坚硬顶板强矿压动力灾害演化机理与超前区域防治技术.pdf

坚硬顶板强矿压动力灾害演化机理与超前区域防治技术 郑凯歌1,2，王林涛1，李彬刚1，李延军1，杨欢1，杨森1， 戴楠1，王豪杰1，王泽阳1，席杰1 1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 2. 安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001 摘要工作面上覆坚硬顶板往往不易垮落，破断后易形成动压灾害。以神东矿区布尔台煤矿为背景， 针对典型坚硬顶板造成的强矿压动力灾害问题，采用数值模拟、理论分析的方法分析并揭示坚硬顶 板弱化前后的应力演化特征及顶板破断机理，提出超前区域防治技术并应用于现场实践。结果表明 坚硬顶板破断演化特征分为 3 个阶段，即“长悬臂梁”阶段“砌体梁滑落失稳”阶段重新压实阶段， 其中“长悬臂梁”阶段支架上方顶板应力显著增大至 6.8 MPa，破断前支架上方顶板应力为破断后的 2 倍，其临界破断产生的应力释放是引起强矿压的根本原因，这也是弱化改造控制的主要阶段。基 于坚硬顶板灾害发生机理，提出“广域大空间”超前区域防治技术，阐述了绿色、精准、广域的防治 优势，以及钻孔轨迹控制、封孔质量控制、多孔联动效应的关键技术及治理评价体系。结合数值模 拟进一步验证防治技术的可靠性，当“长悬臂梁”结构弱化后，其破断前支架上方顶板应力为 4.6 MPa， 降幅 32.4，顶板破断演化特征 3 个阶段演变为来压前阶段“砌体梁滑落失稳”阶段重新压实阶 段，弱化后顶板各阶段支架上方顶板应力降幅达到 32.479.4，表明预成裂隙弱面和降低坚硬层 完整性能够有效改变顶板破断结构，显著降低来压强度。实践表明压裂过程产生多次压降，降幅 均达到 3 MPa 以上，探测裂缝发育长度达到 30 m 以上，压裂前后工作面周期来压步距降幅 44.9， 支架来压载荷降幅 18.1，治理效果良好。研究结果可为类似矿区动力灾害治理提供借鉴。 关键词强矿压灾害；区域防治技术；坚硬顶板；广域大空间；定向长钻孔；神东矿区布尔台 煤矿 中图分类号TD324 文献标志码A 文章编号1001-1986202208-0062-10 Dynamicdisasterevolutionmechanismofhighminepressureathardroofandadvancearea preventionandcontroltechnology ZHENG Kaige1,2, WANG Lintao1, LI Bingang1, LI Yanjun1, YANG Huan1, YANG Sen1, DAI Nan1, WANG Haojie1, WANG Zeyang1, XI Jie1 1. Xian Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology Engineering Group Corp., Xian 710077, China; 2. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China AbstractThe overlying roof on the hard roof working bench is usually not likely to fall off, while tends to dynam- ic pressure disaster. The stress evolution characteristics and roof breaking mechanism before and after hard roof weaken- ing were analyzed and revealed using the s of numerical simulation and theoretical analysis, and the advance area prevention and control technology were proposed and applied in the field practice, for the typical dynamic disaster prob- lem of high mine pressure that was