綜采工作面硬巖夾矸層預(yù)裂破碎技術(shù)研究

鄧廣哲，王健航，張旭東

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710054)

我國陜北礦區(qū)煤炭儲量豐富，陜煤集團(tuán)小保當(dāng)一號煤礦2-2號煤層，采用一次采全高綜合機(jī)械化開采方法。由于2-2號煤層內(nèi)含有致密堅硬特性的不同厚度的夾矸層，內(nèi)外生裂隙常被方解石和菱鐵礦薄膜充填，可見黃鐵礦顆粒，硬度中等，導(dǎo)致煤層夾矸截割性不良，污染煤質(zhì)。資料顯示，煤層夾矸單軸抗壓強(qiáng)度為56MPa，硬度系數(shù)大于6，表現(xiàn)為優(yōu)異的堅固物性，導(dǎo)致采掘截割困難，表現(xiàn)為對截割速度影響大，截割材料消耗量劇增，綜采產(chǎn)能受到嚴(yán)重制約，生產(chǎn)過程中支承壓力峰值和影響范圍隨夾矸層厚度的增加而增大，支承壓力峰值距工作面的距離隨夾矸層厚度的增加而減小[1]。尤其是綜采過程中煤層不穩(wěn)定分布、夾矸層結(jié)構(gòu)致密，采煤機(jī)割煤效率低，截割困難，環(huán)境污染嚴(yán)重，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，直接影響安全高效的開采，甚至誘發(fā)安全隱患事故。

現(xiàn)階段，陶可、于飛在分析深孔預(yù)裂爆破的基本原理的基礎(chǔ)上，提出了深孔預(yù)裂爆破的材料和工藝，并且介紹了爆破的炮眼間距、炮眼深度、裝藥量等基本參數(shù)[2]。潘泱波利用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件對現(xiàn)場實(shí)際的爆破過程進(jìn)行模擬計算，模擬計算不同爆破孔間距時應(yīng)力波的擴(kuò)展、質(zhì)點(diǎn)所受的有效應(yīng)力以及爆破孔周圍裂隙的發(fā)育情況，證明了深孔預(yù)裂爆破技術(shù)用于弱化煤層夾矸的可行性和有效性[3]。閆少宏、寧宇等依據(jù)夾矸與老頂巖層具有注水軟化、強(qiáng)度降低的特性，對現(xiàn)場夾矸厚度大于0.8m的區(qū)域采取夾矸與老頂注水的技術(shù)措施，提高含夾矸頂煤體的冒放性[6]。而現(xiàn)階段的研究成果并未對煤層夾矸的軟化液參數(shù)及注水的施工參數(shù)進(jìn)行明確系統(tǒng)的確定，本文通過實(shí)驗及模擬對煤層夾矸問題，提出預(yù)裂措施，并確定了最優(yōu)的軟化液參數(shù)、鉆孔的直徑間距及注水的壓力等，針對不同類型的矸石進(jìn)一步提出了系統(tǒng)的壓裂方法，為現(xiàn)場生產(chǎn)提供可靠技術(shù)支持。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)情況

小保當(dāng)一號煤礦112201首采工作面地表位于石拉界村莊以東，小草灣村莊以西。地表基本域被第四系風(fēng)積半固定沙丘和固定沙丘所覆蓋，新近系保德組紅土零星出露，以風(fēng)蝕、風(fēng)積沙漠丘陵地貌為主。首采工作面東部相鄰設(shè)計的112207工作面，西部布置未開工的112202工作面，北至2-2開拓大巷，南部切眼中線距離井田邊界1515m。

1.2 工作面煤層夾矸分布

工作面運(yùn)輸巷、輔運(yùn)巷、內(nèi)回風(fēng)巷和外回風(fēng)巷等掘進(jìn)期間，均已探測到堅硬矸層，其單軸抗壓強(qiáng)度56MPa，硬度系數(shù)大于6。導(dǎo)致鉆眼時間增長，由正常情況下的4～5min/眼延長至15～50min/眼，耗時增長7.2倍；鑿巖機(jī)使用臺班增加了一倍。鉆頭使用量大幅增加，平均每根錨桿(錨索)鉆頭使用量增多1倍，鉆桿消耗量增加20倍。根據(jù)煤層夾矸層的實(shí)測情況，采用三維視覺技術(shù)，給出了112201綜采工作面范圍內(nèi)夾矸層的3D結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 112201綜采面煤層夾矸3D結(jié)構(gòu)

