張慧峰

(陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719302)

地下煤層復(fù)雜的成煤條件常常導(dǎo)致煤層間存在夾矸層，且一般較煤層堅硬、厚度變化大。而夾矸巖層的存在是影響綜采工作面安全高效開采的重點難題。趙麗娟[1-2]采用離散元數(shù)值模擬方法研究了含夾矸煤層條件下螺旋滾筒的磨損特性，分析了滾筒組件與夾矸層接觸時的不同磨損程度；馮宇峰[3]建立了夾矸破斷均布載荷薄板力學(xué)模型，采用深孔預(yù)裂爆破、雙輪間隔放煤等措施，解決了含硬夾矸特厚煤層綜放開采頂煤冒放性差、采出率低的問題；楊繼強[4]對不同夾矸厚度條件下沿空煤巷復(fù)合頂板應(yīng)力分布和位移變化進行了研究，提出了維護巷道穩(wěn)定性的合理支護方案；張俊文[5]研究了含有不同硬度夾矸情況下的頂煤損傷力學(xué)特性，提出降壓可提高頂煤的冒放性和采出率；高曉進[6]基于彈性力學(xué)理論研究了硬厚夾矸層的力學(xué)結(jié)構(gòu)，采用架間定向水力壓裂致裂夾矸層，改善了含厚硬夾矸難冒頂煤的冒放性；王建利[7]通過分析夾矸厚度和位置對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，得到夾矸層厚度存在臨界值，在此基礎(chǔ)上提出了合理的圍巖控制技術(shù)和支護參數(shù)，確保了工作面的安全高效生產(chǎn)；周濤[8]分析了夾矸層對工作面支承壓力的影響，得到了含矸煤層的支承壓力分布規(guī)律；劉南南[9]基于EDEM軟件建立了巖層夾矸模型，分析了硬巖掘進機在夾矸煤層掘進過程中刀盤的受力情況，為硬巖掘進機刀盤設(shè)計和改進提供了依據(jù)。

綜上所述，雖然以上學(xué)者對夾矸圍巖力學(xué)特性及采煤機截割夾矸過程進行了眾多研究，但對于綜采工作面夾矸壓裂弱化研究還較少。小保當(dāng)一號井112201工作面夾矸層厚度0.6～2.0 m，夾矸巖層厚度大、硬度高，嚴(yán)重影響工作面高效回采。筆者以112201工作面為背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法，研究了煤層夾矸壓裂軟化機理，確定了工作面夾矸預(yù)裂壓裂液類型及參數(shù)，為類似工作面厚硬夾矸層的壓裂軟化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

1 礦井概況

圖1 112201工作面夾矸分布平面圖

2 煤層夾矸壓裂軟化機理研究

煤層夾矸壓裂軟化機理是利用高壓水刀預(yù)裂切割夾矸形成定向裂縫，如圖2所示，擴大壓裂裂隙作用范圍，而后進行高壓脈動水力壓裂促進預(yù)裂裂隙周圍次生裂隙起裂擴展，從而形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，達到弱化夾矸力學(xué)特性的目的。夾矸預(yù)裂之后，夾矸力學(xué)參數(shù)弱化，最后輔助于采動產(chǎn)生的礦山壓力二次破碎夾矸，從而達到在采煤機截割時夾矸完全破碎從而降低采煤機截割能耗的目的，煤層夾矸致裂裂隙演化規(guī)律如圖3所示。

圖2 高壓水刀預(yù)裂破碎原理及裝備

對夾矸進行高壓壓裂，水壓裂隙以開型橢圓形裂隙擴展，根據(jù)斷裂力學(xué)研究，夾矸中裂隙擴展臨界條件為[10]：

(1)

