水壓致裂提高塊煤率的機理及應用

摘要：為解決陜北侏羅紀淺埋厚硬煤層綜采能耗大、塊煤率低的問題，在優(yōu)化煤層生產(chǎn)工藝基礎上，采用煤層超前水壓預裂的方法，分析了塊煤制造綜采面比能耗的影響因素，構(gòu)建了通過脈沖水預裂技術來降低比能耗并提高厚硬煤層塊煤率的方法和途徑。通過對厚硬煤層脈沖水預裂破碎機理的研究，揭示了深孔定向脈沖水預裂煤體的破壞規(guī)律，分析了不同厚硬煤層水壓破巖的預裂方法和工藝參數(shù)。研究表明：煤體硬度、煤層節(jié)理裂隙的發(fā)育程度是影響塊煤制造綜采面比能耗的主要因素。通過對陜北淺埋煤層典型大采高綜采面開展水壓預裂的現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)工作面煤壁截割裂隙線密度增加了約2倍，煤機截割能耗降低了36%，工作面的塊煤率提高了25%，煤塵濃度平均降低了35%.同時超前預裂后大采高工作面煤壁片幫減少，試驗驗證了脈沖水預裂技術降低比能耗提高厚硬煤層塊煤率的有效性。關鍵詞：淺埋厚硬煤層；大采高綜采面；定向水壓預裂；塊煤率

中圖分類號：TD 235.371文獻標志碼： A

Abstract：To solve the problems of the large energy consumption and the low lump coal yield of the comprehensive mechanized coal mining（CMCM） for the shallowly buried

hard and thick coal seam in the north of Shaanxi Province in the Jurassic period，the coal seam advancing hydraulic presplitting method is used for analyzing the influential factors of specific energy consumption at the CMCM face of lump coal creating.The method and approach for reducing the specific energy consumption and improving the lump coal rate at the hard and thick coal seam through the pulse water presplitting technique on the basis of optimizing the production process of coal seam have been proposed.The study on the pulse presplitting broken mechanism of the hard and thick coal seam reveals the deephole directional pulse presplitting failure law and analyzes the presplitting method and the process parameters of hydraulic rock fragmentation at different hard and thick coal seams.The study shows that coal hardness，coal seam fissures and joint development degree are the main factors affecting the specific energy consumption at CMCM face of the lump coal mining.Through the field test of hydraulic presplitting at the representative largeheight CMCM face of the shallowly buried coal seam of the Mine 5102 in the north of Shaanxi province，it is found that the cutting fracture linear density at the working face of coal wall increased by about 2 times，the coal cutter energy consumption reduced by 36%，the lump coal rate at the working face increased by 25%，and the coal dust concentration reduced by 35% on average.Meanwhile，

the working face of the large height CMCM coal wall spalling reduced after the advancing hydraulic presplitting.The test verifies the effectiveness of the pulse hydraulic presplitting technology in reducing the specific energy consumption and increasing the lump coal rate of the hard and thick coal seam. Key words：shallowly buried hard and thick coal seam；largeheight comprehensive mechanized coal mining face；directional hydraulic presplitting；rate of lump coal

0引言塊煤作為煤炭產(chǎn)品之一，以其獨特的性質(zhì)，被廣泛應用于工業(yè)固定鍋爐、電廠、機車、船舶、玻璃陶瓷制作、低溫干餾、煤炭氣化及作為原料制造化工產(chǎn)品等方面，具有廣泛的工業(yè)應用市場。然而，塊煤生產(chǎn)受到煤層自身強度、地質(zhì)條件、采煤工藝、轉(zhuǎn)載過程等諸因素的影響，塊煤生產(chǎn)率僅15%左右。基于此，探索和開發(fā)清潔高效的塊煤開采技術，對煤炭資源清潔高效利用具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。國內(nèi)外學者在提高塊煤率方面，開展了相關探討和研究，取得一批行之有效的研究成果。

在上世紀八十年代，伊萬思（Evans，I）[1]根據(jù)最大拉應力理論，提出在截煤的過程中，齒尖在煤巖體上形成錐形的煤粉區(qū)，從而使受壓的煤體內(nèi)部產(chǎn)生更多裂隙，以此來提高塊煤率；1985年英國學者Hurt.K.G.[2]通過改變煤機截割頭的形狀、截割速度和截割深度來提高塊煤率。

