Characteristics of strong mine pressure manifestation in composite hard roofs and determination of main controlling layers
-
摘要:
煤层上方复合坚硬顶板结构间的相互作用关系复杂，水力压裂复合顶板的卸压主控层位难以明确。以乌审旗蒙大矿业有限责任公司纳林河二号矿井31104−1工作面为工程背景，综合采用物理相似模拟、理论分析、工程试验的研究方法，分析了复合坚硬顶板破断与能量演化规律，揭示了复合坚硬顶板强矿压形成机理，明确了水力压裂的主控层位。研究结果表明：复合坚硬顶板工作面开采初期，顶板垮落范围集中于低位坚硬顶板，其周期性破断形成工作面周期来压；高位坚硬顶板受下部垮落矸石支撑作用难以充分垮落，工作面推进至一次见方位置时，高位坚硬顶板协同间隔岩层整体切落，工作面产生强矿压现象；采用定向预裂高位坚硬顶板后，工作面覆岩呈现典型的“三带”结构，上方顶板及时破断下沉，工作面见方位置较预裂低位坚硬顶板声发射振铃计数减少了38.36%，微震事件集中分布区能量降低至1 000～2 000 J，且现场实测顶板微震事件总能量、单刀能量及事件数较预裂低位坚硬顶板时分别降低了62.17%，71.92%，56.32%，表明高位坚硬顶板为卸压主控层位，预裂高位坚硬顶板能有效抑制工作面强矿压现象。
Abstract:The interactions within the composite hard roof structure above coal seams are highly complex, making it challenging to identify the main controlling layers for pressure relief via hydraulic fracturing. Using the 31104-1 working face of the Nalinhe No. 2 Mine at Wushenqi Mengda Mining Co., Ltd. as the engineering background, this study employed physical similarity simulation, theoretical analysis, and engineering tests to investigate the fracture and energy evolution patterns of composite hard roofs. The study revealed the mechanism behind strong mine pressure in composite hard roofs and identified the main controlling layers for hydraulic fracturing. The results showed that during the initial mining phase of the composite hard roof working face, the collapse was concentrated in the lower hard roof, with periodic fractures creating periodic pressure on the working face. The upper hard roof, supported by collapsed gangue below, failed to collapse fully. When the working face advanced to a square position, the upper hard roof and the intervening strata collectively fractured, causing strong mine pressure. After directional pre-splitting of the upper hard roof, the overburden exhibited a typical "three-zone" structure, allowing the upper roof to fracture and sink promptly. At the square position of the working face, the acoustic emission ringing count of the upper roof decreased by 38.36% compared to pre-splitting of the lower hard roof. The energy in the concentrated microseismic event area was reduced to
1000 -2000 J, while the total microseismic energy, single-pick energy, and number of events decreased by 62.17%, 71.92%, and 56.32%, respectively, compared to the pre-splitting of the lower hard roof. These findings confirmed that the upper hard roof was the main controlling layer for pressure relief, and pre-splitting the upper hard roof effectively suppressed strong mine pressure on the working face. -
