赵 耀
(山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司,山西 忻州 036503)
煤炭作为能源结构中重要的一环,需求量与日俱增。目前矿井煤炭损失总量的90%都集中在留设护巷煤柱方面,因此小煤柱的推广使用,不仅是煤矿开采技术的需求,也是现阶段节约能源的要求。近些年,一些学者将减弱侧向支承压力对小煤柱沿空掘巷的影响作为研究方向,通过对相邻采空区侧向支撑压力的研究,采用理论计算、矿压分析和数值模拟等手段,推导出侧向支承压力降低区范围,进而确定小煤柱的合理留设宽度[1-5];另一些学者在小煤柱回采巷道以及相邻巷道内采集试验数据,通过对数据进行整理和分析,也取得了较好的研究成果,不仅总结出了小煤柱在工作面回采时矿压变化的一般规律,也对现场地质条件是否适合布置小煤柱沿空掘巷进行了总结[6-10]。
现有成果中关于采用主动卸压手段改善小煤柱沿空掘巷受力状态的研究较少。本文将以磁窑沟煤矿13102工作面煤柱作为研究对象,采用理论分析和数值模拟等手段计算出小煤柱的合理尺寸区间。为了进一步改善沿空掘巷的受力状态,减弱回采应力对小煤柱造成的破坏,对小煤柱巷道顶板实施水力压裂切顶卸压技术,通过钻孔、压裂方案的设计与施工来调整侧向应力区范围,以期达到既能使沿空掘巷受力状态最佳,又能减少区段煤柱的目的。
13102工作面东侧为13103工作面(未布置),西侧为13101工作面采空区,南侧为山西华鹿阳坡泉煤矿有限公司(未采动),相邻均为实体煤,在其上方存在10-2#煤层原10101、10102、10103、10108综采工作面采空区。该工作面切眼长度为240 m,切眼断面宽×高为10.0 m×3.8 m(净断面),进风顺槽断面宽×高为5.4 m×3.6 m(净断面),回风顺槽断面宽×高为5.0 m×4.0 m(净断面),沿煤层底板掘进,采用综合机械化放顶煤采煤方法。
根据钻孔探测结果,13#煤层厚度约为11.1 m。13#煤具有沥青光泽,以半暗型煤为主，夹半亮型煤,黑色,薄层状,暗煤亮煤交为丝炭及镜煤细条带,断口参差状,煤层裂隙发育,层内见钙质膜及黄铁矿结构。煤层顶板依次为中粒砂岩、细砂岩、含砾粗砂岩、细砂岩,底板为泥岩,详情见岩层综合柱状图(图2)。
图1 13102工作面平面布置图
图2 岩层综合柱状图
以磁窑沟煤矿13102工作面实际生产条件为基础,通过建立弹塑性理论结构模型,进而推导计算出13102工作面回采过后侧向支承压力分布范围。
为了便于分析该工作面的支承压力,首先需要做出以下几个假设:
1)对研究的空间模型简化为垂直剖面,方向为沿巷道倾斜方向;
2)工作面内的岩体具有各向同性和连续性,均为理想弹塑性体;
3)若煤体受到破坏,则破坏形式为剪切破坏;
4)当煤体强度x达到极限时(x=x1),应力的边界条件可用以下公式来表述:
(1)
式中:σy1为煤柱强度的极限值,MPa;β为煤体极限强度所在面的侧压系数,β=μ/μ(1-μ),μ为泊松比;α为煤层的倾角,(°);σx为x方向的应力,MPa;σy为y方向的应力,MPa;x为煤体强度;x1为煤体强度的极限值。
力学模型如图3所示。图中,采空区对煤柱的水平约束力为px,煤层倾角为α,煤岩之间的剪应力为τxy,煤层厚度为d,极限平衡区宽度为b,水平应力为σx,垂直应力为σy,垂直应力峰值为σy1。
图3 煤柱塑性区宽度受力图
屈服区界面应力的边界条件及平衡方程为:
(2)
(3)
τxy=-(C0+σytanφ0)
(4)
