东周窑8102工作面岩层移动特征及矿压显现规律

李海龙

（晋能控股煤业集团同发东周窑煤业有限公司 山西 大同 037103）

我国探明的煤炭储量达1.34万亿t，其中44%埋在6 m～20 m 的井下开采厚煤层，煤炭已成为我国主要能源。在大采高综采放顶煤技术研究和应用的推动下，超厚煤层的年产量已达到1000 万t。随着开采高度增加，煤层开采引起的覆岩移动和应力集中效应日益明显，并伴随着顶板坍塌、煤层瓦斯突出、冲击地压等事故，对开采安全构成严重威胁。许多学者通过理论分析、现场测量、相似建模和数值模拟进行了广泛研究，对硬顶板下大采高工作面围岩应力分布规律及覆岩破坏特征取得了丰硕成果。本文以东周窑煤矿8102工作面典型的坚硬顶板为研究背景，用数值模拟方法研究坚硬顶板条件下采场围岩的应力分布规律。确定采场围岩的分布规律和应力特征，用水力压裂法弱化顶板岩层[1]，降低采场围岩应力，提出一种防止坚硬顶板采场发生冲击地压灾害的方法，研究结果可为硬岩顶板压裂弱化及水力压裂技术的发展提供参考。

1 东周窑煤矿8102工作面简介

东周窑煤矿8102工作面位于山西组4#层一盘区，北部为山4#层一盘区三条采区巷道，西部为南部三条盘区巷道，南部及东部均为实煤区。对应的上覆为店湾煤矿侏罗系煤层采空区。煤层厚度平均5.97 m，开采深度500 m左右。本工作面开采二叠系下统山西组4#煤层，煤层平均厚度为5.97 m，中间有2～10层夹矸，最大为1.93 m，最小为0.20 m，岩性多为砂质泥岩、炭质泥岩、煌斑岩，次为粘土质泥岩、泥岩。地应力结果表明，垂直方向的主应力为10 MPa，中间主应力和次要主应力都在水平方向上分别约为6.2 MPa 和3.3 MPa。

表1 构造情况表

表2 煤层顶底板情况表

2 坚硬顶板对矿压显现的影响

为了确定坚硬顶板对采场围岩应力分布的影响，采用数值模拟方法研究了采场围岩的应力分布。利用有限差分软件FLAC3D对工作面开挖进行模拟。根据东周窑煤矿8102 工作面实际情况建立了数值模拟模型，模型尺寸为长×宽×高=500 m×600 m×200 m，其所有边界（顶部边界除外）均受正常约束。由于坚硬顶板强度大，在覆岩移动中起决定性作用，将坚硬顶板岩层简化为相同岩性的岩层，以埋深为基准，在顶部施加等效垂直荷载7.5 MPa。煤岩体物理力学参数见表3。

表3 煤岩物理力学参数及厚度

图1 显示了不同工作面推进距离（即100 m、200 m、300 m 和400 m）下工作面开采期间的支承压力分布。上覆岩层压力约为12.5 MPa，随着工作面开采的不断推进，上覆岩层对超前支承压力的强度和影响范围影响不同。工作面推进打破了采场周围的岩体平衡，采空区上覆岩层的重力转移到煤体，导致应力集中。在采场附近一定范围内，煤体中的垂直应力显著增加，产生支承压力，最大应力为23 MPa。垂直应力的增加并不是无限的，因为在达到一定程度后，垂直应力逐渐降低到原始岩石应力。在工作面前方，支承压力先升高后降低，形成三个区域，即原始岩石应力区、增加应力区和减少应力区。由于覆岩强度和厚度较大，工作面推进一定距离后仍能保持稳定。随着开挖距离的增加，超前支撑压力影响范围和峰值强度逐渐增大，图中白色范围为煤层开挖后区域。

