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(1.天地科技股份有限公司,北京 100013;2.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司,北京 100013)
特厚煤層堅(jiān)硬頂板放頂煤開(kāi)采普遍存在[1,2],工作面放煤過(guò)程中,堅(jiān)硬頂板整體強(qiáng)度高,易造成懸頂,隨著頂煤放出,頂板與待放煤體間隙逐漸變大,頂板難以隨采隨垮將煤體推進(jìn)放煤口,不利于頂煤回收,尤其當(dāng)頂煤較厚或煤層硬度較大時(shí),頂煤回收率進(jìn)一步降低,而頂板的突然垮落也會(huì)將采空區(qū)有害氣體擠入工作面,威脅工作面安全生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)堅(jiān)硬頂板、頂煤弱化技術(shù)進(jìn)行了大量研究,推動(dòng)了綜放開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展。堅(jiān)硬頂板弱化技術(shù)方面,高富強(qiáng)[3]采用ELFEN數(shù)值模擬方法分析了水力卸壓后工作面采動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律及原理;黃炳香[4]提出了堅(jiān)硬頂板水壓致裂控制的理論與成套技術(shù)框架;高曉進(jìn)[5]、劉乙霖[6]通過(guò)實(shí)施煤柱頂板深部長(zhǎng)短孔爆破,優(yōu)化了巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境,提高了圍巖穩(wěn)定性;劉文靜[7]采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行堅(jiān)硬頂板卸壓,工作面進(jìn)入壓裂影響區(qū)域后大能量微震事件數(shù)量大幅下降。頂煤弱化技術(shù)方面,黃好君[8]、許紅杰[9]在綜放工作面進(jìn)行了水壓致裂頂煤弱化技術(shù)試驗(yàn),有效地破碎支架上方頂煤完整性,提高了頂煤采出率;吳兆華[10]采用數(shù)值模擬方法分析了深孔爆破圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律,孔內(nèi)爆破裂隙擴(kuò)展可達(dá)1.5 m。地面壓裂技術(shù)應(yīng)用方面,于斌[11]提出了地面壓裂工作面礦壓控制方法,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,壓裂后工作面液壓支架工作阻力減小21%,煤壁片幫降低23%,巷道變形較小;陳召英[12,13]采用地面壓裂增加煤層氣井抽采產(chǎn)量,百米鉆孔瓦斯流量是壓裂區(qū)外的1.33~17.50倍,瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高了35%。在上述研究基礎(chǔ)上,筆者基于綜放開(kāi)采“兩硬”煤層條件,針對(duì)頂板難垮落、頂煤難冒放等問(wèn)題,研究頂板頂煤地面壓裂區(qū)域雙效弱化技術(shù),以提高頂煤回收率。
馬道頭煤礦8106綜放工作面平均煤厚25.89 m,機(jī)采高度3.5 m,放煤高度22.39 m,采放比1∶6.3,循環(huán)進(jìn)尺0.8 m。8106工作面埋深為390~615 m,煤的普氏系數(shù)f=3。煤層傾角為1°~10°,平均4°,頂板上覆分布多層厚度大、強(qiáng)度高的砂巖層。硬巖層未受過(guò)采動(dòng)影響,且8106工作面內(nèi)斷層較少,巖層近水平分布,判斷硬巖層巖體結(jié)構(gòu)完整性較好。