式中:在极限平衡区内,px表示在x方向的体积力,MPa;py表示在y方向的体积力,MPa;φ0为摩擦角,(°);C0是黏聚力,MPa。
联立推导可得:
(5)
由于方程(5)每一侧的函数均为单一未知量,可以用常数B来代替等号两侧,其中B0为待定的常数,且B0=B1B2,B1、B2为常数,则可得:
(6)
由公式(1)、(2)、(6)联立可得:
(7)
在极限平衡区内的x方向合力为零,对公式进行变形推导得:
(8)
式中:d为煤层开采厚度,取15 m;β为侧压系数,取0.37;φ0为内摩擦角,取26°;C0为黏聚力,取1.5 MPa。
采高不同,塑性区内支承压力分布情况也不同,在此只分析采高为8 m、10 m、12 m、14 m时的塑性区支承压力分布规律,如图4所示。由图分析可得:塑性区宽度范围的变化与采高呈正相关;在垂直应力不变的情况下,若采高逐渐增大,侧向支承压力的峰值也会随着塑性区宽度的变大而转移向煤体深部;综合前面的理论计算,可以推断若区段煤柱留设宽度为38 m,则巷道恰好会处于侧向支承压力峰值下,受到超前支承压力影响的回采巷道变形将会更加严重。如果依然选择使用大煤柱作为区段煤柱,则煤柱的宽度应为塑性区的2倍以上,才能减弱侧向支承压力的影响。
图4 不同采高对应的支承压力分布图
总体来看,通过数值模拟分析,应力降低区的宽度为17 m,而理论分析,宽度应为21 m,对地表沉降区进行分析预测,应力降低区宽度保持在19 m。因此,应力降低区的宽度在采空区稳定之后应在17～21 m之间。为了使沿空掘巷始终处于应力降低区的范围内(假设沿空掘巷宽度为5.5 m),小煤柱的宽度应在11.5 m以下。
由理论分析结果可知,区段煤柱的宽度应不超过11.5 m。为了减弱回采应力对小煤柱造成的破坏,决定对小煤柱巷道顶板实施水力压裂切顶卸压技术手段,调整侧向应力区范围。
3.1 切顶卸压孔布置
1)切顶卸压孔布置在距小煤柱1.2 m处的顶板上,卸压孔以倾斜孔为主,卸压孔深度根据顶板直接顶及基本顶岩性及强度而定,13号煤层上方30 m范围均为厚硬砂岩,共有4层,顶板总体强度较高,难以垮落,回采期间极易造成大范围悬顶,增加煤柱应力集中程度,本段岩层作为主要处理层位。
2)水力预裂钻孔孔深42.5 m,钻孔仰角为45°,孔间距5 m,开孔位置位于顶板,钻孔朝向与工作面推进方向相反,孔径60 mm,如图5所示。
(c)剖面图
3.2 实施效果分析
3.2.1水力压裂曲线分析
为了能够更好地掌握水力压裂流程并获得详尽的压裂数据资料,在此采用KJ327水压仪对水力压裂过程进行全程监测(图6)。通过分析可以得出以下结论:压裂过程中,水压仪压力记录最高值为28 MPa,表明该段岩体完整性与强度相对较高;13#煤层上方均为厚硬砂岩,起裂压力均保持在20～28 MPa;图6(a)中的压裂孔1在压裂初始阶段,起裂压力均达到28 MPa以上,保压一段时间后,压力出现骤降,这是由于孔内裂隙扩展引起的;调整孔内压裂部位重复施工12次,孔内将会产生大量新生裂隙。
(a)压裂孔1(2021-11-11)
3.2.2巷道变形量观测
为了验证水力压裂对小煤柱的具体实施效果,并分析总结工作面回采过程中巷道变形的一般规律及回采应力对巷道变形产生的影响,对回采工作面小煤柱巷道变形进行现场连续观测。观测方法采用十字交叉法(如图7),观测区域距切眼500 m,在距切眼490 m、500 m、510 m处依次布置了3个观测点,测点名称分别为A1、A2、A3。在3个测点共连续观测20 d,观测初始时A1、A2、A3距回采工作面的距离分别为120 m、130 m、140 m。监测结果如图8—图11所示。
