水壓致裂軟化方案的工程應用

張書卿

(山西忻州神達能源集團有限公司，山西　忻州　034000)

水壓致裂軟化方案的工程應用

張書卿

(山西忻州神達能源集團有限公司，山西忻州034000)

摘要以新疆屯寶煤礦1193綜放工作面為研究對象，針對該工作面的實際情況，制定了水壓致裂軟化方案，采用煤層注水軟化技術，對該工作面復雜煤層進行注水軟化。通過實施頂煤超前預注水弱化技術，優化了注水工藝和參數，并計算獲得了堅硬煤層進行注水弱化的相關參數?，F場實施效果表明，注水后，煤層達到的壓力值明顯減小，有效減弱了煤層的沖擊傾向性，同時降低了成本，減少了設備故障發生次數，提高了綜放開采安全生產能力，經濟效益明顯。

關鍵詞綜放工作面；煤層注水；軟化

1概況

新疆屯寶煤礦位于我國的西部地區，特殊的地理環境、氣候及土質等造就了其煤體與其他地方煤體的不同。該地區的煤體煤層多為復合型，大約有4個，并且傾斜角為10°～20°，測量煤層的厚度在M4-5、M9-10煤層之間，寬約0.6 km，長約2.2 km，面積約1.32 km2.當中標號是M9的煤層厚約4.08 m，標號是M10煤層厚約3.9 m.M4-5煤層的平均厚度在5.5 m左右， M9與M10存在約1.1 m的夾矸。

屯寶煤礦1193工作面在綜放開采過程中遇到以下情況：

1) 復合煤層結構較為復雜。2) 頂板為厚砂巖，位于1154工作面采空區的下方，頂板礦壓顯現規律尚不清楚。3) 工作面的上部M4-5煤層采空區及煤柱使M9-10煤層中的卸壓區和應力集中區共同存在，頂煤和基本頂破壞壓力異常。

為解決1193工作面存在的問題，改進緩傾斜復雜煤層頂煤弱化的采煤新技術和工藝，采用煤層注水軟化技術，對1193綜放工作面復雜煤層注水軟化，控制復雜難采煤層的頂板破壞演化過程，改善煤層的結構和減弱應力集中現象[1].

2試驗工作面的基本情況

1193工作面的組成顆粒相對比較粗大，組成砂巖以粗或者中粗類型為主，造成煤層偽頂和直接頂之間的差距約11.14 m.同時，粗砂巖和中粗砂巖彼此間存在疊加或錯落。巖石的底板沒有偽底板，而直接底的成分是泥質砂巖，其硬度比較中等，層理具有顯著的裂隙節理不發育的特點[2].

與此不同的是，M4-5煤層主要由細砂巖等顆粒較小的巖石構成，其抗拉強度為3.15 MPa，干燥強度約為84.3 MPa.若置于飽和狀況之下，其強度將產生變化，通常變化處于1.29～31.3 MPa，并且可以使煤層變得較為柔軟。通過研究計算，其軟化程度的平均值為0.29.

M9-10煤層頂板具有不一樣的地貌特征，較為平行，并且主要以粉砂巖為主，顏色以褐色為主，致密而且堅硬，如果處于一種較為飽和的狀態，其能夠承受的壓力為1.29～20.6 MPa，能夠被軟化程度的平均值為0.25，干燥強度在51.24～82.7 MPa，抗拉強度在3.3～5 MPa，單項的抗剪強度處于5.48～7 MPa.該煤層底板的粉砂巖成分表現為黑色，并且在飽和狀態下的壓力承受能力為31.3 MPa，其軟化程度的平均值為0.38.

1193綜采工作面采用煤層的底板設計巷道，確定長度為1 284 m，高度為65 m，并且以1∶2的采放比處理煤層的頂板。

1193綜采工作面過道長1 284 m，寬198 m,高65 m,這種比例是科學合理的。

3水壓致裂軟化方案

3.1　工程的施工方案

1) 注水平臺的布置。

圖1　1192綜采工作面沿煤層傾向注水孔布置立面圖

沿煤層傾向施工1個注水平臺，注水平臺施工于M9-10煤層夾矸的頂部，注水平臺內注水硐室布置鉆場。1193綜采工作面沿煤層傾向注水孔布置立面圖見圖1. 2) 按煤層的走向來安排鉆孔的位置。

a) 鉆孔數量：沿煤層走向于注水平臺相對布置2組鉆孔，每組11個鉆孔，共計22個。

b) 鉆孔長度：150 m.

c) 封孔長度：10 m.

d) 鉆孔直徑：113 mm.

e) 封孔方式：運用BQF-100封孔器完成。

3.2　單個注水孔的注水量和時間的計算

根據注水量的計算公式：

(1)

式中：

h—注水孔的半徑，m，取12.5；

L—鉆孔長度，m，取150，按照有效長度140 m計算；

λ—煤體密度，t/m3,取1.3；

δ—含水率，即1 t煤所需要注水的體積,t/m3，取0.01.

Q—單孔注水量，m3；

K—注水系數，取1.1.

