厚硬煤層綜放開采水壓致裂技術及應用研究

寧廷州 戴華賓 雒軍莉 朱國強 任文濤

(1. 兗礦新疆礦業(yè)有限公司硫磺溝煤礦，新疆自治區(qū)昌吉回族自治州，831100； 2. 山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，266590； 3. 山東唐口煤業(yè)有限公司，山東省濟寧市，272055)

堅硬厚煤層水壓致裂弱化技術是利用水壓力作用，迫使孔壁起裂及裂紋擴展致裂預先弱化破壞煤體的宏觀、細觀結構，導致孔壁起裂以及裂紋擴展破壞煤體結構，進而弱化煤體強度。許多學者對水壓致裂裂紋起裂擴展、煤層增透等方面進行了大量研究。鄒慶研究了壓力驅動裂紋萌生、擴展以及失穩(wěn)的過程，并同時實例模擬分析了礦井頂板突水的過程；李士斌等建立了清水壓裂過程中缺陷性巖體應力場—損傷場—滲流場耦合本構模型和破壞準則，并分析了拉伸和壓剪應力下裂縫的擴展規(guī)律；趙源等在理論分析水壓致裂起裂機理和起裂方向的基礎上，采用數(shù)值模擬對煤層水壓致裂增透范圍進行了分析，提出了壓裂增透范圍為宏觀裂隙區(qū)、微裂隙貫通區(qū)、微裂隙產生區(qū)(受拉區(qū))和原生裂隙擾動區(qū)(壓應力恢復區(qū))之和。

上述研究均是針對煤巖體在水壓作用下微觀破裂研究，對于具體工程現(xiàn)場應用依舊缺乏針對性。本文采用模擬分析、現(xiàn)場試驗相結合的方式，針對新疆礦區(qū)硫磺溝煤礦堅硬厚煤層綜放頂煤冒放困難等問題，通過現(xiàn)場實測手段對堅硬厚煤層水壓致裂進行了工業(yè)化試驗，得到水壓致裂時間與水壓之間的關系，對于弱化頂煤硬度、提高工作面回采率具有重要意義。

1 地質概況

硫磺溝煤礦(9-15)06工作面平均埋深367.65 m，主采9-15號煤層平均厚度32.94 m，煤體硬度普氏系數(shù)f=3，為堅硬厚煤層賦存，采用綜采放頂煤開采。在綜放開采過程中，由于煤層硬度大，在礦山壓力與液壓支架共同作用下不能實現(xiàn)頂煤的充分預破碎，達不到支架放煤所需的合適破碎塊度，頂煤不能在支架上方及時冒落并順利從支架后部放煤窗口放出，導致資源回收率低。為降低采空區(qū)殘煤量，提高工作面回采率，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場工藝實施，研究了水壓致裂對于堅硬煤體強度弱化效果分析。

2 水壓致裂數(shù)值模擬試驗

2.1 煤體水壓致裂作用機理

在堅硬厚煤層開采過程中采用水壓致裂技術基本作用原理是在開采煤層中預先打設鉆孔，在封閉的鉆孔空間利用高壓水介質，煤體克服自身的抗拉強度與最小主應力之間的作用產生破裂，煤體的原生裂紋與新裂紋在高壓水壓力的作用下持續(xù)擴展，從而達到對煤體強度及力學性質進行改造的目的。

2.2 數(shù)值模型建立

采用矩形平面模型開始建模，選用16 m×16 m的矩形模型，以矩形形心為中心開挖孔洞，初步設定孔徑為0.2 m，水壓作用于孔的內部邊緣，水壓增量為0.3 MPa，并假設試樣內具有穩(wěn)定的滲流場。依據(jù)硫磺溝煤礦9-15煤層試驗數(shù)據(jù)確定基本力學參數(shù)具體數(shù)值如下：均值度為3 m，彈性模量均值為3.32 GPa，泊松比為0.23，抗壓強度均值為35.35 MPa，抗拉強度均值為2.21 MPa，摩擦角φ為38°，滲透系為0.01 m/d，殘余強度系數(shù)λ為0.1。

2.3 數(shù)值模擬分析

模擬在σx=5 MPa、σy=8 MPa條件下，水壓致裂水壓力分布與裂紋擴展演化規(guī)律如圖1所示。結合聲發(fā)射次數(shù)與加載步的關系，得到水壓致裂條件下裂紋起裂壓力、裂紋持續(xù)擴展以及煤體達到崩塌狀態(tài)的的壓力情況。

