小保當(dāng)煤礦綜采工作面水壓預(yù)裂夾矸層技術(shù)應(yīng)用

楊 征，李安寧

(陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

國(guó)家煤炭開(kāi)發(fā)布局逐漸西移，西部煤炭基地以建設(shè)千萬(wàn)噸礦井群支撐起全國(guó)絕大部分產(chǎn)能。榆神礦區(qū)是陜北能源化工的主要基地，也是我國(guó)大型煤炭生產(chǎn)基地之一，根據(jù)地質(zhì)資料，榆神礦區(qū)的小保當(dāng)井田在地下煤層成煤時(shí)期或因成煤環(huán)境的不同，導(dǎo)致煤層結(jié)構(gòu)中含有少量夾矸層，且?jiàn)A矸巖性一般較硬。在厚煤層中含有穩(wěn)定的一層或多層夾矸會(huì)影響工作面的采出率及煤質(zhì)，因此對(duì)貫穿工作面分布的不穩(wěn)定夾矸層進(jìn)行有效處理，提高綜采面夾矸破碎效率，實(shí)施煤炭產(chǎn)品和夾矸的分級(jí)控制，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開(kāi)采和安全高效意義重大[1-3]。

近年來(lái)，在煤體硬夾矸層預(yù)處理方面，一直采用工作面放炮預(yù)裂的方式，例如：深孔預(yù)裂爆破、空氣柱間隔裝藥爆破等技術(shù)手段[4，5]。雖然，采用傳統(tǒng)的化學(xué)炸藥爆破處理的方法可以改造夾矸層，但爆破產(chǎn)生的效果、危害以及安全性方面還存在著許多不足，嚴(yán)重降低了工作面的回采效率。因此，可以考慮在工作面前方夾矸層中合理布置鉆孔，并通過(guò)注入高壓液體預(yù)裂矸石層，破壞矸石層的整體性并增加塊度，降低矸石層的強(qiáng)度，減小采煤機(jī)直接截割矸石層的難度[6]。高壓水預(yù)裂技術(shù)屬于煤巖大規(guī)模破碎結(jié)構(gòu)改造的整體性方法，近年來(lái)得到快速發(fā)展，通過(guò)預(yù)割裂縫來(lái)確定起裂方向，并引導(dǎo)擴(kuò)展產(chǎn)生多條裂縫，而水對(duì)巖體也起到滲透弱化效果[7，8]。高壓水預(yù)裂技術(shù)作為一種優(yōu)秀的冷切割及破巖方式，在煤礦復(fù)雜的環(huán)境下具有很大的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景[9]。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)特厚煤層綜放工作面頂煤夾矸水壓致裂處理，以及堅(jiān)硬頂板處理，提高冒放性做了很多研究和工程應(yīng)用[10-13]。但是對(duì)于厚煤層一次采全高工作面，煤體中部穩(wěn)定夾矸層水壓致裂處理的研究和應(yīng)用還很少。本文以小保當(dāng)煤礦的典型條件為對(duì)象，以定點(diǎn)壓裂破碎夾矸層為目標(biāo)，擬采用水力壓裂破碎方法，解決硬夾矸層的破碎控制問(wèn)題，從而為小保當(dāng)煤礦首采面及其他接續(xù)工作面甚至陜北礦區(qū)的堅(jiān)硬夾矸煤層安全高效開(kāi)采提供示范。

1 含夾矸厚煤層工程地質(zhì)概況

小保當(dāng)煤礦井田面積101km2，可采煤層共有9層，多數(shù)含有多層夾矸。其中2-2煤是主采煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含1～2層夾矸。目前礦井已實(shí)現(xiàn)一井一面1500萬(wàn)t的智慧、高效、綠色開(kāi)采模式，112201首采工作面長(zhǎng)350m，推采長(zhǎng)度4660m，平均采高5.8m，一次采全高開(kāi)采，根據(jù)112201工作面巷道掘進(jìn)地質(zhì)調(diào)查寫(xiě)實(shí)，工作面560m向前直至終采線位置(距輔運(yùn)大巷90m)范圍內(nèi)的煤層中部夾矸厚0.4～1.7m，不同厚度的夾矸層巖性為致密粉砂巖，貫通整個(gè)工作面，矸石面積約16萬(wàn)m2，內(nèi)外生裂隙常被方解石和菱鐵礦薄膜充填，截割性不良，單軸抗壓強(qiáng)度為56MPa，硬度系數(shù)大于6，表現(xiàn)出優(yōu)異的堅(jiān)固物性。350m長(zhǎng)的工作面在遇夾矸層的推進(jìn)過(guò)程中，導(dǎo)致推進(jìn)困難，從15m/d降到了9m/d，每個(gè)月產(chǎn)量減少50萬(wàn)t，而工作面使用的艾柯夫SL1000采煤機(jī)，其螺旋滾筒截割?yuàn)A矸時(shí)所受載荷具有非線性、時(shí)變性、沖擊性和強(qiáng)耦合性，磨損問(wèn)題不可避免，且嚴(yán)重影響其工作性能和生產(chǎn)效率，甚至?xí)T發(fā)安全生產(chǎn)事故[11]。因此，十分有必要對(duì)112201工作面的夾矸層分類分區(qū)，從而進(jìn)行科學(xué)的預(yù)裂破碎。