在8106工作面巷道布置鉆孔進(jìn)行頂煤裂隙發(fā)育窺視,巷道高度為4 m,寬度為5.5 m,分別在巷道0~4300 m范圍內(nèi),施工垂直孔43個(gè),鉆孔間距100 m,孔深20 m,孔徑28 mm,孔內(nèi)沖水5 min,保證孔壁清潔,如圖1所示。
圖1 鉆孔窺視方案(m)
選擇有效鉆孔26個(gè),根據(jù)孔壁裂隙發(fā)育程度,將孔壁完整性分為4種情況,分別為完整、微小裂隙發(fā)育、節(jié)理層理裂隙發(fā)育、破碎,8106工作面頂煤體完整區(qū)域分布不均勻,完整區(qū)域占比較小,但對(duì)應(yīng)含矸部分層位的節(jié)理裂隙發(fā)育程度較低,完整性較好,不利于頂煤的破壞冒放。
由于特厚煤層厚度大,回采后的空間也較大,導(dǎo)致隨冒頂板無(wú)法充滿采空區(qū),導(dǎo)致采空區(qū)上位巖層普遍存在“下位頂板組合短懸臂梁+上位頂板鉸接巖梁”的頂板結(jié)構(gòu)[14],如圖2所示。綜放采場(chǎng)上位直接頂“組合短懸臂梁”結(jié)構(gòu)的厚度會(huì)隨著采厚的增加而增加,其位態(tài)結(jié)構(gòu)與基本頂“鉸接巖梁”組合成為不同的頂板結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于直接頂而言,其短懸臂梁懸露范圍及其與基本頂?shù)南嗷プ饔藐P(guān)系對(duì)綜放工作面礦壓顯現(xiàn)及頂煤體塑性區(qū)范圍起到至關(guān)重要的作用。
直接頂“組合懸臂梁”存在兩種結(jié)構(gòu)形式:一種是直接頂有較大范圍懸臂結(jié)構(gòu),與基本頂搭接位置下方無(wú)頂煤支撐,該結(jié)構(gòu)承載部分“鉸接巖梁”自重并將其傳遞至頂煤;另一種情況是直接頂“短懸臂梁”垮落后,其下方存在支撐結(jié)構(gòu),基本頂僅向下傳遞上覆巖層應(yīng)力。
根據(jù)頂煤受力形態(tài)的不同,可將特厚煤層頂板結(jié)構(gòu)分為三種組合形式:“組合短懸臂梁”+“鉸接巖梁”混合承載結(jié)構(gòu)—結(jié)構(gòu)A;“組合短懸臂梁”單獨(dú)承載結(jié)構(gòu)—結(jié)構(gòu)B;“鉸接巖梁”單獨(dú)承載結(jié)構(gòu)—結(jié)構(gòu)C。
在特厚煤層綜放開(kāi)采中,頂板的活動(dòng)范圍將會(huì)隨著一次采出厚度的增加而逐漸變大。頂煤受力是其上覆呈組合懸梁結(jié)構(gòu)的直接頂巖層與鉸接巖梁結(jié)構(gòu)平衡的基本頂巖層所施加的?!敖M合短懸臂梁”+“鉸接巖梁”混合承載結(jié)構(gòu)能夠有效承載部分覆巖應(yīng)力,頂煤受力主要為基本頂回轉(zhuǎn)壓迫直接頂組合懸臂梁并將該部分應(yīng)力傳遞至頂煤體,無(wú)變形壓力巖層厚度增大,支架載荷相對(duì)較低,但頂煤冒放性變差;“組合短懸臂梁”單獨(dú)承載結(jié)構(gòu)時(shí),上方基本頂無(wú)鉸接巖梁結(jié)構(gòu)承載覆巖應(yīng)力,大部分傳遞至頂煤及支架,有變形壓力巖層厚度顯著增加,頂煤塑性區(qū)范圍增大,冒放性增強(qiáng),但支架載荷隨之增大;“鉸接巖梁”單獨(dú)承載結(jié)構(gòu)能夠有效阻斷覆巖應(yīng)力向下傳遞,且由于不存在懸臂梁結(jié)構(gòu),頂煤及支架受力水平最低,但由于似剛體頂煤厚度顯著增大,頂煤冒放性最差。
為此,計(jì)算三種情況下控頂區(qū)可變形頂煤總厚度:
Δd=ηhd(1+λ)
(1)
