綜采工作面厚硬夾矸水刀脈沖壓裂技術(shù)研究

張慧峰

(陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719302)

地下煤層復(fù)雜的成煤條件常常導(dǎo)致煤層間存在夾矸層，且一般較煤層堅(jiān)硬、厚度變化大。而夾矸巖層的存在是影響綜采工作面安全高效開采的重點(diǎn)難題。趙麗娟[1-2]采用離散元數(shù)值模擬方法研究了含夾矸煤層條件下螺旋滾筒的磨損特性，分析了滾筒組件與夾矸層接觸時(shí)的不同磨損程度；馮宇峰[3]建立了夾矸破斷均布載荷薄板力學(xué)模型，采用深孔預(yù)裂爆破、雙輪間隔放煤等措施，解決了含硬夾矸特厚煤層綜放開采頂煤冒放性差、采出率低的問題；楊繼強(qiáng)[4]對(duì)不同夾矸厚度條件下沿空煤巷復(fù)合頂板應(yīng)力分布和位移變化進(jìn)行了研究，提出了維護(hù)巷道穩(wěn)定性的合理支護(hù)方案；張俊文[5]研究了含有不同硬度夾矸情況下的頂煤損傷力學(xué)特性，提出降壓可提高頂煤的冒放性和采出率；高曉進(jìn)[6]基于彈性力學(xué)理論研究了硬厚夾矸層的力學(xué)結(jié)構(gòu)，采用架間定向水力壓裂致裂夾矸層，改善了含厚硬夾矸難冒頂煤的冒放性；王建利[7]通過分析夾矸厚度和位置對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，得到夾矸層厚度存在臨界值，在此基礎(chǔ)上提出了合理的圍巖控制技術(shù)和支護(hù)參數(shù)，確保了工作面的安全高效生產(chǎn)；周濤[8]分析了夾矸層對(duì)工作面支承壓力的影響，得到了含矸煤層的支承壓力分布規(guī)律；劉南南[9]基于EDEM軟件建立了巖層夾矸模型，分析了硬巖掘進(jìn)機(jī)在夾矸煤層掘進(jìn)過程中刀盤的受力情況，為硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了依據(jù)。

綜上所述，雖然以上學(xué)者對(duì)夾矸圍巖力學(xué)特性及采煤機(jī)截割?yuàn)A矸過程進(jìn)行了眾多研究，但對(duì)于綜采工作面夾矸壓裂弱化研究還較少。小保當(dāng)一號(hào)井112201工作面夾矸層厚度0.6～2.0 m，夾矸巖層厚度大、硬度高，嚴(yán)重影響工作面高效回采。筆者以112201工作面為背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，研究了煤層夾矸壓裂軟化機(jī)理，確定了工作面夾矸預(yù)裂壓裂液類型及參數(shù)，為類似工作面厚硬夾矸層的壓裂軟化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 礦井概況

圖1 112201工作面夾矸分布平面圖

2 煤層夾矸壓裂軟化機(jī)理研究

煤層夾矸壓裂軟化機(jī)理是利用高壓水刀預(yù)裂切割?yuàn)A矸形成定向裂縫，如圖2所示，擴(kuò)大壓裂裂隙作用范圍，而后進(jìn)行高壓脈動(dòng)水力壓裂促進(jìn)預(yù)裂裂隙周圍次生裂隙起裂擴(kuò)展，從而形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到弱化夾矸力學(xué)特性的目的。夾矸預(yù)裂之后，夾矸力學(xué)參數(shù)弱化，最后輔助于采動(dòng)產(chǎn)生的礦山壓力二次破碎夾矸，從而達(dá)到在采煤機(jī)截割時(shí)夾矸完全破碎從而降低采煤機(jī)截割能耗的目的，煤層夾矸致裂裂隙演化規(guī)律如圖3所示。

圖2 高壓水刀預(yù)裂破碎原理及裝備

對(duì)夾矸進(jìn)行高壓壓裂，水壓裂隙以開型橢圓形裂隙擴(kuò)展，根據(jù)斷裂力學(xué)研究，夾矸中裂隙擴(kuò)展臨界條件為[10]：

(1)

