回撤通道顶板结构失稳机理及压裂控制研究

张永强，王襄禹，李冠军，李军臣，姚志红，杨俊峰

(1.神东天隆集团 霍洛湾煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017200；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

综采工作面贯通期间，回撤通道围岩会长时间经受超前支承压力的作用，随着工作面前方剩余煤柱的采出，上覆岩层的载荷将主要作用于工作面支架和回撤通道支护体。为避免末采期支护体受力过大，以及维护回撤通道围岩稳定，保证工作面设备的安全快速回撤，许多学者在大量观测工作面末采期矿压显现的基础上，深入研究了回撤通道围岩变形机理并提出一些针对性措施。徐金海[1]等通过相似模拟试验研究了周期来压位置对回撤通道顶板下沉量的影响，提出了综放工作面合理停放位置的确定原则；王晓振[2]等提出了神东浅埋煤层末采让压开采原理，并结合工作面来压规律科学合理地确定让压间隔煤柱的尺寸；吕华文[3]建立了工作面剩余煤柱力学分析模型，得到了工作面剩余煤柱动态应力预测公式，并实测分析了工作面末采期回撤通道围岩和垛式支架的应力响应特征；谷拴成[4]等针对末采阶段回撤通道易出现支架压死和围岩变形量过大的问题，分析了末采阶段工作面煤柱和通道间保护煤柱荷载转移的力学机理；杨仁树[5]等研究了周期来压步距和基本顶断裂位置对回撤通道的影响，并依据顶帮协同控制原则控制回撤通道的围岩变形。然而，由于工作面岩层结构和地质条件的变化，周期来压距离并非定值，因此，人为判断等压煤柱尺寸仍存在一定缺陷，单纯增加顶板支护强度并不能从根本上解决贯通时顶板结构失稳造成的灾害。在硬厚顶板末采贯通期间，许多工作面仍然出现顶板台阶下沉、严重片帮、支架压力过大、锚索破断射出等现象。近年来，随着水力压裂技术在煤矿灾害治理中的推广应用[6-13]，等压和水力压裂相互结合的治理技术在一些煤矿得到应用[14-16]，通过对末采段顶板岩层提前进行削弱和软化，优化回撤通道围岩所处应力环境[17]，可以使贯通和回撤工作更为安全和顺利。笔者以霍洛湾煤矿综采工作面回撤通道为工程背景，运用理论分析和现场试验相结合的手段，开展回撤通道顶板结构失稳机理及压裂控制研究。

1 工作面末采期岩层结构

1.1 贯通前顶板结构受力分析

工作面进入末采期后，随着剩余煤柱宽度逐渐减小，采空区后方基本顶悬露长度逐渐增大并弯曲下沉，作用于煤柱和支架上的载荷急剧增大，煤柱应力超过其强度后产生破坏，关键块B下沉过程中将可能出现超前断裂，从而造成回撤巷道围岩破坏，加大支架回撤难度。末采期岩层结构如图1所示[18]。

图1 末采期岩层结构Fig.1 Rock stratum structure at the end of the mining period

对关键块B后拱脚求力矩可得

式中，T为岩块间的挤压力；W为两铰接点垂距；q为载荷集度；LC为岩块B的长度；R为竖向载荷；P为支架阻力；LA为工作面支架力臂；为煤柱平均应力；Z为煤柱宽度；LB为煤柱力臂；P1为回撤通道内支护强度；Z1为回撤通道的宽度。

由式(1)和式(2)可知，当工作面上方基本顶岩块断裂后，可以通过改变岩层结构和调整其下方承载结构的性能降低末采期支架受力，岩层厚度和其上方载荷难以人为降低，而下方承载结构中，煤柱将随着工作面的推进被完全采出，提高煤柱强度并无实际意义。因此，通过降低支架后方悬顶长度和岩块间的挤压力、提高回撤通道内支护强度可缓解失稳顶板岩块对支架的作用力。

