堅硬頂煤水力致裂控制技術在崔家溝煤礦的應用

李林貓，陳樹亮，黃炳香，邵魯英

(1.陜西省崔家溝煤礦，陜西 銅川 727100；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

我國煤炭資源已探明儲量約1.341萬億t，可供建井基礎儲量達2 795.8億t，厚煤層儲量占44%，每年地下開采的厚煤層煤炭產量占煤炭總產量的45%以上。堅硬頂煤難垮落一直以來是厚煤層放頂煤開采的技術難題，嚴重影響厚煤層的回采率。

目前，處理堅硬頂煤最為常用的技術為炸藥爆破預裂頂煤，但是存在以下問題：傳統的爆破頂煤弱化安全管理復雜，涉及到炸藥、雷管的管理運輸，放炮要嚴格執行“一炮三檢制”和“三人連鎖放炮制”；存在安全隱患，實踐表明，大規模爆破瞬時產生的大量CO等有害氣體給礦井通風安全管理造成巨大影響；對于高瓦斯礦井，爆破頂煤弱化由于存在爆破火花誘導瓦斯爆炸的隱患而不宜采用；爆破經濟成本高，破碎頂煤所施工的炮眼一般間距較小，所以需要大量的火藥和雷管等火工品。

堅硬頂煤水力致裂技術可有效弱化頂煤，減小頂煤破碎塊度，從而改善頂煤冒放性，提高采放比和回采率。炸藥爆破頂煤弱化與水力致裂弱化頂煤相比具有局限性，存在很大的安全隱患。本文根據堅硬頂煤水力致裂技術控制原理，在陜西省崔家溝煤礦二水平三盤區2303綜放工作面架間進行堅硬頂煤水力致裂試驗，以解決其堅硬頂煤難冒落導致的頂煤放出效果不好，放煤高度低和回采率低等問題。

1 試驗綜放工作面條件

1.1 地質條件

2303綜放工作面為崔家溝煤礦二水平三盤區第二個工作面，南部至西翼三條集中巷保安煤柱，北部至井田邊界，西部為2301工作面采空區，東部為未采區。煤層平均厚度13.4 m，煤層傾角0°～12°，平均6°，容重1.44。根據附近鉆孔資料綜合分析，煤層夾矸1～4層，巖性多為泥巖，厚度0.2～0.3 m。2303工作面綜合鉆孔柱狀圖見圖1。

圖1 42#煤層2303工作面鉆孔綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive borehole histogram of 2303 working face in 42# coal seam

1.2 生產技術條件

2303綜放工作面設計走向長度平均1 750 m，可采長度1 680 m(包含30 m煤柱)，傾向長度195 m。 工作面沿走向布置，西翼布置三條集中大巷，即西翼膠帶運輸大巷、西翼軌道運輸大巷、西翼回風大巷。西翼膠帶運輸大巷運送煤炭兼進風，西翼軌道運輸大巷運送材料兼進風，西翼回風大巷回風，三條集中大巷間距40 m煤柱，外側留80 m煤柱，各大巷通過石門與行人進風斜井聯通。本工作面布置兩條順槽：2303運順運煤兼進風、運料，2303工作面回順回風兼運料、抽放瓦斯。兩順槽均為矩形斷面，錨桿加錨索錨網支護。

本工作面采用走向長壁綜合機械化放頂煤方法開采，全部垮落法管理頂板。 采高2.8 m，截深0.6 m。放煤步距1.2 m，即兩采一放。

2 水力致裂試驗方案

2.1 控制思路

堅硬頂煤水力致裂弱化控制原理包括兩個方面：一是通過水壓裂縫的擴展弱化頂煤的整體力學特性；二是通過改變頂煤的滲透性能，使頂煤充分吸水濕潤，進一步軟化頂煤。通過這兩方面的作用，可以改善頂煤的冒放性，提高放煤高度和回采率[1-3]。

2.2 水力致裂鉆孔的布置

根據堅硬頂煤水力致裂控制原理，確定堅硬頂煤水力致裂控制的鉆孔布置方案。沿與水平夾角70°斜向煤壁前方施工直徑為32 mm的鉆孔，鉆孔深度10 m，間距為6 m(間隔4個液壓支架)(圖2)。

