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第4 5 卷第1 0 期 2 0 2 0 年1 0 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 .4 5 0 c t . N o .1 0 2 0 2 0 移动阅读 杨俊哲,郑凯歌,王振荣,等.坚硬顶板动力灾害超前弱化治理技术[ J ] .煤炭学报,2 0 2 0 ,4 5 1 0 3 3 7 1 3 3 7 9 . Y A N GJ u n z h e ,Z H E N GK a i g e ,W A N GZ h e n r o n g ,e ta 1 .T e c h n o l o g yo fw e a k e n i n ga n dd a n g e r - b r e a k i n gd y n a m i cd i s a s - t e r sb yh a r dr o o f [ J ] .J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ,2 0 2 0 ,4 5 1 0 3 3 7 1 3 3 7 9 . 坚硬顶板动力灾害超前弱化治理技术 杨俊哲1 ,郑凯歌2 ”,王振荣1 ,庞乃勇1 1 .神华神东煤炭集团有限责任公司,陕西神木7 1 9 3 1 5 ;2 .中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安7 1 0 0 5 4 ;3 .安徽理工大学地球与环 境学院,安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要随着我国煤炭开采深度的不断增加,坚硬顶板开采条件引发的强矿压动力灾害日益加剧, 严重威胁矿井的安全生产。针对神东矿区坚硬顶板发育典型灾害发生区域,综合采用物理模拟、数 值分析,工程应用等手段,研究了厚硬顶板覆岩破断特征,提出了低位关键层“悬臂梁”回转破断促 使动静叠加载荷过灾害阈值引发的矿压动力灾害发生的机理,揭示了顶板弱化治理强矿压动力灾 害的有效性。据此研发了坚硬顶板分段水力压裂超前弱化治理技术,开发了基于孔内瞬变电磁的 定向长钻孔 4 0 0m 的压裂影响范围的探测技术,并在神东布尔台煤矿典型的工作面开展了工程 应用。单个钻场布置钻孔3 个,钻孔长度3 3 0 6 0 0m ,钻孔孔径为9 6m m ,实现了单孔超过6 0 0m 分1 2 段以上压裂的3 1 0m 工作面的全区域有效弱化,累计注水量达29 5 7 .2 5m 3 。应用结果表明, 顶板分段水力压裂最高压力3 0 .5M P a ,破裂压降最大达1 2 .9 0M P a ,3 .0M P a 以上压力降3 6 5 次, 形成了有效的压裂裂缝;探测压裂影响低阻异常区1 1 个,判识压裂影响范围达3 5m ;与未压裂区 域相比,压裂后工作面顶板来压步距、动载系数、支架峰值阻力分别降低1 8 .9 0 %~7 0 .6 0 %, 5 .7 9 %~7 .9 0 %,1 3 .6 5 %~1 9 .4 0 %。工程实践表明坚硬顶板超前分段水力压裂,有效减弱了矿压 显现强度,实现了坚硬顶板动力灾害的弱化解危。 关键词坚硬顶板;动力灾害;超前弱化;悬臂梁;分段水力压裂 中图分类号T D 3 2 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 1 0 - 3 3 7 卜0 9 T e c h n o l o g yo fw e a k e n i n ga n dd a n g e r - b r e a k i n gd y n a m i cd i s a s t e r sb yh a r dr o o f Y A N GJ u n z h e l ,Z H E N GK a i g e 2 ⋯,W A N GZ h e n r o n 9 1 ,P A N GN a i y o n 9 1 1 .S h e n h u aS h e n d o n gC o u £G r o u pC o r p o r a t i o nL i m i t e d ,S h e n m u7 1 9 3 1 5 ,吼i n a ;2 .X i ’a r tR e s e a r c hI n s t