下石节煤矿224综放工作面顶煤弱化技术研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 04 日 作者简介：王留河（1970），男，汉族，陕西铜川人，本科，陕西陕煤铜川矿业有限公司，高级工程师，研究方向为采矿。-29-下石节煤矿 224 综放工作面顶煤弱化技术研究 王留河 岳 东 霍小泉 周晓辉 袁增云 陕西陕煤铜川矿业有限公司，陕西 铜川 727000 摘要：摘要：下石节煤矿主采 4#-2 煤层，平均厚度 11m，采用综采放顶煤开采工艺，由于煤的硬度系数大（f=1.4），强度大（13MPa），同时距离 224 工作面上部约 21.76m 的 2302 工作面已回采并产生卸压作用，不利于顶煤的预破坏，在生产实践过程中，出现顶煤不易放出并导致放出率不高现象，工作面回采率达不到开采设计规范的有关规定，造成采空区滞后丢煤严重，顶煤不能及时冒落，采空区漏风增加，极易引发采空区残留煤炭的自燃和发火的危险，直接威胁煤矿的安全开采。本文以陕西陕煤铜川矿业有限公司下石节煤矿 224 工作面为工程背景，利用水力压裂技术，开展了下石节煤矿综放工作面顶煤弱化技术及应用，并通过煤体块度观测、钻孔窥视观测、矿压观测、放煤产量统计、回收率统计等方法对顶煤弱化效果进行验证，以期解决下石节煤矿综放工作面顶煤冒放性差的问题。关键词关键词：综放工作面；冒放性；顶煤弱化；水力压裂；效果评价 中图分类号：中图分类号：TD 1 试验工作面概况 本文以下石节煤矿 224 工作面为研究对象，224工作面开采为 4#-2 煤层，平均埋深 577.9m，平均厚度11m，为较稳定赋存煤层，煤层内生裂隙较发育，易片帮、垮落，硬度系数 f 为 1.4，单轴抗压强度为 13MPa，顶板为浅灰-灰色中粗砂岩（小街砂岩），厚-中厚层状，主要成分石英、长石及少量云母和暗色矿物，含植物茎杆化石及泥岩团块，具波状斜层理，钙质胶结。垂直上方为 3#-2 煤层 2302 工作面采空区，煤层间距平均 21.76m，如图 1 所示。图 1 224 工作面垂直位置示意图 由于 224 工作面煤体强度大，同时 2302 工作面已回采并产生卸压作用，224 工作面回采过程中不利于顶煤的预破坏，在生产实践过程中，出现顶煤放出率不高或不易放出现象，工作面回采率达不到开采设计规范的有关规定，造成采空区滞后丢煤严重，顶煤不能及时冒落，采空区漏风增加，极易引发采空区残留煤炭的自燃和发火的危险，直接威胁煤矿的安全开采。2 顶煤弱化方法优选 顶煤弱化的本质即是提高其内部裂隙发育程度与孔隙分布情况，使强度、刚度等力学性质整体发生降低，承载能力下降，最终能在上覆岩层的荷载作用下破碎并冒落。目前，煤矿开采中常用于提高顶煤冒放性的技术措施有爆破预裂和高压水力压裂两种，其中爆破预裂分为深孔爆破和架前爆破。表 1 顶煤弱化技术性能参数对比分析 技术性能参数 爆破预裂 水力压裂 安全性 炸药爆破时产生的火花和 CO 气体易造成安全隐患，动力扰动大 动力扰动小，安全性高 管理难度 雷管等火工品管理复杂，潜在危险大 管理简单 工作量 单孔爆破范围小，工作量大 水力压裂单孔控制范围大，工作量小 影响 范围 小 大 作业环境 爆破造成空气、震动等二次污染 作业环境好 对支架损害 架前爆破预裂易造成支架损害 基本无损害 成本效益 炸药成本、管理成本昂贵 综合人工费、材料费等各项成本低 适用条件 高瓦斯矿井、“三软”煤层不宜采用，适用于坚硬顶板 适用范围广 21.76m上覆岩层2302工作面采空区中间岩层224工作面底板岩层煤柱煤柱中国科技期刊数据库 工业 A-30-两种方法对比情况如表 1 所示，综合对比分析可知，在考虑施工方案可行性、技术难度合理性与经济支出可控性的前提下，可采用水力压裂作为顶煤高效回收方案的核心技术。