图1 工作面开采期间的支承压力

3 水力压裂现场试验

水力压裂产生的裂缝通常集中在钻孔上，主应力方向的裂纹较长，而垂直主应力方向的裂纹较短，水力压裂布置在工作面中部[2-3]。如图2所示在回风巷设置A、B、C 三个孔，三个钻孔为一组，每隔10 m 布置一组钻孔。A 和B 两孔主要用来压裂端头悬顶，呈三花布置，B和C两孔主要用来压裂煤柱上方顶板，呈扇形布置。孔B 同时兼顾端头悬顶和动压巷道压裂的作用。钻孔A 贴正帮平行巷道向采空区方向施工，开孔位置距离巷帮300 mm，仰角为45°，钻孔长度11.5 m达到老顶的破裂范围；钻孔B贴副帮向采空区后方施工，开孔位置距离巷帮300 mm，方位角为偏离巷道方向10°，仰角45°，钻孔长度为22.5 m；钻孔C 垂直巷帮斜向煤柱顶板施工，仰角45°，钻孔长度22.5 m。A、B、C 钻孔直径均为60 mm，钻孔A 压裂3段，孔B 和孔C 压裂5段，两段之间的间距平均为4 m～5 m，每段的压裂时间控制在30 min。

图2 钻孔布置示意图

为了增加水力压裂过程中裂缝的数量，需采用大排量压裂泵，泵的排量确定为120 L/min。由于灰岩顶板的强度较高，f系数接近10，抗拉强度为8 MPa～13 MPa，且最小主应力为3.3 MPa，按照富余系数为2 考虑，泵需要提供35 MPa以上的压力[4-5]。

4 实施效果

通过分析管路压力、综采面煤体应力变化判别煤层压裂效果。

（1）管路压力

煤体裂隙在高压水的作用下，煤体裂隙发生起裂扩展，煤体充水空间变大，与此相对应管路压力将发生突降，据此可以判别煤体裂隙发育程度，从而判定煤体卸压效果。图3为钻孔煤体预裂与压裂曲线。

图3 压力-时间曲线图

由图3煤体水力预裂、压裂曲线可知，煤体水力预裂曲线压力始终维持在40 MPa～50 MPa 之间，煤体在高压脉冲水力压裂作用下，形成定向水力压裂切割裂缝，从而降低后续煤体压裂时的起裂压力。当煤体进行水力压裂扩展煤体裂缝时，煤体的起裂压力为23 MPa，随后压力迅速降低，在压裂进行到12 min 和23 min时煤体又分别进行了裂隙的一次扩展与二次扩展，扩展压力小于起裂压力，此时煤体内裂缝已充分扩展，观测到煤体1#孔和2#孔均有不同程度出水，巷道煤壁出现渗水，煤壁裂隙发育，压裂半径达到5 m 以上，煤体内卸压效果显著。

（2）煤体应力

根据工作面推进位置不同，分别观测工作面在非预裂区和预裂区煤体应力分布规律。关键层压裂后压力值会逐渐减小，但不会无限减小，达到原岩应力后，应力值趋于稳定，加大压裂深度对压力有一定影响。

由图4 和图5 观测数据可知：8102 工作面在非预裂区时超前支承压力为25 MPa，压力峰值超前工作面4 m，应力集中系数为2.56；工作面推进到1#孔预裂区时超前支承压力为17.1 MPa，压力峰值超前工作面6 m，应力集中系数为1.74；工作面推进到2#孔预裂区时超前支承压力为18.3 MPa，压力峰值超前工作面8 m，应力集中系数为1.87。对比分析发现，工作面推进到单排孔预裂区之后，压力峰值前移2 m，应力集中系数降低32%，工作面推进到双排孔预裂区之后，压力峰值前移4 m，应力集中系数降低26.9%。而造成双排孔预裂区应力集中系数降低率较低的原因为，工作面双排孔预裂区前方存在一断层构造，造成该处出现应力集中现象。

图4 超前支承压力图 图5 超前支承压力峰值及位置图

研究发现，工作面煤体预裂之后，超前支承压力峰值前移，峰值降低，工作面煤壁区域卸压范围增大，有效减缓了工作面应力集中。

5 结论

（1）数值分析研究了某煤层采场围岩的应力分布规律，结果表明:采场围岩受坚硬顶板影响，围岩受集中应力影响范围大，采场围岩受集中应力影响范围大，容易导致强矿压灾害的发生。

（2）压裂井技术能够有效地裂缝煤层坚硬顶板，监测结果表明，水力压裂在硬岩层内部形成一系列裂缝，对顶板的压裂效果较好。

（3）现场监测结果表明，水力压裂后支护压力影响范围为49.15 m，超前支护压力峰值降至18.58 MPa。结果表明，采场顶板水力压裂有效降低了采场围岩应力对生产的影响。