0. 引言
顶板事故是我国煤矿事故主要类型之一，上覆坚硬顶板是顶板事故的主要诱因之一[1-2]。工作面开采过程中上覆坚硬顶板不易自然垮落，形成采空区大面积悬顶，造成工作面超前应力集中，引起煤壁片帮、架前冒顶、压架、底鼓等问题[3-4]。随着工作面推进，悬顶面积增加，坚硬顶板受力到达极限时发生大面积垮落，积聚于顶板及煤层间的大量弹性能急剧释放，大幅增加来压强度，易产生强矿压现象[5]，制约矿井安全高效回采[6]。
多位学者对坚硬顶板强矿压成因进行了研究。文献[7]认为坚硬顶板诱发冲击矿压的主要原因是坚硬顶板破断或滑移失稳时，大量弹性能突然释放，形成强烈震动，发生冲击矿压。文献[8]认为坚硬顶板悬顶作用下，煤壁应力增大过程中，煤体与顶底板之间的摩擦力不断调整，当层间摩擦力达到极限时，将诱发层间错动型冲击矿压。文献[9]认为坚硬顶板断裂后发生压缩、反弹的空间区域是冲击地压的震源。文献[10]研究了坚硬顶板和断层结构条件下的动力灾害，分析了其发生特征和强度，揭示了断层构造对冲击地压的影响机制。文献[11]分析了初次来压前的煤层塑性区、弹性区坚硬顶板力学特性，结果表明随着采空区步距增大，顶板下沉量增大，煤层塑性区支承力峰值增大，煤壁处煤层支承力减小，煤壁前方与采空区顶板弯矩增大。文献[12]分析了坚硬顶板型工作面的声发射及应力前兆信息特点，认为坚硬顶板型冲击地压以能量及应力判据为主。文献[13]指出坚硬顶板与煤层间的空间关系是强矿压的重要诱因之一。文献[14]建立了基于关键层运动状态的矿震能量预测模型与采场等效附加应力估算模型，提出了基于K−means聚类算法和肘部法则的煤矿覆岩主控致灾层位识别技术。文献[15]运用物理相似模拟与理论分析的方法，揭示了复合关键层厚硬顶板的诱冲机制与防治技术模式。以上研究表明，坚硬顶板在发生变形破坏时内部赋存能量短时间内大量释放是诱发坚硬顶板强矿压显现的原因。
对煤层上覆坚硬顶板进行超前压裂卸压可有效抑制强矿压现象。水力压裂技术作为弱化坚硬顶板的有效方法，在采煤工作面岩层控制、高应力与强采动巷道围岩控制等方面得到越来越广泛的应用[16-18]，但在现场施工中仍存在工作面高位岩层和工作面中部坚硬顶板难以处理的问题[19]。近年来，许多学者对坚硬顶板水力压裂控顶技术进行了大量研究。文献[20]明确了定向水力压裂煤柱留巷卸压机理。文献[21]采用真三轴实验系统研究了水压裂缝的扁椭球体典型形态和空间转向扩展形态，阐明了定向压裂临空坚硬悬顶的断顶线位置适当内错煤柱的原理。文献[22]求得了水力压裂破裂区半径计算公式，确定了水力压裂有效压裂半径的主控因素。文献[23]提出了定向长钻孔分段水力压裂区域坚硬顶板治理技术。文献[24]分析了坚硬顶板悬顶受力特征及其对矿压显现的影响，提出了对工作面顶板施工定向水力压裂措施来弱化坚硬顶板岩层，控制其垮落，揭示了水力压裂弱化坚硬顶板以降低回采期间矿压显现的机理。文献[25]采用数值模拟与理论分析的方法揭示了坚硬顶板弱化前后的应力演化特征，提出了超前区域防治技术。以上研究从不同角度揭示了水力压裂弱化顶板机理，并提出了具有参考意义的弱化处理技术，但针对煤层上方存在复合坚硬顶板诱发强矿压的研究较少，且复合坚硬顶板结构间的相互作用关系复杂，水力压裂复合顶板的主控层位难以确定。
本文以乌审旗蒙大矿业有限责任公司纳林河二号矿井31104−1工作面复合坚硬顶板为工程背景，采用物理相似模拟、理论分析、工程试验的研究方法，分析复合坚硬顶板工作面的矿压显现规律，揭示工作面强矿压形成机理，在分析不同层位坚硬顶板预裂条件下覆岩变形破坏特征的基础上，研究覆岩周期性运移过程中能量释放规律，结合现场分段压裂弱化治理工艺，确定复合坚硬顶板条件下水力压裂的主控层位，为矿井安全高效生产提供技术保障。
1. 工程背景
纳林河二号矿井位于东胜煤田纳林河勘查区西部，井田南北长约17.8 km，东西宽约13.5 km，面积约为180.67 km2。31104−1工作面平均埋深为570 m，走向长度为1 769 m，倾向长度为300 m。主采煤层为3−1煤层，平均厚度为5.6 m。煤岩物理力学参数见表1。煤层上方100 m范围内分布有2层坚硬顶板，低位坚硬顶板为距工作面40 m处的岩层，高位坚硬顶板为距工作面60 m处的岩层，岩性均为细粒砂岩，饱和抗压强度为41.84 MPa，坚固性系数为4.2。
表 1 煤岩物理力学参数Table 1. Physical and mechanical parameters of coal and rock层号 岩层柱状 岩性 厚度/m 抗拉强度/MPa 内摩擦角/（°） 黏聚力/MPa 体积模量/GPa 剪切模量/GPa 1 
粉砂岩 16.00 2.20 42 1.55 18.5 10.2 2 
砂质泥岩 12.00 2.00 38 1.20 15.3 10.5 3 粉砂岩 12.00 2.20 42 1.55 18.5 10.2 4 
细粒砂岩 17.80 2.30 40 1.32 17.0 9.5 5 砂质泥岩 17.60 2.00 38 1.20 15.3 10.5 6 
细粒砂岩 17.80 2.30 40 1.32 17.0 9.5 7 粉砂岩 12.00 2.30 38 1.55 18.5 10.5 8 砂质泥岩 17.80 2.00 42 1.20 15.3 9.5 9 粉砂岩 23.20 2.20 38 1.55 18.5 10.5 10 砂质泥岩 20.17 2.00 42 1.20 15.3 10.2 11 粉砂岩 10.47 2.20 40 1.55 18.5 10.5 12 细粒砂岩（高位） 28.56 2.30 42 1.32 9.5 10.2 13 粉砂岩 6.60 2.20 38 1.55 18.5 9.5 14 砂质泥岩 14.60 2.00 42 1.20 15.3 10.5 15 细粒砂岩（低位） 25.70 2.30 40 1.32 17.0 9.5 16 粉砂岩 16.00 2.20 42 1.55 18.5 10.2 17 