J.維普等[3]在波蘭亞尼納煤礦采用滾刀式滾筒提高塊煤率；楊正民等[4]提出了降低滾筒轉(zhuǎn)速、改變滾筒截齒數(shù)量、改變滾筒旋轉(zhuǎn)方向、由雙向割煤改為單向割煤、降低液壓支架支護強度等五個方面來提高塊煤率；白秀英等[5]提出了通過改變采煤機螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)提高塊煤率；劉送永等[6]通過改變采煤機牽引速度以及滾筒轉(zhuǎn)速來提高塊煤率；王新生等[7]通過微差爆破新技術提高了炮采工作面塊煤率；凡春禮等[8]通過現(xiàn)場試驗研究提出適當增加底盤抵抗線塊煤率會有所增加；吳正海等[9]提出了松動預裂微差爆破減少煤體的破碎及無落差平行轉(zhuǎn)載技術和螺旋煤倉緩沖溜煤技術提高塊煤率。國內(nèi)外學者提高塊煤率的相關研究，主要集中在對煤層破碎方式、采煤機結(jié)構(gòu)、割煤方式及轉(zhuǎn)載系統(tǒng)改造等方面，在現(xiàn)場實踐方面積累了大量經(jīng)驗，但系統(tǒng)的塊煤開采理論研究相對較少。筆者在系統(tǒng)研究綜采工作面塊煤增產(chǎn)理論[10]的基礎上，提出一種清潔高效、安全低耗、塊煤率可控的提高塊煤率的技術方法，進一步提出基于定向脈沖水壓致裂技術的塊煤增產(chǎn)方法。通過陜北侏羅紀淺埋煤層某典型煤礦5102和5103綜采工作面進行的超前定向脈沖水預裂的工業(yè)性試驗，驗證了水壓致裂提高大采高綜采工作面塊煤生產(chǎn)率技術的有效性。

1厚硬煤層預裂開采技術

1.1比能耗的影響因素分析目前在厚硬煤層開采中，綜采面大多采用螺旋滾筒截割煤壁的方式采煤，采煤滾筒消耗的功率占總裝機功率的80%～90%[11]。滾筒截割煤壁過程中的效率通常用截割比能耗來衡量，一般定義截割比能耗為截割單位體積煤所消耗的能量。影響截割比能耗的因素主要有截割阻抗、采煤機牽引速度、滾筒的轉(zhuǎn)速。由于煤質(zhì)堅硬，滾筒截割阻抗較大，采煤機割煤時滾筒截割比能耗高；對于一定的滾筒，牽引速度一定，滾筒的轉(zhuǎn)速越大截割比能耗越大；當滾筒轉(zhuǎn)速一定，牽引速度越小，截割比能耗越大。可見，控制煤體中原生裂隙擴展，增加煤體破壞裂隙密度，可以降低煤體強度，改善煤體的可截割性，減小滾筒截割的阻抗，達到降低煤機的截割比能耗的目的。

1.2塊煤增產(chǎn)的機理研究塊煤增產(chǎn)機理，滾筒切削面積是客觀的重要指標。切削面積理論上是假定滾筒旋轉(zhuǎn)一周，截齒通過最大切削厚度所在截面留下的痕跡，其直接影響割煤的塊度大小。切削面積越大，滾筒割落煤體的塊度越大。而影響切削面積的主要因素有采煤機牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速以及滾筒的設計參數(shù)。因此在固定滾筒割煤時，切削面積隨采煤機牽引速度的增大而增大，隨滾筒轉(zhuǎn)速增大而減小。所以煤體硬度和裂隙發(fā)育程度是影響綜采面塊煤產(chǎn)出的重要因素。在一定范圍內(nèi)，增大采煤機牽引速度，減小滾筒轉(zhuǎn)速有利于增大截齒的切削厚度，從而使塊煤產(chǎn)出率增大。因此，為提高綜采面塊煤率，必須采取人工干預手段降低煤體硬度，以增加煤體裂隙的發(fā)育程度，提高硬煤的可截割性。

1.3塊煤增產(chǎn)的水壓致裂模型經(jīng)典水壓裂理論表明，壓裂隙的起裂、擴展總是傾向于垂直最小主應力方向，并在壓裂能量的推動下不斷地延伸發(fā)展。為達到提高綜采面塊煤率的目的，預裂必須控制煤層壓裂隙的方向、長度和密度的分布規(guī)律，使預裂裂隙發(fā)育在頂板、底板控制的煤層內(nèi)。研究表明[12]，當裂隙起裂的方向與鉆孔周邊最小主應力的方向存在夾角時，壓裂裂隙擴展一定距離后將向主應力方向發(fā)生轉(zhuǎn)向，從而使壓裂區(qū)域內(nèi)存在不同方向的裂隙分布。由于受到煤層的地質(zhì)條件、應力環(huán)境以及自身結(jié)構(gòu)等因素的影響，經(jīng)典水力壓裂理論難以保證煤層中壓裂破壞的預期效果。為此，根據(jù)筆者對堅硬煤層水壓致裂軟化機理的大量理論研究和長期的現(xiàn)場工業(yè)試驗分析，提出了水壓致裂塊煤開采力學模型[13-14]，如圖1所示。假設最大、最小主應力分別為σ1，σ2，預裂裂隙長為a.