對于注水泵的選擇需要考慮多方面的因素，其中最主要的因素為煤體的滲透性以及注水泵鉆孔的長度。不同的注水泵，注水時間是不一樣的，并且是確定的[3].所以,選定了注水泵，即可以確定時間t：

(2)

其中，將注水泵的注水量表示為q，由于有些型號的注水泵注水速度較慢，在較大程度上阻礙了注水的速度，所以在這種情況下一般會考慮使用兩臺以上的注水泵共同工作。

屯寶煤礦所選定的注水泵的注水量為80 L/min.通過上述的公式可以得出如果給M9-10煤層注水，最少需要的時間為15天。

3.3　注水壓力的確定

在判定滲透系數的過程中，有必要使用T=aexp(-bθ+cP)[4].在此公式中，為了試驗的準確性，開采深度是一樣的，將T確定為不變的量，可以將公式進行簡化：

(3)

則一維的滲流方程是：

(4)

通常，使用注水泵通過動壓對煤層進行注水，也就是說，注水過程中的水流量是設定好的，通過數學公式來表達，即：

(5)

解答為：

(6)

式中：

P—注水壓力，MPa；

γw—水的比重，kg/cm3，取0.001；

c—導水系數根據水壓上升的指數系數，MPa-1；

q1—單位注水孔的長度、單位時間以及單位煤層之厚度的一半注水量，cm/h；

P2—注水區域邊界的壓力，MPa；

K—重復浸濕系數，取1.2；

a—導水系數初值，cm/h；

L—注水滲透半徑，cm.

帶入M9-10煤層參數可得：M9-10煤層注水壓力為10 MPa.

4現場實施效果

1) 現場試驗的觀測情況。

煤層經過注水弱化的過程后，煤體堅硬的性質被改變，位于架前工作面的煤壁質地變得較為松弛和柔軟，降低了應力匯集的發生，預防了沖擊地壓現象的出現[5].

2) 現場的數據分析。

a) 對比M9以及M10煤層在注水前后的含水率狀況。M10煤層的前后對比為3.5%和7.8%，增幅為4%；M9煤層的前后對比為4.1%和6.4%，增幅為2%.b) 注水的濕潤半徑。通過對注水過程中淋水狀況和弱化作用的觀察和檢測，在注水孔末尾16.5 m(±1.5 m)的地方能夠實現弱化。M9-10煤層注水半徑應在8～12 m.

3) 工作面注水效果分析。

a) 距離煤壁前方約10 m，注水前的壓力約為147.5 MPa，而注水后的壓力降至55.85 MPa.可見，注水后，煤層達到的壓力值明顯減小，減弱了煤層的沖擊傾向性。b) 成本降低，設備的故障發生次數減少，經濟效益顯著。c) 提高了綜放開采安全生產能力，減少了爆破使用量，避免了安全風險。

5結論

1) 通過實施頂煤超前預注水弱化技術，優化了注水工藝和參數，通過計算獲得了堅硬煤層進行注水弱化的相關參數。以新疆屯寶煤礦1193工作面為試驗背景，得出：以10 m為濕潤半徑進行煤層注水，單個注水孔的水量在240 m3左右，注水處超前工作面20～35 m，而停止處超前8～15 m，注水時長約為2周，采用的壓力在10 MPa左右。

2) 距離煤壁前方10 m，注水前的壓力約是147.5 MPa，注水后的壓力降至55.85 MPa，由此可知，注水后煤層達到的壓力值明顯減小，有效減弱了煤層的沖擊傾向性。

參考文獻

[1]李建勝.綜放開采預注水處理頂煤的注水參數確定方法研究[J].煤炭工程，2004(1)：17-18.

[2]康天合，張建平，白世偉.綜放開采預注水弱化頂煤的理論研究及其工程應用[J].巖石力學與工程學報,2004(15)：23-24.

[3]陳海波，孟憲銳.含厚夾矸煤層的綜放開采[J].黑龍江科技學院學報，2004(5)：38-39.

[4]石俊生，周游，康懷宇.趙各莊礦3137工作面煤層注水實用技術研究[J].華北科技學院學報,2012(2)：33-35.

[5]陳德虎，陳軍偉，康懷宇.新陽礦綜放工作面煤層注水技術應用[J].華北科技學院學報,2011(3)：29-30.

Engineering Application of Hydrofracturing Softening Scheme

ZHANG Shuqing

AbstractTakes 1193 fully-mechanized caving face of Tunbao coal mine in Xinjiang as the research object, according to the practical situation of the working face, the hydrofracturing softening scheme is formulated. Coal seam water injection softening technology is adopted to soften the working face complicated seam. By implementing top coal advanced water injection softening technology optimizes water injection process and parameters. By calculation obtains the water injection softening related parameters of hard coal seam. Field implementation effects show that after water injection pressure value of coal seam reduces obviously, effectively reduces the rock burst tendentiousness of coal seam, decreases the cost, reduces the equipment failure frequency, improves the safety production capacity of full-mechanized caving mining. The economic benefits are obvious.

Key wordsFully-mechanized caving face; Coal seam water injection; Softening

中圖分類號：TD823.4+9

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)12-0036-03