地面压裂坚硬顶板对矿山压力显现影响的实验研究

龚涛, 张继, 夏彬伟

(1.四川省地质工程勘察院集团有限公司, 成都 610071; 2.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆 400044)

坚硬顶板广泛赋存于煤矿,尤其中国北方煤矿常赋存有大量坚硬顶板[1]。坚硬顶板困扰煤矿安全开采由来已久,因其厚度大、强度高、完整性好[2],在煤层开采后往往难以破断和垮落,从而悬露在采空区上方,造成工作面矿压显现强烈[3],甚至引发冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害[4-8]。当其悬露到一定临界长度后终将垮落,此时坚硬顶板突然大面积垮落将挤压采空区,存在引发飓风、瓦斯超限和瓦斯爆炸等危险[1,9-12]。因此,坚硬顶板控制是安全高效采煤的重大挑战[3],同时也是煤炭开采领域的研究重点[13-14]。

在过去相当长的一段时间里,坚硬顶板控制方法主要是爆破[15-18]。然而,爆破成本高、污染重,形成缝网方向和范围不可控[19],且产生的强烈扰动可能诱发瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、岩爆等灾害,因此一直在探索更安全的坚硬顶板控制方法。水力压裂[1,6,9,15,20-23]是继爆破之后被提出的一种坚硬顶板控制方法,在煤矿坚硬顶板控制中得到了越来越多的应用。如黄炳香应用水力压裂技术控制工作面端部顶板的悬露[1]和巷道的强矿压显现[20-21]。Bai等[24]水力压裂坚硬顶板用于地面控制。He等[6]水力压裂坚硬顶板预防岩爆。然而,先前的水力压裂几乎都是井下水力压裂,Yu等[3,25]提出并实施了地面水力压裂。地面水力压裂与井下水力压裂的不同在于:地面水力压裂无井下狭小的作业空间的限制,可以使用大型高性能压裂设备,以压裂开采煤层至地表的任一岩层,尤其是远离开采煤层的远场坚硬顶板,而不仅限于煤层附近的近场顶板。通过在地面钻垂直钻孔或L型钻孔到目标坚硬顶板,然后使用高性能水力压裂设备可以在坚硬顶板中形成多段水平或垂向的水压裂缝,从而削弱坚硬顶板的完整性和强度,使其易于破断而达到更佳的坚硬顶板控制效果[26]。然而,地面水力压裂坚硬顶板案例以及获得的可直接表明压裂效果的数据较少,无法重复试验和探究不同产状水压裂缝对工作面矿压的影响。水压裂缝的产状对于强化坚硬顶板控制效果至关重要[9]。同时地面压裂是一项非常昂贵的工程实践,因此有必要开展实验研究以明确地面水力压裂对于降低工作面矿压的效果和探究不同产状水压裂缝对工作面矿压显现的影响。

虽然许多学者开展了岩石试件的水力压裂实验和分析了水压裂缝的扩展,但此类实验脱离了采场应力环境,更重要的是无法分析该水力压裂对工作面矿压显现的影响。因此开展采场应力环境下水力压裂坚硬顶板对工作面矿压显现影响的实验研究仍显必要。因此,采用物理相似模拟的实验方法,在坚硬顶板中分别不预制水压裂缝、预制水平水压裂缝和预制垂向水压裂缝,然后观察模型开挖过程中顶板的周期垮落、坚硬顶板的位移与破断和工作面的压力变化,进而对比分析水力压裂坚硬顶板与坚硬顶板中不同产状水压裂缝对工作面矿压显现的影响。研究结果对于认识地面压裂坚硬顶板控制工作面矿压显现的作用和水压裂缝产状对工作面矿压显现的影响具有重要价值,并有助于地面水力压裂在煤矿坚硬顶板控制领域的推广应用。