式中,η為孔隙度,η=(1-γd/γ)×100%≈22%;γd為巖層干容重,取25 kN/m3;γ為煤層容重,取14 kN/m3;λ為側(cè)壓系數(shù),取1.7;hd為控頂區(qū)高度,結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B取24.4 m,結(jié)構(gòu)C取36.9 m。
煤層直接頂由上而下分別為中粗砂巖4.2 m、粉砂巖3.5 m、中粗砂巖0.6 m、泥巖1.9 m、粉砂巖6.5 m、細(xì)砂巖1.72 m、泥巖0.3 m,依據(jù)巖性強(qiáng)度,判斷4.2 m中粗砂巖為鉸接層位,6.5 m粉砂巖位懸臂梁層位,結(jié)構(gòu)A與結(jié)構(gòu)B控頂區(qū)范圍為全部頂煤及部分直接頂巖層厚度,厚度為24.4 m,至1.72 m細(xì)砂巖,控頂區(qū)高度24.4 m,結(jié)構(gòu)C控頂區(qū)范圍涵蓋全部頂煤及大部直接頂巖層厚度,厚度為36.9 m,至3.5 m粉砂巖,各類(lèi)結(jié)構(gòu)側(cè)壓系數(shù)相近。由此可知,結(jié)構(gòu)C“鉸接巖梁”承載結(jié)構(gòu)控頂區(qū)內(nèi)頂煤總變形量最大,該結(jié)構(gòu)失穩(wěn)導(dǎo)致直接頂破斷,礦壓顯現(xiàn)為小周期來(lái)壓,在小周期來(lái)壓前后頂煤總變形量最大,冒放性達(dá)到最佳。
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),3-5煤層工作面初次垮落步距是45 m,周期來(lái)壓步距為18 m,得出三種頂板結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)及結(jié)果,見(jiàn)表1,由式(1)計(jì)算得出控頂區(qū)變形頂煤高度,結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)B為14.49 m,結(jié)構(gòu)C為21.92 m,如圖3所示。由圖3可知,在8106工作面開(kāi)采條件下,頂煤變形量以“鉸接巖梁”單獨(dú)承載結(jié)構(gòu)最大,“組合短懸臂梁”單獨(dú)承載結(jié)構(gòu)與“組合短懸臂梁”+“鉸接巖梁”混合承載結(jié)構(gòu)相當(dāng),結(jié)合綜合柱狀圖,分析得出無(wú)變形壓力巖層層位。
表1 控頂區(qū)頂煤總變形量計(jì)算參數(shù)
圖3 不同頂板結(jié)構(gòu)頂煤塑性區(qū)分布
對(duì)于特厚綜放工作面而言,基本頂鉸接巖梁結(jié)構(gòu)的存在能夠有效承載上覆巖層重量,阻斷了垂直應(yīng)力向下傳遞,因此,其破斷過(guò)程中出現(xiàn)其上方覆巖較大能量的釋放,出現(xiàn)大周期的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。同時(shí),該結(jié)構(gòu)的存在也在一定程度上阻斷了覆巖應(yīng)力對(duì)頂煤弱化的作用,導(dǎo)致控頂區(qū)頂煤變形高度的降低,在夾矸的共同作用下,進(jìn)一步降低了頂煤冒放性,不利于工作面頂煤回收率的提高,需要采取頂板弱化措施,降低頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,使礦山壓力充分作用于頂煤體,提高冒放性。
特厚煤層頂煤體按照煤層厚度以及受力特性分類(lèi),主要分為兩種結(jié)構(gòu)形式,工作面初采期間,形成下位塑性頂煤體及上位近彈性頂煤體,結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。下位頂煤在支架反復(fù)支撐力的作用下發(fā)生塑性變形,形成可放出的散體介質(zhì),而上位近彈性頂煤體在初采期間(一般在頂板初次來(lái)壓前)受采動(dòng)應(yīng)力影響較小,呈現(xiàn)近彈性介質(zhì)形態(tài),這是特厚煤層綜放工作面在初采期間頂煤冒放性較差的主要原因。
