水平割缝和顶板压裂复合作用下煤柱卸压效果数值模拟分析

徐军见

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

为适应现代化采掘作业需求，目前大部分矿井回采巷道都采用多巷布置方式，相邻两巷中间用宽窄不等的煤柱隔开，部分回采巷道先后服务于相邻2 个工作面，此类型巷道称为煤柱留巷。该类巷道在本工作面和相邻工作面采动影响下，面临应力集中程度大、变形量大、支护困难等难题[1]。特别是在坚硬厚分层顶板+硬脆煤层条件下，采空区上方形成的顶板铰接结构将上覆岩层载荷转移至护巷煤柱中，大量弹性能在护巷煤柱中积聚，引起煤柱留巷产生较大变形，甚至导致煤岩动力灾害发生[2-4]。解决该类问题的核心是对煤柱和顶板进行弱化处理，降低煤柱所处应力环境、改变煤柱应力分布，降低煤柱内弹性能[5-6]。基于此，国内外开展了煤体卸压技术及顶板弱化技术应用研究[7-9]，应用较多且效果较好的是预裂爆破弱化顶板技术，但炸药属于破坏力强的危险物品所以审批手续繁琐、申请困难，并且在运输过程当中危险系数高[10-11]。因此，探索采用水平割缝+顶板压裂双重手段进行煤柱卸压效果。

1 工程地质条件

东胜煤田纳林河矿区井田构造形态总体为向西倾斜的单斜构造，井田内共5 层可采煤层，目前3-1煤为主采煤层，平均厚度4.65 m，煤层干燥抗压强度9.76 MPa，煤层坚固性系数小于1.0，具脆性而不具韧性，宜冲击破碎，冲击危险性评价等级为中等。目前，针对3-1 煤主采工作面31103 工作面冲击地压防治，主要采取多轮次大直径钻孔卸压、钻孔爆破、煤体爆破及水力压裂切顶等综合措施，工程量较大，影响回采工作面生产进度。此外，多轮次大直径钻孔卸压也易造成煤壁附近范围内出现大面积垮塌，减弱煤柱的承载能力，造成一定安全隐患。因此，拟采用煤层水平割缝+顶板压裂的复合水力化措施对煤柱和顶板进行弱化处理，转移上覆岩层压力，减小煤柱应力集中程度，降低冲击地压风险，同时减少钻孔工程量，保障31103 工作面顺利回采。

2 水平割缝和顶板压裂复合作用下的煤柱卸压机理

2.1 侧向顶板破断结构与应力分布

31102 工作面回采过后，直接顶板在自重和上覆岩层压力作用下发生垮落，基本顶也深入煤柱内部断裂，最终在31102 采空区上方形成1 个类拱结构，侧向顶板破断结构如图1。顶板断裂过程中，在采空区边缘形成的关键岩块B 一端在采空区触矸，一端深入到煤柱内部断裂，并在侧向支承压力作用下处于极限平衡状态。因此，在上覆岩层作用下，在煤柱内部关键岩块B 边缘附近形成应力集中区，在集中应力作用下，煤柱内部积蓄大量弹性能，易发生冲击地压等煤岩动力灾害[12]。

图1 侧向顶板破断结构Fig.1 Lateral roof breaking structure

2.2 水平割缝和顶板压裂复合作用煤柱卸压机理

高压水射流钻割煤体能够在煤体内部中形成一定范围的空间，钻割空间内煤体变形并松动位移，可以在钻割空间周围煤体中形成较大的卸压区域。煤体中形成的大范围破碎区域对煤体中积聚的能量有很好的释放作用，且使得该区域煤体内不能积聚较高的能量，从而使得高压射流钻割区域煤体应力集中程度大大降低，高应力向煤体深部转移[13]。

采用顶板水力压裂破坏煤柱上方坚硬顶板完整性，使基本顶板的断裂位置向实体煤深部转移，降低煤柱承载的应力水平，改变应力分配比例，改善31103 回风巷受力状态，减小31103 回风巷变形，降低冲击地压风险[14]。

3 数值模拟模型

3.1 模型建立

根据纳林河二号矿井工程地质条件，应用FLAC3D软件建立钻孔围岩应力场计算模型。由于计算模型主要分析31103 回风巷护巷煤柱及实体煤应力分布、变化情况，因此，模型采用不等分划分单元，31103 回风巷附近分较密集，远离此巷处较稀疏；模型网格从上到下依次为基本顶、直接顶、煤层和底板岩层，模型尺寸为，长×宽×高=140 m×80 m×75 m，模型网格数量223 855。

3.2 模拟参数

模拟采用Mohr-Coulomb 模型，材料屈服遵从摩尔-库伦准则；模型左右边界限制x 方向的位移，施加随深度变化的水平压应力；下部边界限制z 方向的位移；上部施加均布自重应力15.2 MPa；具体参数设置如下。