i t u t eo f C h i n aC o a fT e c h n o l o g y &E n g i n e e r i n gG r o u p C o r p ,X i ’a n7 1 0 0 5 4 ,C h i n a ;3 .S c h o o lo f E a r t ha n dE n v i r o n m e n t ,A n h u iU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ,C h i n a A b s t r a c t W i t ht h ei n c r e a s i n go fc o a lm i n i n gd e p t h ,t h es t r o n gp r e s s u r ed y n a m i cd i s a s t e rb yh a r dr o o fi n t e n s i f yd a yb y d a y ,w h i c hs e r i o u s l yt h r e a t e n st h es a f e t yo fm i n ep r o d u c t i o n .B a s e do nt y p i c a lc o a lm i n ew i t ht h eh a r dr o o fd i s a s t e ro f S h e n d o n gm i n i n ga r e a ,t h ev e r b u r d e nr o c kf r a c t u r eu n d e rf u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gm i n i n gw i t hh a r dr o o fa r es t u d i e d a n dt h ep r i n c i p l eo fd y n a m i ch a z a r d sc a u s e db yd y n a m i co v e r l o a d i n go fs t a t i ca n dd y n a m i cl o a d sd u et o “c a n t i l e v e r b e a m ”r o t a t i n gc o l l a p s eo fl o wk e yl a y e ri sp r e s e n t e d ,t h ee f f e c t i v e n e s so fr o o fw e a k e n i n gt oc o n t r o lt h ed y n a m i cd i s a s t e ro fs t r o n go r ep r e s s u r ei sr e v e a l e d ,w h i c ha r ec o m p r e h e n s i v eu s i n gp h y s i c a ls i m u l a t i o n ,n u m e r i c a la n a l y s i s ,t e c h n o l o g Yd e v e l o p m e n t ,t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nm e t h o d s .B a s e do nt h i s ,t h ec o n t r o lm e t h o d sf o rp r e v e n t i n gr o c kb u r s to f m u l t i - p o i n td r a gh y d r a u l i cf r a c t u r i n go fr i g i dr o o fw a sp r o p o s e d ,t h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yo ff r a c t u r i n gi n f l u e n c er a n g e o fd i r e c t i o n a ll o n gb o r e h o l e 4 0 0m b a s e do nt r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i ci nb o r e h o l ew a sd e v e l o p e d ,a n di t se n g i n e e r - 收稿日期2 0 2 0 0 5 2 6修回日期2 0 2 0 0 7 2 4 责任编辑常琛D O I 1 0 .1 3 2 2 5 /j .c n k i .j C C S .2 0 2 0 .0 5 9 9 基金项目“十三五”国家科技重大专项资助项目 2 0 1 6 Z X 0 5 0 4 5 0 0 2 - 0 0 2 作者简介杨俊哲 1 9 6 4 一 ,男,陕西洋县人,教授级高级工程师,博士。