圖4 特厚頂煤體結(jié)構(gòu)特征
8106工作面頂煤鉆孔窺視結(jié)果表明:0~7 m內(nèi)煤體裂隙發(fā)育,存在多處離層、破碎,頂煤體完整性較差,裂隙發(fā)育區(qū)域占比較大,達(dá)50%以上;7~15 m內(nèi)煤體較為完整,無(wú)明顯離層破碎區(qū)域,裂隙發(fā)育程度相對(duì)較低,裂隙區(qū)域占比20%以下,在工作面的回采過(guò)程中,頂煤破壞相對(duì)滯后,不利于頂煤放出率的提高。
初次來(lái)壓形成的原因是由于基本頂在直接頂垮落后失去支撐而發(fā)生破斷垮落導(dǎo)致的,基本頂彎曲下沉過(guò)程中將覆巖應(yīng)力傳遞至直接頂和頂煤,頂煤塑性區(qū)范圍增大,但由于頂煤厚度較大且存在夾矸,上位頂煤體仍處于彈性狀態(tài),頂煤仍無(wú)法全部順利放出。待基本頂初次破斷垮落,形成初次來(lái)壓前后,采動(dòng)應(yīng)力達(dá)到峰值,上位頂煤體逐步轉(zhuǎn)為塑性體,待彈性煤體厚度無(wú)法有效維持自重載荷時(shí),冒放性達(dá)到最佳,堅(jiān)硬頂板懸頂會(huì)造成,頂煤體破碎不充分,尤其是上位頂煤體冒落過(guò)程中大塊多,堵塞放煤口,頂煤回收率低,需要采取頂煤弱化措施。
依托CDEM數(shù)值模擬分析頂煤頂板卸壓對(duì)工作面采場(chǎng)頂煤頂板的弱化效果,數(shù)值模擬試驗(yàn)中以覆巖破壞高度、頂煤破壞情況、煤柱側(cè)幫圍巖的應(yīng)力集中程度及應(yīng)力集中范圍為依據(jù),來(lái)反映頂煤頂板卸壓效果。馬道頭礦屬于典型的堅(jiān)硬頂板賦存礦區(qū),礦壓顯現(xiàn)特征鮮明,頂煤冒放性差,以8106工作面為背景,對(duì)工作面頂板進(jìn)行鉆孔取樣后進(jìn)行煤巖物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)試驗(yàn)無(wú)法獲得的參數(shù)取值為巖性的平均值,見(jiàn)表2,建立離散元數(shù)值分析模型,模型長(zhǎng)度600 m,高度312 m,左右各留100 m邊界,上部直至地表,通過(guò)地面壓裂技術(shù)解決8106工作面礦壓強(qiáng)烈及頂煤難冒問(wèn)題,通過(guò)地面鉆井至工作面頂煤頂板層位,在工作面前方形成大面積預(yù)切縫達(dá)到弱化頂煤頂板效果,壓裂層位分別距頂板19~32 m、85~101 m。
表2 煤巖物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果
對(duì)比分析了8106工作面厚層堅(jiān)硬巖層及頂煤在未壓裂和實(shí)施壓裂兩種條件下,工作面開(kāi)采過(guò)程中的采場(chǎng)頂板巖層斷裂特征、超前支承壓力分布規(guī)律、頂煤破壞特征,結(jié)果表明,實(shí)施地面壓裂后,覆巖破壞高度增大,壓裂巖層厚層砂巖懸頂消失,應(yīng)力集中減弱,超前支承壓力峰值降低20%,采動(dòng)穩(wěn)定應(yīng)力差別不大,如圖5所示,頂煤完整性遭到破壞,地面壓裂可以有效降低工作面回采期間厚層堅(jiān)硬頂板引起的懸頂長(zhǎng)度、應(yīng)力集中程度及頂煤完整性。
圖5 壓裂前后超前支承壓力對(duì)比
根據(jù)數(shù)值模擬得到特厚煤層綜放工作面頂煤體中的應(yīng)力分布特征,提取工作面推進(jìn)距離為350 m處的垂直應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力,如圖6所示。