3−1煤 5.60 0.33 32 0.78 5.4 3.6 2. 复合坚硬顶板强矿压显现特征
2.1 物理相似模拟实验
2.1.1 物理相似模型及参数
为探究复合坚硬顶板强矿压显现特征，采用平面二维实验架（长×宽×高为5 000 mm×300 mm×1 500 mm）开展物理相似模拟实验。物理相似模型如图1所示。几何相似比为1∶200，应力相似比为1∶320，容重相似常数为1.6，载荷相似常数为1.28×107，时间相似常数为$ 10 \sqrt 2 $。
根据31104−1工作面地质资料及实验室岩石力学实验测得的主要岩层物理力学参数，选取河砂、煤灰作为骨料，石膏、大白粉作为胶结材料，按照相似材料配比（表2）加入适量水后拌匀装入实验架内部，用重物将材料夯实到所需密度，并以8～20目的云母作为岩−岩和煤−岩界面的分层材料。
表 2 相似材料配比Table 2. Proportions of similarity materials层号 岩层名称 模型
厚度/cm配比 质量/kg 河砂 石膏 大白粉 煤粉 1 粉砂岩 8.00 8∶0.3∶7 113.76 4.28 9.96 — 2 砂质泥岩 6.00 8∶0.2∶0.8 85.32 2.13 8.52 — 3 粉砂岩 6.00 8∶0.3∶0.7 85.32 3.21 7.47 — 4 细粒砂岩 8.90 7∶0.3∶0.7 124.60 5.34 12.46 — 5 砂质泥岩 8.80 8∶0.2∶0.8 125.14 3.12 12.50 — 6 细粒砂岩 8.90 7∶0.3∶0.7 124.60 5.34 12.46 — 7 粉砂岩 6.00 8∶0.3∶0.7 85.32 3.21 7.47 — 8 砂质泥岩 8.90 8∶0.2∶0.8 126.56 3.15 12.63 — 9 细粒砂岩 11.60 7∶0.3∶0.7 162.40 6.96 16.24 — 10 砂质泥岩 10.10 8∶0.2∶0.8 143.62 3.59 14.34 — 11 粉砂岩 5.20 8∶0.3∶0.7 73.94 2.78 6.47 — 12 细粒砂岩（高位） 14.30 7∶0.3∶0.7 200.20 8.58 20.02 — 13 粉砂岩 3.30 8∶0.3∶0.7 46.92 1.77 4.11 — 14 砂质泥岩 7.30 8∶0.2∶0.8 103.81 2.59 10.37 — 15 细粒砂岩（低位） 12.85 7∶0.3∶0.7 179.90 7.71 17.99 — 16 粉砂岩 8.00 8∶0.3∶0.7 113.76 4.28 9.96 — 17 3−1煤 2.80 26∶1∶2∶16 22.97 1.14 3.44 17.23 2.1.2 监测方案
1） 位移监测。在模型表面布置16行测点，标定测点初始坐标，在模型开挖过程中，通过全站仪记录表面位移测点的坐标，监测工作面上覆岩层位移，分析复合坚硬顶板破断运移特征。
2） 能量监测。在模型中安装2个微震传感器，编号为1号、2号，分别位于模型上部的左边界与右边界处。对开采过程中微震能量、微震事件频次进行记录分析，研究复合坚硬顶板破断的能量演化特征。同时，在模型中安装2个声发射传感器，编号为Ⅰ号、Ⅱ号，与微震传感器位于同一水平，各偏离相近微震传感器5 cm。通过分析声发射信号变化特征，反映覆岩破坏时释放能量的大小和破坏剧烈程度。
2.2 复合坚硬顶板破断特征
在复合坚硬顶板工作面回采期间共发生15次周期来压，平均来压步距为10.3 cm。在开采前期垮落范围主要集中在低位坚硬顶板，当工作面第13次周期来压时，高位坚硬顶板协同间隔岩层与低位坚硬顶板整体切落失稳，工作面出现强矿压现象，垮落范围增大至高位坚硬顶板。工作面复合坚硬顶板破断特征如图2所示。
从图2（a）可看出，随着工作面开采，在推进至41 cm时，直接顶已大范围垮落至采空区，与低位坚硬顶板间形成明显离层，此时低位坚硬顶板难以形成稳定的铰接结构，向采空区逐渐弯曲下沉，最终发生垮落，垮落部分主要位于低位坚硬顶板的下部区域，垮落岩层厚度为3.2 cm，工作面发生初次来压，整体垮落高度为15.2 cm。
从图2（b）可看出，当工作面推进至54 cm时，出现第1次周期来压现象，此时顶板垮落范围增大至低位坚硬顶板中部区域，垮落高度为17.5 cm。在周期来压后，采空区左侧原铰接结构已全部失稳垮落，右侧仍存在部分铰接结构。
从图2（c）可看出，随着工作面向前推进，低位坚硬顶板已充分垮落，在采空区垮落矸石的支撑作用下高位坚硬顶板难以垮落，顶板垮落范围主要集中于低位坚硬顶板，垮落高度无明显增加，为20.8 cm。当工作面推进至130 cm时，发生第8次周期来压，采空区上方间隔岩层出现弯曲下沉现象，发育有横向裂隙，并与高位坚硬顶板间产生离层现象。
从图2（d）可看出，随着工作面继续向前推进，低位坚硬顶板继续发生周期的破断垮落，间隔岩层弯曲下沉程度逐渐增大，导致横向裂隙持续发育，离层量不断增加，为高位坚硬顶板提供了一定的回转空间，最终随着离层长度增加，在高位坚硬顶板的下部区域产生新的横向裂隙。当工作面推进至158 cm时，间隔岩层与高位坚硬顶板间的离层长度达到高位坚硬顶板的破断极限，间隔岩层受高位坚硬顶板的垮落压覆作用与高位坚硬顶板整体下沉，工作面产生强矿压现象，顶板的垮落范围增大至高位坚硬顶板的下部区域，垮落高度为47.3 cm。
2.3 复合坚硬顶板破断能量演化特征
2.3.1 声发射信号特征
工作面推进过程中声发射信号特征如图3所示。
从图3（a）可看出，在工作面推进0～50 cm过程中，直接顶发生4次垮落，振铃计数与能量出现小峰值。当工作面推进至41 cm时，顶板发生初次来压，垮落范围为低位坚硬顶板的下部区域，产生剧烈的能量波动，振铃计数和声发射释放能量出现明显大峰值，分别为22 400个和21 400 mV·μs。