caused by the hard roof against the background of the Buertai Coal Mine in the Shen- dong Mine Area. As indicated by the results, there were three stages of the hard roof breaking evolution characteristics, 收稿日期2022-04-03；修回日期2022-06-30 基金项目中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目2019XAYZD09 第一作者郑凯歌，1988 年生，男，河南周口人，博士研究生，副研究员，从事矿压与瓦斯动力灾害防治方面的研究工作. E-mail 第 50 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol. 50 No.8 2022 年 8 月COAL GEOLOGY the roof stress at the upper support before breaking was twice of that after breaking; the stress relief resulted from the critical breaking was the root cause of the high mine pressure. On the basis of the occurrence mechanism analysis of the hard roof disaster, the advance area prevention and control technology of wide-range large space was proposed, and the green, accurate and wide-range prevention and control advantages, the key technologies of drilling trajectory control, hole plugging quality control and multi-hole linkage effects as well as the governing uation system were elaborated. The reliability of the prevention and control technologies were verified in combination of the numerical simulation. After the long cantilever structure weakening, the roof stress at the upper support before breaking was 4.6 MPa, with the drop rate of 32.4. The three stages of the roof breaking evolution char- acteristics were pre-weighting stage “masonry beam falling and destabilization” stage re-compaction stage. After weakening, the drop rate of the roof stress at the upper support for each stage was 32.479.4, which indicated that the preed fissure weak surface and the hard stratum integrity reduction can effectively change the roof breaking structure and significantly decrease the weighting intensity. As indicated by the practice, the pressure drop occurred sev- eral times during fracturing, the