鄧廣哲 鄭 銳 徐 東

(1. 西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.西安科技大學(xué)西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710054)

隨著國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，煤炭清潔利用、科學(xué)轉(zhuǎn)化、綠色開采以及產(chǎn)品市場(chǎng)需求方面也隨之發(fā)生了深刻的變化。在煤炭分質(zhì)轉(zhuǎn)化、煤炭氣化、火力發(fā)電、煤化工、蘭炭及作為原料制造化工產(chǎn)品等市場(chǎng)需求方面，對(duì)原煤的粒徑有了一定的要求，同時(shí)對(duì)塊煤分級(jí)控制也提出了更高的要求。

我國西部地區(qū)煤炭資源豐富，尤其是陜北侏羅紀(jì)煤田是我國已探明煤炭資源儲(chǔ)量最大的煤田之一，且煤層埋藏淺、賦存穩(wěn)定、近水平、低灰、低硫、低磷、高發(fā)熱量，開采條件優(yōu)越，是我國重要的煤炭深加工和清潔利用開發(fā)基地。該煤田以硬厚煤層開采為主，礦井開采全面實(shí)現(xiàn)大型機(jī)械化和集約化生產(chǎn)開發(fā)，裝備水平高，裝機(jī)能量大，居于世界一流。但同時(shí)硬厚煤層大采高工作面煤機(jī)比能耗大，設(shè)備效率低，截割速度慢，尤其塊煤生產(chǎn)率低，采煤機(jī)截割煤中粉煤多，截齒磨損嚴(yán)重，抬高了原煤制造成本，削弱了煤炭產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭力，加劇了重型機(jī)械化礦井安全清潔高效開采的困境。

針對(duì)淺埋硬厚煤層機(jī)械化開采存在的問題，一些學(xué)者們?cè)诿簩訅毫压?jié)能方面開展了積極探索。吳松等通過對(duì)綜采工作面進(jìn)行松動(dòng)爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，超前增大煤體破碎程度，在采煤機(jī)進(jìn)一步擾動(dòng)下提高塊煤率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。張震東探討了液態(tài)CO2深孔壓裂技術(shù)，對(duì)提高堅(jiān)硬煤體裂隙發(fā)育水平增加煤炭回采塊煤率在理論上是可行的。李文魁認(rèn)為在煤層中制造大量人工裂隙與天然裂隙溝通，對(duì)提供煤層壓裂效果有較大幫助。鄧廣哲等通過研究水壓致裂提高塊煤率的機(jī)理，為厚硬煤層綜采面提高塊煤率與節(jié)能降耗提供了新的方法和途徑。鄧廣哲等對(duì)水壓致裂防沖機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明水壓致裂能有效防治沖擊災(zāi)害的發(fā)生。

煤層水壓致裂技術(shù)具有安全、高效、環(huán)保、節(jié)能等顯著特征，在復(fù)雜煤層安全高效開采方面具有很大的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景。但煤層水壓致裂技術(shù)在節(jié)能降耗、塊煤分級(jí)控制方面研究還很少，本文針對(duì)硬厚煤壓裂節(jié)能與塊煤分級(jí)控制機(jī)理進(jìn)行探討，為煤炭清潔高效開采提供參考。

1 煤層壓裂節(jié)能與塊煤分級(jí)控制機(jī)理

1.1 煤層可截割性影響因素

煤體的可截割性直接體現(xiàn)在采煤機(jī)滾筒的截割比能耗上。本文用采煤機(jī)滾筒的截割比能耗分析煤層可截割性的影響因素，探索節(jié)能降耗的方法。

根據(jù)功與扭矩、轉(zhuǎn)速和時(shí)間的關(guān)系以及體積與密度的關(guān)系可得到截割比能耗公式：

(1)

式中：Hw——割煤比能耗，kWh/m3；

D——滾筒直徑，m；

Ap——平均截割阻抗，N/mm；

h——切削厚度，cm；

B——煤的脆性指數(shù)；

H——采高，m；

Vq——采煤機(jī)的牽引速度，m/min。

由式(1)可知，與煤層特性有關(guān)且影響采煤機(jī)截割比能耗的主要因素有截割阻抗、牽引速度、采高以及煤的脆性指數(shù)。

1.1.1 普氏系數(shù)對(duì)截割阻抗的影響

在固定某些參數(shù)的情況下，通過改變采煤機(jī)主要截割參數(shù)進(jìn)行截割阻抗試驗(yàn)，得到普氏系數(shù)與截割阻抗之間關(guān)系如圖1所示。

圖1 煤體普氏系數(shù)與截割阻抗之間關(guān)系圖

由圖1可知，截割阻抗A隨煤體硬度f增大而增大，可得關(guān)系式：

A=18f+78.3,R2=.0967,(f≤1.5)

