“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓原理及關鍵技術

研發起止時間：2016.1～2018.12

完成單位：晉能控股煤業集團有限公司、山東科技大學、晉能控股山西科學技術研究院有限公司、青島山科礦安科技有限公司

成果水平：國際先進

1 項目背景

大同礦區是我國典型的“雙硬”煤層條件礦區。目前，“雙硬”煤層臨空巷道圍巖穩定性及上覆采空區殘留煤柱下強礦壓顯現等問題限制了部分礦井安全高效生產，已成為亟需解決的技術難題。本項目采用理論分析、室內試驗、數值模擬相結合的方法研究“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓技術裂縫的擴展方向、影響范圍及其演化規律，揭示了“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓技術裂縫擴展的誘導機理，研發了水力鉆割壓切頂相配套的設備，為煤礦井下“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓技術的應用提供了理論基礎。

2 研究內容

（1）采用理論分析和數值模擬獲得了噴嘴最佳參數：收縮角13°、出口直徑為3.0 mm、支柱段6.0 mm；采用擴散焊工藝和熱軋-溫軋法制備TWIP 鋼與低碳鋼的復合材料，抗拉強度達到950 MPa，完全能夠滿足耐高壓、耐沖蝕噴嘴的制備要求；通過以上研究成果，研發了新型耐高壓、耐沖蝕噴嘴（如圖1所示），新型噴嘴相較于傳統噴嘴出口射流提高了116%，有較明顯的性能優勢。

圖1 典型新型耐沖蝕噴嘴

水力靶向裂化煤巖體卸壓一體設備連接示意圖如圖2所示

圖2 水力靶向裂化煤巖體卸壓一體設備連接示意圖

（2）采用理論分析、數值模擬、室內試驗獲得了割縫導向壓裂裂縫定向擴展路徑與孔隙壓力梯度、割縫偏差角和水平應力差異系數有密切關系。孔隙壓力梯度會降低裂縫擴展壓力，能夠誘導裂縫擴展；割縫偏差角小于30°或水平應力差異系數Kh小于0.5時，割縫導向壓裂形成的裂縫基本能沿割縫預設方向定向擴展，水力壓裂裂縫的最終擴展方向為垂直于最小主應力方向而沿著最大主應力方向。

（3）割縫鉆孔網格化布置能夠保證相鄰割縫孔之間相互影響，卸壓影響區域相互貫通，避免割縫鉆孔間出現大范圍的應力集中。在保證卸壓效果和施工效率的前提下，割縫鉆孔間距為2 倍的縫槽塑性區半徑。同時根據數值模擬結果，構建了縫槽幾何參數與周邊煤體破壞范圍之間的數學表達式：

（4）采用“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓原理及關鍵技術治理臨空巷道側向懸頂問題，使臨空巷道錨桿、錨索受力降低了60%，巷道頂底板及兩幫變形量降低了80%，底鼓量減少了90%，巷道巷修工程量大大減少。圖3為側向切頂鉆孔布置圖。

圖3 側向切頂鉆孔布置

3 主要研究成果

（1）以射流壓力和阻水能力為指標，優化設計了水力割縫噴嘴最佳結構及幾何參數，采用熱處理工藝、淬火工藝等對TRIP 鋼組織和性能進行改性，研發了以TWIP 鋼/Q235 雙金屬復合材料為基礎的高壓耐沖蝕材料，開發了新型耐高壓、耐沖蝕的水力割縫噴嘴。

（2）分析了不t同孔隙壓力梯度、水力割縫寬度等因素影響下壓裂裂隙空間擴展規律，揭示了孔隙壓力梯度作用下水力割縫導向壓裂切頂原理，研發了“雙硬”煤層多孔聯合水力靶向導向壓裂切頂技術。

（3）針對雙硬煤層煤柱下開采采掘空間“強礦壓”顯現特征，分析了大煤柱網格化破裂尺度對煤層壓力分布的影響規律，揭示了殘留煤柱網格化破裂卸壓機理，提出了殘留煤柱網格化水力裂化卸壓方法。

4 應用效益

本技術在晉能控股煤業集團有限公司晉華宮煤礦8214 工作面與燕子山煤礦8216 工作面成功進行了工業性實踐。現場應用表明，礦井臨空巷道圍巖降低了80%，底鼓量減少了90%，圍巖應力卸壓程度達到60%以上。近2 年共多回收煤炭95.5 萬噸，為礦井新增產值共計2.87億元，新增利潤0.573億元，新增稅收0.271億元。后續，在晉能控股煤業集團有限公司數對礦井近十個工作面進行了整體的推廣應用，提高了“雙硬”煤層開采資源回收率，為保障采掘巷道穩定性提供了有力技術支撐。

本項目于2021年4月8日通過了中國煤炭工業協會組織的專家鑒定，研究成果達到國際先進水平。依據本項目研究成果共發表學術論文4 篇，申請國家發明專利7項，其中授權5項，實審2項。