由圖1可知，當加載至step21-1，水頭壓力達到9.8 MPa時，孔內開始出現(xiàn)裂紋，并伴隨有聲發(fā)射產生，表明鉆孔在水壓力的作用下，逐漸開始產生破壞。當加載至step22-6，水頭壓力達到10.09 MPa時，孔內裂紋開始出現(xiàn)持續(xù)性擴展，同時隨著裂紋擴展，聲發(fā)射大量出現(xiàn)，直至煤體試樣完全失穩(wěn)、崩塌，此時水壓致裂壓力達到最大值。

3 水壓致裂現(xiàn)場實施工藝及效果

3.1 現(xiàn)場實施工藝

針對堅硬厚煤層賦存條件，設計了水壓致裂現(xiàn)場實施工藝，主要有封孔和注水兩道主要工序。水壓致裂動力系統(tǒng)主要組成包括水箱、高壓泵站、控制閥、高壓管路以及封孔器等。輔助設備是壓力表和流量計，主要是實時觀測注水過程中壓力變化和水的注入量。水壓致裂施工流程為：向水壓致裂鉆孔內推置專用封孔器→敷設高壓管路→水壓致裂設備運轉情況檢查→專用封孔器封孔→開啟注水閥門進行水壓致裂→水壓致裂結束，工藝系統(tǒng)設備布置示意圖如圖2所示。

圖2 工藝系統(tǒng)布置圖

結合工作面實際情況，在軌道平巷一側進行水壓致裂工業(yè)現(xiàn)場試驗。每組水壓致裂孔依次編號為1、2、3，每組預裂孔包含3個鉆孔編號為1#、2#、3#，整體編號為1-1#、1-2#、1-3#；2-1#、2-2#、2-3#；3-1#、3-2#、3-3#。軌道平巷1#鉆孔深度為11 m，1#鉆孔封孔器距孔口的距離為9 m，軌道平巷2#鉆孔深度為17 m，2#鉆孔封孔器距孔口的距離為12 m，軌道平巷3#鉆孔深度為34 m，3#鉆孔封孔器距孔口的距離為15 m，具體參數(shù)如表1所示。

表1 水壓致裂鉆孔參數(shù)

3.2 水壓致裂效果分析

現(xiàn)場采用礦用高壓乳化液泵記錄現(xiàn)場水壓致裂時間、壓力，并繪制水壓致裂時間與注水壓力關系曲線圖，如圖3所示。

圖3 水壓致裂時間與注水壓力關系圖

由圖3可知，水壓致裂注水壓力隨時間變化逐漸處于上升階段，并伴隨有裂紋起裂；當裂紋擴展開啟后，注水壓力幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)下，裂紋擴展壓力出現(xiàn)在10 MPa左右，隨裂紋的持續(xù)擴展，壓力會出現(xiàn)突然升高或降低；當煤體內裂隙貫通，內部崩塌后注水壓力會出現(xiàn)持續(xù)性下降。

通過采用YTJ20型巖層探測記錄儀探測水壓致裂實施前后的鉆孔內裂紋擴展對比情況如圖4所示。由鉆孔電視進行精細化探測發(fā)現(xiàn)，7-1#、8-1#水壓致裂孔內實施水壓致裂前，鉆孔內壁呈現(xiàn)十分完整的形態(tài)，孔內原始裂紋并不明顯，煤層裂隙發(fā)育程度不高；實施水壓致裂后破裂集中分布在封孔器以里區(qū)段內(即水壓致裂壓裂區(qū)域)，主要為裂隙沿孔壁徑向開裂以及沿孔壁呈螺旋狀擴展且裂紋開裂效果明顯。探測結果表明，水壓致裂對于弱化煤層具有良好效果。

圖4 水壓致裂效果前后對比圖

4 結論

(1)通過采用鉆孔電視探測儀發(fā)現(xiàn)，(9-15)06工作面煤層厚度大、煤體強度大、節(jié)理裂隙不發(fā)育，綜放開采條件下存在頂煤冒放困難等問題。

(2)采用數(shù)值模擬計算，得出(9-15)煤層水壓致裂裂紋擴展壓裂為10.09 MPa，與現(xiàn)場實際水壓致裂裂紋擴展壓力基本吻合。

(3)通過采用頂煤水壓致裂技術現(xiàn)場試驗，得到了水壓致裂后鉆孔內裂紋擴展的宏觀形態(tài)、裂隙分布特點。結果表明，水壓致裂對于提高煤體裂隙度、降低煤體整體強度、提高煤炭采出率具有十分重要的意義。