式中：K——壓裂裂縫尖端應(yīng)力強度因子，MPa·m1/2；

p——裂縫尖端高壓水壓力，MPa；

σ3——煤層最小主應(yīng)力，MPa；

h——壓裂孔距離夾矸層位距離，m；

K1c——夾矸斷裂強度因子，MPa·m1/2。

裂縫在夾矸中擴展的臨界水壓p0為：

近年來，大眾體育運動在中國迎來井噴式發(fā)展。以馬拉松為代表的大眾體育運動，每年吸引著數(shù)以百萬計的運動愛好者，越來越多的城市以馬拉松賽事為依托，不僅帶動了體育運動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還推動了旅游、餐飲、交通、住宿業(yè)、培訓(xùn)、傳媒、會展等諸多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以2016年在廈門舉行的馬拉松賽事為例，其為廈門帶來了直接經(jīng)濟效益2.3億元，間接經(jīng)濟效益3.25億元。中國田徑運動協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2011年在協(xié)會注冊的馬拉松賽事為22場，2016年底達到328場。馬拉松運動賽事在為城市帶來經(jīng)濟效益的同時，更向外界展示了一個時尚、激情、健康、活力而富有正能量的城市正面形象。

(2)

式中：K2c——煤層斷裂強度因子，MPa·m1/2。

圖3 夾矸壓裂裂隙演化規(guī)率

3 煤層夾矸壓裂軟化參數(shù)研究

3.1 夾矸煤巖力學(xué)性質(zhì)試驗

對現(xiàn)場所取夾矸巖樣分別在蒸餾水、5%含油乳化液及0.15% CO2酸性溶液中浸泡2 h，進行對比試驗分析不同壓裂液對夾矸巖層的軟化作用。夾矸浸泡力學(xué)試驗如圖4所示。

圖4 夾矸浸泡力學(xué)試驗

夾矸巖樣在蒸餾水、5%含油乳化液及0.15% CO2酸性溶液中浸泡2 h后的吸水率分別為2.97%、2.57%和1.93%；軟化系數(shù)分別為0.69、0.72和0.32。其中0.15% CO2酸性溶液浸泡夾矸巖樣吸水率最低，主要原因為夾矸巖石表面裂隙較發(fā)育部分充填礦物與酸性溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成松散碎石表層脫落，所以造成吸水率低的假象。因此綜合對比分析可得3種壓裂液對夾矸巖層的弱化順序為：0.15% CO2酸性溶液>蒸餾水>5%含油乳化液。夾矸軟化作用效果分析如圖5所示。

圖5 夾矸軟化作用效果分析

3.2 壓裂參數(shù)數(shù)值模擬

采用FLAC5.0數(shù)值模擬軟件流固耦合分析模塊中的CONFIG fluid滲流模式，對壓裂鉆孔周圍施加高壓孔隙水壓力，模擬高滲透壓作用下的圍巖塑性區(qū)擴展特征，分析不同壓裂參數(shù)下夾矸壓裂效果。根據(jù)工作面地質(zhì)條件，建立數(shù)值計算模型，對厚度0.6 m≤H<2.0 m區(qū)間的硬厚夾矸巖層布置雙排“三角”平行剪切孔進行高壓水壓致裂破碎夾矸。模擬不同孔徑、水壓對構(gòu)造帶夾矸巖層致裂破碎規(guī)律，分析如下：

注水壓力15 MPa，單孔間距7 m，模擬鉆孔半徑40、45、50 mm時塑性區(qū)分布范圍，如圖6所示。注水壓力穩(wěn)定后，鉆孔半徑40 mm和50 mm的塑性區(qū)半徑分別為2 m和2.5 m，塑性區(qū)變化范圍較小，孔與孔之間無塑性區(qū)重疊區(qū)域，當(dāng)把孔徑增加到50 mm后，塑性區(qū)半徑達到3.8 m，塑性區(qū)重疊，說明增加鉆孔半徑能夠顯著改善壓裂影響范圍。但是壓裂裂隙與鉆孔過早連通，將使夾矸層位產(chǎn)生卸壓，不利于夾矸層位裂隙網(wǎng)絡(luò)形成，因此建議采用半徑45 mm的壓裂鉆孔進行壓裂。