圖2 水力致裂鉆孔剖面圖Fig.2 Hydraulic fracturing borehole section

2.3 水力致裂設備與系統布置

本次試驗采用煤礦井下水力致裂專用高壓泵，額定流量120 L/min，額定壓力70 MPa。采用橡膠水力致裂專用封孔器進行封孔[4]。根據鉆孔深度采用不同節數的高壓密封安裝桿(自行研制)與封孔器連接，實現深孔封孔。安裝桿與高壓膠管通過轉換接頭連接。

在進風巷超前工作面300 m處布置致裂泵站、監測系統、控制系統以及人員的作業空間。控制系統與監測系統靠近水箱，位于致裂泵站外側。

2.4 安全性分析

在工作面液壓支架下進行水力致裂產生水壓裂縫后，工作面頂煤整體上處于一個斷續狀態。且受液壓支架支護作用，水力致裂后頂煤仍有一定的自穩能力。在致裂期間加強工作面支護管理，保證泵站的初始壓力符合規定。

3 實驗過程

3.1 水力致裂實驗流程

安裝封孔器和安裝桿，并連接好所有設備；將致裂鉆孔區域(致裂孔周圍20 m)到泵站之間的高壓區域設為警戒區域；開啟高壓泵向鉆孔內注入高壓水；觀測周邊鉆孔、頂煤和煤壁是否出水或達到致裂時間(根據現場實際情況確定并調整)及時停泵。

3.2 施工水壓力曲線

致裂過程中通過水力致裂測控儀實時監測管路內的壓力變化，典型的施工水壓力曲線見圖3。 從圖3中可以看出，水壓力整體分為五個階段。

圖3 施工水壓力曲線Fig.3 Construction water pressure curve

1) 管路、鉆孔及縫隙充水階段：水力致裂泵距致裂地點100 m左右，所需的高壓膠管較短，開泵一段時間后管路、鉆孔及縫隙充水完成，此階段所用時間約為10 s。

2) 系統增壓階段：當管路，鉆孔及縫隙充滿水后，由于水力致裂泵持續供水，鉆孔內水壓力迅速升高至峰值，此階段所用時間約為10 s。

3) 堅硬完整頂煤起裂擴展階段：起裂后由于瞬間形成裂縫空間，水壓力出現急速下降，隨著供水的持續，水壓力出現反彈，新裂隙產生，舊的裂隙擴展；水壓力曲線的總體趨勢為前期波動較大，后期趨于平穩，這是因為前期水壓主裂縫擴展，裂縫瞬間擴容量大，能夠產生明顯的壓力降低，所以水壓力曲線波動較大，后期主要是翼型分支裂紋擴展，裂縫擴展相對均勻緩慢，裂縫網絡系統形成的空腔擴容速度與高壓泵的泵注速度達到動態平衡，所以水壓力曲線相對平緩，此階段所用時間約為860 s。

4) 系統泄壓階段：水力致裂孔周邊大面積淋水，推斷出頂煤中裂隙已經停止擴展，此時關泵停止致裂，此階段所用時間約為10 s。

5) 系統卸壓完成階段：高壓泵壓力控制閥打到零位，確保管路壓力完全卸除。

4 效果觀測及分析

4.1 水壓裂縫擴展范圍

額定流量120 L/min水力致裂泵啟動20 min后，水力致裂孔附近煤壁出現明顯的滲水，頂煤出現明顯的淋水(圖4)。 滲水和淋水范圍為孔口附近4 m，可以確定水力致裂半徑為4 m，表明水力致裂鉆孔間距6 m是合理的。

圖4 水力致裂孔周邊淋水Fig.4 Water is sprayed around the hole of hydraulic force

4.2 頂煤冒落塊度

4.2.1 測量工具及測量方法

測量工具：取兩根長為1.5 m的PVC管、一根長為4 m細繩，細線一端用透明膠帶固定在PVC管的一端，另一端穿入另一根PVC管中間，細線可在PVC管中自由移動。測量方法：利用兩根PVC管的測量端對齊煤塊的長或寬，拉直細線，此時兩根PVC管測量端之間細線的長度就代表了煤塊的長或寬；取回測量工具，將細繩自由端拉緊，用卷尺測量拉出細線的長度，此長度即為煤塊的長或寬。