依據(jù)112201工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的地質(zhì)寫(xiě)實(shí)情況可以直觀地呈現(xiàn)出夾矸在工作面兩巷位置的賦存情況，從而可以大體判斷工作面煤體中的夾矸分布。根據(jù)工作面兩巷夾矸寫(xiě)真，再結(jié)合工作面中部鉆孔柱狀圖，繪制出工作面的夾矸3D結(jié)構(gòu)，如圖1所示，并根據(jù)夾矸厚度分為A、B、C三區(qū)，具體的夾矸厚度分區(qū)情況見(jiàn)表1。根據(jù)厚度對(duì)夾矸層進(jìn)行分區(qū)，為預(yù)裂孔的布置提供依據(jù)，從而使夾矸預(yù)裂工程更有針對(duì)性。

圖1 112201工作面夾矸三維空間結(jié)構(gòu)

表1 夾矸厚度分區(qū)

2 夾矸層預(yù)裂破碎試驗(yàn)

2.1 夾矸預(yù)裂工藝

夾矸層預(yù)裂破碎試驗(yàn)主要施工設(shè)備為XKRFS-Ⅱ-1型煤巖層多功能水力預(yù)裂設(shè)備，該設(shè)備是煤巖層的內(nèi)部和外部水力預(yù)裂、煤巖層的定向切割裂化的專用設(shè)備，XKRFS-Ⅱ-1煤巖裂化裝置孔內(nèi)預(yù)裂裝配如圖2所示[14]。

圖2 XKRFS-Ⅱ-1煤巖裂化裝置孔內(nèi)預(yù)裂裝配

實(shí)施分步工藝：第一步采用鉆孔水射流定向切割?yuàn)A矸，切槽鉆孔不需要很高的起裂壓力，而且裂縫首先從切槽的端部開(kāi)始擴(kuò)展，能夠有效地控制裂縫的擴(kuò)方向，破壞夾矸完整性，實(shí)現(xiàn)定向壓裂作用；第二步用封孔器封孔，注入高壓水，隨著鉆孔內(nèi)水壓力的作用，裂縫逐漸延伸和擴(kuò)展，在鉆孔周圍形成裂隙群，高壓水致裂形成夾矸層內(nèi)裂縫網(wǎng)格，破碎夾矸整體性。

2.2 鉆孔布置方式

根據(jù)巷道夾矸層寫(xiě)實(shí)及三維空間結(jié)構(gòu)，確定整體鉆孔的布置位置，進(jìn)行水平長(zhǎng)鉆孔順層預(yù)裂破碎。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐可知，112201工作面煤層較薄夾矸(H<0.6m)在采煤機(jī)截割下能夠?qū)崿F(xiàn)破碎，截齒損耗在經(jīng)濟(jì)可控范圍內(nèi)且推采速度可以滿足生產(chǎn)需求。因此預(yù)裂對(duì)象為厚度0.6m≤H<1.7m區(qū)間夾矸層(B區(qū)、C區(qū)及A區(qū)大于0.6m夾矸層)。

鉆孔開(kāi)口位置為回風(fēng)巷及主回撤通道，采用ZDY3200L型鉆機(jī)(鉆孔角度-5°～60°，深度0～400m)打孔，共布置三種類型鉆孔：走向鉆孔、傾向短孔、傾向長(zhǎng)孔，鉆孔的布置間距為7m，鉆孔布置方式如圖3所示[15]。

圖3 夾矸層預(yù)裂鉆孔布置(m)

