塔山煤矿工作面上覆煤层采空区遗留煤柱水力致裂卸压技术应用实践 - 胡旭东 - 2020年7月

塔山煤矿工作面上覆煤层采空区遗留煤柱水力致裂卸压技术应用实践

胡旭东  郝建新

中煤大同能源有限责任公司塔山煤矿 山西大同 037000

摘要：上覆煤层遗留煤柱是造成工作面应力集中的重要原因之一。塔山煤矿30515工作面推进过程中，受上覆2#煤层遗留煤柱集中应力影响，回风顺槽巷道煤柱侧肩窝下沉、网兜、底鼓、底帮炸裂等动力现象，对工作面安全回采造成严重威胁，为减小上覆遗留煤柱应力集中影响，对上覆2#层煤柱及其顶板进行水力致裂卸压，阻断超前应力传递因素——集中煤柱及其坚硬顶板，减小因超前采动应力引起的巷道矿压显现。研究结果表明：上覆煤层遗留煤柱造成的应力集中区范围为40m，水力致裂后工作面周期来压强度有所减弱，微震事件能量值降低；巷道围岩变形量大幅减小，顶底板移近、两帮收敛量变化减缓；动力现象显著降低。研究结果对于解决上覆煤层遗留煤柱问题提供了借鉴与参考。

关键词：上覆煤层；遗留煤柱；矿压显现；水力致裂；卸压

Application practice of hydraulic fracturing and pressure relief technology in goaf of overlying coal seam in Tashan Coal Mine

Abstract: Coal pillar left over from overlying coal seam is one of the important reasons for stress concentration in working face. During the advancement of 30515 working face in Tashan Coal Mine, influenced by the concentrated stress of the left coal pillar in the overlying 2 ᦇ coal seam, the dynamic phenomena such as shoulder socket sinking, mesh pocket, floor heave, bottom side blasting and other dynamic phenomena in return air gateway roadway caused serious threat to the safe mining of working face. In order to reduce the influence of stress concentration of overlying residual coal pillar, hydraulic fracturing and pressure relief was carried out on the overlying 2 ා coal pillar and its roof to block advance The stress transfer factor is to concentrate the coal pillar and its hard roof to reduce the ground pressure behavior caused by the advance mining stress. The research results show that: the stress concentration area caused by the coal pillar left over from the overlying coal seam is 40m, the periodic weighting strength of the working face is weakened after hydraulic fracturing, and the energy value of microseismic events is reduced; the deformation of surrounding rock of roadway is greatly reduced, the displacement of roof and floor, the change of convergence of two sides is slowed down; the dynamic phenomenon is significantly reduced. The research results provide reference for solving the problem of coal pillar left over from overlying coal seam.

Keywords: overlying coal seam; remaining coal pillar; strata behavior; hydraulic fracturing; pressure relief

 

引言

随着煤炭资源开采深度的增加，地应力不断增高，煤岩瓦斯动力灾害日趋严重，为煤炭资源的安全高效开采造成了巨大威胁^[1-3]。煤岩动力灾害已成为制约煤矿安全、高效生产的重要因素^[4]。

在我国大同矿区双系煤层开采中，普遍存在煤层赋存距离不大，上部煤层开采完毕后，工作面转入下部煤层，由于煤层间距较小，上部煤层采空区和遗留区段煤柱对下部煤层开采造成了较大影响，采动影响下工作面和顺槽矿压显现剧烈，巷道围岩变形较大，对工作面安全回采造成一定影响^[5]。为减小遗留煤柱集中应力影响，结合塔山煤矿实际，采取水力致裂作为主要卸压技术手段对上覆遗留煤柱进行预裂卸压，为矿井生产安全提供可靠保证。

1 工作面概况

30515工作面位于塔山煤矿三盘区，标高1008.5m，工作面东部为实煤区，南部有3-5#煤层1045辅运、胶带、回风三条大巷，西部隔10米煤柱为30501工作面采空区，北部隔矿界（煤柱）与同煤白洞井田相邻。30515工作面内为3-5#煤层实体煤，平均厚度14.04m，平均倾角4°。工作面上覆跨本矿2#煤层10201工作面和10215工作面采空区，两采空区间的保护煤柱30m，该煤柱位于30515回风顺槽左侧27.5-57.5m处对应上覆2#层采空区与30515工作面层间距平均为4.41～4.85m,平均4.64m。

2 上覆遗留煤柱对煤层影响理论分析

2.1遗留煤柱塑性破坏区计算分析

受到2#煤层工作面掘进和回采的影响，区段保护煤柱应力发生多次重新分布，从煤柱体边缘到深部，会出现破裂区、塑性区、弹性区和原岩应力区，围岩应力向深部转移^[6]。侧向支承应力峰值点位于煤柱内，工作面回采后，其周边围岩应力重新分布，两侧煤体边缘首先遭到破坏，并逐步向深部扩展和转移，直至弹性区边界。根据极限平衡理论，工作面区段煤柱的塑性区宽度为^[7]：

