間隔切縫水力壓裂提高綜放頂煤回收率研究

蘇 波

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

綜放開采成功的關(guān)鍵是頂煤能夠順利放出，使頂煤回收率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。一般情況下，綜放開采時(shí)頂煤是在頂板壓力作用下超前于工作面碎裂，隨著工作面的推進(jìn)運(yùn)移到放煤口，在液壓支架的反復(fù)支撐和尾梁的擺動作用下順利放出[1]。然而榆神礦區(qū)煤層厚度大、埋藏淺、力學(xué)強(qiáng)度高，頂板不能夠及時(shí)垮落壓碎頂煤，堅(jiān)硬頂煤在支架上方常常處于懸臂梁狀態(tài)，導(dǎo)致頂煤冒落塊體大或不冒落、無法順利放出，嚴(yán)重影響回收率。當(dāng)前國內(nèi)改變堅(jiān)硬頂煤冒放性的手段主要包括爆破預(yù)裂法和水力壓裂預(yù)裂法[2-4]。由于爆破需要使用火工品，因此爆破預(yù)裂法在該區(qū)很多煤礦受限，而水力壓裂技術(shù)預(yù)裂煤體在國內(nèi)已有眾多學(xué)者進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果[5-9]，但是在深孔水射流間隔切縫水力壓裂參數(shù)選擇方面還需針對具體的礦井地質(zhì)條件展開詳細(xì)研究，基于此，筆者在榆神礦區(qū)的神樹畔煤礦3107工作面開展了水射流間隔切縫水力壓裂預(yù)裂頂煤的研究。

1 工作面及煤層情況

神樹畔煤礦3107工作面煤層厚度平均為11.39m，機(jī)采4.8m，放頂煤6.6m，放煤步距1.6m，采放比為1∶1.37。采用兩刀一放進(jìn)行回采。3107綜放工作面位于神樹畔煤礦31采區(qū)，開采3號煤層，工作面切眼布置在井田西北部距離礦井邊界20m，終采線距3號煤輔運(yùn)大巷177.1m。工作面西翼為3201工作面，東翼為3106采空區(qū)，北翼為榆樹灣井田，南翼為大巷保護(hù)煤柱，其他四周均無采掘活動。工作面地面標(biāo)高+1222.1m至+1318m，井下標(biāo)高+1070m至+1081.6m，工作面埋藏深度分布在152～236m。工作面走向推進(jìn)長度1756m，傾向長度265m，開采面積為465340m2。

該區(qū)域內(nèi)煤厚變化不大，根據(jù)3號煤力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果，煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度平均35.5MPa，煤層性質(zhì)屬于堅(jiān)硬煤層范疇。3107工作面煤層直接頂板厚6.67～8.38m，平均厚度7.53m，巖性以泥巖及粉砂質(zhì)泥巖為主；煤層基本頂板全井田分布，分布面積廣，厚度大，厚9.86～34.93m，平均22.4m，巖性以細(xì)粒及中粒砂巖為主，粉砂巖次之。3號煤層底板以粉砂質(zhì)泥巖為主，局部地段為粉砂巖及細(xì)砂巖?；卷斨饕獮榛鶐r風(fēng)化裂隙帶之下的正常砂巖組，包括粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖及粗砂巖等，巖組以中～細(xì)粒砂巖為主，粗粒砂巖及粉砂巖次之，多為泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，泥質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度相對較小，鈣質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度大。巖石質(zhì)量為中等～好，巖體完整性較好，為抗水、抗風(fēng)化和抗凍性較好的巖石?？梢姡撁簩禹敯鍨橹械让奥洹y冒落頂板，穩(wěn)定性較好。

2 堅(jiān)硬煤層頂煤冒放性控制理論分析

在綜放開采時(shí)，頂煤中的堅(jiān)硬層位的厚度對其冒放性有很大的影響，堅(jiān)硬層位處于三向應(yīng)力狀態(tài)，對于淺埋深礦井而言，上覆巖層垮落前未能及時(shí)將壓力傳遞至煤體，頂煤無法在超前支承壓力作用下自然破碎[10]。只有當(dāng)工作面采到該處后，隨著下方能夠少量放出的煤層(也可能完全放不出)的位移而產(chǎn)生少量變形，或者隨著下方煤層放出而持續(xù)懸頂狀態(tài)。下位頂煤在支架頂梁反復(fù)支撐作用下破碎后下移(該層位厚度也可能為0)，上位堅(jiān)硬頂煤與其交界面分離后呈現(xiàn)為懸臂梁狀態(tài)[11]，如圖1所示，懸梁上受到直接頂傳遞的均布載荷q1與自身重力q2的作用，即q=q1+q2。為了使放煤效果較好，需要這種懸臂梁在放頂煤開采時(shí)能夠及時(shí)斷裂冒落，最終在支架的反復(fù)支撐下順利放出。