3 水力压裂力学作用机理（1）裂隙起裂力学作用机理 根据岩石力学、断裂力学以及损伤力学在水力压裂裂隙起裂机理方面的研究，研究结果表明，受水力压裂高压水影响，钻孔孔壁上产生法向拉应力，在弱面处产生水压，裂隙尖端处产生集中拉应力，使尖端应力值和应变值都升高，如图 2 所示。式中：K为应力集中系数，大于 1；K为应变集中系数，大于 1；为压裂钻孔轴向主应力，MPa；为岩石应变。图 2 水力压裂力学模型示意图 一般情况下岩石的单轴抗拉强度约为抗压强度的十分之一，在高压水产生法向拉应力的作用下钻孔孔壁易发生拉伸破坏，因此，可根据最大拉应力理论对断裂破坏准则进行判定。式中：t-岩石单轴抗拉强度。当高压水产生法向拉应力大于岩石最大抗拉强度和该方向的地应力分力之和时，岩石就会沿弱面处起裂并扩展，并产生大量裂隙，裂隙贯通进而形成裂隙网络，破坏岩石的完整性。（2）裂隙扩展规律 根据上述水力压裂力学机理可知，高压水克服原岩应力及岩石抗拉强度，对岩体中的弱面（层理、节理、裂隙），岩石中的微小裂隙、孔隙，以及闭合状态下的孔隙进行压入，使得岩体中各种结构弱面得到扩展，进而降低岩体的整体强度。在成煤作用中，煤体内部自身含有大量裂隙，在高压水的作用下进入煤体中，层理弱面及原生裂隙被压裂形成宏观裂隙。随着高压水的持续注入，裂隙损伤变量持续增大，引起次级弱面产生、发育、扩展和延伸，此时，高压水充满裂隙，同时空隙压力升高，煤体被压缩、损伤，并产生新的裂隙,高压水进入新的裂隙中再次进行压裂。每次高压水注入煤体中都会导致弱面充水空间法线方向上产生拉应力，同时后续水力压裂作用不断增强，弱面充水空间法向拉应力持续增加，当其大于与其相连的次级弱面抗拉强度和该方向地应力分力之和时，次级弱面被压裂并充满高压水，从而形成与上一级弱面同样的扩展、延伸过程，如图 3 所示。图 3 裂隙扩展规律示意图 根据上述水力压裂规律，在高压水的反复作用下，直至压入微裂隙中，因此，水力压裂是逐层逐级产生的，以压裂孔为中心、多级弱面为主体的裂隙网体系。上述研究结果表明，水力压裂首先从弱面产生并扩展到次级弱面，学者提出定向水力压裂技术，该技术通过增加控制钻孔以及人造弱面等，控制高压水的走向，从而控制裂隙的生成与扩展方向，充分利用高压水产生的能量，消除非定向水力压裂的能量损失，减少局部应力集中和压裂盲区现象，达到水力压裂目的，如图 4 所示。如图 5 所示，钻孔的施工过程本身是煤体破坏的过程，并沿轴向方向依次分布破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区。其中破碎区、塑性区的煤体已损伤破坏，构成呈现柱状发散分布的宏观裂隙区。maxKmaxK压裂孔裂缝xxyymaxmaxPmaxt次级裂隙拉应力高压水主裂隙中国科技期刊数据库 工业 A-31-图 4 定向水力压裂裂隙扩展图 图 5 钻孔周围围岩应力分布情况图 在高压水的作用下宏观裂隙区不断增大，当压裂孔水力压裂产生的裂隙与导向孔自身的裂隙导通时，在持续高压水的作用下，裂隙不断扩展、延伸，随着集中应力区不断向导向孔方向转移，煤体向导向孔发生流变，导向孔变小，压裂区扁平化，裂隙进一步增多，并相互贯通形成裂隙网，同时在裂隙产生和煤体流变过程中地应力得到充分释放，钻孔之间应力峰值下降，达到煤体弱化的效果。