E m a i l y j u n z h e 1 6 3 .c o m 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 i n ga p p l i c a t i o ni sc a r r i e do u ti nt y p i c a lm i n e s .T h r e ed r i l l i n gh o l e sa r ea r r a n g e di nas i n g l ed r i l l i n gf i e l d ,t h el e n g t ho f d r i l l i n gh o l e si s3 3 0 6 0 0m ,a n dt h ed i a m e t e ro fd r i l l i n gh o l e si s9 6m m .T h i sf r a c t u r i n gh a sr e a l i z e dt h ee f f e c t i v e w e a k e n i n go ft h ew h o l er e g i o ni nt h e31 0mw o r k i n gs u r f a c ew i t has i n g l eh o l eo v e r6 0 0ma n d1 2f r a c t u r i n gs e c t i o n s , a n dt h ec u m u l a t i v ew a t e ri n j e c t i o nv o l u m eh a sr e a c h e d29 5 7 .2 5m 3 .T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mh y d r a u l i c f r a c t u r i n gp r e s s u r ei s3 0 .5M P a ,t h em a x i m u mf r a c t u r ep r e s s u r ed r o pi s1 2 .9 0M P a ,a n dt h ep r e s s u r ed r o pa b o v e 3 .0M P ai sm o r et h a n3 6 5t i m e sb yi m p l e m e n t i n gt h er o o fs e c t i o nh y d r a u l i cf r a c t u r i n gw e a k e n i n gt e c h n o l o g ya c c o r d - i n gt ot h es e l e c t e do ff r a c t u r i n gt a r g e tl a y e rb yd e t e r m i n a t i o nf o r m u l a .E l e v e nl o w - r e s i s t i v i t ya b n o r m a lz o n e sa f f e c t e db y f r a c t u r i n gw e r ed e t e c t e d ,a n dt h ei m p a c tr a n g eo ff r a c t u r i n gw a sj u d g e dt ob e3 5m .T h er o o fp r e s s u r es t e p ,d y n a m i c f a c t o r ,m a x i m u mp r e s s u r ea r er e s p e c t i v e l yr e d u c e db y1 8 .9 0 %一7 0 .6 