金能煤業集中回風上山掘進面水力壓裂過硬巖技術研究

孟紫文

(臨汾市應急管理局,山西 臨汾 041000)

巷道掘進是煤礦生產體系的重要環節[1]。隨著機械設備的更新,巷道掘進效率也在不斷提升,為煤礦企業安全、高效生產奠定了堅實的基礎[2-3]。但是各個煤礦的地質條件千差萬別,掘進難度也不盡相同,尤其是巖巷掘進期間,部分區域巖石硬度大,若采用掘進機強行掘進,機械設備的損耗非常大,有時若掘進機割不動,還需采用爆破的方式輔助掘進面過硬巖,不僅增加了工人的勞動強度,而且極大地影響了掘進效率[4-5]。本文以金能煤業集中回風巷為工程背景,對掘進面水力壓裂過硬巖技術進行了分析研究。

1 工程背景

金能煤業有限公司隸屬于山西焦煤霍州煤電集團。目前,正在掘進東翼集中回風上山,巷道總長度為1 306 m.東翼集中回風上山設計為礦井回風大巷,開口位置為+980 m軌道大巷11號點前142 m,沿135°30′53″方位施工,與現掘進的東翼集中回風上山貫通。巷道掘進方向左側25 m為設計的一采區運輸上山。巷道斷面設計為直墻半圓拱形,采用錨網索噴+鋼筋拱架的方式進行支護,巷道特征如表1所示。

表1 集中回風上山巷道特征

東翼集中回風掘進層位于2號煤底板,以砂質泥巖和細粒砂巖為主,其中細粒砂巖的主要成分為長石石英,分選中等,次棱角狀,巖性堅硬。在掘進過程中,對掘進機截齒損耗非常大,而且極易損壞掘進機,極大地影響了巷道掘進效率。若使用傳統的爆破方式進行掘進,不僅掘進效率低,而且工人勞動強度大。因此,提出采用定向水力壓裂技術對硬巖進行預處理,以保證掘進機的掘進效率,降低設備故障率及截齒損耗量。

2 定向水力壓裂工藝參數設計

2.1 鉆孔方向

根據金能煤業的地質條件及相鄰礦井的試驗效果,確定采用徑向切槽方式,即切槽方向與鉆孔軸向夾角呈90°.根據現場壓裂試驗,起裂角與起裂壓力隨切槽角度的變化如圖1所示。

圖1 起裂角與起裂壓力隨切槽角度的變化曲線

如圖1所示,切槽角度越小,則起裂壓力越小,同時還有利于裂隙向切槽方向擴展、發育。因此,確定最佳切槽角度為0°,東翼回風上山遇硬巖進行水力壓裂時,應沿著巷道最大水平主應力方向進行切槽,此時鉆孔的軸向方向為巷道最小水平主應力方向。

2.2 切槽半徑

起裂角與起裂壓力隨著切槽半長的變化如圖2所示。

圖2 起裂角與起裂壓力隨切槽半長的變化曲線

如圖2所示,隨著切槽半長的增大,起裂角隨之增大,而起裂壓力隨之減小。起裂角變化曲線與起裂壓力變化曲線相交于切槽半徑為0.025 m的位置,此時在保證起裂角的前提下,起裂壓力也降到最小。但是,通過前述分析已確定最佳起裂角為0°.因此,可單純考慮起裂壓力來確定最佳切槽長度。由起裂壓力變化曲線可知,隨著切槽半長的增大,起裂壓力減小幅度逐漸變小,當切槽半長超過0.06 m時,起裂壓力降低幅度更小,綜合考慮施工難度,確定合理的切槽半長為0.06 m.

2.3 鉆孔方案

根據現有研究成果及相似地質條件礦井的現場調研情況,確定在掘進工作面距離巷道頂板2.4 m的位置布置3個鉆孔,鉆孔直徑為65 mm,3個鉆孔間距為1.3 m,其中,中間鉆孔為觀測孔,用于觀測水力壓裂效果,其余兩個鉆孔為壓裂孔,用于進行水力壓裂,鉆孔布置如圖3所示。

圖3 鉆孔布置示意(單位:m)

綜合考慮金能煤業地質條件及施工條件,1號壓裂孔深度設計為8.4 m,壓裂切槽間距為1.2 m,壓裂次數為6次。2號壓裂孔深度設計為9.0 m,壓裂切槽間距為1.2 m,壓裂次數為6次。觀測孔深度設計為8.4 m.