式中：K——壓裂裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，MPa·m1/2；

p——裂縫尖端高壓水壓力，MPa；

σ3——煤層最小主應(yīng)力，MPa；

h——壓裂孔距離夾矸層位距離，m；

K1c——夾矸斷裂強(qiáng)度因子，MPa·m1/2。

裂縫在夾矸中擴(kuò)展的臨界水壓p0為：

近年來，大眾體育運(yùn)動(dòng)在中國迎來井噴式發(fā)展。以馬拉松為代表的大眾體育運(yùn)動(dòng)，每年吸引著數(shù)以百萬計(jì)的運(yùn)動(dòng)愛好者，越來越多的城市以馬拉松賽事為依托，不僅帶動(dòng)了體育運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還推動(dòng)了旅游、餐飲、交通、住宿業(yè)、培訓(xùn)、傳媒、會(huì)展等諸多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以2016年在廈門舉行的馬拉松賽事為例，其為廈門帶來了直接經(jīng)濟(jì)效益2.3億元，間接經(jīng)濟(jì)效益3.25億元。中國田徑運(yùn)動(dòng)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2011年在協(xié)會(huì)注冊(cè)的馬拉松賽事為22場(chǎng)，2016年底達(dá)到328場(chǎng)。馬拉松運(yùn)動(dòng)賽事在為城市帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，更向外界展示了一個(gè)時(shí)尚、激情、健康、活力而富有正能量的城市正面形象。

(2)

式中：K2c——煤層斷裂強(qiáng)度因子，MPa·m1/2。

圖3 夾矸壓裂裂隙演化規(guī)率

3 煤層夾矸壓裂軟化參數(shù)研究

3.1 夾矸煤巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取夾矸巖樣分別在蒸餾水、5%含油乳化液及0.15% CO2酸性溶液中浸泡2 h，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析不同壓裂液對(duì)夾矸巖層的軟化作用。夾矸浸泡力學(xué)試驗(yàn)如圖4所示。

圖4 夾矸浸泡力學(xué)試驗(yàn)

夾矸巖樣在蒸餾水、5%含油乳化液及0.15% CO2酸性溶液中浸泡2 h后的吸水率分別為2.97%、2.57%和1.93%；軟化系數(shù)分別為0.69、0.72和0.32。其中0.15% CO2酸性溶液浸泡夾矸巖樣吸水率最低，主要原因?yàn)閵A矸巖石表面裂隙較發(fā)育部分充填礦物與酸性溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成松散碎石表層脫落，所以造成吸水率低的假象。因此綜合對(duì)比分析可得3種壓裂液對(duì)夾矸巖層的弱化順序?yàn)椋?.15% CO2酸性溶液>蒸餾水>5%含油乳化液。夾矸軟化作用效果分析如圖5所示。

圖5 夾矸軟化作用效果分析

3.2 壓裂參數(shù)數(shù)值模擬

采用FLAC5.0數(shù)值模擬軟件流固耦合分析模塊中的CONFIG fluid滲流模式，對(duì)壓裂鉆孔周圍施加高壓孔隙水壓力，模擬高滲透壓作用下的圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展特征，分析不同壓裂參數(shù)下夾矸壓裂效果。根據(jù)工作面地質(zhì)條件，建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)厚度0.6 m≤H<2.0 m區(qū)間的硬厚夾矸巖層布置雙排“三角”平行剪切孔進(jìn)行高壓水壓致裂破碎夾矸。模擬不同孔徑、水壓對(duì)構(gòu)造帶夾矸巖層致裂破碎規(guī)律，分析如下：

注水壓力15 MPa，單孔間距7 m，模擬鉆孔半徑40、45、50 mm時(shí)塑性區(qū)分布范圍，如圖6所示。注水壓力穩(wěn)定后，鉆孔半徑40 mm和50 mm的塑性區(qū)半徑分別為2 m和2.5 m，塑性區(qū)變化范圍較小，孔與孔之間無塑性區(qū)重疊區(qū)域，當(dāng)把孔徑增加到50 mm后，塑性區(qū)半徑達(dá)到3.8 m，塑性區(qū)重疊，說明增加鉆孔半徑能夠顯著改善壓裂影響范圍。但是壓裂裂隙與鉆孔過早連通，將使夾矸層位產(chǎn)生卸壓，不利于夾矸層位裂隙網(wǎng)絡(luò)形成，因此建議采用半徑45 mm的壓裂鉆孔進(jìn)行壓裂。

