“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓原理及關(guān)鍵技術(shù)

研發(fā)起止時(shí)間：2016.1～2018.12

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司、山東科技大學(xué)、晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司、青島山科礦安科技有限公司

成果水平：國際先進(jìn)

1 項(xiàng)目背景

大同礦區(qū)是我國典型的“雙硬”煤層條件礦區(qū)。目前，“雙硬”煤層臨空巷道圍巖穩(wěn)定性及上覆采空區(qū)殘留煤柱下強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)等問題限制了部分礦井安全高效生產(chǎn)，已成為亟需解決的技術(shù)難題。本項(xiàng)目采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓技術(shù)裂縫的擴(kuò)展方向、影響范圍及其演化規(guī)律，揭示了“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓技術(shù)裂縫擴(kuò)展的誘導(dǎo)機(jī)理，研發(fā)了水力鉆割壓切頂相配套的設(shè)備，為煤礦井下“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓技術(shù)的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

2 研究內(nèi)容

（1）采用理論分析和數(shù)值模擬獲得了噴嘴最佳參數(shù)：收縮角13°、出口直徑為3.0 mm、支柱段6.0 mm；采用擴(kuò)散焊工藝和熱軋-溫軋法制備TWIP 鋼與低碳鋼的復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度達(dá)到950 MPa，完全能夠滿足耐高壓、耐沖蝕噴嘴的制備要求；通過以上研究成果，研發(fā)了新型耐高壓、耐沖蝕噴嘴（如圖1所示），新型噴嘴相較于傳統(tǒng)噴嘴出口射流提高了116%，有較明顯的性能優(yōu)勢。

圖1 典型新型耐沖蝕噴嘴

水力靶向裂化煤巖體卸壓一體設(shè)備連接示意圖如圖2所示

圖2 水力靶向裂化煤巖體卸壓一體設(shè)備連接示意圖

（2）采用理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)獲得了割縫導(dǎo)向壓裂裂縫定向擴(kuò)展路徑與孔隙壓力梯度、割縫偏差角和水平應(yīng)力差異系數(shù)有密切關(guān)系?？紫秹毫μ荻葧?huì)降低裂縫擴(kuò)展壓力，能夠誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展；割縫偏差角小于30°或水平應(yīng)力差異系數(shù)Kh小于0.5時(shí)，割縫導(dǎo)向壓裂形成的裂縫基本能沿割縫預(yù)設(shè)方向定向擴(kuò)展，水力壓裂裂縫的最終擴(kuò)展方向?yàn)榇怪庇谧钚≈鲬?yīng)力方向而沿著最大主應(yīng)力方向。

（3）割縫鉆孔網(wǎng)格化布置能夠保證相鄰割縫孔之間相互影響，卸壓影響區(qū)域相互貫通，避免割縫鉆孔間出現(xiàn)大范圍的應(yīng)力集中。在保證卸壓效果和施工效率的前提下，割縫鉆孔間距為2 倍的縫槽塑性區(qū)半徑。同時(shí)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，構(gòu)建了縫槽幾何參數(shù)與周邊煤體破壞范圍之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

（4）采用“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓原理及關(guān)鍵技術(shù)治理臨空巷道側(cè)向懸頂問題，使臨空巷道錨桿、錨索受力降低了60%，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟拷档土?0%，底鼓量減少了90%，巷道巷修工程量大大減少。圖3為側(cè)向切頂鉆孔布置圖。

圖3 側(cè)向切頂鉆孔布置

3 主要研究成果

（1）以射流壓力和阻水能力為指標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了水力割縫噴嘴最佳結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)，采用熱處理工藝、淬火工藝等對(duì)TRIP 鋼組織和性能進(jìn)行改性，研發(fā)了以TWIP 鋼/Q235 雙金屬復(fù)合材料為基礎(chǔ)的高壓耐沖蝕材料，開發(fā)了新型耐高壓、耐沖蝕的水力割縫噴嘴。

（2）分析了不t同孔隙壓力梯度、水力割縫寬度等因素影響下壓裂裂隙空間擴(kuò)展規(guī)律，揭示了孔隙壓力梯度作用下水力割縫導(dǎo)向壓裂切頂原理，研發(fā)了“雙硬”煤層多孔聯(lián)合水力靶向?qū)驂毫亚许敿夹g(shù)。

（3）針對(duì)雙硬煤層煤柱下開采采掘空間“強(qiáng)礦壓”顯現(xiàn)特征，分析了大煤柱網(wǎng)格化破裂尺度對(duì)煤層壓力分布的影響規(guī)律，揭示了殘留煤柱網(wǎng)格化破裂卸壓機(jī)理，提出了殘留煤柱網(wǎng)格化水力裂化卸壓方法。

4 應(yīng)用效益

本技術(shù)在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司晉華宮煤礦8214 工作面與燕子山煤礦8216 工作面成功進(jìn)行了工業(yè)性實(shí)踐?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，礦井臨空巷道圍巖降低了80%，底鼓量減少了90%，圍巖應(yīng)力卸壓程度達(dá)到60%以上。近2 年共多回收煤炭95.5 萬噸，為礦井新增產(chǎn)值共計(jì)2.87億元，新增利潤0.573億元，新增稅收0.271億元。后續(xù)，在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司數(shù)對(duì)礦井近十個(gè)工作面進(jìn)行了整體的推廣應(yīng)用，提高了“雙硬”煤層開采資源回收率，為保障采掘巷道穩(wěn)定性提供了有力技術(shù)支撐。

本項(xiàng)目于2021年4月8日通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家鑒定，研究成果達(dá)到國際先進(jìn)水平。依據(jù)本項(xiàng)目研究成果共發(fā)表學(xué)術(shù)論文4 篇，申請(qǐng)國家發(fā)明專利7項(xiàng)，其中授權(quán)5項(xiàng)，實(shí)審2項(xiàng)。