1）割缝钻孔参数。施工位置为21103 回风巷；钻孔角度为0°；钻孔间距为1、2 m；钻孔半径为0.1 m；钻孔长度为20 m。

2）缝槽参数。缝槽半径为0.8 m；缝槽间距为1 m；缝槽位置为煤柱侧临采空区5 m 不割；割缝方式为平行割缝。

东营市投资2 700多万元建成了东营市创新创业大学，重点培养和孵化较高层次的创业者和创业项目，整合优化创业教育资源，完善运作机制，优化创业培训和创业实训课程设置，努力适应中小企业创业者的需求。采用了“创业培训+创业实训”的新型教学模式，重点突出创业实训，深化创业者对创业过程的理解。探索建立了“创业大学+”的创业扶持模式，将大学与创业孵化基地、创业园区进行有机结合，从毕业学员中择优推荐创业者及其创业项目进驻创业载体，并为其提供更加全面、快捷的创业服务。

3）顶板压裂参数。压裂孔施工位置为21103 回风巷靠近煤柱侧顶角；压裂孔长度为50 m。压裂孔角度为倾角40°；压裂孔间距为10 m。

4）大直径卸压钻孔参数。施工位置为21103 回风巷；钻孔角度为0°；钻孔间距为1 m；钻孔半径为0.1 m；钻孔长度为20 m。

3.3 模拟方案

模拟方案重点分析大直径钻孔卸压、临巷侧保留煤柱宽度、割缝间距、压裂断顶对煤柱及实体煤应力分布影响，因此，针对该情况制定如下模拟方案，具体方案见表1。

表1 模拟方案Table 1 Simulation Schemes

4 数值模拟效果

4.1 大直径钻孔卸压效果

采取大直径钻孔卸压前后保护煤柱及实体煤应力变化情况如图2；采取大直径钻孔卸压前后垂直应力随巷道距离的变化曲线如图3。

1）31103 回风巷开挖和31102 工作面回采过后，31103 回风巷浅部围岩发生塑性破坏，破坏以靠近煤柱侧为主，范围大约0～3 m；保护煤柱采空区侧同样发生塑性破坏，破坏范围大约在0～4 m。

图2 大直径钻孔卸压前后煤柱及实体煤垂直应力分布云图Fig.2 Cloud chart of vertical stress distribution before and after pressure relief of large diameter drilling

2）31103 回风巷开挖和31102 工作面回采过后，保护煤柱内部应力呈“马鞍”型分布，峰值范围在距离巷道4～21 m 范围内，靠近采空区侧应力峰值偏高约36 MPa，应力集中系数约2.3，靠近巷道侧应力峰值相对较低约25 MPa，应力集中系数约1.6。

3）实体煤侧应力峰值出现在距离巷道约1 m处，峰值应力约23 MPa，应力集中系数约1.4，随着向实体煤深部延伸，应力逐渐降低。

4）实施大直径钻孔卸压后，保护煤柱内部应力大幅增加，且在距离巷道4～19 m 范围内基本均匀分布，靠近采空区侧应力略高约50 MPa，应力集中系数约3.1，靠近巷道侧应力峰值约46 MPa，应力集中系数约2.9。

采取大直径钻孔卸压后，保护煤柱内部应力会大幅增加，如果增加的应力大于煤体的抗压强度，使煤体发生塑性破坏，应力会向实体煤侧转移实现卸压效果。

4.2 临巷侧保留煤柱宽度对应力影响

临巷侧保留煤柱宽度对应力分布及变化影响情况如图4；不同保护煤柱宽度条件下垂直应力随巷道距离的变化曲线如图5。

1）采取超高压水力割缝措施后，保护煤柱内部应力呈“马鞍”型分布，相较于大直径钻孔卸压，保护煤柱内部应力大幅减小，实体煤内部应力略有增加。

2）临巷侧保留8 m 煤柱不割时，在距离巷道5～7 m 范围内会形成应力集中，峰值应力在40 MPa 左右，应力集中系数2.5；同时在距离巷道19～22 m 范围内也会形成弱应力集中，峰值应力在28 MPa 左右，应力集中系数1.8。

3）临巷侧保留5 m 煤柱不割时，保护煤柱内部应力基本均匀分布，前后缝槽附近会形成弱应力集中，其中在距离巷道4 m 左右峰值应力约22 MPa，应力集中系数1.4，在距离巷道21 m 左右处峰值应力约25 MPa，应力集中系数1.6。

4）采取超高压水力割缝措施后，相较于大直径钻孔卸压，实体煤侧应力有所明显，特别是在距离巷道1～15 m 范围内增加明显，其中临巷侧保留5 m煤柱不割方案，在实体煤侧应力峰值在靠近巷道1 m处，峰值应力约27 MPa，应力集中系数约1.9。

采取超高压水力割缝措施保护煤柱卸压效果较好，且临巷侧保留5 m 煤柱不割方案优于临巷侧保留8 m 煤柱不割方案，如果现场施工发现，临巷侧保留8 m 煤柱不割方案不会形成应力集中，或应力在可控范围之内，则采用该方案最优。

