堅(jiān)硬煤體水力壓裂聯(lián)合深孔爆破提高塊煤率研究

龐立寧

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

目前神木和鄂爾多斯地區(qū)煤種主要以不粘煤為主，用途廣泛，長(zhǎng)期供不應(yīng)求，是良好的動(dòng)力、化工用煤，商品煤中塊煤的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于末煤，因此提高塊煤率是煤炭企業(yè)增加收入的有效途徑[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在提高礦井塊煤率方面進(jìn)行了諸多研究，主要可歸納為以下方面：①對(duì)采煤機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，如英國(guó)學(xué)者Hurt.K.G[2]通過改變采煤機(jī)截割頭和截齒形狀來提高塊煤率；陳麗[3]等通過理論分析方法得出葉片螺旋升角、筒轂直徑、滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)塊煤率均有影響，且影響程度逐漸增大；②在割煤工序上下功夫。如葛帥帥、劉永剛[4，5]等研究認(rèn)為采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速升高使得塊煤率降低，牽引速度上升使得塊煤率提高；閆國(guó)梁[6]研究認(rèn)為通過采煤機(jī)進(jìn)刀和割煤合理搭配加大采煤作業(yè)速率可提高塊煤率；③對(duì)工作面煤體原位改性，增大煤體內(nèi)裂隙發(fā)育情況。王新生[7]等通過微差爆破增大煤體內(nèi)裂隙發(fā)育來提高塊煤率；趙瑞璽[8]深入研究了煤體爆破弱化理論技術(shù)，揭示了各爆破參數(shù)是如何影響塊煤率的；鄧廣哲[9]采用煤體水力壓裂技術(shù)提高了堅(jiān)硬煤體工作面的塊煤率。

鄧廣哲[9]在研究塊煤增產(chǎn)機(jī)理時(shí)提出滾筒切削面積與割落煤體塊度成正比，而滾筒切削面積或者說可截割性與煤體自身性質(zhì)有關(guān)。實(shí)踐表明，煤體在裂隙比較發(fā)育的情況下，采煤機(jī)截割時(shí)易于產(chǎn)生大量塊煤，裂隙發(fā)育煤體相當(dāng)于增加了割煤期間破碎的自由面，在采煤機(jī)滾筒擾動(dòng)下提前脫落，減少了煤機(jī)滾筒截齒的破碎，達(dá)到提高塊煤的效果。

目前通過降低煤體硬度、增加煤體裂隙發(fā)育程度來原位改性以提高塊煤率方面的研究大多都從單一手段入手，或者預(yù)裂爆破或者水力壓裂，而將這兩種手段聯(lián)合起來破煤的機(jī)理研究及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用較少，以陜北侏羅紀(jì)5-2煤215208綜采工作面為工程背景，展開工作面堅(jiān)硬煤體深孔爆破聯(lián)合水力壓裂原位改性的機(jī)理研究和工業(yè)性試驗(yàn)。

1 技術(shù)原理

1.1 水力壓裂裂隙擴(kuò)展機(jī)理研究

煤巖體水力壓裂實(shí)質(zhì)是在帶壓流體和外力共同作用下，煤巖體內(nèi)新裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展或者原生裂隙擴(kuò)展的過程[10-12]，前者可以分兩個(gè)階段：起裂、擴(kuò)展[13]。不同地質(zhì)條件下，原巖應(yīng)力、孔內(nèi)流體壓力、孔周集中應(yīng)力構(gòu)成的應(yīng)力場(chǎng)不同，水力壓裂孔周圍應(yīng)力場(chǎng)的特性不同，導(dǎo)致煤巖體內(nèi)裂隙的起裂或擴(kuò)展方式不同。

根據(jù)強(qiáng)度理論，煤巖體內(nèi)某一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)只要滿足某種強(qiáng)度準(zhǔn)則，就會(huì)發(fā)生相應(yīng)模式的破壞[14，15]：拉伸破壞模式或者剪切破壞模式。為此，水力壓裂破巖準(zhǔn)則見式(1)：

Pb=min(Pb1，Pb2，Pb3)

(1)

式中，Pb1為拉伸破壞模式下水壓致裂壓力，MPa；Pb2為剪切破壞模式下水壓致裂壓力，MPa；Pb3為先剪切后拉伸破壞模式下水壓致裂壓力，MPa。

拉伸破壞模式下，破裂壓力見式(2)：

Pb1=3σh-σH+ST

(2)