在首采工作面回采過程中，多次遇到大面積硬巖夾矸情況。夾矸層的存在影響了采面推進(jìn)速度，從15m/d降到了9m/d，每個月產(chǎn)量減少了50萬t，而截齒的耗損情況更為嚴(yán)重，生產(chǎn)效率降低。與此同時，對煤質(zhì)的影響也十分巨大，較一月份相比，三月份煤炭發(fā)熱量下降了700kcal，煤質(zhì)明顯變差，尤其是對開采安全造成威脅。因此，對堅硬不穩(wěn)定夾矸的科學(xué)破碎，提高采掘效率，節(jié)能降耗，減少開采安全隱患問題，已經(jīng)成為煤礦安全高效生產(chǎn)過程中亟待破解的關(guān)鍵難題。

2 夾矸巖石力學(xué)性質(zhì)分析

在112201綜采工作面煤系地層進(jìn)行巖石結(jié)構(gòu)完整性鉆孔取芯分析，取芯地點(diǎn)選在112201回風(fēng)巷夾矸巖層厚度較厚區(qū)域。取芯之后進(jìn)行加工處理制成試件，將試件進(jìn)行水、5%乳化液及1.5‰CO2液的浸泡對比實(shí)驗，通過在3種不同溶液下浸泡不同時間(15min、2h)后，測試試樣力學(xué)強(qiáng)度及含水率。

2.1 吸水率測定

巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)。主要有吸水性、破碎軟化性、滲透性等。巖石的吸水率也是表示巖石物理性質(zhì)的一個重要指標(biāo)。由于它反映了巖石總開空隙率的發(fā)育程度，因此亦可間接地用它來判定巖石的注水能力和破碎軟化性。

(1)

為了與現(xiàn)實(shí)壓裂時相適應(yīng)，實(shí)測時先將巖樣烘干，并稱重為試件的干質(zhì)量，然后分別稱量一組浸水15min、一組浸5%乳化液15min及一組浸1.5‰ CO2水溶液15min的巖樣重量。其中，1、2、3試件為浸普通水的準(zhǔn)備試樣；4、5、6試件為浸5%乳化液的準(zhǔn)備試樣；7、8、9試件為浸1.5‰CO2液的準(zhǔn)備試樣。之后再進(jìn)行一組浸水2h、一組浸5%乳化液2h及一組浸1.5‰CO2水溶液2h的實(shí)驗并進(jìn)行稱重，計算吸水率，并與浸泡15min的巖樣吸水率進(jìn)行對比。

2.2 巖石軟化性試驗

在標(biāo)準(zhǔn)試驗基礎(chǔ)上，進(jìn)行的點(diǎn)荷載試驗是將巖石試樣置于兩個球形圓錐狀壓板之間，對試樣施加集中荷載，直至破壞，然后根據(jù)破壞荷載求得巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。

在進(jìn)行吸水率測定之后，對干燥試樣、浸泡普通水15min和2h試樣、浸泡5%乳化液15min和2h的試樣以及浸泡1.5‰CO2水溶液15min和2h的試樣進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗，并記錄數(shù)據(jù)。吸水率測定及軟化性測定實(shí)驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同試驗條件巖石吸水率及點(diǎn)荷載試驗

2.3 試驗結(jié)果分析

巖樣的吸水率反映了巖層中孔隙的數(shù)量及體積大小。從表1數(shù)據(jù)可以看出，巖石試樣在普通情況浸泡15min條件下吸水率較低，說明巖石較致密，孔隙少。對比不同溶液中的吸水率，在普通水中浸泡巖樣15min吸水率為1.01%；在5%乳化液中浸泡巖樣15min吸水率為0.63%，乳化液吸水率比普通水低37.6%；在普通水中浸泡巖樣2h吸水率為2.97%；在5%乳化液中浸泡巖樣2h吸水率為2.57%，乳化液吸水率比普通水低13.47%。對比不同吸水時間的吸水率說明，普通水溶液中浸泡2h是15min的2.94倍，5%的乳化液中浸泡2h是15min的4.08倍，說明短時間內(nèi)乳化液中的油脂分子容易堵塞巖樣中的孔隙，不利于巖樣的吸水破碎軟化，而隨著浸泡時間的增加，乳化溶液對巖石吸水率的影響逐漸減少。