2原位試驗研究

2.1不同預裂裂隙的起裂、擴展分析通過對厚硬煤層進行現(xiàn)場裂隙觀測和不同預裂裂隙條件下的仿真試驗[16]研究，總結(jié)分析結(jié)果如圖3所示。由圖可知，原生裂隙傾角和預裂裂隙角度對煤層水壓致裂起裂、擴展壓力都有顯著的影響。預裂裂隙與水平主應力角度越大，壓裂裂隙的起裂、擴展的臨界壓力就越小。同時，預裂裂隙的起裂、擴展壓力明顯小于原生裂隙的起裂、擴展壓力，并且預裂不僅降低了裂隙起裂壓力，而且對起裂方向具有一定的引導作用。

2.2水壓裂隙原位擴展試驗為了進一步研究不同煤層預裂裂隙擴展規(guī)律，進行煤層的水壓原位試驗分析，如圖4所示。

壓裂過程中，受到3個主裂隙不同特征的影

響，在壓裂擴展的初期，裂隙沿預裂方向擴展一定

距離后，主裂隙側(cè)向的次裂隙擴張，即三維擴張。

主裂隙在擴展方向上逐漸轉(zhuǎn)向最大主應力方向，因而壓裂過程中壓力升高是一個復雜的過程。因此，受地應力和預裂裂隙條件的影響，在裂隙起裂后，水壓裂隙會形成一條主裂隙，逐次發(fā)生次裂隙擴展。如果主裂隙起裂位置與鉆孔水平夾角成0°，壓裂裂隙的起裂、擴展的臨界壓力就越大，則裂隙在擴展過程中會轉(zhuǎn)向最大主應力的方向。由21節(jié)得出，主裂隙角度越大，裂隙越容易發(fā)生起裂擴展。主裂縫在應力控制下延伸，壓裂液總驅(qū)動壓力增高，壓裂壓力的增加和次生裂隙的不斷開啟延伸，形成了煤層控制性裂隙網(wǎng)絡的分布。在預裂控制范圍，如果次生裂隙停止擴展，則壓裂液會沿著開啟的主裂隙擴展，并再次形成次生裂隙的繼續(xù)擴展演化，在壓裂過程中都伴隨著主裂隙開啟和擴展，形成多級次生裂隙。

2.3煤層預裂破壞現(xiàn)象圖5是在工作面現(xiàn)場進行定向水預裂試驗過程中，觀測到煤壁出現(xiàn)的現(xiàn)象。在預裂過程中，直接還能聽到煤壁破裂的“噼啪”聲音。在工作面觀測點，可以明顯觀測到煤壁壓裂后出現(xiàn)的大量裂隙網(wǎng)絡，煤層裂隙發(fā)育明顯。煤層壓裂前，煤壁鮮有裂隙，光滑平整，截割煤壁齒痕和半月截割槽十分明顯；壓裂之后，煤壁裂隙密度增加，截割煤壁由亮發(fā)暗。采煤機截割過程中煤壁位置出現(xiàn)超前滾筒0.4 m的擠壓破碎區(qū)，同時截割槽凹凸不平，沒有出現(xiàn)“半月槽”，截割后煤壁齒痕印跡不明顯，截割阻力下降，割煤速度顯著提高。

3工程實例

3.1工作面概況以陜北侏羅紀5-2煤層為試驗對象，以5102綜采工作面為試驗區(qū)。試驗工作面煤層采高平均為6.9 m，煤層容重為131 t/m3，煤層傾角0°～1°，地質(zhì)構(gòu)造簡單。煤的視密度綜合平均值131 g/cm3，真密度140 g/cm3左右，煤的硬度f=2.6～3.5，孔隙率12.7%.該煤層全區(qū)可采，厚度變化緩慢且規(guī)律明顯，結(jié)構(gòu)簡單，煤類單一，屬穩(wěn)定型煤層。

3.2預裂方案預裂采用雙排鉆孔布置，在工作面順槽沿平行于工作面方向布置雙排鉆孔，呈35°三角型排列，底排鉆孔與底板間距12 m，頂排鉆孔與頂板間距12 m，頂排鉆孔間距為10 m，底排鉆孔間距為10 m，頂排鉆孔與底排鉆孔錯距投影距離為5 m.如圖6所示。

3.3實施效果5102試驗綜采工作面經(jīng)測定，初始塊煤率為33.6%.