圖6 工作面三向應(yīng)力分布
煤壁前方的水平應(yīng)力分布特征為:沿工作面推進(jìn)方向水平應(yīng)力呈現(xiàn)由小增大,距煤壁處越近,水平應(yīng)力越小,距工作面煤壁越遠(yuǎn)水平應(yīng)力越大;煤壁前方約12 m范圍之內(nèi),頂煤體中水平應(yīng)力從下部→中部→上部,呈先減小后增大趨勢(shì),水平應(yīng)力從大到小依次為:上部頂煤中的水平應(yīng)力,下部頂煤中的水平應(yīng)力,中部頂煤中的水平應(yīng)力。支架上方靠近采空區(qū)側(cè)的水平應(yīng)力分布特征為:上部頂煤中的水平應(yīng)力大于中部頂煤中的水平應(yīng)力,中部頂煤中的水平應(yīng)力大于下部頂煤中的水平應(yīng)力,距離采空區(qū)越近趨勢(shì)越明顯。此外,控頂區(qū)內(nèi)頂煤體中垂直應(yīng)力差別較小,主要在工作面煤壁前方形成應(yīng)力集中。
根據(jù)煤體應(yīng)力分布規(guī)律,在控頂區(qū)上方上位頂煤體范圍內(nèi),垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力集中程度相對(duì)較低,頂煤厚度越大、硬度越高,上位頂煤體冒放性越差,上位頂煤體是頂煤體弱化的主要對(duì)象。
采用地面水力壓裂技術(shù)對(duì)8106工作面頂板厚硬巖層及頂煤進(jìn)行弱化處理,壓裂井中心距8106工作面切眼849 m,距工作面水平距離約62 m,壓裂層位選擇頂煤及煤層上覆20.72 m厚組合砂巖層。
鉆井方案:鉆井完鉆井深450 m;一開(kāi)311.1 mm鉆頭×90 m,?244.5 mm套管×87 m;二開(kāi)215.9 mm×450 m,?139.7 mm套管×415.83 m;人工井底411.33 m。
壓裂方案:施工時(shí)間為40 min,泵站排量為3 m3/min,泵壓為20 MPa,注入壓裂液為200 m3。壓裂時(shí)采用電纜傳輸射孔,用?102 mm射孔槍、127射孔彈、16孔/m、60°相位角;射孔井段為393~397 m,厚度4 m,64孔。壓裂液選取胍膠壓裂液(0.2%增稠劑+有機(jī)硼交聯(lián)劑)。
壓裂過(guò)程:實(shí)際壓裂時(shí)間為38 min,泵站排量為2~4.5 m3/min,總流量為240 m3,泵壓為16.9~21.3 MPa,壓力變化曲線呈密集鋸齒狀,表示巖層內(nèi)有新生裂隙及原生裂隙的擴(kuò)展,達(dá)到了通過(guò)壓裂破壞巖層完整性的作用。
4.2.1 礦壓顯現(xiàn)對(duì)比
采用該技術(shù)后,壓裂影響區(qū)內(nèi),來(lái)壓強(qiáng)度明顯降低,周期來(lái)壓步距縮短,來(lái)壓范圍及持續(xù)時(shí)間減小。壓裂前,工作面推進(jìn)103 m,共經(jīng)歷8次來(lái)壓,來(lái)壓步距14~25 m,平均16 m,來(lái)壓持續(xù)2.4~10 m,平均5.9 m。壓裂后,工作面推進(jìn)115 m,共經(jīng)歷9次來(lái)壓,來(lái)壓步距4.8~19 m,平均12 m,來(lái)壓持續(xù)2.4~7.2 m,平均4.8 m。