A=127.4f-89.2,R2=.0995,(f≥1.5)

(2)

由式(2)可知，煤體的截割阻抗A與煤體普氏系數(shù)f呈正相關(guān)關(guān)系。其中硬煤煤質(zhì)堅(jiān)硬，難以破碎截割，截割阻力大，需采用超前弱化手段降低煤體強(qiáng)度，提高煤層的可截割性，減小截割阻抗，降低截割比能耗。

1.1.2 牽引速度對(duì)截割比能耗的影響

不同牽引速度條件下煤體普氏系數(shù)與截割比能耗關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)牽引速度一定時(shí)，截割比能耗隨煤體硬度增大而增大；當(dāng)煤體硬度不變時(shí)，截割比能耗隨牽引速度增大而減小。要降低煤體的截割比能耗，應(yīng)降低煤體普氏系數(shù)，提高煤機(jī)牽引速度。

圖2 不同牽引速度條件下煤體普氏系數(shù)與截割比能耗關(guān)系

1.1.3 采高對(duì)截割比能耗的影響

不同采高煤體普氏系數(shù)與截割比能耗關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同采高煤體普氏系數(shù)與截割比能耗關(guān)系

由圖3可知，當(dāng)煤體普氏系數(shù)不變時(shí)，截割比能耗隨采高增大而減小。由于采高增大，單位時(shí)間內(nèi)截割下來的煤體體積越多，同時(shí)工作面煤壁暴露的面積越大，煤壁受力由三向圍巖受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向圍巖受力狀態(tài)，煤壁內(nèi)部裂隙發(fā)育，截齒截割時(shí)受到截割阻力減小，截割比能耗降低。因此，在硬厚煤層開采過程中，應(yīng)優(yōu)選大采高綜合機(jī)械化開采，同時(shí)采取煤層超前弱化技術(shù)對(duì)煤層結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，有利于實(shí)現(xiàn)煤炭的高效節(jié)能開采。

1.2 煤層壓裂節(jié)能與塊煤分級(jí)控制理論機(jī)理

硬厚煤層的壓裂節(jié)能與塊煤分級(jí)控制理論和技術(shù)，是煤炭工業(yè)發(fā)展過程中適用清潔利用和科學(xué)轉(zhuǎn)化以及深加工需求增長情況下，探索提出的與優(yōu)質(zhì)煤炭生產(chǎn)和市場(chǎng)為源頭配套的綠色開采技術(shù)。

煤層壓裂節(jié)能與塊煤分級(jí)控制開采方法是針對(duì)陜北侏羅紀(jì)硬厚煤層大型綜采高耗能和清潔利用問題，在水壓致裂軟化原理基礎(chǔ)上，采用了水力壓裂、氣體壓裂、脈沖壓裂以及混合壓裂等綜合性手段與方法，改造了國家級(jí)能源化工基地的硬煤破碎性，降低裝備比能耗，提高資源采出率，形成并建立控制煤層壓裂裂隙網(wǎng)絡(luò)和破碎粒度為特征的塊煤集群壓裂開采方法。

煤層水壓致裂節(jié)能與塊煤分級(jí)控制工藝技術(shù)，是充分利用地應(yīng)力條件，在原有綜采系統(tǒng)與開采工藝條件下，采用高壓脈沖預(yù)裂和高壓活性水致裂配套的綜合煤層超前水壓致裂技術(shù)，以增加煤層致裂裂隙數(shù)量，并嚴(yán)格控制裂縫發(fā)展形態(tài)形成合適的裂隙網(wǎng)絡(luò)，在自重、礦山壓力及采煤機(jī)擾動(dòng)共同作用下及時(shí)垮落，避免了堅(jiān)硬煤層對(duì)截齒的破壞，實(shí)現(xiàn)以提高截割效率、塊煤分級(jí)控制、降低材料消耗以及控制災(zāi)害發(fā)生為特征的新型壓裂采礦工藝技術(shù)。

2 煤層壓裂演化規(guī)律模擬

根據(jù)陜北某淺埋煤層地質(zhì)條件，建立200 m×1 m×40 m的三維數(shù)值模型，模型左邊、右邊、底部為固定邊界，模型上邊界為壓力邊界，模擬上覆巖層的地應(yīng)力。模擬工作面傾向長度100 m，分別模擬未壓裂時(shí)工作面煤層100 m范圍內(nèi)的應(yīng)力分布和壓裂后工作面煤層50 m范圍內(nèi)的應(yīng)力分布。

2.1 工作面方向煤層壓裂演化規(guī)律

圖4 工作面方向煤層壓裂模型

工作面方向煤層壓裂模型如圖4所示。工作面方向煤層壓裂應(yīng)力云圖如圖5所示。單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂應(yīng)力對(duì)比如圖6所示。