1.2 等压距离确定

末采阶段等压距离实质就是工作面煤体即将发生塑性变形的宽度，按照极限平衡理论计算[19]，公式为

式中，m为煤层厚度；A为侧压系数；φ0为煤体内摩擦角；C0为煤体黏聚力；K为应力集中系数；γ为上覆岩层平均容重；H为煤层埋藏深度；Ps为煤帮的支护阻力。

霍洛湾煤矿31108工作面前方煤体塑性区宽度通过在两巷中安装围岩钻孔应力计测得，在煤壁前方5 m左右钻孔应力计示数达到峰值，之后开始衰减。

1.3 贯通后基本顶断裂形式

工作面贯通后，基本顶断裂位置可能处于支架后方、支架上方或回撤通道上方[20]，断裂结构如图2所示。

图2 工作面贯通后基本顶断裂结构Fig.2 Main roof fracture structure after working face cut-through

(1)图2(a)中，工作面贯通前出现一次周期来压，贯通后基本顶断裂位置位于工作面支架后方，悬顶长度远小于周期来压步距，由于基本顶悬伸长度不大，支架上方岩层下沉和偏转量较小，不会造成回撤通道支架和工作面支架压力明显增大现象，工作面回撤设备较为容易。

(2)在工作面贯通过程中，若顶板来压时岩块断裂位置处于支架上方，另一端位于采空区内，如图2(b)所示。关键块B为一种给定变形状态，若下方支护体无法限制B岩块持续下沉，随着回转角增大，回撤通道顶板将会急剧下沉。在等压阶段，也会造成煤柱应力集中，导致煤柱严重片帮。

(3)工作面贯通后，若基本顶关键块B断裂位置位于回撤通道顶板上方，如图2(c)所示，根据“SR”理论[21-22]可知，断裂后的基本顶关键块B是不稳定结构，工作面支架回撤过程中，顶板支护强度的减小易导致关键块B滑落失稳，易造成顶板台阶下沉、工作面和回撤通道内设备回撤困难甚至出现压架事故。

2 数值模拟

2.1 模拟方案

采用离散元数值软件UDEC建立霍洛湾煤矿31108工作面回撤通道顶板结构数值模型，3-1煤层平均厚度为4.0 m，埋深230 m，为近水平煤层；模型中3-1煤层上方岩层为泥岩、粉砂岩、细砂岩、泥岩和2-2煤，厚度分别为0.81，6.20，21.14，8.12，5.37 m。图3为工作面布局。

图3 工作面布局Fig.3 Longwall layout

设置基本顶断裂线分别位于等压煤柱靠近采空区一侧2 m处、等压煤柱中部和巷道中部，分析末采期来压后基本顶断裂位置对等压煤柱和回撤通道围岩变形的影响，开挖区域设置为80 m，末采等压煤柱5 m，采用莫尔-库仑本构模型，垂直应力为5 MPa，最大、小水平主应力分别为6.3和3.7 MPa，最大水平主应力垂直于模型平面的方向，固定模型底部边界并限制模型侧向边界水平移动，回撤通道围岩采用尺寸较小的三角块划分以便监测裂隙和应力的变化规律，如图4所示。模型参数见表1[23]。

表1 煤岩物理力学参数Table 1 Mechanical properties used in the UDEC model

图4 数值模型Fig.4 Numerical model

2.2 等压煤柱破坏分析

图5～6为等压阶段煤柱张拉裂隙和剪切裂隙分布图，由图5～6可知，张拉裂隙主要分布在煤柱帮部浅部，工作面一侧的张拉裂隙数量明显高于回撤通道一侧。煤柱内剪切裂隙多于张拉裂隙，当基本顶断裂于煤柱上方及回撤通道上方时，煤柱两侧剪切裂隙相互贯通，而当断裂线处于采空区一侧时，在煤柱中部仅出现少量剪切裂隙。3种情况下煤柱内张拉裂隙长度LT分别为8.67，13.84，14.30 m；剪切裂隙长度LS分别为46.64，55.95，58.75 m。

图5 煤柱张拉裂隙分布Fig.5 Distribution of tension cracks in the pillar

图6 煤柱剪切裂隙分布Fig.6 Distribution of shear cracks in the pillar

图7为煤柱内裂隙角度和数量统计分布，由图7可知，张拉裂隙的角度以竖向为主，3种情况下裂隙角度大于60°(与水平线夹角)的数量占比分别为62.94%，70.00%和73.50%。张拉裂隙渐进发育后竖向贯通，造成了煤柱表面的宏观破裂和片帮。剪切裂隙发育的优势角度在45°～60°、285°～315°，并且由于煤柱两侧开采空间及上覆载荷的差异，正角度(以水平线逆时针旋转为正)剪切裂隙数量多于负角度，数量占比为55%左右。图8为煤柱垂直应力分布，由图8可知，帮部浅部煤体拉剪破坏后应力释放，而煤柱内部形成明显的应力集中区，当基本顶断裂后岩层会继续偏转下沉，使下方煤柱承受载荷进一步增大。因此，处于断裂岩块下方的等压煤柱应力要高于在完整岩块下方的。

