回撤通道围岩变形破坏机理及其控制技术研究

曹 伟

（山西焦煤山煤国际铺龙湾煤业有限公司，山西 大同 037000）

0 引言

坚硬顶板问题是困扰我国煤矿生产的主要问题，据统计，我国约1/3 的煤层存在坚硬顶板问题。坚硬顶板指在煤层顶板存在的一种高硬度岩层，坚硬顶板主要由砂岩、砾岩等组成，由于坚硬顶板节理裂隙不发育，使之承载能力较强，所以顶板来压步距较长，坚硬顶板的存在使得回采过程形成难以垮落的悬顶，悬顶面积的不断加大，使得巷道变形量增加，同时悬顶一旦发生垮落，势必会造成巨大的冲击载荷，严重威胁着矿井的正常开采，同时对施工作业人员及设备的安全均会造成严重影响。随着我国机械化开采程度的不断加深，坚硬顶板问题尤为明显。针对坚硬顶板问题，目前常见的治理方案主要分为三种，分别为爆破切顶卸压、水力切顶卸压、静力切顶卸压，随着对矿井环保的日渐重视，水力切顶卸压技术成为了一项热门技术[1-2]，其通过高压注水将钻孔进行压裂，从而形成大量的裂缝，降低坚硬顶板整体性，达到切顶卸压的目的，此前较多学者对水力压裂进行过研究[3-4]，但大多为理论分析，本文基于前人的分析，通过数值模拟且结合现场试验对水力切顶卸压可行性进行研究，为矿井坚硬顶板的治理提供一定的参考。

1 工作面概况及数值模拟

铺龙湾矿位于大同市西南部，井田面积4.86 km2，设计生产能力为1.2 Mt/a，主要开采5 号、8 号煤层。5102 工作面主采5 号煤层，煤层厚度为1.75～2.1 m，平均厚1.92 m，煤层倾角2°～8°，平均倾角5°，工作面水文地质条件简单。顶板以粉砂岩和细粒砂岩为主，顶板岩石抗压强度＞30 MPa 占优，岩性为中硬类岩石，软化系数为0.65～0.75。

利用ABAQUS 数值模拟软件对不同水力压裂参数下压裂效果进行分析，首先进行数值模拟模型建立，本文采用二维模型进行分析，根据钻孔直径的大小及裂缝扩展情况，将模型尺寸设定为500 mm×500 mm。对模型进行物理参数设定，根据实际顶板岩性，设定力学参数为弹性模量10 GPa、内摩擦角28°、泊松比0.23、黏聚力9.5 MPa、剪胀角10°，黏岩石的抗拉强度为4.0 MPa。钻孔采用橡胶塞封堵，采用Mohr-Coulomb 本构模型。对模型进行网格划分，网格划分选用CPE4R 单元类型。对模型的受力进行设定，初始设定为最大主应力σH=12 MPa，水平最小主应力σh=6 MPa，垂直应力σv=10 MPa。数值模拟过程分为施加地应力、对压裂孔施加水压、压裂孔压裂、裂缝扩展四个阶段。首先对不同压裂段长度下岩石内部压裂情况进行分析，如图1 所示。

图1 不同压裂段长度下岩石内部压力云图

从图1 可以看出，当压裂段长度为200 mm 时，此时随着水压的增加，在压裂段的中间位置出现拉应力，随着注水压力的不断增加，此时的拉应力不断增大。同时由于压裂段长度较小，此时中间部位会影响压裂段端头的应力分布。当水压增大至12 MPa 时，在平行于最大主应力方向开始出现扩展裂缝，此时岩体最大拉应力为4.1 MPa，最大的压应力为20.1 MPa，持续注水后，裂缝沿着径向和法向发生一定的扩展，同时裂缝宽度有所增加。增大压裂段长度整体变化趋势类似，所以在此不做赘述。综合不同压裂段长度下岩石垂直应力情况可知，随着压裂段长度的增加，此时岩石发生起裂所需的水压值减小。当压裂段长度较小时，此时由于中间部位应力集中的影响，使得端头应力受到一定影响。随着压裂段长度的增大，中间部位应力集中现象对端头的影响减弱。当压裂段长度大于600 mm 时，此时的裂缝发生起裂的压力及应力分布情况基本不变。所以综合分析确定最佳压裂段长度为600 mm。

对不同钻孔直径下岩石内部压裂情况进行分析，不同钻孔直径下岩石垂直应力云图如图2 所示。

图2 不同钻孔直径下岩石内部压力云图

如图2 所示，当钻孔直径为56 mm 时，钻孔拉应力增大而出现裂缝，最大拉应力值达到了4.1 MPa，最大压应力值为19.7 MPa。当钻孔直径89 mm 时，随着注水压力的增大，最大压应力、拉应力均呈现不断增加的趋势，当岩石发生起裂、扩展时，此时的最大压应力为20.0 MPa，最大拉应力为4.1 MPa。当钻孔直径增大至100 mm，此时的岩体的最大压应力为20.2 MPa，最大拉应力为4.0 MPa。综合分析可知，当钻孔直径逐步增大，岩体应力整体的变化趋势相差不大，均呈现为中部受拉区，一旦超过岩石的抗拉强度后，此时的裂缝发生起裂，并沿着径向和法向扩展，所以最佳的钻孔直径为56 mm。

2 应用分析

根据模拟研究结果对顶板进行切顶，在工作面主回撤通道布置10 个S 型和9 个L 型孔，布置钻孔间距为15 m，在顺槽布置3 个S 型孔和2 个L 型孔，间距10 m，利用橡胶封堵钻孔，利用高压水泵对钻孔内部进行注水加压，注水压力保持在10～15 MPa，等到钻孔发生起裂后，钻孔内部水压下降，持续进行注液，进入保压阶段，此时可促进岩石内部裂纹的扩展，通过采用流量计监测流量，从而有效保证顶板充分预裂，同时在注液过程中时刻关注顶板漏水情况，压裂共计持续时长为30 min。对经过切顶卸压后的效果进行分析，并通过在垛式支架上安装应力监测计对巷道应力环境进行分析，切顶前后垛式支架压力曲线如图3 所示。

图3 切顶前后垛式支架压力曲线

从图3 曲线可以看出，经过切顶卸压后，整体垛式支架应力有了明显的减小，工作面距离回撤通道50 m 时，未经切顶及切顶后垛式支架压力均较小，此时经过切顶后垛式支架应力差为0.12 MPa，不是十分明显；当工作面距离回撤通道15 m 时，垛式支架压力快速上升，此时对比切顶前后垛式支架的应力情况，发现经过切顶后的垛式支架压力降低了0.5 MPa；当工作面距离回撤通道5 m 时，垛式支架迅速上升，经过切顶后的垛式支架压力较未切顶前降低了0.9 MPa。通过对比图可以看出，经过水力压裂切顶后，工作面后方的覆岩顶板能够及时发生垮落，回撤通道垛式支架压力降低，整体巷道应力环境得到较大幅度的改善。

3 结论

1）随着压裂段长度的增大，中间部位应力集中现象对端头的影响减弱，综合分析确定最佳压裂段长度为600 mm。

2）当钻孔直径逐步增大，岩体应力整体的变化趋势相差不大，均呈现为中部受拉区，一旦超过岩石的抗拉强度后，此时的裂缝发生起裂，并沿着径向和法向扩展，所以最佳的钻孔直径为56 mm。

3）经过水力压裂切顶后，工作面后方的覆岩顶板能够及时发生垮落，回撤通道垛式支架压力降低，整体巷道应力环境得到较大幅度的改善。