由圖4、圖5和圖6可知，工作面方向單、雙排孔壓裂區(qū)煤體應(yīng)力轉(zhuǎn)移范圍為5 m和20 m，且雙排孔壓裂區(qū)煤體應(yīng)力降低顯著，雙排孔壓裂效果好于單排孔。煤體壓裂區(qū)應(yīng)力降低，從理論上解釋了工作面壓裂之后壓裂區(qū)片幫減小的原因。

圖5 工作面方向煤層壓裂應(yīng)力云圖

圖6 單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂應(yīng)力對(duì)比圖

2.2 工作面推進(jìn)方向煤層壓裂演化規(guī)律

工作面推進(jìn)方向煤層壓裂模型如圖7所示。工作面推進(jìn)方向煤層壓裂應(yīng)力云圖如圖8所示。單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂超前支撐壓力對(duì)比如圖9所示。單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂超前支撐壓力峰值及位置對(duì)比如圖10所示。

由圖7、圖8、圖9和圖10分析可知，工作面推進(jìn)到未壓裂、單、雙排孔壓裂區(qū)時(shí)的超前支承壓力分別為24.66 MPa、22.7 MPa和20.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別降低13%和22%；支承壓力峰值位置為5 m、6 m和8 m，分別前移1 m和3 m。結(jié)果表明，煤層壓裂有利于煤體彈性能量的釋放，為煤體破碎與沖擊災(zāi)害防治創(chuàng)造條件，且雙排孔的壓裂效果優(yōu)于單排孔。

圖8 工作面推進(jìn)方向煤層壓裂應(yīng)力云圖

圖9 單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂超前支撐壓力對(duì)比圖

3 工程應(yīng)用

3.1 工作面概況

試驗(yàn)工作面選定陜北侏羅紀(jì)II-3煤層的某工作面，該煤層普氏系數(shù)f=2～3，為中等硬度煤層，其破壞性脆、斷口參差狀。天然煤層裂隙特點(diǎn)為：水平、垂直兩組節(jié)理，垂直節(jié)理相對(duì)水平節(jié)理發(fā)育，其天然裂隙中常充填有黃鐵礦，但破壞裂隙不發(fā)育。

圖10 單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂超前支撐壓力峰值及位置對(duì)比圖

工作面地面標(biāo)高+1260～+1285 m，工作面標(biāo)高+1110～+1137 m，工作面走向長度2031.5 m，傾向長度254.5 m，平均煤層厚度5.04 m，為厚煤層，傾角1°～3°。采用長壁綜采一次采全高采煤方法，頂?shù)装骞芾聿捎萌靠迓浞ā?/p>

3.2 煤層壓裂方案

根據(jù)試驗(yàn)條件，在試驗(yàn)綜采面沿回風(fēng)平巷實(shí)施超前煤層壓裂軟化工程。經(jīng)過綜合分析，實(shí)施深孔壓—剪混合壓裂方案，鉆孔布置如圖11所示。

實(shí)施工藝如下：第一階段為高壓脈沖預(yù)裂法(PPF)，第二階段為高壓致裂裂化法(HPF)，與此同時(shí)，實(shí)施與綜采工藝協(xié)調(diào)配套的綜合塊煤開采方法和工藝參數(shù)。

3.3 煤層壓裂效果

工作面方向壓裂、非壓裂區(qū)礦壓觀測(cè)結(jié)果如圖12所示。工作面推進(jìn)方向超前支承壓力觀測(cè)結(jié)果如圖13所示。由圖12和圖13可知，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致。實(shí)測(cè)單、雙排孔壓裂區(qū)應(yīng)力集中系數(shù)分別降低23%和18%，單排孔效果優(yōu)于雙排孔，是由于該區(qū)域前方存在斷層地質(zhì)構(gòu)造造成。

煤層壓裂塊煤分級(jí)控制統(tǒng)計(jì)情況見表1。由表1可知，煤層壓裂工藝使得大塊破碎為中塊和沫煤，其中壓裂區(qū)使6～100 mm粒徑的塊煤分布均勻且比未壓裂區(qū)提高了20.16%。試驗(yàn)結(jié)果表明，煤層壓裂能較好地控制塊煤的粒徑，為煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化利用創(chuàng)造條件。

圖11 煤層壓裂鉆孔布置圖

圖12 工作面方向壓裂、非壓裂區(qū)礦壓觀測(cè)結(jié)果

圖13 工作面推進(jìn)方向超前支承壓力觀測(cè)結(jié)果

表1 煤層壓裂塊煤分級(jí)控制統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采煤機(jī)在單、雙排孔壓裂區(qū)與非壓裂區(qū)的牽引速度分別為8.5 m/min、9.03 m/min和8.21 m/min，工效分別提高了3.5%和10%；在非壓裂區(qū)割一刀煤時(shí)間為42 min，按正常循環(huán)，單、雙排孔壓裂區(qū)割煤比非壓裂區(qū)節(jié)約16.56 min和44.04 min，煤層壓裂可多割1刀/d。雙排孔壓裂區(qū)采煤機(jī)滾筒截割比能耗降低了30%。