式中，σh為最小水平地應(yīng)力，MPa、σH為最大水平地應(yīng)力，MPa、ST為煤巖單軸抗拉強(qiáng)度，MPa。

剪切破壞模式下，破裂壓力見式(3)：

(3)

式中，C為內(nèi)聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

在先剪切后拉伸破壞模式下，破裂壓力表達(dá)式為：

(4)

式中，σV為垂直應(yīng)力，MPa。

以陜北侏羅紀(jì)5-2煤215208綜采工作面為例，5-2煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度為17.27MPa，單軸抗拉強(qiáng)度ST=1.26MPa，彈性模量E=2.44GPa，泊松比ν=0.19，內(nèi)聚力C=3.6MPa，內(nèi)摩擦角φ=38°，埋深120m，巖石容重26.2kN/m3，為便于計(jì)算，側(cè)壓系數(shù)取1，則σH=σh=σV=γH=3.144MPa。由以上參數(shù)得出Pb1=7.55MPa；Pb2=7.92MPa；Pb3=9.05MPa。有此可見，Pb1取值最小，因此陜北侏羅紀(jì)5-2煤215208綜采工作面煤體壓裂時(shí)，按照拉伸破壞模式起裂。

1.2 壓裂后爆破破巖機(jī)理研究

爆破破巖過程可以分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為“沖擊震裂階段”，起爆后產(chǎn)生的攜帶能量的沖擊波在煤巖介質(zhì)中傳播對(duì)介質(zhì)粒子壓縮形成切向拉伸應(yīng)力，超過介質(zhì)動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，徑向裂紋開始產(chǎn)生，徑向裂紋區(qū)隨著應(yīng)力波向前傳播逐漸擴(kuò)展；第二個(gè)階段為“氣楔延擴(kuò)階段”，該階段緊隨著第一個(gè)階段開啟，但持續(xù)時(shí)間較第一階段長(zhǎng)，炸藥起爆后產(chǎn)生的高壓高溫氣體向沖擊震動(dòng)徑向裂紋區(qū)介質(zhì)施加壓力并產(chǎn)生破碎和拋擲作用，同時(shí)，爆生氣體滲入到裂紋中，裂紋尖部在爆生氣體尖劈作用下發(fā)生應(yīng)力集中而繼續(xù)擴(kuò)展，最終介質(zhì)內(nèi)各裂紋相互貫通，裂隙通道網(wǎng)絡(luò)重組，堅(jiān)硬完整的煤巖介質(zhì)轉(zhuǎn)變成破碎塊體。

爆破導(dǎo)致的裂隙通道網(wǎng)絡(luò)根據(jù)裂隙體密度分為三區(qū)[16，17]：壓碎區(qū)，裂隙區(qū)，震動(dòng)區(qū)，這三區(qū)的范圍大小直接受貫通裂隙形成條件(即裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子Kr高于煤巖體動(dòng)態(tài)斷裂韌性Krd)的影響。

依據(jù)線性斷裂力學(xué)，在應(yīng)力波和爆生氣體壓力下裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子可用式(5)表達(dá)[18]：

(5)

式中，L為裂隙擴(kuò)展瞬間長(zhǎng)度，mm；Pm為應(yīng)力波和爆生氣體壓力，MPa；σ為地應(yīng)力，MPa。裂隙始終沿著應(yīng)力低的方向擴(kuò)展，當(dāng)裂隙擴(kuò)展至距離爆破中心較遠(yuǎn)距離時(shí)，式(5)中Pm減小，裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子Kr趨近于煤巖體動(dòng)態(tài)斷裂韌性Krd，裂隙擴(kuò)展停止。預(yù)先進(jìn)行水力壓裂原位改性的煤體，初始裂紋長(zhǎng)度L較大，在Pm一定的條件下，裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子更高，裂隙可以擴(kuò)展更遠(yuǎn)。

壓碎區(qū)半徑見式(6)：

(6)

式中，ρm為巖石初始密度，kg/m3；cp為聲波波速，m/s；SC為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；P1為炸藥平均爆轟壓；rb為炮孔半徑，mm；P0為多向應(yīng)力條件下巖石強(qiáng)度，MPa。

預(yù)先進(jìn)行水力壓裂原位改性的煤體，巖石單軸抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，在其他參數(shù)不變條件下，壓碎區(qū)半徑會(huì)增大，比單純采用爆破手段破巖效果要好。

裂隙區(qū)半徑見式(7)：

(7)