drop rate was over 3 MPa, and the detection fracture developed to more than 30 m; the drop rate of the periodic weighting interval of the working bench before and after fracturing was 44.9, and the drop rate of the support weighting load was 18.1. The governing effect was good. The study result can provide references for the dynamic disaster governing in the similar mine areas. Keywordshigh mine pressure disaster; area prevention and control technology; hard roof; wide-range large space; dir- ectional long borehole; Boertai coal mine in Shendong Mining Area 随着我国煤炭资源开采强度的显著增加，矿井开 采的地质条件也逐渐复杂，其中工作面强矿压是目前 多数矿区煤层开采面临的主要问题之一1-2，其发生时 常表现有一定的动力冲击3。此类条件下，工作面顶 板往往存在一层或多层完整厚岩层，其力学特征往往 表现为强度大、分层厚度大、整体性好，抗拉强度多 高于普通岩层4，因此工作面推进过程中该层位顶板 常悬而不垮，当悬伸达到极限跨距后即会产生顶板瞬 间大尺度垮落，造成工作面来压剧烈，产生“飓风”等 动力灾害5-6，严重制约煤矿井下安全高效开采。 为此，我国众多学者针对坚硬顶板引起的灾害问 题展开研究，并在灾害机理、防治措施及技术上都取 得了一定成果。对于坚硬顶板灾害机理，于斌7、王开8 等针对坚硬厚层顶板条件，分别从顶板失稳形成的“砌 体梁”结构与初次来压前“两端固支梁”、周期来压“悬 臂梁”结构深入分析，并提出了合理悬顶长度等控制 方法。刘长友9、杨敬轩10等指出采场来压强度主要 与顶板自身厚度及强度成正比，且多层坚硬顶板的破 断形式及次序对矿压显现较为明显。夏彬伟等11采 用关键层理论、VIasov 理论与薄板理论相结合的方法 得到了厚硬岩层变形破断与裂隙、应力分布的关系。 宋高峰等12建立了坚硬顶板工作面架前破断动载冲 击力学模型，解释了支架围岩耦合机制关系。对于坚 硬顶板的治理措施及治理模式，冯彦军等13在现场压 裂孔两侧布置监测孔，实时监测泵压变化,深入分析煤 矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。何江等14提出了倾 斜薄煤层的切顶巷预裂顶板防治冲击地压方法，并得 到了现场实践验证。张自政等15针对坚硬顶板沿空 留巷顶板大面积来压等动力灾害，提出了浅孔爆破切 顶，采用巷旁充填体切落上位基本顶的坚硬顶板控制 技术。黄炳香等16提出了坚硬顶板水压致裂控制技 术，给出了短钻水力致裂影响因素、技术工艺、治理问 题类型等。郑凯歌等17-18、杨俊哲等19-20针对神东、 阳泉等矿区典型顶板灾害问题，通过实验研究、理论 分析等方法提出了以定向长钻孔水力压裂为基础的控 制技术，并应用于实际现场，通过瞬变电磁、孔内窥视 等丰富多样的探测手段验证了治理效果。于斌等21 针对高位坚硬顶板造成的动力灾害问题，提出了煤矿 坚硬顶板地面压裂控制采场矿压的新途径，为解决高 位坚硬岩层破断产生的灾害问题提供借鉴。 综上所述，国内学者针对坚硬顶板条件下的灾害 机理及控制技术都进行了丰富的研究与探索，对坚硬 顶板引起的灾害机理及防治技术奠定了基础。但工作 面直接顶为坚硬岩层时，其矿压显现通常表现较为 强烈，伴随有底鼓、冒顶、片帮等灾害，对于此类条件 下的顶板灾害发生机理、顶板破断演化特征以及相 应的区域化防治技术的综合研究较少。笔者以神东矿 区布尔台煤矿 42煤层工作面为研究背景，针对布尔 台 42煤典型 2030 m 坚硬顶板条件下的强矿压显现 及顶板破断特征展开研究，揭示该条件下强矿压灾害 发生机理及顶板破断演化特征，阐述顶板弱化防治技 术，提出水力压裂超前区域弱化的防治技术，为神东矿 区典型坚硬顶板强矿压显现问题提供可借鉴的研究 思路。 