3.3.1脈沖水壓分布由圖7（a）可知，在實施水預裂階段時，預裂的壓力在60 MPa左右，達到設計的壓力；圖7（b）可以了解到，在進行水力壓裂階段時，壓裂壓力在20 MPa左右，符合設計要求。

經(jīng)現(xiàn)場測量，預裂前后工作面煤壁的裂隙線密度分布如圖8（a）（b）所示。由圖分析可知，預裂前工作面煤壁的裂隙分布不均，主要集中在工作面（100～200 m）區(qū)域內(nèi)，且裂隙線密度較大，但在（0～100 m）區(qū)域內(nèi)裂隙很少；預裂后工作面煤壁的裂隙分布發(fā)生變化，在（0～100 m）區(qū)域內(nèi)，裂隙線密度增加明顯，在（100～200 m）區(qū)域內(nèi)，裂隙線密度反而降低，經(jīng)計算預裂前后工作面煤壁裂隙線密度增加約2倍。研究表明，實施水壓致裂技術使煤體內(nèi)原生和次生裂隙擴展，煤體節(jié)理、裂隙貫通網(wǎng)絡，改變了厚硬煤層裂隙密度的發(fā)育程度，降低了堅硬煤體的強度，從而減小了滾筒的截割阻抗，降低了煤層的截割比能耗，導致工作面截割工藝參數(shù)發(fā)生變化。

表2分析可知，預裂前綜采面的塊煤率為336%，預裂后綜采面的塊煤率為5934%，平均增加了2574%.可見，水壓預裂提高塊煤率技術有利于綜采面煤層的塊煤增產(chǎn)且效果顯著。

表3分析可知：粒徑D>100 mm的塊煤量預裂后降低了548%；粒徑100>D>80 mm的塊煤量，預裂后提高了1002%；粒徑80>D>30 mm的塊煤量，預裂后提高了1218%；粒徑30>D>13 mm的塊煤量，預裂后提高了902%；粒徑D<13 mm的煤量，預裂后降低了2574%.由此可知，實施水壓預裂后綜采面塊煤率明顯提高，主要是粒徑為13～100 mm的塊煤得到了大幅度提高，而由于片幫減少，導致片幫形成的大塊減少；同時粒徑較小的粉煤生產(chǎn)量較預裂前也降低了。

4結(jié)論

1）研究厚硬煤層綜采面比能耗的影響因素表明，控制煤體中原生裂隙的擴展，增加煤體破壞裂隙密度，降低強度，改善煤體的可截割性，減小滾筒截割的阻抗，降低截割比能耗，已經(jīng)成為提高塊煤率的關鍵；

2）在一定范圍內(nèi)使塊煤的產(chǎn)出率增大，必須采取人工干預手段降低煤體硬度，以增加煤體裂隙的發(fā)育程度，提高硬煤的可截割性。通過脈沖水預裂技術構(gòu)建了降低比能耗并提高厚硬煤層塊煤率的方法和途徑；

3）通過原位試驗，給出了不同預裂裂隙角度對水壓裂隙起裂、擴展的影響；分析了不同主裂隙特征對壓裂過程裂隙擴展的影響作用；給出了預裂控制范圍內(nèi)主裂隙和次裂隙開啟和擴展，形成多級裂隙網(wǎng)絡的控制方法；

4）通過典型煤層綜采工作面工業(yè)試驗表明，預裂煤層煤壁裂隙密度增加約2倍，截割比能耗降低了36%，塊煤率提高了25%，截割煤塵濃度降低了35%.同時，水壓裂化后硬煤層的截割煤粒塊度能夠得到優(yōu)選控制，該技術大幅度地減少了工作面原始情況下的片幫大塊和截割粉煤的比重，清潔高效生產(chǎn)效果明顯。

參考文獻References

[1]

Evans I.Lateral spacing of pointattack picks[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1985，22（2）：A64.

[2]Hurt K G，MacAndrew K M.Cutting efficiency and life of rockcutting picks[J].Mining Science and Technology，1985，2（2）：139-151.

[3]J.維普，S.瑪?shù)賮啠绥R海. 波蘭亞尼納煤礦用滾刀式滾筒提高塊煤率[J].煤礦機電，1991（1）：51-55.Vip J，Madea S. The Poland’s coal mine uses hob type roller to increase lump coal rate[J].Colliery Mechanical and Electrical Technology，1991（1）：51-55.