4 224 工作面顶煤弱化方案 4.1 工器具组成（1）履带式钻机 煤矿井下坑道履带式钻机：型号为 1900L，功率45KW，电压 660/1140 v，钻机尺寸 3.851.101.87m，钻机由专业操作员操作，严格按照钻机操作要求执行。（2）脉冲高压泵 型号为 BZW220/24，额定流量 220 L/min，额定压力 24 MPa，脉冲次数 1000 次/min，功率 110 KW，电压 660/1140 v，尺寸 1.91.2000.89m。高压泵由专业操作员操作，开泵、加压及停泵严格按照高压泵操作与压裂要求执行。（3）封孔装置 封孔装置由中心管、封隔器组成，单个封隔器长度 75cm，直径 65mm，封隔段长度 30cm。水力压裂前先进行封孔，利用高压水打压，封隔器膨胀后密封压裂段，两支封隔器通过连杆相连接，连杆上开有高压水出水孔，压裂过程中对压裂段进行压裂。（4）压裂注水杆 压裂注水杆作为连接构件将封隔器送入设计位置并形成注水通道。长 1m，直径为 42mm，一般为丝扣连接，配“O”型圈密封。（5）水压监测仪 采用 KJ327-F 水压致裂数据采集仪实时监控水力压裂过程，可实时记录流量和压力变化，供后续压裂效果评价分析。4.2 施工设计 1）钻孔施工技术要求如下：（1）要求使用 ZDY1900L 履带式钻机施工钻孔；（2）钻头直径为 75mm，钻杆直径为 50mm，施工后用冲洗液清洗；（3）为了有效降低工作面坚硬顶煤强度及完整性，应使水力压裂弱化改造区域尽可能覆盖整个工作面顶煤，开孔位置位于回风煤帮侧巷道底板上方 2m，终孔位置距离运输巷 20m。钻孔倾角为 3，钻孔方位角为垂直于煤帮；（4）根据以往施工经验，结合顶煤实际赋存情况，钻孔间距取 6.5m；（根据抽放孔开孔位置进行调整，避免与抽放孔贯通，影响瓦斯抽采效率）（5）由于该矿为高瓦斯矿井，压裂施工完后需进行封孔，采用水泥砂浆进行封孔，封孔长度为 20m，防止瓦斯从孔口渗漏；（6）钻探施工过程中严格按照有关要求做好钻探原始记录工作。钻孔设计如图 6、图 7、图 8。图 6 钻孔布置平面设计图 图 7 钻孔开孔位置设计图 钻孔底板顶板煤层压裂区钻孔1破裂区2塑性区3弹性区4原岩应力区运输巷回风巷224工作面170mF1切眼F2020m保护距离150m6.5m9020m封孔130m抽放孔压裂孔1.5m6.5m6.5m2m底板顶板切眼150mF1F203.9m130m224回风巷主帮中国科技期刊数据库 工业 A-32-图 8 钻孔布置剖面设计图 2）压裂参数设计（1）压裂压力 根据弹性理论、224 工作面物理力学条件及以往工作面水力压裂经验，可估水力压裂压力（正常情况小于 25MPa）满足压裂要求。（2）压裂次数 从钻孔底部向孔口逐步压裂，单孔压裂间距为 3m，经计算单孔压裂 43 次。（3）压裂时间 根据周围钻孔出水情况，当压裂压力显著降低后，停止压裂作业，根据实施经验，单次压裂时间约为 10 min20min，根据注水压力的变化情况适当控制压裂时间。