第 8 期郑凯歌等坚硬顶板强矿压动力灾害演化机理与超前区域防治技术 63 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 1坚硬厚顶板覆岩灾害演化机理分析 神东矿区布尔台煤矿目前主要开采 42煤层，煤 层埋深较大，在 400 m 左右，煤层上部顶板含有一层厚 度较大的砂岩层，对工作面矿压显现有一定的影响，实 践表明，工作面开采时底鼓、片帮等灾害频繁发生，严 重影响工作面安全回采。 1.1离散元数值模型建立 基于神东矿区布尔台煤矿典型坚硬顶板综合钻孔 柱状图 1 及物理力学参数表 1，建立 UDEC 数值计 算模型，采用 UDEC 数值软件对工作面开采过程中的 覆岩灾害演化规律进行模拟分析。 模型长 600 m，高 116 m，其余 280 m 上覆岩层采 用等效载荷代替。模型左右留设 200 m 边界，计算采 用摩尔库伦本构模型，模型顶部为自由边界，左右面 设置法向水平位移约束，底板设置法向垂直位移约束。 模拟每步开挖 5 m 并平衡一次，在模型高 23、26、46 m 处布置三条测线，布置区域为图 1 中开采区域，测线 长 200 m，每条测线共布置测点 100 个。模型岩层分 组及节理划分如图 2 所示。 为与实际开采工艺相符，模型在开挖过程中采用 支架命令，在煤壁处预支两组支柱模拟支架，其材料属 性为刚性，工作面每开挖一步，两组支柱均同时前移支 护，支架如图 2 中工作面红色支柱所示，通过支架模拟， 提取并分析支架上部顶板应力数据，分析坚硬顶板条 件下工作面顶板破断机理。 表1研究区煤岩物理力学参数 Table1Physicalandmechanicalparametersofcoalrocksinthestudyarea 层位岩性厚度/m抗压强度/MPa密度kgm3泊松比内摩擦角/ 底板砂质泥岩 4.8481.6023.900.2526.60 42煤煤 5.9624.0015.000.2028.20 基本顶粉砂岩 20.67101.7024.100.2524.70 间隔层砂质泥岩 14.5181.6023.900.2526.60 上覆岩层等效载荷 上覆岩层厚度 280 m 测线 1 测线 2 测线 3 坚硬岩层 模拟支架 116 m 600 m 边界区域 边界区域 开采区域 200 m 42 煤 23 m 26 m 46 m 图 2 模型建立及节理划分 Fig.2 Model establishment and joint division 1.2覆岩破断规律及应力演化特征 选取工作面部分典型结构进行分析，并对典型结 构采用测线进行应力监测。随着工作面不断推进，顶 板开始出现“长悬臂梁”22结构，并且悬臂梁的悬臂 距逐渐增大。如图 3 所示，悬臂距增大至 18 m，测点 监测到此时工作面支架上方顶板应力为 6.8 MPa；当 工作面继续推进 140 m 时，悬臂梁结构破断并产生滑 落，与后方岩块铰接形成“砌体梁滑落失稳”23结构， 此时，支架上方顶板应力降低至 3.4 MPa；当“砌体梁 滑落失稳”结构再次滑落失稳压实后，顶板来压结束， 此时工作面已推进至 150 m，工作面开始出现悬臂，支 架上方顶板应力有所升高，为 4.5 MPa。 岩性描述 砂质 泥岩 深灰色, 含植物化石碎片, 平坦状断口, 夹灰砂岩薄 层条带, 微波状层理 较发育 粉砂岩 灰色, 浅灰色, 粉砂状 结构, 多夹细粒砂岩、 砂泥岩薄层及条带 42 煤 黑色, 条痕呈褐色, 沥青 光泽, 暗煤为主 深灰色灰黑色, 顶部、底部 灰黑色, 参差状平坦状断口 砂质 泥岩 4.84 5.96 20.67 14.51 柱 状 岩性厚度/m 图 1 试验区坚硬顶板钻孔柱状分布特征 Fig.1 Column distribution characteristics of hard roof drilling in the test area 64 煤田地质与勘探第 50 卷 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 以上表明，悬臂梁结构在破断临界点会产生高应 力集中，在悬臂梁结构破断后会形成铰接结构，此时岩 层破断使部分能量释放，顶板应力降低，当铰接的“砌 体梁滑落失稳”结构再次滑落失稳后，工作面顶板应 力由于悬臂作用开始上升。 