“两硬”煤层条件下综放开采煤岩全区双效弱化技术研究

薛吉胜

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013)

特厚煤层坚硬顶板放顶煤开采普遍存在[1，2]，工作面放煤过程中，坚硬顶板整体强度高，易造成悬顶，随着顶煤放出，顶板与待放煤体间隙逐渐变大，顶板难以随采随垮将煤体推进放煤口，不利于顶煤回收，尤其当顶煤较厚或煤层硬度较大时，顶煤回收率进一步降低，而顶板的突然垮落也会将采空区有害气体挤入工作面，威胁工作面安全生产。国内学者对坚硬顶板、顶煤弱化技术进行了大量研究，推动了综放开采技术的发展。坚硬顶板弱化技术方面，高富强[3]采用ELFEN数值模拟方法分析了水力卸压后工作面采动应力变化规律及原理；黄炳香[4]提出了坚硬顶板水压致裂控制的理论与成套技术框架；高晓进[5]、刘乙霖[6]通过实施煤柱顶板深部长短孔爆破，优化了巷道围岩应力环境，提高了围岩稳定性；刘文静[7]采用水力压裂技术进行坚硬顶板卸压，工作面进入压裂影响区域后大能量微震事件数量大幅下降。顶煤弱化技术方面，黄好君[8]、许红杰[9]在综放工作面进行了水压致裂顶煤弱化技术试验，有效地破碎支架上方顶煤完整性，提高了顶煤采出率；吴兆华[10]采用数值模拟方法分析了深孔爆破围岩裂隙发育规律，孔内爆破裂隙扩展可达1.5 m。地面压裂技术应用方面，于斌[11]提出了地面压裂工作面矿压控制方法，现场实践表明，压裂后工作面液压支架工作阻力减小21%，煤壁片帮降低23%，巷道变形较小；陈召英[12，13]采用地面压裂增加煤层气井抽采产量，百米钻孔瓦斯流量是压裂区外的1.33～17.50倍，瓦斯体积分数提高了35%。在上述研究基础上，笔者基于综放开采“两硬”煤层条件，针对顶板难垮落、顶煤难冒放等问题，研究顶板顶煤地面压裂区域双效弱化技术，以提高顶煤回收率。

1 工程概况

马道头煤矿8106综放工作面平均煤厚25.89 m，机采高度3.5 m，放煤高度22.39 m，采放比1∶6.3，循环进尺0.8 m。8106工作面埋深为390～615 m，煤的普氏系数f=3。煤层倾角为1°～10°，平均4°，顶板上覆分布多层厚度大、强度高的砂岩层。硬岩层未受过采动影响，且8106工作面内断层较少，岩层近水平分布，判断硬岩层岩体结构完整性较好。

在8106工作面巷道布置钻孔进行顶煤裂隙发育窥视，巷道高度为4 m，宽度为5.5 m，分别在巷道0～4300 m范围内，施工垂直孔43个，钻孔间距100 m，孔深20 m，孔径28 mm，孔内冲水5 min，保证孔壁清洁，如图1所示。

图1 钻孔窥视方案(m)

选择有效钻孔26个，根据孔壁裂隙发育程度，将孔壁完整性分为4种情况，分别为完整、微小裂隙发育、节理层理裂隙发育、破碎，8106工作面顶煤体完整区域分布不均匀，完整区域占比较小，但对应含矸部分层位的节理裂隙发育程度较低，完整性较好，不利于顶煤的破坏冒放。

2 特厚煤层综放开采煤岩结构特征

2.1 顶板结构及其运动特征

由于特厚煤层厚度大，回采后的空间也较大，导致随冒顶板无法充满采空区，导致采空区上位岩层普遍存在“下位顶板组合短悬臂梁+上位顶板铰接岩梁”的顶板结构[14]，如图2所示。综放采场上位直接顶“组合短悬臂梁”结构的厚度会随着采厚的增加而增加，其位态结构与基本顶“铰接岩梁”组合成为不同的顶板结构形式。对于直接顶而言，其短悬臂梁悬露范围及其与基本顶的相互作用关系对综放工作面矿压显现及顶煤体塑性区范围起到至关重要的作用。

直接顶“组合悬臂梁”存在两种结构形式：一种是直接顶有较大范围悬臂结构，与基本顶搭接位置下方无顶煤支撑，该结构承载部分“铰接岩梁”自重并将其传递至顶煤；另一种情况是直接顶“短悬臂梁”垮落后，其下方存在支撑结构，基本顶仅向下传递上覆岩层应力。