式中，μ為泊松比，無量綱；P2為爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波初始徑向應(yīng)力峰值，MPa；ST為煤體抗拉強(qiáng)度，MPa；α為爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波衰減系數(shù)，無量綱；rb為鉆孔半徑，mm。

相關(guān)試驗(yàn)[19]研究表明巖石的泊松比和含水量成正比，水力壓裂后煤體抗拉強(qiáng)度ST降低，泊松比增大，裂隙區(qū)半徑RP增大，這說明預(yù)先水力壓裂改性比單純采用爆破手段更有利于裂隙區(qū)的擴(kuò)展。

另外，煤巖體介質(zhì)中的含水率對(duì)爆破效果有明顯影響，含水率飽和狀態(tài)下可以顯著的增加爆破應(yīng)力波的波速，水力壓裂使得煤巖體內(nèi)裂隙間充水量增加，大大弱化了造成爆破應(yīng)力波衰減的散射耗散效應(yīng)和摩擦效應(yīng)，提高了爆破弱化效果。

2 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

采用超前工作面水力壓裂技術(shù)聯(lián)合煤層深孔爆破對(duì)堅(jiān)硬煤體進(jìn)行弱化處理，可以發(fā)揮水力壓裂人為制造大量裂隙、降低煤體強(qiáng)度、增大泊松比等實(shí)現(xiàn)煤體原位改性的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用深孔爆破在弱化之后的煤體中壓碎區(qū)和裂隙區(qū)范圍更大的特點(diǎn)，研究合理的水力壓裂和深孔爆破工藝、參數(shù)，制定切合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的技術(shù)方案，是提高煤炭塊率的源頭和關(guān)鍵。

2.1 工作面概況

215208綜采工作面位于5-2煤層21盤區(qū)南翼，工作面傾向長(zhǎng)300m，走向可采長(zhǎng)度3523m，采深120m左右，埋深較淺。5-2煤層傾角為1°～3°，平均厚度2.5m，采高2.5m，普氏硬度系數(shù)f=1.5～2.5，容重1.25t/m3。5-2煤層屬于不粘煤，平均含水率為10.89%，平均單軸抗壓強(qiáng)度為17.27MPa，節(jié)理裂隙不發(fā)育，煤層中距離頂板0.84m處含有一層5～8cm厚泥巖夾矸層，遇水易泥化。

2.2 參數(shù)選取

2.2.1 水力壓裂參數(shù)選取

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爆破機(jī)具條件，確定鉆孔直徑為75mm，封隔器型號(hào)選擇FKSS61型。通過現(xiàn)場(chǎng)打鉆壓裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在煤體中水力壓裂半徑可達(dá)到7～10m，為保證水力壓裂范圍交叉重疊全覆蓋，鉆孔間距選擇10m。鉆孔中心距底板0.7m，距頂板1.8m，鉆孔長(zhǎng)度100m。為擺脫超前支承壓力影響范圍，試驗(yàn)地點(diǎn)選在超前工作面150～210m位置，試驗(yàn)范圍60m，方案布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)段鉆孔布置

2.2.2 爆破參數(shù)選取

為了確定裝藥直徑以便選擇合適的炸藥被筒(63mm和50mm兩種備選)，通過ANSYS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)選擇63mm炸藥被筒即不耦合系數(shù)為1.2時(shí)炮孔附近裂隙更為發(fā)育，裂隙區(qū)半徑可達(dá)2.92m；而選擇50mm炸藥被筒即不耦合系數(shù)為1.5時(shí)裂隙區(qū)半徑僅為1.69m，如圖2所示。因此選用直徑為63mm的炸藥被筒，炸藥選用二級(jí)煤礦許用乳化炸藥，藥卷規(guī)格為?35mm×300mm×300g，采用連續(xù)不耦合方式裝藥，兩個(gè)藥卷并列裝入炸藥被筒。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示，深孔爆破參數(shù)見表1。

圖2 不同耦合系數(shù)時(shí)炮孔附近的裂隙發(fā)育情況

表1 深孔爆破參數(shù)表

2.3 試驗(yàn)效果監(jiān)測(cè)

2.3.1 電磁波CT對(duì)致裂效果監(jiān)測(cè)

井下電磁波CT技術(shù)是一種電磁波衰減系數(shù)層析成像技術(shù)，其工作原理是：煤巖層中的不同物理力學(xué)參數(shù)性質(zhì)的介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收情況不同，這造成電磁波衰減程度上的差異，從而引起探測(cè)區(qū)域內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布不同，據(jù)此可以判斷探測(cè)區(qū)域內(nèi)不同介質(zhì)的分布形態(tài)以及位置。