1.3坚硬厚顶板动力灾害形成机理 工作面坚硬顶板往往表现为薄直接顶厚硬岩层 或直接顶为厚硬岩层的赋存特点。工作面推进过程中， 直接顶即为坚硬厚岩层，垮落时没有充足垮落矸石及 时充满采空区或者煤壁顶板破断岩层下部空间，顶板 破断易形成“长悬臂梁”结构，并且在无直接顶充填以 及岩层自身强度影响下，悬臂距离长、回转角度加大， 造成来压强度大、持续性强等矿压异常现象。 如图 4 所示，在工作面推进过程中，直接顶为坚硬 岩层时，岩层破断往往呈“长悬臂梁”结构，其破断演 化特征主要分为 3 阶段。第 1 阶段，“长悬臂梁”结构 形成直接顶岩层具有强度大、分层厚、完整性好等特 点，在工作面开采时不易随采随垮，由于无直接顶充填， 与后方岩层未形成铰接结构，逐渐形成一端自由端，另 一端固支端的“长悬臂梁”结构，并且最终处于临界破 断状态图 4a；第 2 阶段，工作面煤壁前方顶板断裂后， 此时悬臂结构开始回转，随着工作面的推进，悬臂结构 回转角度增大，且由于采出空间较大，在垂直应力作用 下发生滑落失稳，与后方已垮落稳定岩块铰接，形成 “砌体梁滑落失稳”结构图 4b；第 3 阶段，随着工作 面推进，“砌体梁”结构再次滑落失稳，直到稳定压实， 此时垮落顶板重新压实，新“悬臂梁”结构又开始形 成图 4c。 2超前区域防治技术 2.1超前区域防治技术及优势 1 防治技术 依托覆岩破断的空间关系提出一种超前广域治理 的理念。在时间上，超前工作面治理，坚硬顶板超前分 段区域防治技术提前弱化顶板，规避以往传统治理方 法影响生产接续的缺点；在空间上，神东矿区工作面普 遍较宽，常规弱化装备及弱化技术难以达到全工作面 治理，超前分段区域防治技术突出广域治理优势，在治 理区域形成全范围空间三维裂隙，改变顶板原有破断 形态，提前释放应力，解除强矿压灾害危机。 2 防治优势 绿色治理。基于矿山绿色开采理念，超前分段区 域防治技术主要基于定向长钻孔分段水力压裂手段， 压裂液成分为清水，在其压裂过程中，清水以高压态射 穿岩层，在压裂结束后部分清水回流，部分清水被岩层 吸收后也可达到软化岩层的效果；与传统爆破手段相 比，该技术手段具有高效、安全、清洁等特点。 精准治理。生产实践表明，常规顶板弱化手段往 往受到开采环境限制较多，在局部地方不能达到治理 目的。该技术下的定向长钻孔压裂工艺通过定向钻机 能够达到 0.5 m 内的误差，结合拖动多点式压裂工艺 2 3 4 5 6 7 顶板应力/MPa 来压时来压后来压前 d 压裂前顶板应力变化规律 25 20 15 10 5 0 应力/ MPa 28 m 悬臂梁 18 m 支架 a “长悬臂梁”结构 30 25 20 15 10 5 0 应力/ MPa 砌体梁滑落失稳 b “砌体梁滑落失稳”结构 应力/ MPa 重新压实 新悬臂梁开始形成 30 25 20 15 10 5 0 c 重新压实 图 3 弱化前工作面顶板破断特征及应力分布 Fig.3 Roof fracture characteristics and stress distribution of working face before weakening 悬臂梁结构 垮落压实岩块 应力集中 煤层 坚硬岩层 产生回转 a “长悬臂梁”结构阶段 砌体梁 滑落失稳 铰接处 铰接点 坚硬岩层 岩块断裂 支架与关键块共同承载 b “砌体梁滑落失稳”阶段 坚硬 岩层 滑落失稳后逐渐压实 应力释放, 新悬 臂开始形成 c 重新压实阶段 图 4 弱化前顶板破断机理演化 Fig.4 Evolution diagram of roof breakage mechanism before weakening 第 8 期郑凯歌等坚硬顶板强矿压动力灾害演化机理与超前区域防治技术 65 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 可实现精准压裂，高效弱化顶板的目的。 广域治理。可实现超长距离压裂，规避了传统短 钻压裂距离短、压裂强度低等缺点，结合多孔联合布 置优势，可达到工作面顶板“广域大空间”压裂范围有 效覆盖，无“应力集中死角”，最终实现全工作面安全 高效回采。如图 5、图 6 所示。 