0 %,5 .7 9 %一7 .9 0 %,1 3 .6 5 %一1 9 .4 0 %w h i c h a r ec o m p a r e dw i t ht h ea n - f r a c t u r e ds e c t i o n s ,t h ed e f o r m a t i o na l o n gt h eg r o o v ei se f f e c t i v e l yc o n t r o l l e d .T h ed y n a m i c d i s a s t e ro fh a r dr o o fi sw e a k e n e da n ds o l v e d ,t h ee q u i p m e n ta n dt e c h n i c a la r ep r o v i d i n gf o rl a r g ea r e aa d v a n c ew e a k e n i n gi nw o r k i n gf a c eo rp a n e l . K e yw o r d s h a r dr o o f ;d y n a m i cd i s a s t e r ;a d v a n c ew e a k e n i n g ;c a n t i l e v e rb e a m ;d y n a m i cf a c t o r ;s t a g e dh y d r a u l i cf r a c t u r i n g 复杂地质条件下,形成了我国煤层赋存的多样 性,据统计,我国有1 /3 以上煤层顶板发育有厚层坚 硬顶板oI - 2 ] 。坚硬顶板是指岩石强度高、节理裂隙不 发育、厚度大、整体性和承载能力强的岩层。坚硬顶 板发育的区域在回采过程中,来压强度大,动载扰动 强,易发生大面积悬顶。顶板悬顶长度到极限时,突 然发生垮落,将聚集于采空区空间的气体迅速带出, 诱发工作面发生飓风、压架、乃至冲击地压等动力灾 害问题,严重制约了矿井安全高效生产‘5J 。李新元 掣刮通过采矿学、材料力学等方面研究,提出了覆岩 应力及应力增量作用条件下的厚硬顶板初次断裂力 学结构模型,并构建了能量分布估算公式。姜福兴 等【_ 针对厚层坚硬顶板条件,构建了“载荷三带”力 学结构模型,并开发了冲击危险性评价、监测及防治 的治理体系。张科学等旧1 探讨了巨厚砾岩条件与构 造条件耦合作用下回采巷道冲击地压的发生机制。 孔令海等一。1 2 1 研究了高位硬厚岩层“见方”破断规律 及冲击机制,提出见方期间来压强烈,易引发强矿压 灾害。黄炳香等列针对坚硬顶板诱发煤层强矿压显 现灾害,指出水压致裂可改造顶板岩体结构,控制工 作面顶板的冒落,并提出了坚硬顶板水压致裂控制的 理论与成套技术框架。陆菜平等4 1 针对坚硬顶板诱 发冲击地压灾害的波普特征,发现了冲击地压发生矿 压发生时矿震主频处于极低值的现象。何江等5 ‘1 6 1 研究认为坚硬顶板发生破断时,破断应力传递至回采 煤层,并在下部承载煤体和支护体上产生应力增量, 严重时可诱发冲击矿压显现。 综上所述,国内学者对坚硬顶板发育条件下诱发 强矿压动力灾害机制,实时监测及危险性评价体系, 及灾害防治技术进行了卓有成效的研究,研究成果大 幅提高了坚硬顶板强矿压灾害科学防治技术的发 展7 。。但多集中在局部防治措施,对于坚硬顶板强 矿压动力灾害超前区域防治技术研究较少。笔者以 神东矿区典型矿井为背景,综合物理模拟、数值方法 等研究手段,揭示了坚硬顶板条件下的覆岩破断方 式,探究了坚硬顶板超前压裂对采场矿压显现强度的 弱化效应。基于此,提出了坚硬顶板的定向长钻孔分 段水力压裂超前弱化治理技术,并开展了工程应用试 验,实现了采场强矿压灾害的科学防控。 1 坚硬顶板覆岩结构特征 随着工作面的不断推进,采场上覆岩层结构发生 变化,并对工作面矿压显现产生影响。李志华掣1 8 J 基于直接顶充填系数Ⅳ及上覆关键层特点,对工作 面坚硬顶板覆岩结构进行了分类,分为4 类6 种。 当』、r ≥3 时,表示垮落带内岩层能够随着开采 自然冒落,并能充填满采空区,回采过程中该类顶 板矿压显现不显著,有利于采场顶板围岩控制;反 之,若N 2 .5m ,且单轴抗压强 度 6 0M P a 的岩层划分为坚硬岩层 。本文研究区 域煤层顶板多为多层关键层,直接顶充填系数小于 2 如布尔台4 2 1 0 8 工作面为0 .6 4 0 ,属于Ⅱ类顶板 覆岩结构。 