根据顶煤受力形态的不同，可将特厚煤层顶板结构分为三种组合形式：“组合短悬臂梁”+“铰接岩梁”混合承载结构—结构A；“组合短悬臂梁”单独承载结构—结构B；“铰接岩梁”单独承载结构—结构C。

在特厚煤层综放开采中，顶板的活动范围将会随着一次采出厚度的增加而逐渐变大。顶煤受力是其上覆呈组合悬梁结构的直接顶岩层与铰接岩梁结构平衡的基本顶岩层所施加的。“组合短悬臂梁”+“铰接岩梁”混合承载结构能够有效承载部分覆岩应力，顶煤受力主要为基本顶回转压迫直接顶组合悬臂梁并将该部分应力传递至顶煤体，无变形压力岩层厚度增大，支架载荷相对较低，但顶煤冒放性变差；“组合短悬臂梁”单独承载结构时，上方基本顶无铰接岩梁结构承载覆岩应力，大部分传递至顶煤及支架，有变形压力岩层厚度显著增加，顶煤塑性区范围增大，冒放性增强，但支架载荷随之增大；“铰接岩梁”单独承载结构能够有效阻断覆岩应力向下传递，且由于不存在悬臂梁结构，顶煤及支架受力水平最低，但由于似刚体顶煤厚度显著增大，顶煤冒放性最差。

为此，计算三种情况下控顶区可变形顶煤总厚度：

Δd=ηhd(1+λ)

(1)

式中，η为孔隙度，η=(1-γd/γ)×100%≈22%；γd为岩层干容重，取25 kN/m3；γ为煤层容重，取14 kN/m3；λ为侧压系数，取1.7；hd为控顶区高度，结构A和结构B取24.4 m，结构C取36.9 m。

煤层直接顶由上而下分别为中粗砂岩4.2 m、粉砂岩3.5 m、中粗砂岩0.6 m、泥岩1.9 m、粉砂岩6.5 m、细砂岩1.72 m、泥岩0.3 m，依据岩性强度，判断4.2 m中粗砂岩为铰接层位，6.5 m粉砂岩位悬臂梁层位，结构A与结构B控顶区范围为全部顶煤及部分直接顶岩层厚度，厚度为24.4 m，至1.72 m细砂岩，控顶区高度24.4 m，结构C控顶区范围涵盖全部顶煤及大部直接顶岩层厚度，厚度为36.9 m，至3.5 m粉砂岩，各类结构侧压系数相近。由此可知，结构C“铰接岩梁”承载结构控顶区内顶煤总变形量最大，该结构失稳导致直接顶破断，矿压显现为小周期来压，在小周期来压前后顶煤总变形量最大，冒放性达到最佳。

结合现场实测数据，3-5煤层工作面初次垮落步距是45 m，周期来压步距为18 m，得出三种顶板结构的各项参数及结果，见表1，由式(1)计算得出控顶区变形顶煤高度，结构A、结构B为14.49 m，结构C为21.92 m，如图3所示。由图3可知，在8106工作面开采条件下，顶煤变形量以“铰接岩梁”单独承载结构最大，“组合短悬臂梁”单独承载结构与“组合短悬臂梁”+“铰接岩梁”混合承载结构相当，结合综合柱状图，分析得出无变形压力岩层层位。

表1 控顶区顶煤总变形量计算参数

图3 不同顶板结构顶煤塑性区分布

对于特厚综放工作面而言，基本顶铰接岩梁结构的存在能够有效承载上覆岩层重量，阻断了垂直应力向下传递，因此，其破断过程中出现其上方覆岩较大能量的释放，出现大周期的强矿压显现。同时，该结构的存在也在一定程度上阻断了覆岩应力对顶煤弱化的作用，导致控顶区顶煤变形高度的降低，在夹矸的共同作用下，进一步降低了顶煤冒放性，不利于工作面顶煤回收率的提高，需要采取顶板弱化措施，降低顶板结构稳定性，使矿山压力充分作用于顶煤体，提高冒放性。

2.2 特厚顶煤体结构特征

特厚煤层顶煤体按照煤层厚度以及受力特性分类，主要分为两种结构形式，工作面初采期间，形成下位塑性顶煤体及上位近弹性顶煤体，结构形式如图4所示。下位顶煤在支架反复支撑力的作用下发生塑性变形，形成可放出的散体介质，而上位近弹性顶煤体在初采期间(一般在顶板初次来压前)受采动应力影响较小，呈现近弹性介质形态，这是特厚煤层综放工作面在初采期间顶煤冒放性较差的主要原因。