4.2.2 現場測量

水力致裂施工前，對架后放落到后部轉載機上的頂煤進行了塊度測量(圖5(a))。按照上述的堅硬頂煤水力致裂方案進行施工一個月后，對架后放落到后部轉載機上的頂煤進行了塊度測量(圖5(b))。 根據收集的數據繪制水力致裂前后塊度對比曲線(圖6)。

圖5 水力致裂前后的放落煤塊度測量Fig.5 Measurement of coal discharge degree before and after hydraulic fracturing

圖6 水力致裂前后放煤塊度對比曲線Fig.6 Contrast curve of coal discharge degree before and after hydraulic fracturing

通過分析圖6可以得出以下結論：①水力致裂前后工作面中部放煤的塊度都明顯小于工作面兩端放煤的塊度，這是由于工作面兩端受煤柱的支撐作用，在回采動壓的影響下，工作面中部頂煤比兩端頂煤更容易冒落；②水力致裂后放煤的塊度明顯小于水力致裂前放煤的塊度，水力致裂后的頂煤冒放平均塊度為致裂前的46%。綜合對比可知，堅硬頂煤水力致裂控制技術可有效降低頂煤的塊度。

4.3 放煤高度分析

2303綜放工作面堅硬頂煤水力致裂弱化前后，放煤高度等參數見表1；水力致裂前后的放煤高度及放煤量與割煤量之比見圖7。

通過分析表1和圖7可以得出以下結論：①水力致裂前：放頂煤不受水力致裂影響，割煤高度2.8 m，平均放煤高度3.39 m；②水力致裂初期：割煤高度2.8 m，平均放煤高度4.14 m，放煤高度與水力致裂前相比增加了22%；③水力致裂穩定期：割煤高度2.8 m，平均放煤高度8.82 m，放煤高度與水力致裂前相比增加138%。

圖7 水力致裂前后的放煤高度和采放比Fig.7 The height of drawing and the recovery ratio before and after hydraulic fracturing

表1 崔家溝2303工作面水力致裂前后放煤效果相關參數匯總Table 1 Summary of relevant parameters of coal drawing effect before and after hydraulic fracturing on Cuijiagou 2303 working face

綜采放頂煤最佳采放比在1∶3左右，經過上述數據分析可知崔家溝煤礦2303工作面放頂煤開采頂煤放出率已經達到正常水平；堅硬頂煤水力致裂技術可有效提高放頂煤的放煤高度和回采率。

4.4 工作面粉塵濃度分析

在回風巷距離工作面15 m處，安裝直讀式粉塵儀。分別觀測致裂前1個月和致裂后1個月割煤作業時，呼吸性粉塵濃度和總粉塵濃度(圖8)。

圖8 水力致裂前后割煤作業時的粉塵濃度對比Fig.8 Comparison of dust concentration before and after hydraulic fracturing in coal cutting operation

通過分析圖8可以得出：堅硬頂煤水力致裂施工后，工作面呼吸性粉塵濃度降低了25%，總粉塵濃度減低了27%，堅硬頂煤水力致裂控制技術可有效降低工作面粉塵濃度，改善了作業人員的工作環境。

5 結 論

1) 合理的綜放面架間水力致裂參數：采用額定流量120 L/min水力致裂泵，致裂時間20 min，水力致裂鉆孔裂縫擴展半徑為4 m。

2) 堅硬頂煤水力致裂技術可有效降低頂煤塊度：致裂后的頂煤冒放平均塊度為致裂前的46%。

3) 堅硬頂煤水力致裂技術可有效提高放頂煤放煤高度和回采率：水力致裂穩定期，割煤高度2.8 m，平均放煤高度8.82 m，放煤高度與水力致裂前相比增加138%。

4) 堅硬頂煤水力致裂技術可有效降低工作面的粉塵濃度：堅硬頂煤水力致裂施工后，工作面呼吸性粉塵濃度減低25%，總粉塵濃度減低27%。