浸泡后的巖石樣品抗壓強(qiáng)度降低，水溶液對巖石力學(xué)性能影響十分明顯。乳化液浸泡后試樣的含水率雖然略高于水溶液，但抗壓強(qiáng)度及破碎軟化系數(shù)的減小幅度明顯低于水溶液。因此，分析得知水溶液對該構(gòu)造區(qū)的硬巖能夠達(dá)到破碎軟化作用。另外從表中實(shí)驗數(shù)據(jù)可以得出普通水中浸泡巖樣2h軟化系數(shù)比浸泡15min軟化系數(shù)大4.2%，5%乳化液中浸泡巖樣2h軟化系數(shù)比浸泡15min軟化系數(shù)大7.2%，說明短時間乳化液中的油分子容易堵塞巖樣中的孔隙，不利于巖樣的吸水軟化，長時間浸泡在乳化液中的巖樣吸水軟化與普通水吸水軟化差距減小。

巖石試件在1.5‰CO2溶液中分別浸泡15min和2h，吸水率分別為1.57%、1.93%，從數(shù)值中看出吸水率反而較普通水低，造成原因是和巖石表面裂隙較發(fā)育部分充填礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成松散碎石表層脫落，所以表現(xiàn)出吸水率低的假象；巖石試樣在1.5‰CO2水溶液中分別浸泡15min、2h強(qiáng)度為87.04MPa、53.25MPa，軟化系數(shù)分別為0.52、0.32，說明CO2水溶液碳酸與巖石中的礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成強(qiáng)度急劇降低，軟化效果明顯。

2.4 巖石鉆孔預(yù)裂數(shù)值模擬分析

運(yùn)用FLAC3D5.0數(shù)值模擬軟件，建立物理力學(xué)模型，對厚度0.6m≤H<2.0m區(qū)間的硬巖層采用單排布孔方式，采用不同孔徑、水壓對構(gòu)造帶硬巖預(yù)裂破碎規(guī)律進(jìn)行分析：

1)注水壓力15MPa、單孔間距7m情況下，模擬鉆孔半徑40mm、45mm、50mm時塑性區(qū)分布范圍，如圖2所示，注水壓力穩(wěn)定后，鉆孔半徑40mm的塑性區(qū)變化范圍較小，孔與孔之間無應(yīng)力重疊區(qū)域，當(dāng)把孔徑增加到50mm后，塑性區(qū)重疊，說明增加鉆孔直徑能夠顯著改善壓裂影響范圍。

圖2 不同鉆孔直徑時塑性區(qū)分布范圍

2)基于現(xiàn)場測量，現(xiàn)有鉆孔的孔徑為85mm，通過上述模擬得到壓裂影響范圍與鉆孔的直徑成正比，故選取大直徑鉆孔更為合適。通過在鉆孔直徑90mm、單孔間距7m情況下，模擬注水壓力為10MPa、20MPa、30MPa時塑性區(qū)分布范圍，如圖3所示，塑性區(qū)范圍隨著壓力的提高而變大，增加壓力有利于裂隙的發(fā)育，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，建議增加壓力緩慢壓裂，形成毛細(xì)裂隙，充分破碎軟化巖石。

圖3 不同注水壓力時塑性區(qū)分布范圍

通過數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和形成過程的分析，認(rèn)為采用小壓力、大流量，壓力過高容易形成鉆孔之間導(dǎo)通。根據(jù)相似情況工程實(shí)踐經(jīng)驗，鉆孔間距不宜過小，結(jié)合模擬結(jié)果，7m比較合理。

3 預(yù)裂技術(shù)方案

3.1 煤層夾矸分類情況

根據(jù)榆北煤業(yè)小保當(dāng)一號煤礦112201首采工作面地質(zhì)條件可知，現(xiàn)開采的2-2煤層中存在著大量致密堅硬的夾矸，主要分為兩種：第一種類型，112201工作面100～560m范圍煤層中存在厚度0.6～1.7m，巖性為致密粉砂巖的夾矸層，該夾矸層連續(xù)貫通工作面，面積約16萬m2；第二種類型，工作面煤層中巖性以長石、石英、菱鐵礦為主，塊狀分布，含粘土碎屑，致密、堅硬且不穩(wěn)定分布的局部夾矸，厚度0.4～2.5m，最大長度超過40m。12201工作面夾矸分布如圖4所示。