4.3 不同割缝间距对应力分布及变化影响

不同割缝间距对应力分布及变化影响情况如图6；不同割缝间距条件下垂直应力随巷道距离的变化曲线如图7。

1）相较于未采取任何卸压措施，实施超高压水力割缝后，实体煤侧应力有所增加，增加位置主要在靠近巷道1～15 m 范围内，且采取2 m 不割方案时，实体煤侧应力增加最为明显，应力峰值在靠近巷道1 m 处约27 MPa，应力集中系数约1.9。

2）采取割缝间距3 m 方案后，保护煤柱侧应力大幅增加，且在距离巷道4～20 m 范围内呈逐渐增加趋势，靠近巷道侧应力峰值50 MPa，应力集中系数3.1，靠近采空区侧应力峰值55 MPa，应力集中系数3.4。

3）采取割缝间距2 m 方案后，保护煤柱侧应力大幅减小且基本均匀分布，前后缝槽附近会形成弱应力集中，其中在距离巷道4 m 左右峰值应力约22 MPa，应力集中系数1.4，在距离巷道21 m 左右处峰值应力约25 MPa，应力集中系数1.6。

图7 不同割缝间距垂直应力随距巷道距离的变化曲线Fig.7 Change curves of vertical stress with distance from roadway

采取超高压水力割缝后，应力均不同程度向实体煤侧转移，实体煤侧承压范围主要在1～15 m 范围内；采取割缝间距2 m 方案相较于未采取任何卸压措施应力降低约30%，保护煤柱侧卸压效果，明显优于采取割缝间距3 m 方案，如果单纯采用超高压水力割缝措施，建议用割缝间距2 m 方案。

4.4 不同断顶参数对应力分布及变化影响

不同断顶参数对应力分布及变化影响情况如图8；不同断顶参数条件下垂直应力随巷道距离的变化曲线如图9。1）采取超高压水力割缝+压裂断顶方案后，保护煤柱侧应力大幅降低，实体煤侧应力明显增加。

图8 不同断顶参数对垂直应力分布及变化影响Fig.8 Influence of different roof breaking parameters on vertical stress distribution and change

图9 不同断顶参数垂直应力随距巷道距离的变化曲线Fig.9 Change curves of vertical stress with distance from roadway

2）采取割缝间距3 m+压裂断顶方案后，保护煤柱内部应力“M”型分布，在距离巷道5～19 m 处形成应力峰值，其中距离巷道5 m 处应力约21 MPa，应力集中系数1.3；在距离巷道19 m 处应力约29 MPa，应力集中系数约1.8；在距离巷道8～9 m 处为应力最低点约11 MPa，低于原岩应力。

3）采取割缝间距2 m+压裂断顶方案后，应力在缝槽前后稍大，基本处于原岩应力状态，不存在应力集中，应力相较于未采取任何卸压措施降低47%。

4）采取超高压水力割缝+压裂断顶方案后，实体煤侧应力在1～20 m 范围内均明显增加，且在巷道附近增加幅度最大，向煤体深部依次递减；其中，采取割缝间距2 m+爆破断顶方案，最大增加5 MPa，达到27 MPa，应力集中系数1.7，采取割缝间距3 m+爆破断顶方案，应力最大增加10 MPa，达到32 MPa，应力集中系数2.0。

2 个超高压水力割缝+压裂断顶方案均取得了较好的煤柱卸压效果，实现了上覆岩层应力向实体煤深部转移的目的，割缝间距2 m+压裂断顶方案效果略优于割缝间距3 m+压裂断顶方案，但都需要注意实体煤侧应力增加带来的安全隐患。

5 结 论

1）31102 工作面回采过后，在煤柱内部关键岩块B 边缘附近形成应力集中区，在集中应力作用下，煤柱内部积蓄大量弹性能，易发生冲击地压等煤岩动力灾害；高压水射流钻割煤体能够在煤体内部中形成范围一定的卸压空间，释放煤体中积聚的能量，降低煤体应力集中程度；顶板水力压裂破坏煤柱上方坚硬顶板完整性，使基本顶板的断裂位置向实体煤深部转移，降低煤柱承载的应力水平，改变应力分配比例。

2）大直径钻孔卸压措施实施后，保护煤柱内部应力会大幅增加，如果增加的应力大于煤体的抗压强度，使煤体发生塑性破坏，应力会向实体煤侧转移实现卸压效果；采取超高压水力割缝后，应力均不同程度向实体煤侧转移，实体煤侧承压范围主要在1～15 m 范围内，采取割缝间距2 m+临巷侧保留5 m煤柱不割方案相较于未采取任何卸压措施应力降低约30%，保护煤柱侧卸压效果明显。

3）超高压水力割缝+压裂断顶方案均取得了较好的煤柱卸压效果，实现了上覆岩层应力向实体煤深部转移的目的，割缝间距2 m+压裂断顶方案效果略优于割缝间距3 m+压裂断顶方案，但都需要注意实体煤侧应力增加带来的安全隐患。