厚煤层破碎煤体水力压裂切顶卸压护巷关键技术研究_庞凤岭.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0350引言疫情后随着工业复工，用电量增加，煤矿处于高强度回采，将面临半孤岛面和孤岛面的加速形成，尤其在厚煤层破碎煤体中，裂隙极其发育，煤体不连续，稳定性差，掘进中巷道成型差，严重影响巷帮的支护效果，且投入使用后变形大，底鼓可达1 500 mm以上，片帮、冒顶等严重，导致巷道维修投入成本，巷道变形失稳，严重制约矿井安全以及生产。为此，国内外专家、学者在切顶卸压护巷方面开展了大量研究。苏联学者B.胡托尔诺依基于沿空留巷理论和采场矿压悬梁模型，推导出巷旁支护切断直接顶的工作阻力计算式，总结了沿空巷道支护体系各参数计算的经验公式，推动了沿空留巷技术发展和应用。张百胜等研究表明切顶卸压可人为干预基本顶的断顶位置，减小了采空区侧向实体围岩应力，实现了对围岩压力的主动调控。吴建星等对双U工作面留巷水力压裂卸压技术进行了研究，指出钻孔密度对巷道围岩浅部卸压效果的影响不明显，对巷道围岩深部卸压效果明显。张国锋等采用切顶卸压沿空留巷、Y型通风及瓦斯抽采等方法，成功解决了白皎矿瓦斯突出问题。王维维等在深孔预爆裂的基础上，有效控制了围岩变形。针对开滦矿区某矿厚煤层破碎煤体的W2194运输顺槽剧烈动压显现引起的大变形问题，提出水力压裂切顶卸压护巷关键技术，并进行数*“十三五”大型油气田及煤层气开发科技重大专项资助项目（2016ZX05045-004-001）厚煤层破碎煤体水力压裂切顶卸压护巷关键技术研究*庞凤岭1，薛彦平2，3（1.开滦(集团)有限责任公司 钱家营矿业分公司，河北 唐山063000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）摘要：针对厚煤层破碎煤体生产过程中顺槽动压显现和大变形、支护困难等问题，采用理论分析、数值模拟、现场工程实践相结合的方法，对开滦矿区某矿5.9 m厚煤层破碎煤体巷道大变形大结构顶板弱化卸压转移围岩应力研究，提出厚煤层破碎煤体水力压裂切顶卸压护巷关键技术，研究表明：厚煤层最大垂直应力及塑性区分布与切顶措施有着直接的联系，切顶后并未形成明显的应力集中区，最大垂直应力由最大时32 MPa降为最低时17.5 MPa，平均切顶后相对未切顶卸压了20%，切顶后巷道两帮位移量变化不显著，但顶底板位移量降幅达到60%。关键词：厚煤层破碎煤体；切顶卸压；数值模拟；现场试验中图分类号：TD353；TD327.2文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 187 04Research on Key Technology of Hydraulic Fracturing Cutting Roof andPressure Relief for Thick Coal Seam Broken Coal BodyPANG Fengling1，XUE Yanping2，3（1.Qianjiaying Mining Branch,Kailuan(Group)Co.,Ltd.,Tangshan 063000,China；2.CCTEG Shenyang ResearchInstitute,Fushun 113122,China；3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,Fushun 113122,China）Abstract:Aiming at problems such as the appearance of dynamic pressure along the channel,largedeformation,and difficulty in supporting the thick coal seam broken coal during the production process,a combination of theoretical analysis,numerical simulation,and field engineering practice was used tobreak a 5.9 m thick coal seam in a mine in Kailuan mining area.Research on the weakening andcutting roof pressure relief of the large deformation and large structure of the coal roadway and thestress of the surrounding rock.The key technology of hydraulic fracturing and decompression of thethick coal seam is proposed.The measures are directly related.There is no obvious stress concentrationarea after the roof is cut.The maximum vertical stress is reduced from 32 MPa at the maximum to 17.5 MPaat the lowest.After the roof is cut,the pressure is reduced by 20%relative to the uncut roof.Thedisplacement of the two sides did not change significantly,but the displacement of the top and bottomplates decreased by 60%.Key words:thick coal seam broken coal body；cutting roof and pressure relief；numerical simulation；field test187值模拟和现场试验，为矿井类似条件巷道围岩控制提供理论依据和借鉴。