从图3（b）可看出，在工作面推进50～100 cm过程中，顶板共产生5次周期来压，平均来压步距为9.8 cm，每次来压时伴随有明显的波动，且来压前后的振铃计数与能量指标总体呈U型分布。其中第4次周期来压强度较大，来压步距较小，振铃计数和声发射释放能量分别为25 300个和18 300 mV·μs，说明此前3次周期来压时覆岩中积聚的能量并未完全释放，导致第4次周期来压垮落步距减小，垮落范围增大，来压更为剧烈。
从图3（c）可看出，工作面推进100～150 cm过程中振铃计数与释放能量较推进50～100 cm时整体上升，但上升幅度并不显著，振铃计数和声发射释放能量的最大值分别为24 100个和19 200 mV·μs，说明此时周期来压的顶板垮落范围仍主要集中在低位坚硬顶板区域，并未到达高位坚硬顶板。
从图3（d）可看出，当工作面推进至175 cm时，发生第13次周期来压，振铃计数和声发射释放能量较前述阶段有显著增大，分别为
32500 个和30 000 mV·μs，来压强度剧烈，来压范围已到达高位坚硬顶板下部区域，在覆岩中积聚的能量得到充分释放，工作面出现强矿压现象。2.3.2 微震能量特征
工作面开采过程中的微震事件分布如图4所示。可看出在推进至137 cm之前，微震事件基本分布在低位坚硬顶板与间隔岩层中，高位坚硬顶板中未出现微震事件，其中微震能量为2 000～4 000 J与4 000～6 000 J的事件占比最高，此阶段顶板的垮落范围集中在低位坚硬顶板与间隔岩层之间，高能量事件主要受低位坚硬顶板垮落影响，矿压显现强度较低。随着工作面推进，低位坚硬顶板持续垮落，间隔岩层弯曲下沉，为高位坚硬顶板提供回转空间。当工作面推进至137 cm后，高位坚硬顶板产生横向裂隙，在高位坚硬顶板下部区域中出现微震事件，且由于顶板整体下沉，分别在推进160，185 cm位置出现高能量事件，顶板垮落范围已到达高位坚硬顶板，工作面出现强矿压现象。
![]()
图 4 工作面微震事件分布特征Figure 4. Distribution characteristics of microseismic events in working face2.4 复合坚硬顶板工作面强矿压形成机理
通过前述实验现象可知，在工作面回采初期，顶板垮落范围主要集中于低位坚硬顶板，低位坚硬顶板的破断形成工作面的周期来压，而高位坚硬顶板受下方垮落矸石的支撑作用难以垮落，当工作面推进至见方位置，高位坚硬顶板协同间隔岩层整体切落，产生强矿压现象。据此，建立复合坚硬顶板破断理论模型（图5），分析工作面强矿压形成机理。
随着工作面向前推进，上一次周期来压已结束，此时低位坚硬顶板呈一端固定的“悬臂梁”结构，如图5（a）所示。当工作面继续向前推进时，低位坚硬顶板的“悬臂梁”结构失稳破断，垮落至采空区，形成工作面的周期来压，且在推进一定距离后低位坚硬顶板再次呈现“悬臂梁”结构，如图5（b）所示。在低位坚硬顶板“悬臂梁”结构再次破断后，上方间隔岩层由于自身强度较弱无法形成结构，出现弯曲下沉现象，与高位坚硬顶板间产生离层现象，为高位坚硬顶板提供了一定的回转空间，如图5（c）所示。随着工作面推进，当上一次低位坚硬顶板“悬臂梁”结构破断后，间隔岩层弯曲程度进一步增加，致使高位坚硬顶板的回转空间也进一步增大，在悬露长度达到极限时发生破断，形成具有一定稳定性的“砌体梁”铰接结构，如图5（d）所示。在高位坚硬顶板形成“砌体梁”铰接结构后的某一刻，铰接结构失稳，高位坚硬顶板发生垮落，对间隔岩层施加额外载荷q1。间隔岩层自身载荷为q2，受自身强度影响无法承受高位坚硬顶板垮落对其施加的额外载荷发生破断，此时，高位坚硬顶板协同间隔岩层整体切落，压覆在低位坚硬顶板垮落的块体上，工作面上方来自顶板的载荷由原低位坚硬顶板施加载荷q3增大至q1+q2+q3，出现强矿压现象。
3. 复合坚硬顶板卸压主控层位确定
3.1 坚硬顶板预裂方案
为探究复合坚硬顶板卸压主控层位，在前述物理相似模拟实验研究基础上，针对预裂低位坚硬顶板与预裂高位坚硬顶板2种工况，对比分析其顶板破断特征与能量演化特征。
由于31104−1工作面一次见方位置易发生冲击地压灾害，现场钻孔压裂段位置分布在一次见方（距切眼300 m）位置左右，相邻压裂段间距为20～40 m。结合现场钻孔位置、参数及模拟实验相似比、材料等特点，选用位于工作面切眼的钻场1为模拟对象，分别对不同层位坚硬顶板进行预裂，具体布置方案如图6所示。
定向长钻孔分段水力压裂技术将高压压裂液注入坚硬岩层中，使岩层产生新的裂缝系统，破坏岩层整体完整性，降低其强度。模拟实验中，采用压裂泵向钻孔中依次进行高压注水，待相邻钻孔间岩层有水液渗出，即说明该钻孔压裂段完成弱化。
3.2 预裂不同层位顶板破断特征
预裂低位坚硬顶板垮落特征如图7（a）所示。预裂低位坚硬顶板后，岩层完整性降低，初次来压步距为42 cm，周期来压步距减小，平均为8.2 cm。初次来压至第12次周期来压期间，顶板垮落高度较低，集中在低位坚硬顶板范围。当第13次周期来压以后，高位坚硬顶板发生破断回转，积聚的弹性能大量释放，垮落高度突然增大为36.5 cm，工作面出现强烈的矿压现象。第14次周期来压至第19次周期来压期间，高位坚硬顶板继续有离层发育，岩层最大破坏高度为47.2 cm，但受低位坚硬顶板预裂影响，采空区垮落矸石较为破碎，垮落空间基本被充实，高位坚硬顶板无法及时破断，当开采距离过长时，预计高位坚硬顶板会出现回转破坏，工作面再次出现强矿压现象。
![]()
