綜采工作面厚硬夾矸水刀脈沖壓裂技術研究

張慧峰

(陜西小保當礦業有限公司，陜西省榆林市，719302)

地下煤層復雜的成煤條件常常導致煤層間存在夾矸層，且一般較煤層堅硬、厚度變化大。而夾矸巖層的存在是影響綜采工作面安全高效開采的重點難題。趙麗娟[1-2]采用離散元數值模擬方法研究了含夾矸煤層條件下螺旋滾筒的磨損特性，分析了滾筒組件與夾矸層接觸時的不同磨損程度；馮宇峰[3]建立了夾矸破斷均布載荷薄板力學模型，采用深孔預裂爆破、雙輪間隔放煤等措施，解決了含硬夾矸特厚煤層綜放開采頂煤冒放性差、采出率低的問題；楊繼強[4]對不同夾矸厚度條件下沿空煤巷復合頂板應力分布和位移變化進行了研究，提出了維護巷道穩定性的合理支護方案；張俊文[5]研究了含有不同硬度夾矸情況下的頂煤損傷力學特性，提出降壓可提高頂煤的冒放性和采出率；高曉進[6]基于彈性力學理論研究了硬厚夾矸層的力學結構，采用架間定向水力壓裂致裂夾矸層，改善了含厚硬夾矸難冒頂煤的冒放性；王建利[7]通過分析夾矸厚度和位置對巷道圍巖穩定性的影響，得到夾矸層厚度存在臨界值，在此基礎上提出了合理的圍巖控制技術和支護參數，確保了工作面的安全高效生產；周濤[8]分析了夾矸層對工作面支承壓力的影響，得到了含矸煤層的支承壓力分布規律；劉南南[9]基于EDEM軟件建立了巖層夾矸模型，分析了硬巖掘進機在夾矸煤層掘進過程中刀盤的受力情況，為硬巖掘進機刀盤設計和改進提供了依據。

綜上所述，雖然以上學者對夾矸圍巖力學特性及采煤機截割夾矸過程進行了眾多研究，但對于綜采工作面夾矸壓裂弱化研究還較少。小保當一號井112201工作面夾矸層厚度0.6～2.0 m，夾矸巖層厚度大、硬度高，嚴重影響工作面高效回采。筆者以112201工作面為背景，采用理論分析、數值模擬和現場試驗的方法，研究了煤層夾矸壓裂軟化機理，確定了工作面夾矸預裂壓裂液類型及參數，為類似工作面厚硬夾矸層的壓裂軟化設計提供了參考依據。

1 礦井概況

圖1 112201工作面夾矸分布平面圖

2 煤層夾矸壓裂軟化機理研究

煤層夾矸壓裂軟化機理是利用高壓水刀預裂切割夾矸形成定向裂縫，如圖2所示，擴大壓裂裂隙作用范圍，而后進行高壓脈動水力壓裂促進預裂裂隙周圍次生裂隙起裂擴展，從而形成裂隙網絡，達到弱化夾矸力學特性的目的。夾矸預裂之后，夾矸力學參數弱化，最后輔助于采動產生的礦山壓力二次破碎夾矸，從而達到在采煤機截割時夾矸完全破碎從而降低采煤機截割能耗的目的，煤層夾矸致裂裂隙演化規律如圖3所示。

圖2 高壓水刀預裂破碎原理及裝備

對夾矸進行高壓壓裂，水壓裂隙以開型橢圓形裂隙擴展，根據斷裂力學研究，夾矸中裂隙擴展臨界條件為[10]：

(1)

式中：K——壓裂裂縫尖端應力強度因子，MPa·m1/2；

p——裂縫尖端高壓水壓力，MPa；

σ3——煤層最小主應力，MPa；

h——壓裂孔距離夾矸層位距離，m；

K1c——夾矸斷裂強度因子，MPa·m1/2。

裂縫在夾矸中擴展的臨界水壓p0為：

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(2)

式中：K2c——煤層斷裂強度因子，MPa·m1/2。

圖3 夾矸壓裂裂隙演化規率

3 煤層夾矸壓裂軟化參數研究

3.1 夾矸煤巖力學性質試驗

對現場所取夾矸巖樣分別在蒸餾水、5%含油乳化液及0.15% CO2酸性溶液中浸泡2 h，進行對比試驗分析不同壓裂液對夾矸巖層的軟化作用。夾矸浸泡力學試驗如圖4所示。

圖4 夾矸浸泡力學試驗

夾矸巖樣在蒸餾水、5%含油乳化液及0.15% CO2酸性溶液中浸泡2 h后的吸水率分別為2.97%、2.57%和1.93%；軟化系數分別為0.69、0.72和0.32。其中0.15% CO2酸性溶液浸泡夾矸巖樣吸水率最低，主要原因為夾矸巖石表面裂隙較發育部分充填礦物與酸性溶液發生化學反應，造成松散碎石表層脫落，所以造成吸水率低的假象。因此綜合對比分析可得3種壓裂液對夾矸巖層的弱化順序為：0.15% CO2酸性溶液>蒸餾水>5%含油乳化液。夾矸軟化作用效果分析如圖5所示。