圖4 12201工作面夾矸分布

3.2 技術(shù)方案設(shè)計

針對112201綜采面煤層堅硬夾矸破碎問題，開發(fā)硬巖夾矸層預(yù)裂破碎新技術(shù)、提高首采面的生產(chǎn)效率、大幅度降低生產(chǎn)成本是本設(shè)計的基本宗旨。目前，國內(nèi)外有關(guān)煤礦硬巖軟化破碎，主要采用礦山壓力、人工預(yù)裂和煤機(jī)截割三種技術(shù)方法。其中，常用的人工干預(yù)技術(shù)包括炸藥爆破和水壓致裂兩種。

1)根據(jù)112201工作面、回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷夾矸統(tǒng)計分析結(jié)果，在巖石破碎理論指導(dǎo)下，采用煤巖層物理化學(xué)力學(xué)特征分類方法對大面積夾矸進(jìn)行分類研究，包括：①對112201綜采工作面的煤層夾矸層地質(zhì)學(xué)選點(diǎn)定位，根據(jù)煤層夾矸分類，對煤層夾矸預(yù)裂關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識；②對工作面、回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷不同層位夾矸層的巖芯進(jìn)行采集及標(biāo)準(zhǔn)制樣測試巖石化學(xué)力學(xué)實(shí)驗。

2)根據(jù)工作面夾矸的不同類型分析，提出大面積堅硬夾矸分類預(yù)裂方法。采用高壓水刀預(yù)裂、氣體聚能爆破、高壓壓裂、酸化一體化的預(yù)裂破碎新技術(shù)針對性解決不同類型夾矸層的有效破碎問題，如圖5所示。

圖5 預(yù)裂方法與夾矸分類致裂的關(guān)聯(lián)關(guān)系

3)針對綜采煤層夾矸破碎問題，采用超前綜合壓裂破碎方案，并輔助可視化效果監(jiān)控，如圖6所示。由圖6可知：在工作面采區(qū)前方沿工作面巷道超前實(shí)施工作面全長水平長鉆孔預(yù)裂；鉆孔初期夾矸完整，及時采取高壓水預(yù)裂形成預(yù)制定向裂縫網(wǎng)；預(yù)裂縫完成后，進(jìn)行動靜壓耦合壓裂破碎施工，形成貫通型裂隙破碎網(wǎng)絡(luò)。該破碎過程由預(yù)裂-壓裂-氣水耦合酸化按一定工藝組成，具有定向作用，破碎網(wǎng)絡(luò)可控性好，對工作面煤層頂?shù)装迕鈹_動，以保證綜采面的安全及截割效率。

圖6 煤層夾矸破碎設(shè)計

小保當(dāng)一號煤礦112201綜采工作面夾矸破碎工程，通過硬巖夾矸預(yù)裂破碎新技術(shù)現(xiàn)場示范，并取得成功，為小保當(dāng)含堅硬夾矸煤層科學(xué)開采提供技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

1)我國陜北榆林礦區(qū)硬巖夾矸層，結(jié)構(gòu)致密，單軸抗壓強(qiáng)度高，但受到夾矸結(jié)構(gòu)帶的影響，巖石貫通裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性較好。通過對巖石進(jìn)行吸水性和軟化性實(shí)驗，可知浸泡后的巖石樣品抗壓強(qiáng)度降低，約為原始樣品抗壓強(qiáng)度的35.5%，軟化系數(shù)為0.64，水溶液對巖石力學(xué)性能影響十分明顯。不飽和酸活性水溶液浸泡后試樣的含水率雖然略高于水溶液，但抗壓強(qiáng)度及軟化系數(shù)的減小幅度明顯低于水溶液。因此，分析得知水溶液對該構(gòu)造區(qū)的硬巖能夠達(dá)到破碎軟化作用。通過數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和形成的過程的分析，認(rèn)為采用小壓力、大流量，壓力過高容易形成鉆孔之間導(dǎo)通。根據(jù)相似情況工程實(shí)踐經(jīng)驗，鉆孔間距宜不宜過小。

2)預(yù)裂軟化破碎技術(shù)很好解決了硬巖夾矸層產(chǎn)煤過程的割煤效率低，截割困難，環(huán)境污染嚴(yán)重問題，提高了工作面產(chǎn)煤效率。同時，本文提出了水壓破碎新技術(shù)、工藝與新方法，根據(jù)不同的夾矸層，可按方法組合進(jìn)行預(yù)裂；并且該技術(shù)在小保當(dāng)煤礦工作面得到較好的應(yīng)用，工作環(huán)境得到改善，工作效率得到提高，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。