图 7 预裂不同层位坚硬顶板垮落特征Figure 7. Caving characteristics of pre-splitting hard roof at different layers预裂高位坚硬顶板垮落特征如图7（b）所示。高位坚硬顶板预裂后，共形成17次周期来压，初次来压垮落步距为42 cm。随着工作面推进，覆岩形成典型“三带”结构，煤层底板至其上方20 cm处为垮落带，煤层底板以上20～70.8 cm为裂隙带，煤层底板以上70.8～140 cm为弯曲下沉带。在初次来压至第5次周期来压期间，低位坚硬顶板周期性破断，上覆岩层未有明显裂隙产生；第6次周期来压至第9次周期来压期间，顶板裂隙发育至高位坚硬顶板岩层中，覆岩出现弯曲下沉现象；第10次周期来压至第17次周期来压期间，随着工作面推进，顶板裂隙继续向上发育，模型出现整体下沉现象。
对比分析预裂不同层位坚硬顶板垮落特征发现，预裂高位坚硬顶板后，随着工作面推进，覆岩形成了岩层破坏高度较高、来压次数少等特征，无强矿压现象，预裂效果相对较好。
3.3 预裂不同层位能量演化特征
3.3.1 预裂不同层位声发射信号特征
声发射信号特征反映覆岩破坏释放能量的大小和破坏剧烈程度。工作面推进至见方位置时声发射信号特征如图8所示。可看出预裂低位坚硬顶板工况下见方位置振铃计数为24 826个，声发射释放能量为15 732 mV·μs；预裂高位坚硬顶板工况下见方位置振铃计数为15 302个，较预裂低位坚硬顶板减少了38.36%，声发射释放能量为9 448 mV·μs，较预裂低位坚硬顶板降低了39.94%。
![]()
图 8 工作面推进至见方位置时声发射信号特征Figure 8. Acoustic emission signal characteristics when working face advances to square position对比2种工况下见方位置声发射信号特征发现，预裂高位坚硬顶板后，工作面推进至见方位置时声发射信号明显降低，说明受高位坚硬顶板预裂影响，低位坚硬顶板周期性破断后，上覆岩层能够及时弯曲下沉，没有大面积顶板悬露现象产生，能量释放程度较预裂低位坚硬顶板小，预裂效果显著。
3.3.2 预裂不同层位微震事件分布特征
预裂不同层位坚硬顶板微震事件分布特征如图9所示。可看出预裂低位坚硬顶板后，能量为2 000～4 000 J的微震事件发生频率最高，4 000～6 000 J次之，且存在能量大于8 000 J的强烈震动，预裂低位坚硬顶板后可一定程度减小平均周期来压步距。当工作面推进至第13次周期来压时，微震事件能量量级、频次均较大，分别为49 730 J和13次，说明工作面开采过程中仍具有顶板冲击危险性，需进一步对高位坚硬顶板预裂并缩小压裂段距离。而预裂高位坚硬顶板后，周期来压过程中能量为1 000～2 000 J的微震事件发生频率最高，破断时所释放的能量相对较小。当工作面推进至第12次周期来压时，微震事件频次和能量量级增长幅度较为平缓，预裂效果较好。
![]()
图 9 预裂不同层位坚硬顶板微震事件分布特征Figure 9. Distribution characteristics of microseismic events in pre-splitting hard roof at different layers4. 现场主控层位预裂效果
4.1 现场施工方案
采用顶板定向长钻孔对31104−1工作面上方高位坚硬顶板进行分段水力压裂，共布置4个钻场，1号、2号钻场位于工作面开切眼，3号、4号钻场位于工作面回风巷，钻场布置如图10所示，定向钻孔及压裂段剖面如图11所示。
4.2 预裂效果
采用KJ551微地震监测系统对工作面回采期间的微震事件频次、能量数据进行持续采集。通过对比工作面进压裂区域前、过压裂区域、出压裂区域后的微震事件频次、能量及煤体应力，评价预裂效果。
31104−1工作面回采150～750 m过程中的微震事件总能量、单刀能量及事件数随推进度变化关系如图12所示。可看出，工作面回采150～225 m区间，水力压裂治理区域范围达83%；工作面回采225～425 m区间，水力压裂治理区域范围达100%；工作面回采425～475 m区间，水力压裂治理区域范围达83%；水力压裂治理区域范围达100%后，微震能量迅速降低，仅在一次见方位置处出现110 kJ能量的微震事件，平均能量在50 kJ以下，单刀能量及事件数大幅降低。对比未进行水力压裂治理区域（工作面回采475～750 m区间），预裂高位坚硬顶板后，顶板微震事件总能量、单刀能量及事件数分别降低了62.17%，71.92%，56.32%，验证了预裂高位坚硬顶板的有效性。
![]()
图 12 31104−1工作面微震事件特征曲线Figure 12. Characteristic curves of microseismic events in 31104-1 working face5. 结论
1） 复合坚硬顶板工作面开采初期，顶板垮落范围集中于低位坚硬顶板，其周期性破断形成工作面周期来压，高位坚硬顶板受下部垮落矸石支撑作用难以充分垮落，工作面推进至一次见方位置时，高位坚硬顶板协同间隔岩层整体切落，造成采空区强矿压现象。
2） 复合坚硬顶板工作面中低位坚硬顶板主要以“悬臂梁”结构形式进行垮落，形成工作面周期来压，垮落至一定程度时，间隔岩层弯曲下沉，高位坚硬顶板破断形成“砌体梁”铰接结构，当铰接结构失稳时，高位坚硬顶板协同间隔岩层整体切落，导致工作面所受载荷瞬间增大，产生强矿压现象。
3） 预裂高位坚硬顶板后，工作面覆岩呈现典型的“三带”结构，上方顶板及时破断下沉，在工作面见方位置声发射振铃计数较预裂低位坚硬顶板减少了38.36%，声发射释放能量降低了39.94%。微震事件集中分布区能量降低至1 000～2 000 J，有效抑制了工作面强矿压显现，高位坚硬顶板为卸压主控层位。
4） 纳林河二号矿井31104−1工作面定向长钻孔分段水力压裂弱化结果表明，预裂高位坚硬顶板后，顶板微震事件总能量、频次及单刀能量分别降低了62.17%，56.32%，71.92%，验证了高位坚硬顶板为31104−1工作面的卸压主控层位。
-
![]()
图 4 工作面微震事件分布特征