圖5 夾矸軟化作用效果分析

3.2 壓裂參數數值模擬

采用FLAC5.0數值模擬軟件流固耦合分析模塊中的CONFIG fluid滲流模式，對壓裂鉆孔周圍施加高壓孔隙水壓力，模擬高滲透壓作用下的圍巖塑性區擴展特征，分析不同壓裂參數下夾矸壓裂效果。根據工作面地質條件，建立數值計算模型，對厚度0.6 m≤H<2.0 m區間的硬厚夾矸巖層布置雙排“三角”平行剪切孔進行高壓水壓致裂破碎夾矸。模擬不同孔徑、水壓對構造帶夾矸巖層致裂破碎規律，分析如下：

注水壓力15 MPa，單孔間距7 m，模擬鉆孔半徑40、45、50 mm時塑性區分布范圍，如圖6所示。注水壓力穩定后，鉆孔半徑40 mm和50 mm的塑性區半徑分別為2 m和2.5 m，塑性區變化范圍較小，孔與孔之間無塑性區重疊區域，當把孔徑增加到50 mm后，塑性區半徑達到3.8 m，塑性區重疊，說明增加鉆孔半徑能夠顯著改善壓裂影響范圍。但是壓裂裂隙與鉆孔過早連通，將使夾矸層位產生卸壓，不利于夾矸層位裂隙網絡形成，因此建議采用半徑45 mm的壓裂鉆孔進行壓裂。

鉆孔直徑90 mm，單孔間距7 m，模擬注水壓力為10、20、30 MPa時，塑性區分布范圍分別為0.8、2.2和4 m，如圖7所示。塑性區范圍隨著水壓的提高而變大，增加水壓有利于促進裂隙起裂擴展，但是壓力過大容易使鉆孔之間裂隙貫通，形成粗大導水通道，煤層夾矸層位難以有效形成裂隙網絡結構，夾矸弱化效果較差。因此建議采用20 MPa水壓，增加壓力緩慢壓裂，形成毛細裂隙，充分破碎軟化巖石。

通過物理力學試驗研究及數值模擬，結合現場地質調查和形成過程的分析，認為采用高壓力、大流量注水及0.15% CO2酸性溶液軟化比較適合致裂破碎軟化硬厚夾矸巖層。因此根據相似情況的工程實踐經驗，建議采用鉆孔半徑45 mm，鉆孔間距7 m，壓裂壓力20 MPa進行高壓壓裂。

圖6 不同壓裂孔徑數值模擬

圖7 不同壓裂水壓數值模擬

4 現場試驗

根據112201綜采工作面夾矸分布范圍，采用水平長鉆孔順層預裂壓裂綜合破碎法，鉆孔布置平面圖如圖8所示。通過雙排“三角”平行剪切布孔方式分階段進行夾矸預裂破碎。第1階段高壓壓裂預裂法(HPF法)，采用鉆孔水射流分段定向切割夾矸，破壞夾矸完整性；第2階段低壓軟化法(DPF)，高壓水致裂形成夾矸層內裂縫網絡，酸化破碎堅硬夾矸整體性。

圖8 煤層夾矸預裂鉆孔布置平面圖

預裂鉆孔夾矸起裂壓力為26～29 MPa，壓裂壓力20 MPa左右。單孔壓裂時間為120 min，泵組能力108 L/min，用水量為13 m3，鉆孔用水量為2 m3，可知11 m3水量可有效滿足壓裂裂隙擴展和硬厚夾矸巖層的低壓軟化。

工作面夾矸壓裂軟化之后，夾矸層裂隙發育，在采煤機截齒擾動作用下，夾矸巖層成片狀剝離破壞，如圖9所示。夾矸層預裂軟化之后，采煤機運行速度提高35%，噸煤截齒消耗量降低40%，噸煤油脂消耗降低27%，工作面粉塵濃度降低12%，實現了工作面的安全清潔高效開采。

圖9 現場壓裂效果壓裂效果

5 結論

(1)通過對工作面煤層夾矸壓裂軟化機理的研究表明，工作面夾矸層經高壓水刀預裂+高壓脈動壓裂+采動礦山壓力，可實現夾矸層裂隙起裂擴展發育，并形成裂隙網絡有效弱化夾矸巖層強度。

(2)通過物理力學實驗及數值模擬研究表明，蒸餾水及0.15%CO2酸性溶液可有效弱化夾矸強度，增大夾矸巖層吸水率。現場設計壓裂鉆孔半徑45 mm，鉆孔間距7 m，壓裂壓力20 MPa進行高壓壓裂，可實現夾矸層的有效弱化。

(3)工作面夾矸層預裂之后，夾矸層成片狀剝離破壞，強度降低。預裂之后采煤機運行速度提高35%，噸煤截齒消耗量降低40%，噸煤油脂消耗降低27%，工作面粉塵濃度降低12%，實現了工作面的安全清潔高效開采。