1 实验模拟对象概况

以塔山煤矿为物理相似模拟实验对象。塔山煤矿位于中国山西省大同市,是世界上最大的地下开采煤矿之一[8]。该矿井长24.3 km,宽11.7 km,设计生产能力为1.5×105t/a[27]。该矿井的顶板主要由砂岩、砂质泥岩、泥岩等组成,砂质岩性的岩层占90%～95%,并且存在多层坚硬顶板,因而是代表性的坚硬顶板矿井并且矿压显现强烈。为治理该矿的强矿压,曾采用过爆破、水力割缝、井下水力压裂等方法。由于这些方法只能处理近场顶板,无法触及远场顶板,所以仍未能避免强矿压显现的问题,因此一直在探索新的方法。地面水力压裂(图1)是该矿井采用的一种新方法,应用地点位于该矿某工作面,该工作面上方赋存5层坚硬顶板,工作面走向长1 445 m,倾向长231.4 m,采用一次采全高放顶煤开采技术开采近水平赋存的均厚20.08 m的特厚煤层[27]。

图1 地面水力压裂Fig.1 Surface hydraulic fracturing

2 实验方法

采用物理相似模拟实验方法。物理相似模拟[28]是一种重要的科学研究方法,通过在实验室内根据相似原理制作与原型相似的模型,观察和监测实验中发生的力学现象和力学参数的变化规律,推断和分析原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布规律,从而广泛应用于解决岩土工程中的实际问题。

2.1 实验装置

本文实验采用电液伺服二维加载相似模拟实验系统,该系统主要由主体框架、液压油缸、槽钢挡板、挡板推车、推车导轨、数据采集系统、液压控制系统和图像采集系统等组成(图2)。实验模型的最大尺寸为2 600 mm(长)×2 000 mm(高)×300 mm(宽)。液压油缸的最大加载荷载为1 MPa,顶部液压油缸最大行程为400 mm,左右两侧液压油缸最大行程(单侧)为120 mm。

图2 相似模拟实验系统Fig.2 Physical similarity simulation experimental system

2.2 相似系数

根据现场和相似理论设计了一个缩小的相似模型,该相似模型的相似系数应满足相似理论的基本条件[29-30]为

(1)

式(1)中:ασ为应力相似比;αg为几何相似比;αρ为密度相似比。

鉴于本实验系统所能提供的模型尺寸和需要模拟的开采长度,本次实验所采用的几何相似比为

(2)

式(2)中:gm、gp分别为模型和原型的几何尺寸,m。

根据所选择的相似材料的性质,密度相似比αρ设置为

(3)

式(3)中:ρm、ρp分别为模型和原型中岩层的密度,kg/m3。

根据相似原理和量纲分析,几何相似比αg、密度相似比αρ、应力相似比ασ和时间相似比αt应满足式(4)、式(5)[31]。

(4)

(5)

式中:σm、σp分别为模型和原型中的应力值,Pa;Tm、Tp分别为模型和原型中的时间长度,h。

2.3 相似材料配比与用量

相似材料由河沙、石灰和石膏按不同的比例和用量制成,以模拟不同的岩层。根据设计的相似比和参考陈现辉[32]的材料配比(研究对象为同一矿区),确定了相似模型的实验参数,如表1所示。

2.4 实验方案

本实验目的在于研究地面水力压裂坚硬顶板后对工作面矿压显现的影响。因此设置了3个对比实验:无水压裂缝模型(原型)实验、水平裂缝模型实验和垂向裂缝模型实验。此3个实验的区别在于原型中无水压裂缝,水平裂缝模型中1#和2#坚硬顶板中间位置预制长度分别为101.45 cm和48.85 cm的水平裂缝,预制的2道水平裂缝的左、右两端点的连线的延长线与设置的煤层的左右两端分别相交,确保预制的2道水平裂缝处于煤层开采的垮落范围内,从而利于探究设置裂缝对岩层垮落的影响进而探究其对工作面矿压显现的影响规律。垂向裂缝模型中1#坚硬顶板内预制5道等间距的与该层岩层等高(6.88 cm)的垂向裂缝,该5道垂向裂缝在水平方向上的展布宽度与水平裂缝模型中1#坚硬顶板内预制的水平裂缝的长度相等;在2#坚硬顶板中预制3道等间距的与该层岩层等高(7.20 cm)的垂向裂缝,该3道垂向裂缝在水平方向上的展布宽度与水平裂缝模型中2#坚硬顶板内预制的水平裂缝的长度相等。相似模型的概图、水压裂缝的位置和压力盒的布置如图3所示。