超前区域 治理技术 传统防治 技术 基于超前时间 及广域空间联合 的治理理念 仅考虑时间或 空间因素的 治理理念 超长钻孔联动 区域防治 大排量高压强效果 精准控制绿色治理 爆破工艺安全性差 短钻治理区域有限 二氧化碳炮工艺复杂 治理理念 对比 工艺优势 全工作面 区域治理 最终目标 工作面局部治理 VS 图 5 超前分段区域防治与传统技术优势对比 Fig.5 Comparative study of prevention and control advantages in advanced sublevel regions 2.2超前区域防治关键技术 针对坚硬顶板引起的典型强矿压灾害问题，提出 了“广域大空间”的超前分段区域化防治技术，对工作 面顶板实现全面弱化，进而达到全工作面范围内坚硬 顶板运动稳定，削弱强矿压动力灾害威胁。通过定向 长钻孔施工和“多点拖动式”分段水力压裂使目标层 位产生大范围有效裂隙，弱化顶板坚硬岩层，改造原有 坚硬顶板力学性质，形成坚硬顶板超前分段压裂广域 大空间弱化解危技术。该技术作为煤矿井下坚硬顶板 条件下裸眼钻孔弱化手段的探索，其弱化解危效果受 到以下关键技术的影响 1 顶板压裂层位的优选，定向长钻孔轨迹的精准 控制钻孔轨迹所处岩层垮落高度以及钻孔布置方位 能否形成广域大空间三维裂隙，直接决定了压裂弱化 解危效果。压裂前应优选目标层位，且精准控制钻孔 轨迹位于目标层位高度位置，误差要求在 0.5 m 以内。 2 封孔质量控制封孔效果直接关系到压裂裂缝形 成和延展规模。煤矿井下压裂封孔与地面页岩气、煤层 气、油田压裂不同，其为近水平或上向孔，且为裸眼段坐 封，坐封难度大、风险高。井下岩层破裂压力较高，常 达十至数十兆帕，封孔效果应保证耐压强度和稳定性。 超前区域治理技术 灾害发生机理灾害防治机理防治工艺关键技术 分析 预治 理区 域顶 板岩 层的 分布 特征 模拟 采动 覆岩 破断 以及 应力 分布 揭示 覆岩 破断 方式 结构 机理 模拟 弱化 后覆 岩破 断特 征及 应力 分布 揭示 弱化 后顶 板破 断机 理 构建 坚硬 顶板 弱化 防治 措施 确定 压裂 孔位 布置 依托 定向 钻机 输送 成套 设备 至压 裂位 双裸 眼密 封装 置限 定单 个压 裂区 域 层位 优选 及钻 孔轨 迹的 精准 控制 封孔 质量 控制 联动 效应 实现 超前 广域 治理 掌握灾害发生机理预估灾害防治效果优化工艺工序关键技术优化集成 多监测手段验证弱化效果 提出最优弱化技术方案 图 6 超前分段区域防治技术 Fig.6 Prevention principle of advanced sectional area 3 多钻孔联动效应超前分段区域防治的目的在 于全工作面广域覆盖治理，在工作面倾向及走向可以 完全满足任意布孔，使工作面顶板区域式弱化，避免了 常规弱化技术造成的工作面局部未完全治理问题，导 致局部仍存在强矿压问题。多钻孔联合布置特点在于 其在单孔可分多段压裂，根据压裂有效半径条件可多 孔布置，多孔联合压裂，形成区域式空间裂隙网，对工 作面顶板进行宏观全面改造，从而控制顶板运动状态， 66 煤田地质与勘探第 50 卷 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 削弱强来压动力灾害。 2.3超前分段区域防治效果评价体系 针对坚硬顶板造成的典型强矿压动力灾害问题， 形成了一套工作面顶板超前区域治理技术，提出了超 前分段区域治理效果评价体系。如图 7 所示。评价体 系主要分为 3 大部分压裂分析评价，瞬变电磁效果评 价，围岩应力监测效果评价。 超前分段区域治理综合评价体系 压裂分析评价探测效果评价围岩监测效果评价 压 裂 强 度 分 析 压 裂 水 量 分 析 压 裂 主 要 破 裂 点 分 析 裂 隙 分 布 效 果 评 价 孔 内 电 阻 率 分 析 评 价 微 震 事 件 分 布 评 价 来 压 强 度 对 比 分 析 巷 道 围 岩 监 测 评 价 来 压 步 距 对 比 分 析 压裂效果 判断 多角度探测 效果评价 压裂前后 区域评价 综合判别治理效果 图 7 超前分段效果评价 Fig.7 Effect uation of advanced segmentation 2.4坚硬厚顶板弱化防治机理 为进一步验证区域防治技术的优势及效果，采用 数值模拟的方法按照弱化后的效果进行建模，分析弱 化后模型的破断规律，为区域弱化技术提供理论依据。 