圖1 堅(jiān)硬煤層懸梁力學(xué)模型

為了根據(jù)圖中的力學(xué)模型得到頂板作用下懸梁煤層可斷裂的臨界厚度，設(shè)堅(jiān)硬煤層懸梁的最大彎矩為：

式中，Mmax為最大彎矩，N·m；L為堅(jiān)硬煤層懸臂最大長度，m；q1為直接頂傳遞的均布載荷，MPa；q2為自身重力，MPa。

考慮截面模量J，該梁受到的最大拉應(yīng)力：

當(dāng)梁上最大拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，即令σmax=Ft，其中，F(xiàn)t為堅(jiān)硬煤層抗拉強(qiáng)度，MPa。

Fth2-3L2γ1h1-3L2γ2h=0

求解可得堅(jiān)硬煤層影響放煤效果的極限厚度為：

式中，γ1為直接頂容重，kg/m3；γ2為堅(jiān)硬煤層容重，kg/m3；h1為直接頂厚度，m。

根據(jù)一個(gè)循環(huán)的放煤步距，頂煤懸臂的最大長度L一般控制在1m左右比較合理，令L=1m，代入上式，則：

其中，F(xiàn)t值在實(shí)驗(yàn)室測定，也可根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度估算：

式中，F(xiàn)c為堅(jiān)硬煤層單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；k為煤體中裂隙度系數(shù)，可取0.3～0.9。

為了確定堅(jiān)硬煤層懸梁斷裂的臨界厚度，應(yīng)取Ft最大值，按神樹畔頂煤條件k取0.9，根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度Ft=3.2MPa，直接頂厚度按7.53m計(jì)算，γ1=2500kg/m3，γ2=1350kg/m3，代入上式中可得h=2.8m，可見為了使該頂煤冒放效果較好，應(yīng)控制懸梁豎直方向高度h不大于2.8m，需要人工進(jìn)行層理方向預(yù)裂。

3 深孔射流間隔切縫原理及工藝

本次采用深孔水射流切縫間隔壓裂的方法進(jìn)行頂煤預(yù)裂。結(jié)合伯努利方程，水射流的流量可按下式進(jìn)行計(jì)算[12]：

水射流破壞煤體主要是靠高壓泵對水體施加的壓力，轉(zhuǎn)化為噴嘴口水體的動能E水。

式中，A為噴嘴口面積，m2；C為流量系數(shù)；d為噴嘴直徑，m；φ為噴嘴能量轉(zhuǎn)換系數(shù)；P為噴口壓力，MPa。

從上式中可知，當(dāng)噴嘴尺寸給定后，流量越大，水射流的動能也相應(yīng)越大，泵壓越大，射流的能量也相應(yīng)越大，為此本次采用額定壓力66MPa的高壓泵。

由于射流體從噴嘴噴出后，其作用在煤體表面的流體壓力分布是呈現(xiàn)梯度衰減變化的，射流成縫后，在裂縫中的液體壓力梯度與裂縫的寬度、作用的時(shí)間和液體的粘度、反彈的水錘效應(yīng)等多種因素有關(guān)[13]，目前尚無準(zhǔn)確的切縫深度計(jì)算公式，因此現(xiàn)場試驗(yàn)是最為直接有效的辦法，本次在孔口進(jìn)行了煤體的射流試驗(yàn)，射流切縫30min，通過測量縫隙半徑深度可達(dá)0.3～0.5m。

射流切縫操作應(yīng)在工作面巷道施工鉆孔后，在水力壓裂操作之前，對關(guān)鍵位置進(jìn)行高壓射流環(huán)向間隔切縫，當(dāng)壓裂時(shí)在高壓水的作用下，切縫處的應(yīng)力集中高于光滑孔壁，預(yù)制切縫處在拉應(yīng)力的作用下優(yōu)先起裂[14，15]，具體工藝流程如下：①鉆孔施工：在工作面巷道指定位置，按照設(shè)計(jì)方案的鉆孔孔徑、仰角、深度進(jìn)行施工；②間隔切縫：利用鉆切一體化的鉆桿，通過鉆切轉(zhuǎn)換裝置，開啟水射流狀態(tài)，在鉆孔的關(guān)鍵位置進(jìn)行射流切縫，切縫一般保證10min，主要根據(jù)觀察返水的混濁情況，待返水清澈時(shí)停止射流，鉆桿回退一定距離后，再次進(jìn)行間隔射流切縫；③間隔壓裂：待孔內(nèi)切縫施工完畢后，退出鉆桿將壓裂管和封隔器裝入孔內(nèi)，推送至切縫處，仍然采用后退式間隔封孔壓裂，若煤體出現(xiàn)異響或孔口大量返水則停止壓裂，一般每處的壓裂時(shí)間控制在30min。