1工程背景开滦矿区某矿经过长期高强度开采，遗留下大面积半孤岛和孤岛工作面，煤层厚度5.8 m，通过分批次多地点测定煤的坚固性系数均大于1.5，属坚硬煤层，但节理裂隙发育，煤体破碎不连续，巷道成形困难，围岩支护效果差，变形十分严重，必须进行二次修护。其中W2194回风顺槽和W2194运输顺槽位于W2194工作面同侧，煤柱宽35 m，且W2194运输顺槽留巷复用下一工作面巷道。W2194工作面开采煤层厚度达到5.8 m，大采高条件下关键层极易进入垮落带，形成“悬臂梁”结构，并未构成大范围“砌体梁”结构。下部巷道在支承压力作用下，发生两帮挤压、顶板破碎和底鼓的全断面围岩变形，局部位置底鼓达到1 500 mm。一旦留巷变形失稳，将极大影响矿井正常生产接续。随着我国火工品严格控制、瓦斯矿井安全管理、浅埋爆破控顶危及地面等原因，用水作为切割与弱化介质，实现水力压裂对顶板大结构的弱化切顶技术，具有安全性高、控制效果好的优点。因而采用水力压裂切顶卸压作为W2194运输顺槽围岩高应力、大变形控制技术研究。2厚煤层破碎煤体切顶卸压数值模拟2.1数值模型建立根据W2194综采工作面实际开采条件，采用FLAC3D软件建立尺寸长宽高300 m130 m30 m数值模型，结合软件计算精度和运算速度，划分模型网格单元数1 501 260，节点数1 578 375，如图1所示。图1数值计算模型模型采用Mohr-Coulomb准则作为煤岩体变形的本构关系，各煤岩层物理力学参数如表1所示。表1模型煤岩物理力学参数模型四周水平约束，顶面自由，底面全约束。根据矿区地应力实测数据，模型X轴方向施加水平应力6 MPa；模型Y轴方向施加水平应力10 MPa；模型Z轴方向施加垂直应力16.23 MPa。2.2数值模拟计算计算模型为未开采条件下的原岩应力状态，形成初始应力场，然后逐步回采W2194工作面和开挖W2194巷道，考虑到边界效应，模型两边留设30 m的保护煤柱；模拟巷旁切顶卸压。数值模拟计算流程为数值模型建立初始应力平衡计算W2194工作面回采和巷道开挖计算切顶卸压计算。2.3模拟分析（1）工作面围岩应力分布W2194工作面采空区右侧顶板切顶卸压后围岩应力重新分布，垂直应力分布云图如图2所示。图2工作面围岩垂直应力分布（单位：Pa）W2194工作面开采覆岩垂直应力呈“碗”形分布，两侧煤柱附近垂直应力集中，且两侧集中垂直应力差异显著。采空区左侧未切顶，采空区中部靠近左侧煤柱区域覆岩重量通过悬臂梁、局部砌体梁传递至煤柱，垂直应力急剧增高，达32 MPa，并以拱形向外传递。采空区右侧切顶，煤柱两侧顶板结构无结构力，W2192巷道围岩仅仅承担自身重力及部分覆岩重量为16.0 MPa，巷道较为稳定，而未切顶侧巷道围岩应力环境为20 MPa。因此，W2194工作面切顶卸压巷道围岩应力降低了20%。（2）工作面围岩塑性区分布工作面开采围岩应力重新分布，产生应力集中区域。在高应力作用下，围岩通过变形方式释放岩体中积聚的能量，若应力值超过岩体承载极限强度，围岩开始进入塑性破坏状态，其承载能力急剧下降，致使高应力向围岩深部转移，直至重新平衡。围岩破坏区域呈对称式分布。但采空区右侧切顶卸压后采空区两侧围岩塑性区分布状态发生改变，左侧围岩塑性区基本呈现倒梯形分布，右侧围岩塑性区分布与切顶后顶板结构赋存较为一致。由于右侧应力集中不明显，并未超过岩体承载极限强度，围岩较为完整。（3）巷道围岩位移变化第42卷第03期厚煤层破碎煤体水力压裂切顶卸压护巷关键技术研究庞凤岭，等Vol.42 No.03岩性粗粒砂岩粉砂岩砂质泥岩中粒砂岩细粒砂岩煤密度/kgm-32 6302 2092 3302 4802 2101 450体积模量/GPa15.2927.7711.518.725.3910.5剪切模量/GPa8.3113.57.2522.012.40.956黏聚力/MPa12.45.05.012.111.01.88抗拉强度/MPa5.261.86.02.21.81.77内摩擦角/（）30.641.229.03629.042ZoneColorby:Group Any粗砂岩粗砂岩0粗砂岩粗砂岩0粉砂岩粉砂岩0灰色泥岩灰色泥岩0煤层泥岩泥岩0砂质泥岩砂质泥岩0细粉砂岩细粉砂岩0细粒砂岩细粒砂岩0中粒砂岩中粒砂岩0中砂岩中砂岩0Contour of ZZ-Stress4.890 7E+050.000 0E+00-2.500 0E+06-5.000 0E+06-7.500 0E+06-1.000 0E+07-1.250 0E+07-1.500 0E+07-1.750 0E+07-2.000 0E+07-2.250 0E+07-2.500 0E+07-2.750 0E+07-3.000 0E+07-3.250 0E+07Calculated by:Volumetric Averaging未切顶切顶区域区域188W2194工作面采空区右侧顶板切顶卸压前后W2194巷道两帮及顶底板位移变化如图3和图4所示，未采取切顶卸压措施时巷道围岩向内侧挤压、变形严重，两帮位移达150mm，顶底板位移达250mm；采取切顶卸压措施后，巷道两帮位移降幅不明显，为140 mm，而顶底板位移降幅明显，约100 mm，仅为未切顶卸压时的40%。（a）切顶卸压前（b）切顶卸压后图3巷道两帮位移云图（单位：cm）（a）切顶卸压前（b）切顶卸压后图4巷道顶底板位移云图（单位：cm）综上，通过数值模拟结果可以看出，工作面围岩垂直应力及塑性区分布及巷道围岩变形与切顶措施关联密切，破碎煤体大变形巷道切顶卸压效果良好，顶底板位移降幅明显。3现场试验为了进一步验证厚煤层破碎煤体大变形