5 224 工作面顶煤弱化效果评价（1）裂隙贯通现象分析 单孔单次压裂时间约 1015 分钟，单孔单次压裂用水量约 2.5m3。压裂 12#孔时 13#、14#孔有出水现象，如图 9 所示，表明煤体被压裂，裂隙与周边孔导通。a 压裂 16#孔 13#孔出水情况 b 压裂 16#孔 14#孔出水情况 图 9 周边孔出水情况（2）钻孔窥视观测 图 10 为透孔后的钻孔窥视图，脉冲压裂后孔壁出现大量裂隙，以轴向裂隙为主，表明高压水可将煤体压裂，减小煤体块度，有利于顶煤放出。距离孔口 14m处出现裂隙，最后一次压裂位置位于距离孔口20m处，表明高压水压裂可影响至该处。图 101#孔透孔后窥视截图（3）高压水压力-时间关系 由图 11 可知，选取 5#孔作为试验对象，起始压力为 15MPa，记录第 1 次、20 次、40 次压裂压力变化情况。压裂压力表现出波动形态，起裂阶段压力升高，压裂后裂隙产生，压力降低。裂隙注水饱和后压力再次上升，依次出现压力反复上升、下降的过程。对比图 11a、图 11b、图 11c 可知，第 1 次压裂位于终孔位置，压裂前煤体无裂隙，反复升高的压力约为起始压力。第 20 次压裂位于钻孔中部位置，由于前期压裂产生裂隙，反复升高的压力较起始压力小。第 33 次压裂靠近孔口位置，由于前期压裂产生裂隙及由于巷道开挖地应力变小，反复升高的压力进一步减小。因此，在水力压裂整个过程中，水压随着时间周期性波动，同时也体现了煤体被压裂的整个过程。（4）统计放煤产量及回收率 分析矿方产量及回收率数据可知，相较未采取措施时的每米产量，爆破顶煤弱化每米产量增加140吨，a 5#孔第 1 次压裂压力变化曲线 顶板底板回风顺槽运输顺槽224工作面170m5.2m3.9m11m320m2m1.5m抽放孔压裂孔中国科技期刊数据库 工业 A-33-b 5#孔第 20 次压裂压力变化曲线 c 5#孔第 40 次压裂压力变化曲线 图 11 5#孔压裂压力变化曲线 水力压裂顶煤弱化每米产量增加 242 吨。相较未采取措施时的回采率，爆破顶煤弱化回采率增加 10.3%，水力压裂顶煤弱化回采率增加 12.6%。表明采用爆破和水力压裂后有利于顶煤放出，提高煤炭产量和回收率。6 结论（1）由于 224 工作面煤体强度大，同时 2302 工作面已回采并产生卸压作用，224 工作面回采过程中不利于顶煤的预破坏；（2）岩石的法向拉应力大于最大抗拉强度和该方向地应力分力之和时，岩石沿弱面起裂、扩展，随着压裂的继续进而产生次生裂隙，大量裂隙贯通后形成裂隙网，破坏岩石的完整性；（3）制定 224 工作面顶煤弱化方案，并通过裂隙贯通现象分析、钻孔窥视观测分析、高压水压力-时间关系分析、统计放煤产量及回收率分析进行效果评价，结果表明 224 工作面顶煤弱化效果显著。参考文献 1冯彦军,康红普.水力压裂起裂与扩展分析J.岩石力学与工程学报,2013(1).2白俊杰.顶板爆破与水力压裂末采防冲技术效果对比分析J.山东煤炭科技,2021(10).3刘生龙,朱传杰,林柏泉,刘厅.水力割缝空间分布模式对煤层卸压增透的作用规律J.采矿与安全工程学报,2020(5).4李树刚,马瑞峰,许满贵,徐刚.地应力差对煤层水力压裂的影响J.煤矿安全,2015(14).5杨胜利.定向水力压裂弱化坚硬顶板技术应用研究J.山东煤炭科技,2015(4).6陈江湛,曹函,孙平贺,吴晶晶.三轴加载下煤岩脉冲水力压裂扩缝机制研究J.岩土力学,2017(4).