[4]

楊正民，王春艷.提高煤炭開采塊煤率的技術措施[J].煤炭技術，2016（4）：17-18.

YANG Zhengmin，WANG Chunyan.Technology measures of increasing lump coal rate of coal mining[J].Coal Technology，2016（4）：17-18.[5]白秀英，李春英.螺旋滾筒采煤機提高塊煤率探討[J].煤礦機械，2008，29（4）：160-161.BAI Xiuying，LI Chunying.Spiral roller coal mining machine enhances lump coal rate to explore shallowly[J].Coal Mine Machinery，2008，29（4）：160-161.[6]劉送永，杜長龍，崔新霞.采煤機滾筒截齒排列的試驗研究[J].中南大學學報：自然科學版，2009（5）：1 281-1 287.

LIU Songyong，DU Changlong，CUI Xinxia.Experimental research on picks arrangement of shearer drum[J].Journal of Central South University：Science and Technology

，2009（5）：1 281-1 287.

[7]王新生，戎濤，遲明杰.微差爆破提高炮采工作面塊煤率的技術[J].煤炭科學技術，2003，31（8）：19-21.

WANG Xinsheng，RONG Tao，CHI Mingjie.Millisecond blasting technology applied to improve lump coal rate of coal blasting mining face[J].Coal Science and Technology，2003，31（8）：19-21.[8]凡春禮，欒龍發(fā)，王成龍.提高小龍?zhí)堵短烀旱V塊煤率的爆破試驗研究[J].爆破，2011，28（2）：53-56.

FAN Chunli，LUAN Longfa，WANG Chenglong.Blast tests research on enhancing lump coal rate of open coal mine in Xiaolong pond[J] Blasting，2011，28（2）：53-56.[9]吳正海，張燦彪，李新杰，等.提高炮采塊煤率技術體系研究與應用[J].煤炭科學技術，2012，40（3）：32-36.

WU Zhenghai，ZHANG Canbiao，LI Xinjie，et al.Study and application of technical system to improve lump coal rate from drilling and blasting mining[J].Coal Science and Technology，2012，40（3）：32-36.[10]鄧廣哲.陜北侏羅紀煤田2號煤層提高塊煤率技術開發(fā)研究[R].西安：西安科技大學，2014.

DENG Guangzhe.Technology development research to improve the lump coal rate of No.2 coal seam at the north of Shaanxi Province in the Jurassic period[R].Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2014.[11]劉送永，杜長龍，崔新霞.采煤機滾筒運動參數(shù)的分析研究[J].煤炭科學技術，2008，36（8）：62-64.

LIU Songyong，DU Changlong，CUI Xinxia.Analysis and research on cutting drum movement parameters of coal drum shearer[J].Coal Science and Technology，2008，36（8）：62-64.[12]杜春志，茅獻彪，卜萬奎.水力壓裂時煤層裂隙的擴展分析[J].采礦與安全工程學報，2008，25（2）：231-238.

DU Chunzhi，MAO Xianbiao，Bu Wankui.Analysis fracture propagation in coal seams during hydraulic fracturing[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2008，25（2）：231-238.[13]鄧廣哲，王有熙.煤層定向水壓致裂機理研究[J].西安科技大學學報，2014，34（6）：664-669.

DENG Guangzhe，Wang Youxi.Mechanism of directional hydraulic fracturing in coal seam[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34（6）：664-669.[14]鄧廣哲，黃炳香，王廣地.圓孔孔壁裂隙水壓擴張的壓力參數(shù)理論分析[J].西安科技學院學報，2003，23（4）：361-364.

DENG Guangzhe，HUANG Bingxiang，Wang Guangdi.Theoretical analysis of crack expanding under pore hydraulic pressure[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2003，23（4）：361-364.[15]張國華，魏光平，侯風才.穿層鉆孔起裂注水壓力與起裂位置理論[J].煤炭學報，2007，32（1）：52-55.

ZHANG Guohua，WEI Guangping，HOU Fengcai.Theory of start split affusion stress and start split location about through coal delaminaions’ bore of hydraulic fracture[J].Journal of China Coal Society，2007，32（1）：52-55.[16]鄧廣哲，王世斌，黃炳香.煤巖水壓裂隙擴展行為特性研究[J].巖石力學與工程學報，2004，20：3 489-3 493.

DENG Guangzhe，WANG Shibin，HUANG Bingxiang.Research on behavior character of crack development induced by hydraulic fracturing in coalrock mass[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，20：3 489-3 493.