万方数据 杨俊哲等坚硬顶板动力灾害超前弱化治删技术 3 3 7 3 表1煤层顶板岩层结构分类 T a b l e1C l a s s i f i c a t i o no fr o o fs t r a t as t r u c t u r eo fc o a Is e a m Ⅱ类役岩结构直接顶厚度薄,老顶常常直接赋存 于煤层之上。造成无直接顶垮落或薄层直接顶垮落 不能实现采空区充填完全,采空区覆岩可运动空间 大,低位关键层将发生大角度的回转垮落,高层位关 键岩层方能形成稳定的“砌体梁”铰接平衡结构。 a 3 .0 m 条件下覆岩破断模型 2 坚硬顶板综放开采致灾原理 F i g . 2 .1 覆岩关键层破断特征 煤层开采高度和顶板覆岩特征决定了“两带”发 育形态和特征,在研究区既定覆岩结构条件下,煤层 采高成为影响顶板岩层破断形式和特征的关键冈素。 神东矿区煤层赋存稳定,6 .01 1 1 以上煤层资源占据总 储量的7 8 .1 %,多采用综采或者综放一次采全高旧叫 的开采方法。为了揭示研究区开采条件下覆岩破断 特征,采用物理模拟方法,针对常规采高 3 .0m 和 研究区大采高 7 .0n 1 条件进行破断分析,铺没重力 条件下的平面应力模型,模拟实验的几何相似比 为1 1 0 0 ,容重相似比为0 .6 .应力强度相似比 为1 1 7 0 ,时间相似比为1 l2 ,实验架台为长 1 2 0c l n X 宽8 1 1 1 。顶部松散层载荷以铁块代替。模 型上方未模拟覆岩高度以补偿载荷加载到平面模型 架上替代,模型如图1 所示。 模型开挖后,覆岩关键层结构形态如图2 a 所 示,当采高较小时 3 .0m ,距离煤层较近的低位关 键层,其破断块体均能相互铰接.形成了“砌体梁”结 构,且铰接块体回转角较小。当采高增大为7 .0m 时 图2 1 , ,关键层破断块体下方可同转空问显著 增大,导致低位关键层破断块体未能相互铰接而进人 了“垮落带”范围内,并以“悬臂梁”结构的状态出现; 距离煤层较远的关键层 上位关键层 处于覆岩裂隙 带中,则形成了“砌体梁”结构。 显然,煤层回采高度越大、关键层所处层位越低, 更易形成“悬臂梁”结构,并为低位坚硬顶板关键层 破断回转提供了空间,易形成动力灾害。这也合理解 释了研究区中典型矿井如布尔台煤矿采高为6 .2m , b 7 .01 1 1 条件下覆岩破断模型 图12 方案模拟实验模型 M o d e lt l i a g r a mo t ’1 w op l ’g J l a m ss i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s b 7 .0m 米局必键层”悬臂梁”与“t l J J 体柒”结构 图2 不同采高条件下模拟实验模型。2 ” F i g .2 S i i n u l a l i o ne x p e l i n l e l l tL l l i d e rd i f f e i ‘t - J 1 l m i n i n gh e i g h t s 1 1 煤层顶板2 5 ~3 0n l 多发育一层坚硬细粒砂岩关键 层,工作面强矿压显现频发的现象 2 .2 坚硬顶板致灾原理分析 工作面开采后围岩应力重新分布,在坚硬顶板悬 臂梁未破断前,悬顶面积不断增大,顶板不断积聚能 量,在发生冲击矿压灾害破坏前围岩在静载应力场处 于极限平衡状态。当煤矿井下发生采掘扰动时,新的 扰动应力对处于极限平衡状态的煤岩体产生动载效 应,开采扰动载荷和地应力静载荷的耦合叠加作用 下,应力叠加结果超过煤岩层的临界承载值,达到煤 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 岩动力灾害发生的临界载荷,诱导煤岩体发生塑性破 坏,导致顶板压动力灾害的发生旧2 1 2 3J 。与煤层分层 开采方式对比,厚煤层工作面采高加大,垮落带范围 增加。同等覆岩结构条件下,直接顶垮落高度难以填 满采空区空间,无法形成有效支撑,覆岩破断过程发 生大角度回转运动,难以与已垮落岩体形成有效接 触,形成不稳定覆岩结构4 I 。当不稳定结构发生失 稳产生大量动载荷盯,与煤岩体静载荷盯,形成有效 叠加,当其值大于煤岩体发生动力灾害的临界荷载 o r 。。。时,就会诱发强矿压动力灾害。煤岩动力灾害 发生的“动静叠加原理”,如图3 所示。 