對(duì)采煤機(jī)在非壓裂區(qū)和壓裂區(qū)各割煤50 m所消耗的截齒數(shù)目、電量、油脂進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其中，截齒消耗減少29.94個(gè)，降幅為29.1%；電耗降低17409 kWh，降幅為39.8%；油脂消耗減少15 kg，降幅為5.16%，節(jié)省材料支出115.5萬元/a。

通過對(duì)工作面方向、工作面推進(jìn)方向煤塵分析得到，采高空間的中部位置的粉塵濃度最大，較低位置的煤塵濃度次之，較高位置的煤塵濃度最小，其中，工作面低位和高位的煤塵濃度比中位分別降低41.3%和49.1%；而工作面推進(jìn)方向分別為16.0%和27.1%，由此可見工作面污染主要是割煤煤塵污染。

對(duì)比煤層壓裂前后煤塵濃度變化發(fā)現(xiàn)，煤層超前壓裂具有顯著降塵作用。其中，高位煤塵濃度由2.557 mg/m3降至0.111 mg/m3，下降了95.7%；中位煤塵濃度由2.874 mg/m3降至1.572 mg/m3，下降了45.3%；低位煤塵濃度由2.816 mg/m3降至0.187 mg/m3，下降了93.4%。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)煤體截割比能耗的影響因素分析，得出煤體硬度、煤層節(jié)理發(fā)育情況、采高及牽引速度等為主要影響因素?；诖?，提出以煤層超前壓裂為核心，通過增加煤體裂隙數(shù)量、控制擴(kuò)展形態(tài)，實(shí)現(xiàn)煤炭提質(zhì)增效、節(jié)能降耗及災(zāi)害控制的新壓裂開采方法。

(2)通過數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，揭示了硬厚煤壓裂演化規(guī)律，為煤層壓裂方案的制定提供了理論依據(jù)。

(3)研究了大采高硬厚煤層超前水壓致裂的關(guān)鍵參數(shù)與塊煤分級(jí)相協(xié)調(diào)的控制關(guān)系，給出了不同煤層的壓裂方案及工藝參數(shù)。

(4)工程實(shí)踐表明，大采高硬厚煤壓裂節(jié)能與塊煤分級(jí)控制技術(shù)方案可行，效果顯著。其中，工作面塊煤率提高了20%，割煤工效提高10%，截割比能耗降低了30%，割煤煤塵降低了45%，為類似礦井壓裂節(jié)能與塊煤分級(jí)開采提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尚建選，王立杰，甘建平等. 煤炭資源逐級(jí)分質(zhì)綜合利用的轉(zhuǎn)化路線思考[J]. 中國煤炭，2010(9)

[2] 許霞. 利用混煤(塊煤與型煤)制取煤氣的關(guān)鍵技術(shù)[J].煤氣與熱力，2014(3)

[3] 劉利民. 煤炭洗選加工過程中有關(guān)粒度控制問題的探討[J]. 山東煤炭科技，2016(1)

[4] 鄧廣哲，齊曉華. 清潔塊煤的壓裂開采技術(shù)及進(jìn)展[A].第十八屆中國科協(xié)年會(huì)[C]，2016

[5] 馬正蘭.變速截割采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 中國礦業(yè)大學(xué)，2009

[6] 姚建明，雷少毅. 陜北煤炭資源勘探面臨的問題[A]. 陜晉冀煤炭學(xué)會(huì)地質(zhì)測(cè)量專業(yè)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C]，2006

[7] 吳松. 綜采工作面過復(fù)雜斷層綜合治理技術(shù)[J]. 中州煤炭，2015(2)

[8] 張少春. 紅巖煤礦綜采工作面塊煤率提高技術(shù)研究[J]. 陜西煤炭，2016(2)

[9] 張震東. 液態(tài)CO2深孔壓裂對(duì)堅(jiān)硬煤層回采塊煤率的影響[J]．煤炭與化工，2016(7)

[10] 李文魁. 多裂縫壓裂改造技術(shù)在煤層氣井壓裂中的應(yīng)用[J]. 西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000(5)

[11] 鄧廣哲，齊曉華，王雷. 水壓致裂提高塊煤率的機(jī)理及應(yīng)用[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017(2)

[12] 鄧廣哲，黃炳香，石增武等. 節(jié)理脆性煤層水力壓裂技術(shù)與應(yīng)用[A]. 中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第七次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C]，2002