1～40为压力盒编号图3 相似模型概图Fig.3 Outline of the similarity models

2.5 模型制作

首先将配制并搅拌均匀的相似材料倒入实验系统筑模腔体内夯实并保持平整,筑成一层岩层后在其表面均匀撒云母片以模拟岩层交界面[图4(a)],再如前述制作下一层岩层。当到达设计的埋设压力盒和制作水压裂缝的位置时,按设计布置压力盒[图4(b)]和采用锡箔纸预制水压裂缝[图4(c)和图4(d)]。当筑模完成后待模型凝固后拆除挡板并在模型表面钉定位纸片。地应力的反演根据现场地应力数据[24]按应力相似比施加到模型顶板和左右两侧,待施加的荷载分布平衡后即可模拟煤层开采。

图4 模型制作Fig.4 Making model

3 实验结果分析

3.1 模拟开采过程分析

相似模型中的煤层从距离模型左侧边界40 cm处开挖,煤层开挖的高度为7 cm,余下的顶煤作为放顶煤开采损失的煤。根据时间相似比和几何相似比每隔2 h开挖一次,每次开挖4 cm。每开挖一次拍照一次,并全程记录压力盒数据。模型开挖过程中的10次周期垮落如图5所示。

图6 覆岩的垮落迹线和垮落模式Fig.6 Caving trace and caving pattern of overburden

3.2 顶板周期垮落步距分析

煤矿矿压显现强烈的一个重要原因是煤层开采后顶板悬露而不垮落,从而形成简支梁或悬臂梁结构而对工作面施加压力。因此,顶板周期垮落步距通常被视为一个预测矿压显现强烈程度的指标。通常顶板周期垮落步距大则矿压显现强烈,反之则不强烈。本次实验记录的煤层开挖与顶板周期垮落的对应关系如图7所示。

图7 煤层开挖与顶板周期垮落的对应关系图Fig.7 Corresponding relationship between coal seam excavation and roof periodic collapse

从图7中可以看出,原型、水平裂缝模型和垂向裂缝模型开挖过程中顶板发生的前5次周期垮落的位置和步距均完全相同。这5次周期垮落均发生在1#坚硬顶板破断之前,也即是在预制的水平裂缝和垂向裂缝作用之前。3个模型周期垮落的位置和步距均相同表明了制作的模型具有相当的可靠性和实验结果的稳定性。从第6次顶板周期垮落开始,顶板的周期垮落受到预制的水压裂缝的影响,因而3个模型中的顶板周期垮落位置和步距不再相同。预制有水压裂缝的模型的顶板周期垮落步距整体上比没有预制水压裂缝的原型的顶板周期垮落步距小。原型中第6次到第10次顶板周期垮落的平均步距为20.8 cm。然而,受到水压裂缝的影响在水平裂缝模型中第6次到第10次顶板周期垮落的平均步距为16.0 cm,降低了23.08%;在垂向裂缝模型中第6次到第10次顶板周期垮落的平均步距为16.8 cm,降低了19.23%。水平裂缝模和垂向裂缝模型中顶板周期垮落的平均步距比原型中小为情理之中,但垂向裂缝模型中第6次到第10次顶板周期垮落的平均步距比水平裂缝模型中的大,究其原因为水平裂缝模型中水平裂缝作用面积大,尤其与顶板的主要变形方向(垂向)垂直,受力面大,因此在岩层向下弯曲变形过程中易张裂,使坚硬顶板分层,由于分层厚度比原厚度小,因此更易向下弯曲变形,进而促使其下岩层更易受压而破断垮落。相较之下,垂向裂缝模型中预制的垂向裂缝,与顶板的主要变形方向平行,且垂向裂缝的高度小,其受力面远远小于水平裂缝的受力面,并且其下层岩层对其具有一定保护作用,即下部岩层未破断则预制有垂向裂缝的岩层并不易破断,因此表现出垂向裂缝模型中第6次到第10次顶板周期垮落的平均步距比水平裂缝模型中的大。在此还应注意区分顶板周期垮落与预制裂缝的顶板的垮落或破断的区别,前者中的“顶板”为煤层上方的众多岩层,范围更大,而后者仅指预制裂缝的某一层顶板。

