結果顯示，采取弱化技術措施后，從頂板破斷形式上避免了長懸臂梁產生的集中應力風險，同時減小了頂板運動規(guī)模，頂板應力整體減弱，來壓步距明顯縮小，與壓裂后頂板破斷機理分析結果基本一致，進一步驗證了防治技術的可靠性。

3 工程試驗效果

3.1 研究區(qū)概況

神東布爾臺煤礦4?2煤層埋深340～410 m，研究區(qū)為42204 工作面，煤厚5.96 m，工作面寬度320 m。煤層頂底板為砂質泥巖，其中直接頂為粉砂巖，厚度20 m左右。由于上覆存在堅硬頂板，在工作面回采過程中存在來壓強度高、來壓持續(xù)時間長、后方采空區(qū)懸頂面積大等問題，嚴重影響工作面安全高效開采。

3.2 超前區(qū)域治理設計

針對堅硬頂板引發(fā)的強礦壓災害等問題，基于42204工作面開采過程中礦壓顯現規(guī)律，結合提出的“廣域大空間”區(qū)域防治技術，開展了定向長鉆孔水力壓裂弱化頂板工程試驗。為促使壓裂鉆孔形成有效、貫通的三維立體裂縫體系，保證超前弱化的有效性，針對工作面寬度，在堅硬頂板布置區(qū)域全方位鉆孔，鉆孔布置方案如圖10 所示。

圖10 工作面超前弱化空間布置Fig.10 Advanced weakening space layout of working face

共完成了5 個鉆場15 個鉆孔的分段壓裂施工，累計鉆探進尺10 184 m，累計壓裂時間12 570 min，累計注水量8 915.5 m3，分段壓裂203 段，出現3 MPa 以上明顯壓降597 次。

3.3 治理效果評價

采用壓裂監(jiān)測、瞬變電磁、圍巖應力監(jiān)測等手段，對治理區(qū)域展開全面分析。

3.3.1 壓裂數據分析

如圖11 所示，為2 號鉆場SF1 號孔第8 段水力壓裂施工數據：開啟高壓注水泵，首先膨脹封隔器，壓裂緩慢上升，當封隔器完全膨脹坐封后，壓力驟然上升達到18.3 MPa，而后呈鋸齒狀波動，隨后突降至15.1 MPa，壓降達到3.2 MPa，表明孔內壓裂段圍巖發(fā)生明顯破裂。繼續(xù)注水壓裂增壓，壓力上升至18.2 MPa，壓裂過程中伴隨多次明顯壓降點，共監(jiān)測到3 處明顯壓降點。綜合表明該段水力壓裂確實對頂板形成了有效的破裂，并且通過多次壓降，形成的裂縫也充分得到延伸。

圖11 壓裂數據變化特征Fig.11 Variation characteristics of fracturing data

3.3.2 壓裂范圍評價

采用瞬變電磁監(jiān)測手段對頂板壓裂前后區(qū)域進行綜合評判，如圖12 所示。

圖12 可知，在深度為190、215、240～285、305 m附近明顯低阻異常，異常強度較強，異常中心分別位于鉆孔徑向15、30 m 范圍內，且呈明顯條帶狀發(fā)育。

圖12 壓裂后區(qū)域瞬變電磁探測分布特征Fig.12 Distribution characteristics of transient electromagnetic detection before and after fracturing

綜合考慮認為，以上異常為水力壓裂裂縫反映，因此，可判別水力壓裂效果良好。

3.3.3 壓裂效果評價

圖13 與表2 為部分未治理與治理區(qū)域的礦壓顯現特征對比，圖13 中紅色虛線框部分為治理后的礦壓顯現特征。由圖13 與表2 可得出，未治理區(qū)域周期來壓步距較大，礦壓顯現劇烈，周期來壓步距范圍為9.6～18.4 m，平均15.6 m，來壓時支架載荷為57.3～57.9 MPa，平均57.6 MPa；而水力壓裂治理區(qū)域的周期來壓步距與礦壓強度顯著減小，周期來壓步距范圍為6.4～11.2 m，平均8.6 m，降幅44.9%，來壓時支架載荷為44.4～51.9 MPa，平均47.2 MPa，降幅18.1%。以上表明治理效果良好。

圖13 壓裂區(qū)域支架載荷分布特征Fig.13 Distribution characteristics of support resistance before and after fracturing

表2 壓裂前后區(qū)域礦壓顯現特征對比Table 2 Comparison of regional ore pressure characteristics before and after fracturing

綜合以上分析，在工作面在實施了堅硬頂板分段水力壓裂弱化后，平均來壓步距降幅44.9%，壓裂區(qū)域支架載荷整體降低，來壓范圍及強度大幅降低，達到了“廣域大空間”的治理效果，工程實踐驗證了數值模擬及理論分析的可靠性。

4 結 論

a.數值模擬表明：神東礦區(qū)典型堅硬巖層頂板破斷演化特征主要為3 個階段：即“長懸臂梁”階段—“砌體梁滑落失穩(wěn)”階段—重新壓實階段，其中“長懸臂梁”臨界破斷是引起強礦壓的根本原因，其破斷前支架上方頂板應力約為破斷后的2 倍。

b.基于堅硬頂板災害發(fā)生機理，提出超前區(qū)域防治技術，闡明了其治理核心關鍵技術以及治理評價體系。

c.數值模擬進一步驗證了防治技術可行性，弱化后的支架上方頂板應力4.6 MPa，降幅32.4%，頂板破斷演化特征仍可劃分3 個階段，各階段頂板應力總體降幅達到32.4%～79.4%，表明裂隙弱面的增加，能夠有效改變頂板破斷結構，顯著降低來壓強度。

d.神東布爾臺煤礦42204 工作面頂板礦壓工程防治實踐可知，壓裂過程產生多次壓降，降幅均達到3 MPa以上，表明壓裂效果良好；瞬變電磁探測得知裂縫發(fā)育達到30 m 以上，壓裂前后工作面周期來壓步距降幅44.9%，支架來壓載荷降幅18.1%，表明治理效果整體良好，有效地掩護了工作面安全開采。