2.4 施工工序

掘進工作面過硬巖水力壓裂預處理的施工工序包括以下6個關鍵環節:①施工準備;②鉆孔及切槽施工;③水力壓裂;④觀測孔窺視;⑤低壓注水;⑥設備復位。為保證施工進度及掘進效率,水力壓裂整個施工流程應在8 h檢修期間全部完成,以免影響工作面正常掘進。水力壓裂主要施工工序如圖4所示。

圖4 水力壓裂主要施工工序

如圖4所示,當設備準備完成后即可進行鉆孔及切槽施工,按照前述設計方案,在既定位置進行鉆孔,當鉆孔深度達到設計深度時,利用切槽刀具進行切槽施工。切槽完畢后,利用封孔器將高壓注水裝置安置在切槽處,并進行水力壓裂,直到觀測孔出水后,關閉高壓泵并開啟泄壓閥進行卸壓,再對下一處切槽進行壓裂。當鉆孔內所有切槽均進行水力壓裂后,可通過觀測孔對壓裂效果進行窺視。最后,采用封孔器封住壓裂孔孔口,將水泵水壓調節為5 MPa左右進行低壓注水,將前期水力壓裂生成的裂隙進一步擴展發育,生成新的次生裂隙,起到注水軟化的作用,以提高掘進機掘進效率。低壓注水后還可有效減少掘進過程中產生的粉塵量,低壓注水持續時間約為1 h.以上工序完成后,進行設備復位,對下一個壓裂孔重復進行上述工序進行水力壓裂。

3 現場試驗

采用前述設計方案,在金能煤業東翼集中回風上山掘進面過硬巖區域進行現場試驗,為驗證水力壓裂效果,分別從粉塵量、掘進機截齒消耗及掘進效率3個方面進行分析。

1) 掘進期間的粉塵量。在東翼集中回風上山距離掘進工作面3 m位置安裝粉塵傳感器,對掘進過程中產生的粉塵量進行實時監測,現場監測曲線如圖5所示。

圖5 掘進期間粉塵量監測曲線

如圖5所示,在2023年5月15日之前并未對掘進工作面前方巖體進行水力壓裂,掘進期間產生的粉塵量平均值為1 122.7 mg/m3;5月15日以后,對掘進工作面前方巖體進行水力壓裂后,掘進期間產生的粉塵量平均值為486.3 mg/m3.監測數據表明:對掘進工作面前方巖體進行水力壓裂后,掘進期間粉塵量平均值可降低57%,降塵效果良好。

2) 掘進機截齒消耗。5月15日水力壓裂前后掘進機截齒消耗量如圖6所示。

圖6 掘進機截齒消耗量

如圖6所示,對掘進機前方巖體進行水力壓裂前(4月9日至5月15日掘進期間),共計消耗截齒200個,掘進機每掘進1 m需要消耗截齒1.8個。對掘進機前方巖體進行水力壓裂后(5月16日至6月10日),共計消耗截齒109個,掘進機每掘進1 m平均需要消耗截齒1個。統計數據顯示,對掘進機前方巖體進行水力壓裂后,巖體強度降低,減少了掘進過程中截齒的消耗,掘進機截齒消耗量可下降44%.以巷道全長1 306 m計算,采用水力壓裂后,約可節省截齒1 045個,按每個截齒100元計算,約降低10萬元成本,經濟效益顯著。

3) 掘進效率。水力壓裂前后掘進機掘進進尺統計如圖7所示。

圖7 水力壓裂前后掘進進尺

如圖7所示,未對掘進機前方巖體進行水力壓裂(4月9日至5月15日)期間,掘進機共計運行37 d,進尺110 m,平均日進尺為2.97 m.對掘進機前方巖體進行水力壓裂(5月16日至6月10日)期間,掘進機共計運行26 d,進尺107 m,平均日進尺為4.13 m.現場統計數據顯示,對掘進機前方巖體進行水力壓裂后,掘進機平均日進尺可提升39%,掘進效率明顯提升。

4 結 語

本文針對金能煤業集中回風上山掘進面過硬巖掘進效率低的問題,提出采用水力壓裂技術對掘進機前方巖體進行預處理,采用理論分析、現場試驗等方法得出以下結論:

1) 在掘進工作面距離頂板2.4 m位置布置3個鉆孔,鉆孔間距為1.3 m,中間鉆孔為觀測孔,孔深8.4 m,其余兩孔為壓裂孔,其中1號壓裂孔深度為8.4 m,切槽間距1.2 m,2號壓裂孔深度為9.0 m,切槽間距1.2 m.

2) 通過現場試驗,對掘進機前方巖體進行水力壓裂后,掘進期間粉塵量平均值可降低57%,掘進機截齒消耗量可下降44%,掘進機平均日進尺可提升39%.