3.3 坚硬顶板破断步距分析

水力压裂坚硬顶板后坚硬顶板的完整性和强度降低,因而其破断步距发生变化。实验过程中记录的坚硬顶板的破断步距如表2所示。相较于没有预制裂缝的原型,水平裂缝模型和垂向裂缝模型中坚硬顶板的破断提前了,平均破断步距均由19.0 cm缩短到了17.0 cm,缩短了10.53%。并且由于垂向裂缝削弱了坚硬顶板在水平方向的连续性,从而使坚硬顶板在矿山压力作用下易于被切落和折断,所以在垂向裂缝模型中1#和2#坚硬顶板同时破断,并导致覆岩压力的突变,进而引发3#和4#坚硬顶板此后短时间内的相继破断。表明预制垂直裂缝对所在岩层的破断影响是显著和剧烈的,与平常认知是相符的。

表2 坚硬顶板破断步距Table 2 Breaking span of hard roofs

3.4 支承压力分析

工作面的支承压力是反映工作面矿压显现强烈与否的重要指标。在本次实验中原型、水平裂缝模型、垂向裂缝模型中压力盒的布置位置相同。因此可通过相同位置的压力对比来分析坚硬顶板中预制裂缝与否和预制不同产状水压裂缝对工作面的不同影响。首先,通过工作面最左侧的1#压力盒监测的数据来对比分析坚硬顶板中无水压裂缝、坚硬顶板含水平水压裂缝和坚硬顶板含垂向水压裂缝给开切眼煤壁造成的不同压力,如图8所示。

图8 开切眼煤壁附近的支承压力Fig.8 Abutment pressure near the coal wall of open-off cut

从图8可以看出,随着工作面推进长度的增加,1#压力盒监测的压力随之增大,表明了随着工作面推进长度增大上覆岩层作用在采空区开切眼煤壁附近的应力集中加剧。由于3个模型均是在工作面推进至96 cm处时发生初次破断,所以在此之前3个模型中1#压力盒监测的压力基本相同,表明了实验模型的稳定性和实验结果的可靠性。工作面从96 cm推进至156 cm期间,3个模型均在相同位置发生周期垮落,但垮落形态有所差异,所以至此3个模型中1#压力盒监测的压力有所不同。由于此期间水平裂缝模型与原型的垮落形态整体差异较小,又因水平裂缝模型的垮落高度略高于原型,使得作用在开切眼煤壁附近的支承压力整体上与原型相近但略小于原型。而此期间垂向裂缝模型与原型的垮落形态差异较大,且垂向裂缝模型的垮落高度高于原型,所以垂向裂缝模型中的1#压力盒监测的压力明显小于原型中监测的压力。

当工作面推进至156 cm后,3个模型中都即将迎来坚硬顶板的破断。由于原型中无裂缝,水平裂缝模型和垂向裂缝模型中1#、2#坚硬顶板中分别预制有水平裂缝和垂向裂缝,所以导致水平裂缝模型和垂向裂缝模型中1#和2#坚硬顶板的提前破断,并扰乱了采场应力分布,进而引发其余坚硬顶板的提前破断,最终作用到1#压力盒上的矿压明显低于原型作用到1#压力盒上的矿压。表明水力压裂坚硬顶板形成水平裂缝或垂向裂缝能有效降低原采场工作面的矿山压力。

此外,同样值得关注的还有预制裂缝的坚硬顶板的破断对工作面支承压力的影响。图9为水平裂缝模型中1#坚硬顶板破断时监测的压力与原型的对比。图9中1#～20#压力盒布置在煤层中以监测工作面推进过程中工作面的超前支承压力,21#～30#压力盒布置在1#坚硬顶板底部,31#～35#压力盒布置在2#坚硬顶板底部,36#～40#压力盒布置在5#坚硬顶板底部,如图3(a)所示。