在非壓裂影響區(qū)內(nèi),分析了8106工作面有效循環(huán)為236個(gè),其中非來(lái)壓期間168個(gè)循環(huán),初撐力5549 kN,循環(huán)末阻力9901 kN,增阻率72.53 kN/min;來(lái)壓期間分析68個(gè)循環(huán),初撐力5299 kN,循環(huán)末阻力15045 kN,增阻率162.43 kN/min,動(dòng)載系數(shù)1.52。在壓裂影響區(qū)內(nèi),分析了8106工作面有效循環(huán)為240個(gè),其中非來(lái)壓期間187個(gè)循環(huán),初撐力4789 kN,循環(huán)末阻力7384 kN,增阻率43.25 kN/min;來(lái)壓期間分析53個(gè)循環(huán),初撐力5764 kN,循環(huán)末阻力12746 kN,增阻率116.37 kN/min,動(dòng)載系數(shù)1.73。
壓裂影響區(qū)內(nèi),非來(lái)壓期間,循環(huán)末阻力下降2517 kN,降幅約25.4%,增阻率下降29.28 kN/min;來(lái)壓期間循環(huán)阻力下降2299 kN,降幅約15.3%,增阻率下降46.06 kN/min,見(jiàn)表3。
4.2.2 頂煤回收率對(duì)比
工作面走向煤層厚度起伏非常大,沿著工作面推進(jìn)方向,煤層最大的厚度達(dá)20 m以上,相對(duì)薄一點(diǎn)的區(qū)域也在11 m左右,頂煤弱化試驗(yàn)區(qū)煤層厚度平均為18.8 m,以此數(shù)據(jù)作為頂煤回收率計(jì)算依據(jù)。8106工作面頂煤含矸厚度按1.3 m(鉆孔窺視結(jié)果),煤體密度按1.4 t/m3,泥巖矸石密度按2.2 t/m3,割煤回收率約為98%,工作面放煤長(zhǎng)度約為220 m。8106工作面在采用地面壓裂弱化技術(shù)后,提高了頂煤回收率,工作面頂煤弱化影響區(qū)內(nèi)外各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表4。
表4 8106工作面頂煤弱化影響區(qū)內(nèi)外各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比
1)針對(duì)堅(jiān)硬頂板條件特厚煤層綜放開(kāi)采頂煤回收率低的問(wèn)題,根據(jù)特厚煤層綜放開(kāi)采組合短懸臂梁-鉸接巖梁結(jié)構(gòu)理論,分析了頂板結(jié)構(gòu)與頂煤受力狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,揭示了破壞頂板結(jié)構(gòu)提高頂煤回收率的原理,利用地面壓裂破壞范圍大、穿透能力強(qiáng)的技術(shù)特點(diǎn),采用地面壓裂方法實(shí)施了覆蓋工作面全區(qū)的頂板頂煤雙效弱化,實(shí)現(xiàn)了“兩硬”條件綜放工作面提高頂煤回收率的目的。
2)依托CDEM數(shù)值模擬分析頂煤頂板協(xié)同弱化效果,壓裂后覆巖破壞高度增大,壓裂巖層厚層砂巖懸頂消失,超前支承壓力峰值明顯降低、頂煤完整性遭到破壞,弱化措施可以有效降低工作面回采期間厚層堅(jiān)硬頂板引起的懸頂長(zhǎng)度、應(yīng)力集中程度及頂煤完整性。
3)根據(jù)煤體應(yīng)力分布規(guī)律,在控頂區(qū)上方上位頂煤體范圍內(nèi),垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力集中程度相對(duì)較低,頂煤厚度越大、硬度越高,冒放性越差,上位頂煤體是頂煤體弱化的主要對(duì)象。
4)通過(guò)實(shí)測(cè)分析頂煤頂板弱化效果,壓裂影響區(qū)內(nèi),非來(lái)壓期間,循環(huán)末阻力下降25.4%,來(lái)壓期間循環(huán)末阻力下降15.3%,地面壓裂后覆巖分層破壞程度較高,堅(jiān)硬厚層巖層薄層化,頂煤回收率得到了提高,比未經(jīng)地面壓裂弱化頂煤時(shí)頂煤的回收率增加了6.1%。