為避免采動(dòng)應(yīng)力對(duì)煤層裂隙發(fā)育的影響，本次測(cè)試試驗(yàn)選在L3和L4孔之間，探測(cè)水力壓裂聯(lián)合深孔爆破后裂隙分布情況。試驗(yàn)方案如圖4所示，鉆孔水平布置，鉆孔角度0～1°，距巷道底板0.8m，鉆孔孔徑75mm，鉆孔間距5m。

圖4 電磁波CT監(jiān)測(cè)致裂效果方案

首先將電磁波CT測(cè)量系統(tǒng)在地面上調(diào)試好后，帶到工作面進(jìn)行觀測(cè)。在試驗(yàn)中，為防止鉆孔塌孔，將孔徑大小的PVC管推入到鉆孔內(nèi)，然后依次接好接收天線、接收機(jī)和接收控制器，發(fā)射天線、發(fā)射機(jī)和發(fā)射控制器。將接收天線、接收機(jī)和發(fā)射天線和發(fā)射機(jī)推到鉆孔內(nèi)指定位置處。本次觀測(cè)采用跨孔電磁波CT測(cè)量方法，CT掃描數(shù)據(jù)為定發(fā)測(cè)量方式，如圖5所示，即發(fā)射裝置保持在孔口0m位置處，接收裝置每隔1m采集一次數(shù)據(jù)，直至距孔口27m位置處，共采集28次數(shù)據(jù)；然后發(fā)射裝置移動(dòng)到1m、2m、……、27m位置處，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，發(fā)射裝置移動(dòng)一次，接收裝置需要移動(dòng)27次，采集28次數(shù)據(jù)，然后再在發(fā)射裝置位于鉆孔27m、26m再重復(fù)采集兩個(gè)循環(huán)，一共采集測(cè)量射線對(duì)840對(duì)。

圖5 雙孔電磁波CT測(cè)試

煤體弱化前后探測(cè)區(qū)域電磁波CT掃描成像二維如圖6所示。

圖6 煤體弱化前后CT掃描成像圖

從Curv10-11電磁波CT成像圖可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行了水力壓裂聯(lián)合深孔爆破弱化后的煤體內(nèi)電磁波衰減程度明顯高于周圍區(qū)域，主要原因是由于此處裂隙發(fā)育擴(kuò)張，電磁波能量遇到裂隙面后發(fā)生折射、反射，能耗損失增加。結(jié)果表明：實(shí)施了聯(lián)合弱化技術(shù)方案后，煤體內(nèi)出現(xiàn)大量的裂隙擴(kuò)張。

2.3.2 塊煤率提高情況

待工作面推進(jìn)至水力壓裂聯(lián)合深孔爆破試驗(yàn)區(qū)段后，取樣進(jìn)行塊煤率測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 塊煤率提高情況統(tǒng)計(jì)表

通過表2可以看出，水力壓裂聯(lián)合深孔爆破后，塊度超過80mm煤體的占比提升8.53%，塊度在30-80mm之間的煤體的占比提升10.74%，塊度超過30mm的煤體即塊煤占比提升19.27%。

3 結(jié) 論

1)堅(jiān)硬煤體水力壓裂聯(lián)合深孔爆破弱化機(jī)理為：水力壓裂通過預(yù)先在煤體內(nèi)制造大量裂隙、降低煤體強(qiáng)度、增大泊松比實(shí)現(xiàn)了煤體原位改性，在原位改性后的煤體中進(jìn)行爆破可以增大爆破壓碎區(qū)和裂隙區(qū)半徑；同時(shí)，水力壓裂使得煤巖體內(nèi)裂隙間充水量增加，大大弱化了造成爆破應(yīng)力波衰減的散射效應(yīng)和摩擦效應(yīng)，提高了爆破弱化效果。

2)在超前215208工作面150～210m范圍的回風(fēng)巷內(nèi)進(jìn)行了水力壓裂聯(lián)合深孔爆破提高塊煤率試驗(yàn)，并用電磁波CT進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)煤體內(nèi)出現(xiàn)大量的裂隙擴(kuò)張，塊煤率提高了19.27%，說明水力壓裂聯(lián)合深孔爆破技術(shù)可以顯著提高工作面煤體塊煤率。