东滩矿弱化低位关键层治理矿震技术研究

2021-05-08曹怀轩谢华东王富刚闫宪洋

煤炭工程 2021年4期

曹怀轩，谢华东，杨欢，王富刚，闫宪洋，张俭

(1.兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东济宁 272000；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077；3.中国矿业大学，江苏徐州 221000)

近年来，随着煤炭开采深度的增加，矿震发生的频次及形成的灾害急剧上升，严重制约矿井的安全生产[1]。矿震是一种极为复杂的动力失稳现象，矿震的发生会引起介质震动，可能造成采掘空间周围岩体破裂、滑移和突然卸压。山东省是矿震多发地区之一，东滩煤矿自2001年6月发生冲击地压事故以来，已多次发生矿震事件，是兖州煤业股份有限公司动力灾害最严重的矿井之一[2]。国内外学者对矿震发生机理进行大量研究，基本认为矿震的发生与上覆坚硬顶板的破断有密切关系[3]。Alan A.Capmoli等提出坚硬的岩层是诱发冲击地压的不利地质因素。徐学锋、魏东[4]等判断主、亚关键层并分析其破断形态，得出矿震发生主要受低位亚关键层回转滑移失稳、高位亚关键层剪切滑移失稳及主关键层极限破断失稳影响；姜福兴等[5，6]研究了厚硬岩层关键岩块的结构形态对矿震发生的影响；窦林名等[3，7-9]认为煤岩冲击与坚硬岩层破断动载关系密切。国内外学者对矿震灾害的防控技术手段主要为：优化总体开采设计[10，11]，选择合理开拓布置及开采方式、顶板爆破、注水软化等[12-14]，局部钻孔卸压、爆破卸压等[16，17]。现有研究理论及治理方法在工程实践中均取得较好效果，但对于弱化下位关键层治理矿震方面研究较少，相关实践应进一步丰富。

东滩煤矿3上煤赋存于山西组，煤层顶板以粉～细砂岩为主，上覆山西组、石盒子组存在巨厚砂岩层，矿震的发生与巨厚硬岩的活动密切相关。本文以该矿63上03工作面为工程背景，以地层分布为基础，研究矿震特征，分析矿震发生机理，探讨定向长钻孔分段水力压裂技术弱化关键岩层治理矿震灾害，并对治理效果进行监测分析，以期为类似条件工程提供借鉴参考。

1 矿井概况

1.1 地质概况

东滩煤矿位于山东省邹城市兖州煤田东部，在地质构造上位于兖州向斜的核部和深部。3上煤层赋存于山西组，是矿井主采煤层。煤层顶板以粉～细砂岩为主，上覆存在巨厚砂岩层，抗压强度达到70～130MPa，煤层回采过程中不易垮落，易发生矿震动力灾害。

研究区域选取矿井六采区63上03工作面，六采区位于东滩井田南翼，东西长约3.4km，南北宽约1.8～2.8km，面积约6.9km2。63上03工作面南侧63上04工作面、63上05工作面已采，北邻63上02工作面未采。钻孔柱状如图1所示，巨厚砂岩层赋存较多。3上煤内生裂隙发育，参差状断口，条带状结构。3上煤层厚度4.90～6.80m，平均5.20m。

图1 钻孔柱状图

1.2 矿震特征

以往开采揭示，矿震致灾能力阈值为5×103J，矿震能量大于5×103J时，存在危险性；当能量小于5×103J时，为对安全生产无影响的矿震，即常规矿震。63上05工作面为已采工作面，63上05工作面回采期间，致灾矿震事件55次，占震动总次数的0.7%。63上05工作面致灾矿震事件发生间距如图2所示。

图2 矿震事件垂向分布

由图2可知，致灾矿震事件发生间距基本在30m之内，平均值19.8m，根据工作面回采数据可知，周期来压平圴步距20.2m，矿震事件发生与周期来压呈现协同发生的规律。