图3动静载荷叠加煤岩动力灾害原理 F i g .3P r i n c i p l eo fd y n a m i ca n ds t a t i cl o a d i n g s u p e r i m l m s e dc o a la n dr o e kd y n a m i cd i s a s t e r 3 坚硬顶板动力灾害防治技术 3 .1 坚硬顶板弱化防治模拟分析 3 .1 .1 模型建立 为了揭示坚硬顶板岩层存在与否,回采过程中矿 压显现特征,为坚硬顶板压裂弱化技术模式建立提供 支撑。以神东矿区典型矿井4 2 煤层4 2 1 0 8 综采工 作面为依托,结合矿井地质资料可知,工作面回采4 2 煤层,工作面回采长度为51 7 0m ,倾向长度3 1 0I l l , 煤层埋深3 7 0 ~4 7 5m ,主采煤层为侏罗系延安组4 - 2 煤,煤层厚度为3 .8 ~7 .3m ,平均6 .0 5I l l ,煤层倾角 1 。~4 。。直接顶为砂质泥岩,平均1 2 .0 0m ;基本顶 为细砂岩,平均厚度为2 2 .0 0m 图4 ,岩层抗压强 度平均6 0M P a 以上,坚硬难垮。 采用F L A C 川’进行三维数值模拟计算,模型规格 选取长6 0 0m ,宽度4 0 0n l ,高度9 4n 1 。模型左右两 侧及顶部施加应力边界条件,垂直方向顶部施加均匀 布置荷载,其值为盯 5 .5M P a ,侧应力依据侧压系 数进行计算,模拟区域侧压系数为0 ,4 5 。模型左右 侧设置X 方向位移边界,前后两端设置Y 方向位移边 界,上端面为自由端 图4 ‘2 5o 。经单元划分,形成计 算网格,共计单元体1 3 68 4 0 个,节点1 5 45 0 4 个。 a 三维模型 q 5 .5M P a - 2 - 2F 煤 1 4 2 煤边界 I 巷道 - 砂质泥岩1 - 砂质泥岩2 - 砂质泥岩3 I 粉砂岩1 I 粉砂岩2 - 细粒砂岩1 b 力学边界及监测线布置 图4 数值模拟模型 F i g .4 N m n e r i c a ls i n m l a t i o nm o d e l 3 .1 .2 模型参数及方案 模型参数主要根据现场取样和岩石力学试验结果 获得,考虑到岩石的尺度效应,模拟计算采用的参数结 果见表2 ,本次模拟所涉及的材料均属于弹性材料,因 此模拟所采用的本构模型为库伦一摩尔塑性模型。 六邓.飞} 慧S I l l1 c √} 鬻S I l l ㈩ J 一 ∞ ’、/l 一 ∞ 其中,6 ,,舀分别为最大和最小主应力;c 和妒分别为黏 聚力和内摩擦角。当.f o 时,材料将发生剪切破坏。 在通常应力状态下,岩体的抗拉强度很低,因此可根据 抗拉强度准则 民≥爵 判断岩体是否产生拉破坏。 表2 模型岩石物理力学参数 T a b l e2R o c kp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r si nm o d e l 分段水力压裂技术可实现坚硬顶板的有效改造, 促使岩层形成新的压裂主裂缝,随着大量压裂液的注 入下裂缝不断向外延伸,在岩层节理或裂缝位置发生 转向和扩展,形成侧向次级和二级次生裂缝,如此循 环,直至与天然裂缝彼此交织形成裂缝网络系统。其 可实现坚硬岩层的弱化,等效于将坚硬顶板岩层强度 降低至非坚硬顶板岩层。本次模拟方案中采取利用 研究区坚硬顶板不发育的工作面顶板岩层的岩石力 万方数据 第1 0 期杨俊哲等坚硬顶板动力灾害超前弱化治理技术 学参数等效弱化治理结果 模型2 ,坚硬顶板岩石力 学参数为研究区4 2 1 0 8 工作面基本顶细粒砂岩力学 参数 表3 ,其参数来源于工作面顶板岩石力学参数 测试结果。基于此,建立不同条件下的正交模型,间 隔4 0m 布置应力监测线,揭示坚硬弱化改造治理的 强矿压灾害解危效应。 表3 不同模型对比层力学参数 T a b l e3M o d e lc o m p a r i s o nl a y e rm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 3 .1 .3 模拟结果分析 1 弱化前后覆岩破坏特征。由图5 可知,在坚 硬顶板弱化前,随着工作面的不断推进,煤层顶板的 塑形破坏区不断增加。回采至6 0n l 时,顶板首先发 生了以拉破坏为主的拉、剪混合破坏;回采至1 0 0m 时,发生大规模的剪切破坏。