2.4.1 弱化后顶板破断规律及应力演化特征 根据水力压裂技术原理掌握压裂前后顶板的弱化 程度，结合 UDEC 离散元软件，进行压裂后模型建模， 通过在模型外部块体上增加裂隙面，在内部增加节理 密集度，以达到压裂后的裂隙网效果；再对节理以及块 体的强度进行弱化以达到与压裂等效的综合弱化效果， 并对模型煤层顶板采用测线进行应力监测。 通过分析得知，在模型进行弱化后，坚硬顶板能够 随着工作面推进及时垮落，悬顶距离大幅降低，且压裂 后工作面在推进过程中有效避免了因“长悬臂梁”结 构导致的应力集中现象。如图 8 所示，随着工作面推 进，支架上方应力逐渐增大，此时顶板还未垮落，且即 将来压，支架上方顶板应力 4.6 MPa；顶板发生破断， 形成较小尺度的“砌体梁滑落失稳”结构，支架上方顶 板应力为 0.7 MPa；顶板破断后，岩块再次发生滑落失 稳且逐渐稳定，顶板又将形成新的“砌体梁滑落失稳” 结构，此时支架上方顶板应力为 2.6 MPa。 0 1 2 3 4 5 顶板应力/MPa 来压时来压前来压后 d 压裂后顶板应力变化规律 20 15 10 5 0 应力/ MPa 10 m 弱化后裂隙面 块体减小 a 即将来压 25 20 15 10 5 0 应力/ MPa 弱化后砌体梁滑落失稳 结构减弱 b “砌体梁滑落失稳”结构 20 15 10 5 0 应力/ MPa 开始重新压实 c 重新压实 图 8 弱化后工作面顶板破断特征及应力分布 Fig.8 Roof fracture characteristics and stress distribution of working face after weakening 2.4.2 顶板水力压裂弱化防治机理 坚硬顶板灾害防治的基本原理是通过弱化顶板， 提前破坏顶板完整性和强度，释放顶板积聚的部分能 量，使顶板破坏时的应力趋于均布化，削弱甚至消除应 力集中，减小其单次释放的能量，实现工作面的安全开 采。如图 9 所示，根据坚硬顶板破断特征及应力分布 规律，布置水力压裂钻孔，进行顶板弱化，改变覆岩运 动状态及应力分布，使坚硬岩层在空间结构上产生三 维弱面，破坏岩层完整性，减小悬臂长度，降低应力集 中程度，同时增加垮落矸石的碎胀性，使顶板悬臂梁回 转角度减小，最终达到顶板整体弱化效果，降低坚硬顶 板条件下工作面强来压灾害。 弱化后顶板演化特征主要为 3 阶段第 1 阶段，“砌 体梁滑落失稳”形成前阶段，在水力压裂弱化与支架 联合作用下，坚硬顶板下部强度及完整度均降低，顶板 破断距减小，坚硬岩层顶板悬臂长度大幅减小，此时， 顶板应力处于增压过程图 9a；第 2 阶段，在工作面继 续推进后，顶板周期性破断，破断后岩块形成“砌体梁 滑落失稳”结构，顶板应力大幅下降图 9b；第 3 阶段， 后方垮落顶板开始重新压实，此阶段工作面上方顶板 应力开始上升图 9c。 2.4.3 弱化前后效果对比 通过弱化前后顶板破断演化特征以及机理分析得 出，坚硬顶板未采取治理手段时，顶板破断演化 3 阶段 “长悬臂梁”“砌体梁滑落失稳”滑落失稳后重新 压实；弱化后顶板演化 3 阶段来压前阶段“砌体梁 滑落失稳”滑落失稳后重新压实。压裂前“长悬臂 梁”结构阶段煤壁上部顶板应力为 6.8 MPa，压裂后煤 第 8 期郑凯歌等坚硬顶板强矿压动力灾害演化机理与超前区域防治技术 67 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 壁上部顶板应力为 4.6 MPa，弱化后顶板应力降低 32.4；在形成“砌体梁滑落失稳”结构阶段，弱化前后 工作面上部顶板应力分别为 3.4、0.7 MPa，弱化后顶板 应力降幅 79.4；重新压实阶段煤壁上部顶板应力分别 为 4.5、2.6 MPa，弱化后降幅 42.2。如图 3d 与图 8d 所示。 模拟结果显示，采取弱化技术措施后，从顶板破断 形式上避免了长悬臂梁产生的集中应力风险，同时减 小了顶板运动规模，顶板应力整体减弱，来压步距明显 缩小，与压裂后顶板破断机理分析结果基本一致，进一 步验证了防治技术的可靠性。 3工程试验效果 3.1研究区概况 神东布尔台煤矿 42煤层埋深340410 m，研究区为 42204 工作面，煤厚 5.96 m，工作面宽度 320 m。煤层 顶底板为砂质泥岩，其中直接顶为粉砂岩，厚度 20 m 左右。由于上覆存在坚硬顶板，在工作面回采过程中 存在来压强度高、来压持续时间长、后方采空区悬顶 面积大等问题，严重影响工作面安全高效开采。 