1)沿走向350～562m范圍，夾矸貫穿工作面分布，且均大于0.6m，因此在回風(fēng)巷開(kāi)口布置12#—35#共計(jì)24個(gè)330m傾向長(zhǎng)孔，鉆孔端頭距離運(yùn)輸巷20m為保護(hù)段，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中考慮到鉆場(chǎng)與回采面的距離、工程量及夾矸情況，將18#—35#鉆孔間距調(diào)整為10m，其余鉆孔間距仍為7m。

2)沿走向257～327m范圍，夾矸在煤體中從回風(fēng)巷沿傾向方向由厚變薄逐漸尖滅，根據(jù)夾矸三維分布圖判定在距回風(fēng)巷130m處變薄至0.6m，因此在回風(fēng)巷開(kāi)口布置1#—11#共計(jì)11個(gè)130m傾向短孔。

3)沿走向100～228m范圍(主回撤通道位置)，夾矸在煤體中從回風(fēng)巷沿傾向方向由薄變厚，根據(jù)夾矸三維分布圖判定約在距回風(fēng)巷140m處變厚至0.6m，為便于施工，從主回撤通道開(kāi)口沿走向布置D1—D27共計(jì)27個(gè)130m走向鉆孔。

2.3 預(yù)裂孔監(jiān)測(cè)

在定向水力壓裂過(guò)程中，壓裂效果與預(yù)裂壓力、預(yù)裂時(shí)間及注水量等參數(shù)有關(guān)，預(yù)裂孔壓裂壓力與時(shí)間關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，預(yù)裂鉆孔夾矸起裂壓力為26～29MPa；Ⅰ區(qū)為壓裂區(qū)，Ⅱ區(qū)為軟化和裂隙二次擴(kuò)展區(qū)域，Ⅲ區(qū)為裂隙擴(kuò)展區(qū)。單孔壓裂時(shí)間為190min，泵組能力108L/min，用水量為20m3，鉆孔用水量為2m3，可知18m3水量用來(lái)壓裂裂隙擴(kuò)展和硬巖的低壓軟化。定向預(yù)裂和封孔壓裂壓力都是有微小的浮動(dòng)，這是因?yàn)槊簩又械牧芽p擴(kuò)展時(shí)造成的[16]。

圖4 預(yù)裂孔壓裂壓力與時(shí)間關(guān)系曲線

2.4 預(yù)裂效果檢驗(yàn)

水壓致裂夾矸層結(jié)束后，對(duì)預(yù)裂效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，當(dāng)采煤機(jī)割至預(yù)裂區(qū)域時(shí)，觀察采煤機(jī)切割速度、難易程度以及硬巖破碎情況可知：

1)112201綜采工作面煤層夾矸預(yù)裂裂隙發(fā)育特征明顯，存在平行裂隙、網(wǎng)格裂隙、片狀破碎及塊狀破碎等特征。

2)夾矸層在定向壓裂后，預(yù)裂區(qū)域夾矸酥軟松散，比較容易截割，工作面片幫現(xiàn)象增多，塊狀破碎矸石明顯增多，粉塵有所降低。提高了生產(chǎn)效率，截齒消耗大幅度減少，降低了生產(chǎn)成本，采煤機(jī)在截割過(guò)程中無(wú)火花現(xiàn)象的產(chǎn)生，保障了安全生產(chǎn)，預(yù)裂效果顯著。

3 結(jié) 論

1)根據(jù)工作面兩巷夾矸寫(xiě)真，再結(jié)合工作面中部鉆孔柱狀圖，繪制出工作面的夾矸3D結(jié)構(gòu)，并根據(jù)厚度進(jìn)行合理分區(qū)，為預(yù)裂孔的布置提供依據(jù)。

2)針對(duì)夾矸厚度變化情況，布置330m傾向長(zhǎng)孔24個(gè)，130m傾向短孔11個(gè)，130m走向鉆孔27個(gè)，貫穿布置整個(gè)夾矸區(qū)域。

3)在定向水力壓裂過(guò)程中，壓裂效果與預(yù)裂壓力、預(yù)裂時(shí)間及注水量等參數(shù)有關(guān)，其中裂鉆孔夾矸起裂壓力為26～29MPa，可分為三個(gè)裂隙區(qū)域壓裂區(qū)、一個(gè)軟化和裂隙二次擴(kuò)展區(qū)域和一個(gè)裂隙擴(kuò)展區(qū)。

4)工作面夾矸經(jīng)預(yù)裂后裂隙發(fā)育明顯，采煤機(jī)截割后分別呈塊狀、片狀甚至粒狀。采煤機(jī)截割粉砂巖效率比預(yù)裂前提高，無(wú)火花現(xiàn)象，粉塵有所降低，效果明顯。