图9 水平裂缝模型中1#坚硬顶板破断时的压力与原型的对比Fig.9 Comparison between the pressure of the 1# hard roof breaking in the horizontal crack model and the prototype

由于水平裂缝对坚硬顶板具有分层作用,使得含水平裂缝的坚硬顶板可能上下两部分同时破断,或者下半部分先破断,然后上部分再破断。本次实验中,1#坚硬顶板破断时并未完全破断,而是从水平裂缝处开裂,仅水平裂缝下半部分的坚硬顶板破断垮落了[图10(b)],而上半部分依然对其上覆岩层的运动起着控制作用。同时此时的水平裂缝模型中的岩层垮落情况与原型差异不大(图10),所以在图9中水平裂缝模型和原型中监测的压力整体上差别较小。

图10 水平裂缝模型中1#坚硬顶板破断时与原型图像的对比Fig.10 Comparison between the 1# hard roof fracture in the horizontal crack model and the prototype image

图11为垂向裂缝模型中1#坚硬顶板破断时监测的压力与此时原型中的压力对比。可以看出,在1#和2#坚硬顶板中预制垂向裂缝后,工作面的超前支承压力较原型显著降低。这是由于在1#和2#坚硬顶板中预制垂向裂缝后,切断了1#和2#坚硬顶板在水平方向上的连续性而使其易于破断,所以在工作面推进至172 cm时1#和2#坚硬顶板同时破断,顶板岩层从20#岩层瞬间垮落到了26#岩层[图12(b)]。伴随着顶板岩层的快速垮落,覆岩作用到工作面的压力也随之降低。

图11 垂向裂缝模型中1#坚硬顶板破断时监测的压力与原型的对比Fig.11 Comparison between the pressure monitored during the fracture of the 1# hard roof in the vertical crack model and the prototype

图12 垂向裂缝模型中1#坚硬顶板破断时与原型图像的对比Fig.12 Comparison between the 1# hard roof fracture in the vertical crack model and the prototype image

图13为水平裂缝模型中2#坚硬顶板破断时监测的压力与此时原型中的压力。此时可以看到水平裂缝模型中工作面的超前支承压力明显小于原型中的超前支承压力。原因在于水平裂缝模型中2#坚硬顶板破断时为全部破断,而非其1#坚硬顶板破断时的部分破断,并使其上覆直至上一层坚硬顶板之间的岩层随之破断,使顶板的垮落较原型更为充分,如图14所示。工作面的压力得到一定程度的释放,导致作用在工作面的超前支承压力降低。至于垂向裂缝模型中2#坚硬顶板破断时监测的压力则与图11相同,因为垂向裂缝模型中1#和2#坚硬顶板同时破断。

图13 水平裂缝模型中2#坚硬顶板破断时监测的压力与原型的对比Fig.13 Comparison between the pressure monitored during the fracture of the 2# hard roof in the horizontal crack model and the prototype

图14 水平裂缝模型中2#坚硬顶板的破断与原型图像的对比Fig.14 Comparison between the fracture of the 2# hard roof in the horizontal crack model and the prototype image

4 结论

采用物理相似模拟实验方法,通过在模型中坚硬顶板内分别不预制裂缝、预制水平裂缝和预制垂向裂缝,研究了采场上覆坚硬顶板无水压裂缝、坚硬顶板含水平水压裂缝或含垂向水压裂缝时对工作面矿山压力显现的影响,得出如下结论:

(2) 水力压裂坚硬顶板后顶板周期垮落步距缩短。在本实验中,受水平裂缝影响,顶板平均周期垮落步距降低23.08%;受垂向裂缝影响,顶板平均周期垮落步距降低19.23%。无论是含水平水压裂缝的模型,还是含垂向水压裂缝的模型,其坚硬顶板的破断位置均提前了,平均破断步距缩短了10.23%。

(3) 随工作面推进长度增大,上覆岩层在开切眼煤壁附近的压力随之增大。水力压裂坚硬顶板并未改变此压力增长趋势,但当工作面进入裂缝影响区后此压力增长值降低,同时工作面超前支承压力降低,表明水力压裂坚硬顶板能有效地降低工作面的矿山压力显现,从而可避免或降低矿山压力灾害。