大采高綜采工作面煤層夾矸弱化技術研究

張文超

（晉能控股煤業集團山西王家嶺煤業有限公司，山西 保德 036600）

引言

礦井開采厚煤層時具有經濟效益好、煤炭產量高等優點，但是部分礦井開采厚煤層中也往往存在多層夾矸[1-2]。當夾矸為硬度較低的泥巖、炭質泥巖等時，采煤機可直接截割，從而不會給煤炭正常生產帶來影響；當夾矸為堅硬砂巖或者灰巖時，由于夾矸堅硬，在生產過程中若采煤機直接截割夾矸容易出現截割齒磨損嚴重、產生火花以及推進速度慢等問題。現階段厚煤層堅硬夾矸處理方法一般采用空氣柱間隔爆破或者深孔爆破等方式，由于爆破會產生較大的振動沖擊且會產生有毒有害氣體，會給采面煤炭生產帶來制約[3-5]。高壓水力壓裂技術近些年來在煤礦井下應用逐漸增加，通過高壓水在煤體或者巖體中產生裂隙，從而達到提高煤層透氣性或者弱化巖層強度目的[6-9]。為此，本文提出采用高壓水力壓裂技術處理厚煤層堅硬夾矸，以期提高厚煤層生產效率并為其他礦井類似情況下煤炭生產提供經驗借鑒。

1 工程概況

山西某礦井田面積為87.9 km2，開采煤層包括3#、5#、9#及13#等多層煤，現階段生產主要集中在淺部的3#及5#煤層。3302 綜采工作面為3 采區第二個回采工作面，采面設計推進長度2 890 m、面長320 m，開采范圍內3#煤層厚度均值5.8 m，采用大采高綜采工藝，全部垮落法管理頂板，采面采用型號SL1000 采煤機割煤。3#煤層賦存穩定，頂底板巖層以粉砂巖、石灰巖及炭質泥巖等為主。根據采面回采巷道掘進揭露資料顯示，采面推進至90～560 m 范圍內，3#煤層中有厚度0.5～1.8 m 石灰巖夾矸，且夾矸層分布貫穿整個采面，巖層硬度超過7、抗壓強度超過58 MPa，具體采面內夾矸厚度厚度變化統計結果見表1。采面在堅硬夾矸層影響范圍內推進時，推進速度由9 m/d 降至5 m/d 且采煤機截割齒磨損嚴重。

2 厚煤層堅硬夾矸弱化技術應用

為提高3302 綜采工作面在堅硬夾矸影響區內推進速度、降低夾矸影響，提出采用高壓水力壓裂技術對堅硬夾矸進行弱化處理，具體采用的高壓水力壓裂設備型號為XKRFSII-1 型，具體水力壓裂系統組成見圖1。具體高壓水力壓裂包括：通過高壓水射流定向割矸，以便為后續高壓水力壓裂裂縫提供擴展方向，定向弱化堅硬夾矸；通過專用封孔器封孔并通過高壓水多頂板夾矸區域弱化，破壞堅硬夾矸層完整性及硬度。

圖1 水力壓裂系統組成

2.1 水力壓裂鉆孔布置設計

根據采面回采巷道掘進揭露參數，采用水平長鉆孔方式弱化煤層內堅硬夾矸，當采面內夾矸厚度在0.6 m 以下時，采用SL1000 采煤機可直接截割且推進速度較快，截割齒磨損在經濟可控范圍內，因此高壓水力弱化主要針對夾矸厚度大于0.6 m 范圍。根據夾矸分厚度分布情況，對水力壓裂鉆孔布置進行設計，具體見圖2。壓裂鉆孔類型包括有傾向長鉆孔、走向長鉆孔以及傾向短鉆孔，鉆孔按照7 m 間距布置。

圖2 水力壓裂鉆孔布置示意圖

在采面沿著走向350～562 m 范圍內，夾矸厚度均超過0.6 m 且貫穿整個采面，在此范圍內從回采巷道布置傾向鉆孔（鉆孔編號12～35），按照7 m 間距布置鉆孔；沿著走向257～327 m 范圍內夾矸厚度從回風巷向進風巷方向逐漸變薄，在距離回風巷130 m 位置處夾矸厚度降至0.6 m 以內，因此在257～327 m 范圍內從回風巷內布置孔深130 m，鉆孔共計11 個（孔編號1～11）；在采面沿走向100～228 m 范圍內夾矸厚度超過0.6 m，為便于施工在采面已施工完成的回撤通道內沿走向布置走向長鉆孔，鉆孔孔深控制在130～220 m，鉆孔共計27 個（編號D1～D27）。

2.2 高壓水力壓裂過程分析

高壓水力壓裂效果壓裂壓力、單孔注水量以及壓裂持續時間等密切相關，具體水力壓裂過程中獲取到壓裂壓力隨壓裂時間變化曲線見圖3，圖中I 區、II 區及III 區分別為壓裂區、軟化和裂隙二次擴展區、裂隙擴展區，3# 煤層中石灰巖夾矸起裂壓力介于26～29 MPa。壓裂鉆孔單孔壓力時間控制在190 min 左右，采用的高壓水泵給水能力為108 L/min，共計注入量約為20 m3，其中壓裂鉆孔內用水量約為2 m3，剩余的18 m3水均用以堅硬夾矸弱化并進入到煤層中。

圖3 壓裂壓力隨壓裂時間變化曲線

2.3 應用效果分析

采用高壓水力壓裂技術對開采的3#煤層內堅硬夾矸進行弱化，高壓水力壓裂應用完成后待3302 綜采工作面推進至水力壓裂區后，對采煤機截割推進速度、夾矸破碎程度以及截割難易程度等進行考察。在水力壓裂區內煤層夾矸新生裂隙發育，夾矸內網格裂隙、平行裂隙錯綜分布且整體呈現塊狀破碎狀態；由于水力壓裂后堅硬矸石呈現破碎狀態，采煤機較容易截割，水力壓裂會增加煤層原始含水率，從而降低采煤機割煤期間粉塵產生量。

經過采用高壓水力壓裂技術對3#煤層中厚度超過0.6 m 堅硬夾矸進行弱化處理后，采煤機割煤（矸）效率明顯提升，截割齒磨損、消耗等均有所降低，且割煤過程中無火花產生，對提高采面生產效率以及安全保障能力方面均有顯著促進作用。

3 結論

1）根據采面回采巷道掘進揭露以及物探、采面鉆孔柱狀圖等資料確定夾矸在3302 綜采工作面分布。為提高3302 綜采工作面生產效率及安全保障能力，采用高壓水力壓裂技術對采面開采范圍內煤層夾矸超過0.6 m 位置進行弱化處理，具體布置24 個傾向長鉆孔（孔深330 m）、傾向短鉆孔（孔深130 m）、27個走向短鉆孔（孔深130 m），鉆孔布置區域覆蓋整個矸石較厚區。

2）采用XKRFSII-1 型水力壓裂設備弱化煤層堅硬夾矸，水力壓裂效果與注水量、壓裂持續時間以及注水壓力等參數密切相關。在對3#煤層石灰巖夾矸弱化處理時，該層夾矸起裂壓力介于26～29 MPa。

3）在對夾矸厚度超過0.6 m 區域進行弱化處理后，采面推進至弱化區域內夾矸內裂隙發育，采煤機可保持正常截割速度且截割矸石過程中無火花產生，采面保持9.0 m/d 速度回采，為采面高效生產創造良好條件。