Figure 4. Distribution characteristics of microseismic events in working face
![]()
图 7 预裂不同层位坚硬顶板垮落特征
Figure 7. Caving characteristics of pre-splitting hard roof at different layers
![]()
图 8 工作面推进至见方位置时声发射信号特征
Figure 8. Acoustic emission signal characteristics when working face advances to square position
![]()
图 9 预裂不同层位坚硬顶板微震事件分布特征
Figure 9. Distribution characteristics of microseismic events in pre-splitting hard roof at different layers
![]()
图 12 31104−1工作面微震事件特征曲线
Figure 12. Characteristic curves of microseismic events in 31104-1 working face
表 1 煤岩物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock
层号 岩层柱状 岩性 厚度/m 抗拉强度/MPa 内摩擦角/（°） 黏聚力/MPa 体积模量/GPa 剪切模量/GPa 1 粉砂岩 16.00 2.20 42 1.55 18.5 10.2 2 砂质泥岩 12.00 2.00 38 1.20 15.3 10.5 3 粉砂岩 12.00 2.20 42 1.55 18.5 10.2 4 细粒砂岩 17.80 2.30 40 1.32 17.0 9.5 5 砂质泥岩 17.60 2.00 38 1.20 15.3 10.5 6 细粒砂岩 17.80 2.30 40 1.32 17.0 9.5 7 粉砂岩 12.00 2.30 38 1.55 18.5 10.5 8 砂质泥岩 17.80 2.00 42 1.20 15.3 9.5 9 粉砂岩 23.20 2.20 38 1.55 18.5 10.5 10 砂质泥岩 20.17 2.00 42 1.20 15.3 10.2 11 粉砂岩 10.47 2.20 40 1.55 18.5 10.5 12 细粒砂岩（高位） 28.56 2.30 42 1.32 9.5 10.2 13 粉砂岩 6.60 2.20 38 1.55 18.5 9.5 14 砂质泥岩 14.60 2.00 42 1.20 15.3 10.5 15 细粒砂岩（低位） 25.70 2.30 40 1.32 17.0 9.5 16 粉砂岩 16.00 2.20 42 1.55 18.5 10.2 17 3−1煤 5.60 0.33 32 0.78 5.4 3.6 
下载: 导出CSV
表 2 相似材料配比
Table 2 Proportions of similarity materials
层号 岩层名称 模型
厚度/cm配比 质量/kg 河砂 石膏 大白粉 煤粉 1 粉砂岩 8.00 8∶0.3∶7 113.76 4.28 9.96 — 2 砂质泥岩 6.00 8∶0.2∶0.8 85.32 2.13 8.52 — 3 粉砂岩 6.00 8∶0.3∶0.7 85.32 3.21 7.47 — 4 细粒砂岩 8.90 7∶0.3∶0.7 124.60 5.34 12.46 — 5 砂质泥岩 8.80 8∶0.2∶0.8 125.14 3.12 12.50 — 6 细粒砂岩 8.90 7∶0.3∶0.7 124.60 5.34 12.46 — 7 粉砂岩 6.00 8∶0.3∶0.7 85.32 3.21 7.47 — 8 砂质泥岩 8.90 8∶0.2∶0.8 126.56 3.15 12.63 — 9 细粒砂岩 11.60 7∶0.3∶0.7 162.40 6.96 16.24 — 10 砂质泥岩 10.10 8∶0.2∶0.8 143.62 3.59 14.34 — 11 粉砂岩 5.20 8∶0.3∶0.7 73.94 2.78 6.47 — 12 细粒砂岩（高位） 14.30 7∶0.3∶0.7 200.20 8.58 20.02 — 13 粉砂岩 3.30 8∶0.3∶0.7 46.92 1.77 4.11 — 14 砂质泥岩 7.30 8∶0.2∶0.8 103.81 2.59 10.37 — 15 细粒砂岩（低位） 12.85 7∶0.3∶0.7 179.90 7.71 17.99 — 16 粉砂岩 8.00 8∶0.3∶0.7 113.76 4.28 9.96 — 17 3−1煤 2.80 26∶1∶2∶16 22.97 1.14 3.44 17.23
下载: 导出CSV
-
[1] 郭超,宋卫华,魏威. 基于网格搜索-支持向量机的采场顶板稳定性预测[J]. 中国安全科学学报,2014,24(8):31-36. GUO Chao,SONG Weihua,WEI Wei. Stope roof stability prediction based on both SVM and grid-search method[J]. China Safety Science Journal,2014,24(8):31-36.
[2] 王海洋,于斌,夏彬伟,等. 复合坚硬顶板水压裂缝扩展过程研究[J]. 中国安全科学学报,2017,27(4):98-103. WANG Haiyang,YU Bin,XIA Binwei,et al. Study on propagation of hydraulic fracture in combined hard roof[J]. China Safety Science Journal,2017,27(4):98-103.