4 現(xiàn)場施工方案及應(yīng)用效果

4.1 現(xiàn)場施工方案

頂煤壓裂采用空間間隔壓裂與時(shí)間間隔壓裂并舉的方案，預(yù)裂孔鉆孔布置如圖2所示?？臻g間隔即在頂煤中先施工壓裂鉆孔，每組孔水平間距10m，在鉆孔中每間隔7.5m采用射流割縫(按鉆孔仰角計(jì)算后，其豎直間隔為2.5m<2.8m，滿足前述計(jì)算要求)，在時(shí)間間隔上，先進(jìn)行A1、A2頂煤的兩個(gè)孔壓裂，當(dāng)超前支承壓力使該裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展后，再進(jìn)行補(bǔ)孔A3壓裂。此外為了使巷道上隅角及時(shí)冒落，又施工了B號壓裂孔。壓裂孔的具體參數(shù)如下：

圖2 預(yù)裂鉆孔布置(m)

1)頂煤壓裂孔A1、A2：與巷道的方位角分別為30°和90°，仰角分別為10°和20°，兩孔水平間距為1.0m，鉆孔開孔位置距離巷道底板高度分別為1.8m和2.2m。A1鉆孔深度為45m，A2鉆孔深度為27m，孔徑?60mm，鉆孔終孔位置均在煤層與頂板交界位置。A1孔沿工作面傾向方向(垂直巷幫方向)的最遠(yuǎn)影響距離為44.3m；A2孔沿工作面傾向方向(垂直巷幫方向)的最遠(yuǎn)影響距離為25.4m，主要以處理端頭處不宜垮落煤層為主。在孔內(nèi)每間隔7.5m采用射流器割縫，隨后每間隔3m再用高壓水實(shí)施壓裂。

2)巷道上方壓裂孔B：鉆孔方位角為30°，沿巷道走向方向；仰角為30°，朝向采空區(qū)方向。鉆孔深度為30m，孔徑?60mm，垂直方向壓裂頂板高度為14.6m。每隔3.0m壓裂一次。

3)二次壓裂孔A3：當(dāng)工作面回采至超前支承壓力影響范圍內(nèi)后，在每組頂煤壓裂孔之間補(bǔ)充施工壓裂鉆孔A3，鉆孔方位角為20°，仰角為20°，鉆孔深度為31m；A3與A1孔的水平間距為5m，每隔7.5m用射流器割縫，再每隔3.0m壓裂一次。

4.2 應(yīng)用效果

為了對比水力預(yù)裂前后的壓裂效果，分別在鉆孔中進(jìn)行了電磁波CT掃描探測裂隙情況，電磁波視吸收系數(shù)β是反映電磁波衰減程度強(qiáng)弱的指標(biāo)。水力壓裂前后，同一區(qū)域的電磁波視吸收系數(shù)存在差異性，根據(jù)這種差異性，推測裂縫分布區(qū)域。水力壓裂前后探測區(qū)域電磁波CT掃描成像二維圖如圖3、圖4所示。

圖3 水力壓裂前電磁波吸收系數(shù)云圖

圖4 水力壓裂后電磁波吸收系數(shù)云圖

一般電磁波視吸收系數(shù)分布在3.0dB/m以下視為原巖區(qū)域，預(yù)裂前，在兩鉆孔之間的絕大多數(shù)區(qū)域的電磁波視吸收系數(shù)分布在3.0dB/m以下，可見煤層完整堅(jiān)硬；預(yù)裂后在孔深35～45m區(qū)域，有顯著的電磁波衰減異常增大區(qū)，判斷該位置可能存在較多裂縫。除此以外，3.0dB/m以上的區(qū)域可視為有裂縫分布區(qū)域。從圖4中可以看出，巷道走向0～6m、孔深33～45m范圍裂吸收系數(shù)顯著，巷道走向4～10m、孔深7～30m范圍吸收系數(shù)顯著，說明裂縫沿鉆孔半徑擴(kuò)展可達(dá)6m范圍。

根據(jù)5月13日至6月19日近一個(gè)月時(shí)間內(nèi)，對水力壓裂區(qū)域的放煤效果進(jìn)行了現(xiàn)場觀測，按礦井每天產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，采用水力壓裂之后，頂煤回收率達(dá)到了72.49%，放煤時(shí)大塊邊長不超過0.6m，此外工作面割煤效率有了明顯提高，說明壓裂后懸臂梁及時(shí)斷裂，此外，懸臂梁及時(shí)斷裂后壓力作用于煤壁，使采煤機(jī)截割處的煤體也有一定松動。回風(fēng)端頭下部機(jī)尾每分鐘的割煤速度相比機(jī)頭提高了1.0m/min左右，每循環(huán)的割煤時(shí)間縮短5～10min。

5 結(jié) 論

1)采用切縫間隔預(yù)裂技術(shù)，在打孔回撤鉆桿時(shí)即可切縫，并采用后退式多次間隔壓裂，節(jié)省了時(shí)間，降低了初始的起裂壓力，提高了效率，該條件下的射流半徑可達(dá)0.3m，煤體在壓裂后裂縫擴(kuò)展范圍半徑可達(dá)6m。

2)深孔射流切縫間隔水力壓裂技術(shù)是提高堅(jiān)硬頂煤回收率的有效途徑，壓裂后頂煤回收率達(dá)到72.49%，割煤效率也有所提高。