图7 煤柱内裂隙角度和数量统计分布Fig.7 Distribution of fracture angles in the pillar and quantity statistics

图8 煤柱垂直应力云图Fig.8 Distribution of vertical stress in the pillar

图9为煤柱高度中心处垂直应力曲线。

图9 煤柱中部垂直应力曲线Fig.9 Distribution of vertical stress in the middle of the pillar

由图9可知，靠近工作面一侧的应力集中区应力值稍大于回撤通道侧，3种情况下煤柱中部较完整区域的应力平均值分别为14.6，15.8，18.2 MPa。

2.3 贯通后围岩破坏分析

等压煤柱采出后，工作面和回撤通道贯通，3种基本顶断裂结构下围岩破坏模拟结果如图10所示。

由图10可知，当基本顶断裂位置位于支架后方，即断裂线位于采空区上方时，断裂岩块对前方回撤通道围岩变形影响较小，顶板和帮部煤岩体较为完整，煤壁应力集中程度较小，稳定基本顶有利于保护下方岩层和支护体，支架在此状态下不会出现明显的压力增高现象；当基本顶断裂于让压煤柱上方，即贯通后断裂线位于工作面支架上方时，在关键块下方的岩体受到强烈挤压出现破碎，直接顶内出现明显离层并产生倾斜剪切断裂带，倾斜方向为基本顶断裂处向煤壁边缘，工作面支架在此状态下受力增大，顶板锚索可能出现破断，岩层下沉旋转过程中煤壁应力集中程度持续增大，造成帮臌；当基本顶断裂线处于回撤通道上方时，断裂线附近直接顶岩体受断裂基本顶和煤层的剪切作用沿着煤壁切落，在靠近煤壁上方形成大范围剪切破碎带，破碎块体受强烈挤压产生应力集中甚至变形能大量积聚，不稳定岩层会造成下方支护体长时间处于高负荷状态，回撤过程中顶板支护强度的降低易导致岩层变形能的快速释放，形成压架等动力灾害。最大主应力矢量分布表明：当断裂线位置逐步靠近煤壁时，断裂基本顶通过其下方压覆剪切带向煤壁传递的载荷逐渐增大，从而造成煤壁强烈片帮和支架倾斜，增大设备回撤难度。

图10 回撤通道围岩变形Fig.10 Surrounding rock deformation of the longwall recovery room

综上可知，工作面贯通期间及回撤过程中的矿压显现，与最后一次来压强度和来压位置密切相关。因此，通过水力压裂加速岩层破断和下沉，减轻末采期来压强度或改变来压规律，使回撤通道围岩免受顶板强来压作用，可降低回撤工作难度。

3 现场压裂实践

3.1 压裂参数设计

水力压裂可诱发采空区上方岩层及时垮落[24]，从而减小悬顶长度和支架上方载荷，进行回撤通道顶板水力压裂设计时，需注意两点：① 工作面推过致裂区域后，悬顶长度需要尽可能地小，使支架后方顶板在水力压裂作用下形成短壁梁结构[25]；② 挂网和等压期间，工作面停止推进，由于采空区悬顶继续下沉，支架可能长时间处于高压力状态，为了便于挂网和减小支架工作阻力，水力压裂范围也必须覆盖该区域岩层。因此，回撤通道切眼压裂采用2组钻孔，一组钻孔水平距离等于支架长度和其后方一个关键块体长度之和，另外一组钻孔水平距离等于支架和等压煤柱宽度之和，31108工作面来压步距为15 m左右，等压煤柱距离为5 m，支架有效支撑长度为5 m。所以2组钻孔水平长度分别设计为10 m和20 m左右。水力压裂范围岩层垮落后应尽可能充满采空区，压裂钻孔最小高度按照式(4)计算。岩石的垮落体积与碎胀系数有关，垮落高度h为

式中，M为采高，m；KZ为岩层碎胀系数。

31108 工作面开采高度为3.7 m，KZ的取值范围在1.2左右[26]，计算可得充满采空区的垮落高度为18.5 m，位于基本顶中上部。由于基本顶岩层厚度较大，为了保证压裂效果，适当增大2组钻孔高度，但钻孔终孔位置不高于基本顶。