[3] 于斌. 大同矿区特厚煤层综放开采强矿压显现机理及顶板控制研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2014. YU Bin. Study on strongpressure behavior mechanism and roof control of fully mechanized top coal caving in extra thickness seam in datong coal mine[D]. Xuzhou:China University of Mining and Technology,2014.
[4] 王开,康天合,李海涛,等. 坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究[J]. 岩石力学与工程学报,2009,28(11):2320-2327. WANG Kai,KANG Tianhe,LI Haitao,et al. Study of control caving methods and reasonable hanging roof length on hard roof[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(11):2320-2327.
[5] 杨敬轩,鲁岩,刘长友,等. 坚硬厚顶板条件下岩层破断及工作面矿压显现特征分析[J]. 采矿与安全工程学报,2013,30(2):211-217. YANG Jingxuan,LU Yan,LIU Changyou,et al. Analysis on the rock failure and strata behavior characteristics under the condition of hard and thick roof[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2013,30(2):211-217.
[6] 谢和平. 深部岩体力学与开采理论研究进展[J]. 煤炭学报,2019,44(5):1283-1305. XIE Heping. Research review of the state key research development program of China:deep rock mechanics and mining theory[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(5):1283-1305.
[7] 窦林名,曹胜根,刘贞堂,等. 三河尖煤矿坚硬顶板对冲击矿压的影响分析[J]. 中国矿业大学学报,2003,32(4):388-392. DOU Linming,CAO Shenggen,LIU Zhentang,et al. Influence of key roof on rock burst in Sanhejian Mine[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2003,32(4):388-392.
[8] 何江,窦林名,王崧玮,等. 坚硬顶板诱发冲击矿压机理及类型研究[J]. 采矿与安全工程学报,2017,34(6):1122-1127. HE Jiang,DOU Linming,WANG Songwei,et al. Study on mechanism and types of hard roof inducing rock burst[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2017,34(6):1122-1127.
[9] 李新元,马念杰,钟亚平,等. 坚硬顶板断裂过程中弹性能量积聚与释放的分布规律[J]. 岩石力学与工程学报,2007,26(增刊1):2786-2793. LI Xinyuan,MA Nianjie,ZHONG Yaping,et al. Storage and release regular of elastic energy distribution in tight roof fracturing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(S1):2786-2793.
[10] 吕进国,姜耀东,李守国,等. 巨厚坚硬顶板条件下断层诱冲特征及机制[J]. 煤炭学报,2014,39(10):1961-1969. LYU Jinguo,JIANG Yaodong,LI Shouguo,et al. Characteristics and mechanism research of coal bumps induced by faults based on extra thick and hard roof[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(10):1961-1969.
[11] 潘岳,顾士坦,王志强. 煤层塑性区对坚硬顶板力学特性影响分析[J]. 岩石力学与工程学报,2015,34(12):2486-2499. PAN Yue,GU Shitan,WANG Zhiqiang. Influence of coal seam plastic zone on hard roof mechanical behaviour[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(12):2486-2499.