鉆孔直徑90 mm，單孔間距7 m，模擬注水壓力為10、20、30 MPa時(shí)，塑性區(qū)分布范圍分別為0.8、2.2和4 m，如圖7所示。塑性區(qū)范圍隨著水壓的提高而變大，增加水壓有利于促進(jìn)裂隙起裂擴(kuò)展，但是壓力過大容易使鉆孔之間裂隙貫通，形成粗大導(dǎo)水通道，煤層夾矸層位難以有效形成裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，夾矸弱化效果較差。因此建議采用20 MPa水壓，增加壓力緩慢壓裂，形成毛細(xì)裂隙，充分破碎軟化巖石。

通過物理力學(xué)試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和形成過程的分析，認(rèn)為采用高壓力、大流量注水及0.15% CO2酸性溶液軟化比較適合致裂破碎軟化硬厚夾矸巖層。因此根據(jù)相似情況的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議采用鉆孔半徑45 mm，鉆孔間距7 m，壓裂壓力20 MPa進(jìn)行高壓壓裂。

圖6 不同壓裂孔徑數(shù)值模擬

圖7 不同壓裂水壓數(shù)值模擬

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)112201綜采工作面夾矸分布范圍，采用水平長鉆孔順層預(yù)裂壓裂綜合破碎法，鉆孔布置平面圖如圖8所示。通過雙排“三角”平行剪切布孔方式分階段進(jìn)行夾矸預(yù)裂破碎。第1階段高壓壓裂預(yù)裂法(HPF法)，采用鉆孔水射流分段定向切割?yuàn)A矸，破壞夾矸完整性；第2階段低壓軟化法(DPF)，高壓水致裂形成夾矸層內(nèi)裂縫網(wǎng)絡(luò)，酸化破碎堅(jiān)硬夾矸整體性。

圖8 煤層夾矸預(yù)裂鉆孔布置平面圖

預(yù)裂鉆孔夾矸起裂壓力為26～29 MPa，壓裂壓力20 MPa左右。單孔壓裂時(shí)間為120 min，泵組能力108 L/min，用水量為13 m3，鉆孔用水量為2 m3，可知11 m3水量可有效滿足壓裂裂隙擴(kuò)展和硬厚夾矸巖層的低壓軟化。

工作面夾矸壓裂軟化之后，夾矸層裂隙發(fā)育，在采煤機(jī)截齒擾動(dòng)作用下，夾矸巖層成片狀剝離破壞，如圖9所示。夾矸層預(yù)裂軟化之后，采煤機(jī)運(yùn)行速度提高35%，噸煤截齒消耗量降低40%，噸煤油脂消耗降低27%，工作面粉塵濃度降低12%，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全清潔高效開采。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)壓裂效果壓裂效果

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)工作面煤層夾矸壓裂軟化機(jī)理的研究表明，工作面夾矸層經(jīng)高壓水刀預(yù)裂+高壓脈動(dòng)壓裂+采動(dòng)礦山壓力，可實(shí)現(xiàn)夾矸層裂隙起裂擴(kuò)展發(fā)育，并形成裂隙網(wǎng)絡(luò)有效弱化夾矸巖層強(qiáng)度。

(2)通過物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究表明，蒸餾水及0.15%CO2酸性溶液可有效弱化夾矸強(qiáng)度，增大夾矸巖層吸水率?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)壓裂鉆孔半徑45 mm，鉆孔間距7 m，壓裂壓力20 MPa進(jìn)行高壓壓裂，可實(shí)現(xiàn)夾矸層的有效弱化。

(3)工作面夾矸層預(yù)裂之后，夾矸層成片狀剝離破壞，強(qiáng)度降低。預(yù)裂之后采煤機(jī)運(yùn)行速度提高35%，噸煤截齒消耗量降低40%，噸煤油脂消耗降低27%，工作面粉塵濃度降低12%，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全清潔高效開采。