图4 特厚顶煤体结构特征

8106工作面顶煤钻孔窥视结果表明：0～7 m内煤体裂隙发育，存在多处离层、破碎，顶煤体完整性较差，裂隙发育区域占比较大，达50%以上；7～15 m内煤体较为完整，无明显离层破碎区域，裂隙发育程度相对较低，裂隙区域占比20%以下，在工作面的回采过程中，顶煤破坏相对滞后，不利于顶煤放出率的提高。

初次来压形成的原因是由于基本顶在直接顶垮落后失去支撑而发生破断垮落导致的，基本顶弯曲下沉过程中将覆岩应力传递至直接顶和顶煤，顶煤塑性区范围增大，但由于顶煤厚度较大且存在夹矸，上位顶煤体仍处于弹性状态，顶煤仍无法全部顺利放出。待基本顶初次破断垮落，形成初次来压前后，采动应力达到峰值，上位顶煤体逐步转为塑性体，待弹性煤体厚度无法有效维持自重载荷时，冒放性达到最佳，坚硬顶板悬顶会造成，顶煤体破碎不充分，尤其是上位顶煤体冒落过程中大块多，堵塞放煤口，顶煤回收率低，需要采取顶煤弱化措施。

3 综放开采煤岩双效弱化机理

3.1 煤岩预切缝弱化模拟研究

依托CDEM数值模拟分析顶煤顶板卸压对工作面采场顶煤顶板的弱化效果，数值模拟试验中以覆岩破坏高度、顶煤破坏情况、煤柱侧帮围岩的应力集中程度及应力集中范围为依据，来反映顶煤顶板卸压效果。马道头矿属于典型的坚硬顶板赋存矿区，矿压显现特征鲜明，顶煤冒放性差，以8106工作面为背景，对工作面顶板进行钻孔取样后进行煤岩物理力学参数试验数据，通过试验无法获得的参数取值为岩性的平均值，见表2，建立离散元数值分析模型，模型长度600 m，高度312 m，左右各留100 m边界，上部直至地表，通过地面压裂技术解决8106工作面矿压强烈及顶煤难冒问题，通过地面钻井至工作面顶煤顶板层位，在工作面前方形成大面积预切缝达到弱化顶煤顶板效果，压裂层位分别距顶板19～32 m、85～101 m。

表2 煤岩物理力学性质测试结果

对比分析了8106工作面厚层坚硬岩层及顶煤在未压裂和实施压裂两种条件下，工作面开采过程中的采场顶板岩层断裂特征、超前支承压力分布规律、顶煤破坏特征，结果表明，实施地面压裂后，覆岩破坏高度增大，压裂岩层厚层砂岩悬顶消失，应力集中减弱，超前支承压力峰值降低20%，采动稳定应力差别不大，如图5所示，顶煤完整性遭到破坏，地面压裂可以有效降低工作面回采期间厚层坚硬顶板引起的悬顶长度、应力集中程度及顶煤完整性。

图5 压裂前后超前支承压力对比

3.2 顶煤体应力分区演化特征

根据数值模拟得到特厚煤层综放工作面顶煤体中的应力分布特征，提取工作面推进距离为350 m处的垂直应力、最大水平主应力和最小水平主应力，如图6所示。

图6 工作面三向应力分布

煤壁前方的水平应力分布特征为：沿工作面推进方向水平应力呈现由小增大，距煤壁处越近，水平应力越小，距工作面煤壁越远水平应力越大；煤壁前方约12 m范围之内，顶煤体中水平应力从下部→中部→上部，呈先减小后增大趋势，水平应力从大到小依次为：上部顶煤中的水平应力，下部顶煤中的水平应力，中部顶煤中的水平应力。支架上方靠近采空区侧的水平应力分布特征为：上部顶煤中的水平应力大于中部顶煤中的水平应力，中部顶煤中的水平应力大于下部顶煤中的水平应力，距离采空区越近趋势越明显。此外，控顶区内顶煤体中垂直应力差别较小，主要在工作面煤壁前方形成应力集中。

根据煤体应力分布规律，在控顶区上方上位顶煤体范围内，垂直应力与水平应力集中程度相对较低，顶煤厚度越大、硬度越高，上位顶煤体冒放性越差，上位顶煤体是顶煤体弱化的主要对象。

4 地面压裂双效弱化技术应用

4.1 煤岩双效弱化技术方案

采用地面水力压裂技术对8106工作面顶板厚硬岩层及顶煤进行弱化处理，压裂井中心距8106工作面切眼849 m，距工作面水平距离约62 m，压裂层位选择顶煤及煤层上覆20.72 m厚组合砂岩层。