随着工作面持续推进, 回采至1 4 0I I l 时,顶底板塑性区范围均增加,煤体周 围塑性区向两侧延伸。 N o n e I 蒜s h e a r - 裟p 戮P 心。。 I l l t e n s i o n .P a 同采至6 0 m 塑性区发育 I I N o n e I 纂s h e a r - 曼p 慧‰协巾 _ t e n s i o n 一9 b 回采至1 0 0i n 塑’陀区发育 I I N o n e 燃s h e a r - p 淼畔P 心。。 It e n s i o n .P C 回米全1 4 0 m 型‘件区发百 图5 弱化前覆岩破坏特征 F i g .5 F a i l u r ef e a t u r e so fo v e r b u r d e ns t r a t ab e t b r ew e a k e n i n g 由图6 可知,对坚硬顶板进行弱化后,工作面回 采至4 0n 时,顶板发生了大规模拉、剪混合破坏,顶 板出现初次破断;持续回采至8 0n l ,顶板拉破坏增 加,形成了中部以剪切破坏为主,工作面端头剪切破 坏大幅增加的椭球体形态特征。 ■■■■■■■●■■■■- _ N .o n e , s h e a r - ns h e a r - - Pt e n s i o n - P I 裟s h e a r - 僦p 舞劬咖帅 t e n s i o n nt e n s i o n - - P t e n s i o n - P a 1 回采至4 0 m 塑性区发胄 - N o n e s h e a r - ns h e a r Pt e n s i o n P I 裟s h e a r - p 善慧‰m 一。 t e n s i o n nt e n s i o n - P b 川米至6 0m 型性K 发自 图6 弱化后覆岩破坏特征 F i g .6 F a i l u r et e a t u r e so fo v e r b u r d e l ls t r a t aa f t e rw e a k e n i n g 2 弱化前后顶板应力变化。由图7 a , b 分 析可知,坚硬顶板弱化前后,工作面回采至6 0n 时。 工作面回采区域呈现卸压、应力集中区域、原始应力 等应力场分布现象。工作面两端头出现应力集中现 象,应力集中峰值在工作面两端的煤壁处,超前弱化 前应力集中峰值达1 1 .2 5 M P a ,应力集中系数 1 .5 3 原始应力为7 .3 5M P a ;超前弱化后,应力集中 37 4 0 ,、.45 a 弱化前回采至6 0mJ 电力变化 b 弱化后回采至6 0m b k - 力变化 l 作面对应位置/m c 【作面垂直应力变化 图7回采过程应力变化特征 F i g .7 C h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sv a l l i a t i o nd u r i n gs t o p p i n g d臼声二一j话 35050505050505L 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 峰值降低为8 .8 7M P a ,应力集中系数1 .2 1 。超前弱 化前顶板初次来压步距为1 0 0f n 周期来压步距为 4 0 一n ;超前弱化后,工作面初次来压步距为4 0H I ,周 期来压步距降低至2 0m 。由图7 c 分析可知,坚硬 顶板弱化后,最高应力由1 9 .7M P a 降低至 1 0 .2M P a ,实现了有效的卸压弱化,为坚硬顶板引起 的强矿压的弱化治理,提供了有效研究方向。 3 .2 坚硬顶板分段水力压裂弱化技术 针对以上问题,结合坚硬顶板致灾原理分析结 果,开发了煤矿井下顶板超长定向钻孔裸眼分段压裂 强矿压灾害防控技术。超前工作面回采,实现治理目 标层位的精准控制,采用裸眼分段水力压裂装备和技 术,破坏坚硬顶板完整性,消除或减弱动载荷能量,将 扰动和静载荷叠加结果降低至强矿压阈值以下。 3 .2 .1 压裂工艺技术 裸眼分段水力压裂弱化技术装置是由自动化压 裂泵、引鞋、裸眼密封装置、节流器、高压亚雷管等组 成。该技术的工艺原理为在目标层位中形成定向长 钻孔后,依托定向钻机将压裂成套装备组合推送至孑L 底压裂段位置。