[12] 谭云亮,张明,徐强,等. 坚硬顶板型冲击地压发生机理及监测预警研究[J]. 煤炭科学技术,2019,47(1):166-172. TAN Yunliang,ZHANG Ming,XU Qiang,et al. Study on occurrence mechanism and monitoring and early warning of rock burst caused by hard roof[J]. Coal Science and Technology,2019,47(1):166-172.
[13] 杨登峰,陈忠辉,洪钦锋,等. 浅埋煤层开采顶板切落压架灾害的突变分析[J]. 采矿与安全工程学报,2016,33(1):122-127,133. YANG Dengfeng,CHEN Zhonghui,HONG Qinfeng,et al. Catastrophic analysis of support crushing disasters while roof cutting in shallow seam mining[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2016,33(1):122-127,133.
[14] 马玉镇,朱斯陶,潘俊锋,等. 煤矿覆岩主控致灾层位危险识别及现场应用[J]. 煤炭学报,2024,49(6):2589-2603. MA Yuzhen,ZHU Sitao,PAN Junfeng,et al. Identification and on-site application of the main hazard-causing stratum of overlying strata in coal mines[J]. Journal of China Coal Society,2024,49(6):2589-2603.
[15] 郑凯歌,袁亮,张平松,等. 复合关键层厚硬顶板诱冲机制与防治技术模式[J]. 煤田地质与勘探,2024,52(10):14-24. ZHENG Kaige,YUAN Liang,ZHANG Pingsong,et al. Rock bursts induced by thick-hard roof with compound key strata:mechanisms and technical modes for prevention[J]. Coal Geology & Exploration,2024,52(10):14-24.
[16] 康红普,冯彦军. 煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用[J]. 煤炭科学技术,2017,45(1):1-9. KANG Hongpu,FENG Yanjun. Hydraulic fracturing technology and its applications in strata control in underground coal mines[J]. Coal Science and Technology,2017,45(1):1-9.
[17] 康红普,姜鹏飞,冯彦军,等. 煤矿巷道围岩卸压技术及应用[J]. 煤炭科学技术,2022,50(6):1-15. KANG Hongpu,JIANG Pengfei,FENG Yanjun,et al. Destressing technology for rock around coal mine roadways and its applications[J]. Coal Science and Technology,2022,50(6):1-15.
[18] 冯彦军,康红普. 定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验[J]. 岩石力学与工程学报,2012,31(6):1148-1155. FENG Yanjun,KANG Hongpu. Test on hard and stable roof control by means of directional hydraulic fracturing in coal mine[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(6):1148-1155.
[19] 康红普,冯彦军,张震,等. 煤矿井下定向钻孔水力压裂岩层控制技术及应用[J]. 煤炭科学技术,2023,51(1):31-44. KANG Hongpu,FENG Yanjun,ZHANG Zhen,et al. Hydraulic fracturing technology with directional boreholes for strata control in underground coal mines and its application[J]. Coal Science and Technology,2023,51(1):31-44.
[20] 吴拥政,康红普. 煤柱留巷定向水力压裂卸压机理及试验[J]. 煤炭学报,2017,42(5):1130-1137. WU Yongzheng,KANG Hongpu. Pressure relief mechanism and experiment of directional hydraulic fracturing in reused coal pillar roadway[J]. Journal of China Coal Society,2017,42(5):1130-1137.
[21] 黄炳香,王友壮. 顶板钻孔割缝导向水压裂缝扩展的现场试验[J]. 煤炭学报,2015,40(9):2002-2008. HUANG Bingxiang,WANG Youzhuang. Field investigation on crack propagation of directional hydraulic fracturing in hard roof[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(9):2002-2008.
[22] 贾进章,王东明,李斌. 水力压裂有效压裂半径的影响因素研究[J]. 中国安全生产科学技术,2022,18(6):58-64. JIA Jinzhang,WANG Dongming,LI Bin. Study on influencing factors of effective fracturing radius of hydraulic fracturing[J]. Journal of Safety Science and Technology,2022,18(6):58-64.
[23] 钟坤,陈卫忠,赵武胜,等. 煤矿坚硬顶板分段水力压裂防冲效果监测与评价[J]. 中南大学学报(自然科学版),2022,53(7):2582-2593. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.07.018 ZHONG Kun,CHEN Weizhong,ZHAO Wusheng,et al. Monitoring and evaluation of segmented hydraulic fracturing effect in rock burst prevention on hard roof of coal mine[J]. Journal of Central South University (Science and Technology),2022,53(7):2582-2593. DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2022.07.018
[24] 牛同会. 分段水力压裂弱化采场坚硬顶板围岩控制技术研究[J]. 煤炭科学技术,2022,50(8):50-59. NIU Tonghui. Study on surrounding rock control technology for weakened hard roof of stope by staged hydraulic fracturing[J]. Coal Science and Technology,2022,50(8):50-59.
[25] 郑凯歌,袁亮,杨森,等. 基于分区弱化的复合坚硬顶板冲击地压分段压裂区域防治研究[J]. 采矿与安全工程学报,2023,40(2):322-333. ZHENG Kaige,YUAN Liang,YANG Sen,et al. Study on prevention and control of rock burst staged fracturing area of composite hard roof based on zoning weakening[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2023,40(2):322-333.
计量
- 文章访问数: 72
- HTML全文浏览量: 9
- PDF下载量: 11