3.2超前区域治理设计 针对坚硬顶板引发的强矿压灾害等问题，基于 42204 工作面开采过程中矿压显现规律，结合提出的“广域 大空间”区域防治技术，开展了定向长钻孔水力压裂 弱化顶板工程试验。为促使压裂钻孔形成有效、贯通 的三维立体裂缝体系，保证超前弱化的有效性，针对工 作面宽度，在坚硬顶板布置区域全方位钻孔，钻孔布置 方案如图 10 所示。 764 m 560 m 665 m 683 m 758 m 42204 工作面回风巷道 42203 工作面运输巷道 42203 工作面辅运巷道 42202 工作面运输巷道 42 煤巷道22 煤巷道压裂段 748 m E87 B25 E93 钻孔 E93 a 工作面超前弱化平面布置 钻孔轨迹 柱 状 岩性 厚度/m E87 钻孔 砂质 泥岩 14.51 粉 砂 岩 42 煤 5.96 20.67 30 m 砂质泥岩4.84 煤层砂质泥岩粉砂岩钻孔轨迹 b 工作面超前弱化剖面布置 局部 图 10 工作面超前弱化空间布置 Fig.10 Advanced weakening space layout of working face 共完成了 5 个钻场 15 个钻孔的分段压裂施工，累 计钻探进尺 10 184 m，累计压裂时间 12 570 min，累计 注水量 8 915.5 m3，分段压裂 203 段，出现 3 MPa 以上 明显压降 597 次。 3.3治理效果评价 采用压裂监测、瞬变电磁、围岩应力监测等手段， 对治理区域展开全面分析。 3.3.1 压裂数据分析 如图 11 所示，为 2 号钻场 SF1 号孔第 8 段水力压 裂施工数据开启高压注水泵，首先膨胀封隔器，压裂 缓慢上升，当封隔器完全膨胀坐封后，压力骤然上升达 到 18.3 MPa，而后呈锯齿状波动，随后突降至 15.1 MPa， 即将来压, 顶板微回转 裂隙面开 始断裂 a 来压前阶段 压裂后岩块裂隙扩展 破断距减小 达到分层弱化效果 分段联合弱化 煤层 弱化后砌体梁 滑落失稳结构 b “砌体梁滑落失稳”阶段 煤层 滑落失稳后 逐渐压实 减小悬臂长度 c 重新压实阶段 图 9 弱化后顶板破断机理演化示意 Fig.9 Evolution diagram of roof breakage mechanism after weakening 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 182429 183141 183853 184605 185317 190029 190741 191453 192205 注水量/m3 注水压力/MPa 时间 明显破裂点 1明显破裂点 2 明显破裂点 3 18.3 MPa 15.1 MPa 18.2 MPa 15.2 MPa 18.8 MPa 15.4 MPa 第 8 段 268.26262.52 m, 压裂时间 55 min, 注水 34.4 m3, 最高压力 18.8 MPa, 最大压降 3.4 MPa, 出现明显破裂 3 处 图 11 压裂数据变化特征 Fig.11 Variation characteristics of fracturing data 68 煤田地质与勘探第 50 卷 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 压降达到 3.2 MPa，表明孔内压裂段围岩发生明显破 裂。继续注水压裂增压，压力上升至 18.2 MPa，压裂 过程中伴随多次明显压降点，共监测到 3 处明显压降 点。综合表明该段水力压裂确实对顶板形成了有效的 破裂，并且通过多次压降，形成的裂缝也充分得到延伸。 3.3.2 压裂范围评价 采用瞬变电磁监测手段对顶板压裂前后区域进行 综合评判，如图 12 所示。 图 12 可知，在深度为 190、215、240285、305 m 附近明显低阻异常，异常强度较强，异常中心分别位于 钻孔径向 15、30 m 范围内，且呈明显条带状发育。 综合考虑认为，以上异常为水力压裂裂缝反映，因 此，可判别水力压裂效果良好。 电阻率差/m 钻孔深度/m 径向深度/m 压裂区域 30 20 10 150170190210230250270290310 10 20 30 40 50 60 图 12 压裂后区域瞬变电磁探测分布特征 Fig.12 Distribution characteristics of transient electr