利用压裂段前后双裸眼密封装置限 定单个压裂段区域,裸眼密封装置内置水路传递通 道,实现了压裂管柱中压裂液与封隔器压力的相互传 递,可实现“注水坐封、排水解封”的功能 图8 。 图8分段压坚硬巧l 板弱化不蒽 F i g .8 S e c t i o np l ’e S S U I ’eh a r dr o o fw e a k e n i n g 采用远程控制高压泵组及,预先进行小排量缓慢 注水,确保封隔器均匀膨胀坐封 注水压力为3 ~ 5M P a 。封隔器完成坐封后,高压泵组持续注水,注水 压力升至临界压力值后,节流器打开,泵注压裂液开始 充填密封压裂段空间,直至达到该压裂段施二【设计;完 成首段压裂施工后,停止压裂装备运转,开始孔口排水 卸压,裸眼密封装置随着高压水的返排逐步回缩至原 始规格;通过压裂孑L f L 口钻机装置进行高压压裂管抽 拉,定量拖动至第二段压裂施[ 位置,开展该段压裂施 工,按照设计逐步完成单孑L 各个i 殳计压裂段施工。 3 .2 .2 压裂弱化原理 坚硬顶板分段压裂技术是通过在一定密封体积条 件下,利用压裂泵组大量压裂液注入压裂段空间。随 着注水压力的逐渐升高,形成了一套以高压压裂裂缝 为主、次级裂缝延伸和自生节理及裂隙的沟通裂缝的 压裂弱化缝网体系。压裂缝网体系的建立,降低目标 岩层结构整体强度。分段水力压裂缝网的形成是压裂 新缝的产生和扩展,并与煤岩体自生节理、裂隙沟通综 合叠加的结果。在裸眼长钻孑L 压裂过程,基于沉积岩 石自生节理与裂隙系统的存在,高压注水压力达到煤 岩的破裂压力时,可建立多条水力压裂裂缝体系,裂缝 体系主裂缝方向仍会以垂直最小主应力方向为主K ⋯。 压裂过程中,坚硬顶板受到高压水作用,发生 “起裂一裂缝延伸一循环起裂”等多个过程,该过程 伴随着能量的消耗,尤其是对于坚硬顶板聚集的能 量,是单一不可逆的释放过程。通过压裂裂缝消耗散 能量,减弱坚硬顶板大面积悬顶形成的集中能量,促 使动静载荷叠加应力减弱至冲击阈值以下。 4 坚硬顶板分段压裂弱化解危应用 4 .1 地质条件分析 神东布尔台煤矿位于东胜煤田范围南缘,基于 4 2 1 0 8 工作面地质条件 图9 ,通过临近工作面回采 过程中的数据监测和记录,厚度达2 2 .0H 1 以上的细 粒砂在回采过程悬顶面积大,来压强度高,周期来压 期间最高支架阻力达6 0M P a 以上,临近工作面巷道 底臌及煤壁片帮严重,最大底臌量达1 .5n l ,工作面 支架多次出现压死、爆缸动力灾害现象等问题。 岩层 柱状 层厚/m埋深/n 1层位 砂质上覆 泥青 1 48 73 7 I8 I 岩层 细粒 基本顶 砂岩 2 2 .O O3 8 6 .6 8 坚硬压裂 层位 砂质 直接顶 泥岩 1 2O O4 0 8 .6 8 毳差 6 .0 54 2 0 .6 8 煤层 网9 钻孔岩性柱状 F i g .9 B o r e h o l el i t h o l o g yh i s t o g r a m 4 .2 分段水力压裂施工 根据井下顶板垮落及来压特征,为了实现目标层 位有效弱化,针对工作面宽度,设计顺煤层方向布置 3 个定向长钻孔,钻孔采取等间距布置。剖面层位布 置于顶板坚硬岩层关键层中,依托∑,h 彬 K 。.一 1 M 为采高,6 .2i n ;K 。为岩石破碎后的碎胀系数, I .2 5 公式计算可知采空区充满所需垮落带高度 2 4 .8i n ,为了保证压裂弱化效果,对上覆岩层形成有 万方数据 第1 0 期杨俊哲等坚硬顶板动力灾害超前弱化治理技术 效支撑,优选钻孑L 布置于距离煤层顶板2 5n ,的细砂 岩关键层中。 利用中煤科工集团西安研究院有限公司自主研 发的Z D Y 60 0 0L D 型定向钻机,在4 2 1 0 8 工作面辅运 联巷煤层中部开孔。钻孔采用两级孔身结构其中一 开 孔径 9 6l n l l ] 钻进至3 5H I ,经过 9 6l n I Y l 一 西1 5 3m m 一咖1 9 3l n m 两次扩孔后,下入 1 4 6l l l l l l 套 管,使用封孔水泥注浆、固孑L ,候凝4 8h 。经检测固孔 合格,待压水结束、封孑L 合格后,进行二开 孔径 9 6I I l i l l 定向钻进;钻进至设计孔深后,终孔。为了 保证钻探及后期压裂施工安全,在孔口安装了孔口套 管,并在孔口部分用无缝钢管焊接西1 5 9m m
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