2 矿震防治技术原理

矿震的发生是上覆岩层受工作面采动影响，产生运动并伴随能量释放的过程。煤层上方有多层厚硬砂岩，如图3所示。分析关键层诱发矿震机理，假设有第1、第2、第i关键层，煤层距关键层的距离依次为h1、h2、…、hi，距离地表的距离为H，图中的Ei(i=1，2，…，n)代表第i关键层一次断裂释放的能量。随着工作面的推进，上覆岩层开始悬露、断裂。从能量的角度来说，矿震的孕育是能量缓慢积累和突然释放的过程，随着工作面的推进，关键层开始弯曲，积累能量直至能量积累达到极限，关键层破断，能量释放[3，5]。

图3 关键层断裂诱发矿震模型

以往研究表明，周期来压步距为关键层破断规律展示，前文所述矿震发生间距与周期来压步距吻合，即受关键层破断影响，关键层的破断下沉及高能量瞬间释放是矿震发生的主要原因。工程扰动之前，采用分段水力压裂工程弱化低位关键层，水力压裂既能破坏砂岩层的完整性，分割成若干块段或将砂岩层分层，改变其力学性质，又能使岩层吸水后强度降低。水力压裂弱化关键层原理模型如图4所示。

图4 水力压裂弱化关键层原理模型

通过水力压裂对低位关键层的提前弱化，工作面回采时，低位关键层沿着预裂缝破断，破断块体体积减小，垮落频次增加，破断单次释放能量减小，达到有效控制矿震灾害的目的。

3 矿震治理工程

3.1 关键层位置判识

在钱鸣高院士提出的关键层理论的基础上，国内学者通过大量研究和现场实践对关键层的判别，提出了大量的力学公式和判别方法，多为通过各种力学分析条件分析判识，确定关键层位置。广泛应用的判识方法主要分为以下步骤：

以直接顶岩层为研究的第1层岩层，假设煤层直接顶上方已有m层岩层存在，假设第1层岩层为关键层，其所能够控制的岩层位于上方的第n层，则第n+1层岩层要作为第二关键层基本条件是要满足关键层判别的刚度条件：

q1|n+1

(1)

式中，q1|n+1为第n+1岩层的岩体挠度；q1|n为第n层岩层的岩体挠度；E为弹性模量，MPa；hi为第i层岩层厚度，m；γ为岩石容重，kg/m3。

式(1)表示第n层岩体的挠度大于第n+1层岩体挠度，由于第n层的变形大于第n+1层的变形，第n+1层及其上部荷载可以由自身结构承担。此外，n+1层岩层成为关键层还必须满足强度条件，判别条件如式(3)：

Ln+1>Ln

(3)

式中，Ln为第n层岩层破断距，m；Ln+1为第n+1层岩层破断距，m。

综合关键层刚度和强度判别方法，计算得出东滩煤矿关键层，具体见表1。结合矿震发生位置，选取水力压裂治理层位为亚关键层中粒砂岩层。

表1 东滩煤矿关键层判识

对63上03工作面未治理区域发生的矿震位置及能量进行统计分析，结果如图5所示。由图5可知，63上03工作面矿震发生位置分布在埋深680～740m的岩层中，能量大于5×103J的矿震主要集中在埋深690～740m岩层，结合钻孔柱状可知，矿震发生位置基本在距离顶板15.13m、厚度为33.8m的中粒砂岩层中，该层位为矿震致灾的源头层位。

图5 63上03工作面矿震位置及能量

3.2 弱化低位关键层治理矿震灾害

依据矿震发生位置及弱化低位关键层治理矿震机理，根据判别的关键层位，在东滩煤矿63上03工作面距离顶板15.13m的中粒砂岩层中，实施定向长钻孔分段水力压裂工程治理矿震。该技术依托超深钻孔定向功能，将压裂工具串送入指定位置后，通过双封隔器单卡压裂目标层位段，当压力大于岩层破裂压力后，岩层的弹性余能以动能形式释放，逐段完成压裂施工，使岩体形成有效连续性岩层裂缝，如图6所示。