钻井方案：钻井完钻井深450 m；一开311.1 mm钻头×90 m，∅244.5 mm套管×87 m；二开215.9 mm×450 m，∅139.7 mm套管×415.83 m；人工井底411.33 m。

压裂方案：施工时间为40 min，泵站排量为3 m3/min，泵压为20 MPa，注入压裂液为200 m3。压裂时采用电缆传输射孔，用∅102 mm射孔枪、127射孔弹、16孔/m、60°相位角；射孔井段为393～397 m，厚度4 m，64孔。压裂液选取胍胶压裂液(0.2%增稠剂+有机硼交联剂)。

压裂过程：实际压裂时间为38 min，泵站排量为2～4.5 m3/min，总流量为240 m3，泵压为16.9～21.3 MPa，压力变化曲线呈密集锯齿状，表示岩层内有新生裂隙及原生裂隙的扩展，达到了通过压裂破坏岩层完整性的作用。

4.2 煤岩双效弱化效果评价

4.2.1 矿压显现对比

采用该技术后，压裂影响区内，来压强度明显降低，周期来压步距缩短，来压范围及持续时间减小。压裂前，工作面推进103 m，共经历8次来压，来压步距14～25 m，平均16 m，来压持续2.4～10 m，平均5.9 m。压裂后，工作面推进115 m，共经历9次来压，来压步距4.8～19 m，平均12 m，来压持续2.4～7.2 m，平均4.8 m。

在非压裂影响区内，分析了8106工作面有效循环为236个，其中非来压期间168个循环，初撑力5549 kN，循环末阻力9901 kN，增阻率72.53 kN/min；来压期间分析68个循环，初撑力5299 kN，循环末阻力15045 kN，增阻率162.43 kN/min，动载系数1.52。在压裂影响区内，分析了8106工作面有效循环为240个，其中非来压期间187个循环，初撑力4789 kN，循环末阻力7384 kN，增阻率43.25 kN/min；来压期间分析53个循环，初撑力5764 kN，循环末阻力12746 kN，增阻率116.37 kN/min，动载系数1.73。

压裂影响区内，非来压期间，循环末阻力下降2517 kN，降幅约25.4%，增阻率下降29.28 kN/min；来压期间循环阻力下降2299 kN，降幅约15.3%，增阻率下降46.06 kN/min，见表3。

4.2.2 顶煤回收率对比

工作面走向煤层厚度起伏非常大，沿着工作面推进方向，煤层最大的厚度达20 m以上，相对薄一点的区域也在11 m左右，顶煤弱化试验区煤层厚度平均为18.8 m，以此数据作为顶煤回收率计算依据。8106工作面顶煤含矸厚度按1.3 m(钻孔窥视结果)，煤体密度按1.4 t/m3，泥岩矸石密度按2.2 t/m3，割煤回收率约为98%，工作面放煤长度约为220 m。8106工作面在采用地面压裂弱化技术后，提高了顶煤回收率，工作面顶煤弱化影响区内外各项指标对比见表4。

表4 8106工作面顶煤弱化影响区内外各项指标对比

5 结 论

1)针对坚硬顶板条件特厚煤层综放开采顶煤回收率低的问题，根据特厚煤层综放开采组合短悬臂梁-铰接岩梁结构理论，分析了顶板结构与顶煤受力状态的对应关系，揭示了破坏顶板结构提高顶煤回收率的原理，利用地面压裂破坏范围大、穿透能力强的技术特点，采用地面压裂方法实施了覆盖工作面全区的顶板顶煤双效弱化，实现了“两硬”条件综放工作面提高顶煤回收率的目的。

2)依托CDEM数值模拟分析顶煤顶板协同弱化效果，压裂后覆岩破坏高度增大，压裂岩层厚层砂岩悬顶消失，超前支承压力峰值明显降低、顶煤完整性遭到破坏，弱化措施可以有效降低工作面回采期间厚层坚硬顶板引起的悬顶长度、应力集中程度及顶煤完整性。

3)根据煤体应力分布规律，在控顶区上方上位顶煤体范围内，垂直应力与水平应力集中程度相对较低，顶煤厚度越大、硬度越高，冒放性越差，上位顶煤体是顶煤体弱化的主要对象。

4)通过实测分析顶煤顶板弱化效果，压裂影响区内，非来压期间，循环末阻力下降25.4%，来压期间循环末阻力下降15.3%，地面压裂后覆岩分层破坏程度较高，坚硬厚层岩层薄层化，顶煤回收率得到了提高，比未经地面压裂弱化顶煤时顶煤的回收率增加了6.1%。