根据工作面地质条件以及生产实际情况，致裂钻孔具体参数如图11所示。2组孔从回撤通道顶板向工作面方向施工至指定层位，沿工作面走向交替布置，每隔6～8 m布置1组，P孔水平长度为11.6 m，压裂高度为25 m，倾角为65°；Q孔水平长度为20.8 m，垂直高度为20.8 m，倾角为45°。钻孔孔径65 mm，压裂时从孔底开始，每隔8 m左右压裂1次， 单次压裂时间保持在20～25 min。

图11 钻孔布置Fig.11 Drilling layout

3.2 压裂效果

水力压裂完成后，对贯通期间回撤通道锚索受力、顶板离层及支架压力进行实时监测，监测结果表明：

(1)在贯通之前，顶板锚索受力平稳，没有出现受力增大现象，在工作面剩余约3 m时，顶板锚索受力急剧增大，此时剩余煤体严重破坏并失去对顶板的支撑作用，随着采空区岩层触底，工作面贯通后1 d内，锚索受力逐渐趋于平稳，2个测点受力增大值约为50和133 kN，如图12所示。两处帮锚索监测仪表数据显示，在贯通期，锚索受力仅有微小波动，变化范围在10 kN之内。

图12 锚索受力增大曲线Fig.12 Increase curve of anchor cable force

(2)在回撤通道顶板安装4组离层在线监测仪器用于观测2～12 m深度离层量，在工作面贯通后，主回撤80，120，150，210 m处的离层量分别为0.67，0.05，0，0 mm。结果表明，工作面回采贯通未对回撤通道顶板变形产生明显影响，在顶板内2～12 m范围内未产生离层。

(3)分析支架压力云图13可知，在2021年12月2日2时，机头距离贯通剩余30 m左右时，工作面来压1次，30～70号支架压力先升高，80～120号支架压力后升高，来压持续距离约为4 m，来压区域支架压力平均值为44 MPa左右。工作面进入水压致裂区域后(致裂区域为20.8 m)，支架压力未出现明显升高现象，与未致裂区域相比，支架受力显著降低。工作面剩余7～8 m时，一小部分支架压力出现较小幅度增大，等压停采期间，支架受力平均值约31.2 MPa，比初撑力增大约6 MPa。采出最后5 m过程中，支架压力未出现过高现象。

图13 支架受力云图Fig.13 Stress distribution of support

(4)本煤层未采用水力压裂工作面回撤通道内出现顶板台阶下沉，支架收缩下沉量较大，非贯通侧强烈帮臌，如图14(a)～(b)所示；而压裂后的31108工作面，主回撤通道煤帮未出现变形，顶底板变形量很小，如图14(c)所示。同时，工作面末采期较以往减少了至少1 d的等压时间，设备回撤时间减少3 d，消除了工作面压架风险，保证了工作面安全高效贯通和设备回撤。

图14 回撤通道现场Fig.14 Longwall recovery room photo

4 结 论

(1)对末采期基本顶超前断裂后关键块与下方承载体的稳定性进行了分析，结果表明，通过降低支架后方悬顶长度和岩块间的挤压力、提高回撤通道内支护强度可缓解失稳顶板岩块对支架的作用

力。工作面贯通过程中基本顶来压位置和来压强度会显著影响回撤通道围岩的稳定性。

(2)基本顶来压断裂后的偏转下沉会导致其下方煤柱应力集中和剪切裂隙大量发育，煤柱浅部张拉裂隙竖向贯通形成片帮。工作面贯通后，若基本顶断裂位置处于回撤通道上方或工作面支架上方，顶板中形成倾斜剪切破碎带并急剧下沉，煤帮应力集中产生片帮，致使回撤工作难度加大。采用水力压裂来减轻末采期来压强度或改变来压规律，可降低设备回撤难度。

(3)在霍洛湾煤矿31108工作面回撤通道进行水力压裂试验，采用2组交错钻孔对顶板进行了弱化处理，矿压监测结果表明，在工作面推进过后压裂区顶板岩层及时垮落，贯通过程中锚索未出现破断，回撤通道顶板未出现离层，大部分支架未出现压力过高现象，消除了末次来压对回撤通道支护及设备回撤的不利影响。