图7 无墙段巷道变形观测法
(a)A1测点变形量变化图
(a)A1测点变形速率变化图
(a)A1测点两帮变形量变化图
(a)A1测点两帮移近速率变化图
从图8和图9可以看出,随着采煤工作面与测点距离的不断缩小,顶底板和两帮的移动速率也逐渐加快,移近量也随之变大。其中,A1、A2、A3顶底板移近量最大值分别为123 mm、208 mm、17 mm,两帮移近量的最大值分别为203 mm、292 mm、281 mm。
通过数据整理和分析发现:首先,两帮的变形曲线始终在顶底板变形曲线上方,即在工作面回采过程中,两帮变形量始终大于顶底板变形量。其次,超前工作面120 m左右时,巷道顶底板及两帮开始出现变形;超前工作面60～120 m时,巷道变形量较小,变形速率较缓,变形量最大值仅为42 mm,变形速率最大值仅为10 mm/d;超前工作面30～60 m时,巷道变形量与变形速率均明显增大,其中变形量最大值为180 mm,变形速率最大值为21 mm/d;超前工作面20～30 m时,巷道变形量急剧增加,变形量最大值为218 mm,移动速率最大值为43 mm/d。最后,回采巷道超前支承压力达到峰值时的位置在工作面前方20～30 m,影响范围在60～120 m之间。
从图10和图11可以看出:首先,随着工作面的回采,观测区测点的移近量在煤柱侧与工作面侧的变化量是不一致的。其次,A1、A2、A3测点在煤柱侧的移近量最大值分别为152 mm、211 mm、160 mm,在工作面侧移近量最大值分别为51 mm、81 mm、121 mm,煤柱侧变形量均大于工作面侧。最后,煤柱侧移近速率最大值分别为24 mm/d、49 mm/d、40 mm/d,工作面侧移近速率最大值分别为12 mm/d、18 mm/d、28 mm/d,就变形速率而言,煤柱侧变形速率高于工作面侧。
当小煤柱巷道顶板进行水力压裂完成后,在现场连续收集数据,整理分析可得:各测点两帮、顶底板在回采应力的作用下均会产生变形,在距回采工作面较远时,变形量相对较小,速率较慢,随着工作面的不断推进,变形量与变形速率均会迅速增大;在采煤工作面快速推进的背景下,经过现场观测记录,两帮及顶板变形量、变形速率均较小,表明采用水力压裂手段提前将小煤柱巷道顶板切顶卸压,对于小煤柱的留设具有很高的实用性。
1)依据弹塑性理论结构模型,并结合磁窑沟矿的实际生产条件,推导计算可得采空区稳定后应力降低区宽度应在17～21 m之间。为了使沿空掘巷始终处于应力降低区的范围内(假设沿空掘巷宽度为5.5 m),小煤柱的宽度应在11.5 m以下。
2)采用KJ327水压仪对水力压裂过程进行全程监测发现,压裂过程中水压仪压力记录最高值为22 MPa,表明该段岩体完整性与强度相对较高;13号煤层上方均为厚硬砂岩,起裂压力均保持在14～20 MPa;压裂孔1在压裂初始阶段,起裂压力均达到12 MPa以上,保压一段时间后,压力出现骤降,这是由于孔内裂隙扩展引起的;调整孔内压裂部位重复施工12次,孔内将会产生大量新生裂隙。
3)通过在小煤柱巷道适当位置布置十字测站,采用十字交叉法在工作面回采时进行现场观测,发现两帮及顶底板变形量均较小,表明选择合适的层位进行水力压裂主动卸压,可以减小回采期间回采应力对煤柱的破坏作用,减少巷道变形,这对降低煤柱尺寸,节约煤炭资源,具有很强的实用性。
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