 

式中：λ—侧压系数，由式λ＝μ（1-μ）得λ为0.21；

      R—塑性区宽度；

      K—回采引起的应力集中系数，根据相关文献，取3；

      γ—上覆岩层的平均容重，取2.5t/m³；

      H—开采深度，取400m；

      M—煤层一次性采出厚度，取3m；

      C₀—煤岩体本身的层理面等交界面的粘聚力，取3.0MPa；

      φ₀—煤岩体本身的层理面等交界面的内摩擦角，取34°。

代入以上公式，可计算得2#煤层集中煤柱塑性区深度：R₀＝3.04m。因此，2#煤层集中煤柱宽度为30m时，整个煤柱的塑性区宽度为6.08m，其余23.92m煤柱处于弹性或弹塑性状态。

2.2遗留煤柱对顶板岩层的支撑作用

根据2#煤层集中煤柱塑性区和弹性区宽度的计算可知，集中煤柱约79.7%的宽度为弹性区范围，说明集中煤柱没有被破坏，具有支撑上覆顶板岩层的能力。

3 上部遗留煤柱集中应力分布特征数值模拟

采用FLAC3D数值模拟软件，建立三维数值模型，开挖后的模拟结果如图3.1所示。不开挖3-5#煤层时的上部遗留煤柱应力影响范围模拟结果，由图可知，30m宽煤柱对3-5#煤层影响范围80m，应力最大为25MPa，应力集中区的范围为40m。

 

图1 上部集中30m煤柱时3-5#煤层应力分布平面投影

4 水力致裂卸压措施

4.1 水力致裂钻孔布置

为解决工作面上覆煤柱的影响，中煤大同塔山煤矿采用水力压裂措施对煤柱进行卸压。卸压孔布置情况如图2所示，30515回风顺槽距离上覆2#煤层遗留煤柱水平距离28m，煤柱宽度30m，煤柱高度3m。致裂2#层煤柱钻孔为1组2个孔，分别为1#、2#孔。1#孔致裂煤柱直接顶，垂直进入2#煤层直接顶岩石1m；2#孔致裂煤柱，垂直进入煤柱1.5m，1#孔与2#孔间距1至2m，每组致裂孔间隔布置，间距20m，开孔位置距离底板2.3m，致裂管按照要求送到距孔底1m位置。

 

图2 水力致裂钻孔布置示意图

4.2 水力压裂效果检验

通过30515工作面致裂前后：工作面周期来压变化、回采期间工作面顶板破碎和煤壁片帮变化、微震频次变化、回风顺槽围岩变形变化，进行致裂效果验证。

 2019年8月14日，30515工作面推进至第一组致裂孔位置，根据工作面进入致裂区域前后的压力在线监测云图，如图3所示，进行对比得出：

（1）前半月、后半月周期来压均为3次，平均来压步距为7.18m和10.4m，后半月来压步距长；（2）前半月、后半月来压期间压力显现时间平均为3天和2.67天，后半月压力持续时间缩短；（3）自8月16日起至26日，煤柱下59-76#架无连续性的压力集中显现，期间工作面共推进31.1m。

这表明，采用水力压裂卸压措施之后，工作面在后半月的来压强度有所减弱，特别是煤柱下压力无集中显现，判断工作面推进至上覆2#层煤柱致裂区后，工作面压力显现发生变化。

4.3 动力显现统计结果

如图3所示，根据工作面推进期间顶帮情况统计：一是前半月、后半月工作面片帮天数为9天和6天，后半月工作面片帮减缓；二是前半月、后半月工作面顶板破碎天数8天和6天，后半月工作面顶板破碎减缓。

得出：工作面推进至上覆2#层煤柱致裂区后，工作面顶帮情况好转。

4.4 工作面微震监测结果

微震监测技术^[8]是利用采掘空间布置的拾振器，通过实时定位监测技术，分析震动信息，计算得到震源发生的时刻和微震波传播速度；综合利用拾振器坐标和记录的微震波到达时间建立联合方程组，可进一步求解得到震源位置和能量大小；通过对微震震源信息的分析，该技术还可以给出采动影响下采掘施工影响范围、来压规律、“三带”高度、覆岩破坏范围等信息；此外，通过进一步应用，该技术可为回采工作面日常监测、来压预报、煤岩体采动影响稳定性、矿震监测、冲击地压监测预警等提供重要参考依据^[9]。

微震监测情况分为两个阶段进行统计：一是开始致裂阶段，工作面滞后致裂区域约150m；二是工作面开始进入致裂区域。

第一阶段，开始致裂阶段，工作面滞后致裂区域约150m，微震发生频次如表1所示。

图3  30515工作面压力显现情况对比表（2019.8.1-2019.8.27）