鉆孔直徑90 mm，單孔間距7 m，模擬注水壓力為10、20、30 MPa時，塑性區(qū)分布范圍分別為0.8、2.2和4 m，如圖7所示。塑性區(qū)范圍隨著水壓的提高而變大，增加水壓有利于促進裂隙起裂擴展，但是壓力過大容易使鉆孔之間裂隙貫通，形成粗大導(dǎo)水通道，煤層夾矸層位難以有效形成裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，夾矸弱化效果較差。因此建議采用20 MPa水壓，增加壓力緩慢壓裂，形成毛細裂隙，充分破碎軟化巖石。

通過物理力學(xué)試驗研究及數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和形成過程的分析，認(rèn)為采用高壓力、大流量注水及0.15% CO2酸性溶液軟化比較適合致裂破碎軟化硬厚夾矸巖層。因此根據(jù)相似情況的工程實踐經(jīng)驗，建議采用鉆孔半徑45 mm，鉆孔間距7 m，壓裂壓力20 MPa進行高壓壓裂。

圖6 不同壓裂孔徑數(shù)值模擬

圖7 不同壓裂水壓數(shù)值模擬

4 現(xiàn)場試驗

根據(jù)112201綜采工作面夾矸分布范圍，采用水平長鉆孔順層預(yù)裂壓裂綜合破碎法，鉆孔布置平面圖如圖8所示。通過雙排“三角”平行剪切布孔方式分階段進行夾矸預(yù)裂破碎。第1階段高壓壓裂預(yù)裂法(HPF法)，采用鉆孔水射流分段定向切割夾矸，破壞夾矸完整性；第2階段低壓軟化法(DPF)，高壓水致裂形成夾矸層內(nèi)裂縫網(wǎng)絡(luò)，酸化破碎堅硬夾矸整體性。

圖8 煤層夾矸預(yù)裂鉆孔布置平面圖

預(yù)裂鉆孔夾矸起裂壓力為26～29 MPa，壓裂壓力20 MPa左右。單孔壓裂時間為120 min，泵組能力108 L/min，用水量為13 m3，鉆孔用水量為2 m3，可知11 m3水量可有效滿足壓裂裂隙擴展和硬厚夾矸巖層的低壓軟化。

工作面夾矸壓裂軟化之后，夾矸層裂隙發(fā)育，在采煤機截齒擾動作用下，夾矸巖層成片狀剝離破壞，如圖9所示。夾矸層預(yù)裂軟化之后，采煤機運行速度提高35%，噸煤截齒消耗量降低40%，噸煤油脂消耗降低27%，工作面粉塵濃度降低12%，實現(xiàn)了工作面的安全清潔高效開采。

圖9 現(xiàn)場壓裂效果壓裂效果

5 結(jié)論

(1)通過對工作面煤層夾矸壓裂軟化機理的研究表明，工作面夾矸層經(jīng)高壓水刀預(yù)裂+高壓脈動壓裂+采動礦山壓力，可實現(xiàn)夾矸層裂隙起裂擴展發(fā)育，并形成裂隙網(wǎng)絡(luò)有效弱化夾矸巖層強度。

(2)通過物理力學(xué)實驗及數(shù)值模擬研究表明，蒸餾水及0.15%CO2酸性溶液可有效弱化夾矸強度，增大夾矸巖層吸水率。現(xiàn)場設(shè)計壓裂鉆孔半徑45 mm，鉆孔間距7 m，壓裂壓力20 MPa進行高壓壓裂，可實現(xiàn)夾矸層的有效弱化。

(3)工作面夾矸層預(yù)裂之后，夾矸層成片狀剝離破壞，強度降低。預(yù)裂之后采煤機運行速度提高35%，噸煤截齒消耗量降低40%，噸煤油脂消耗降低27%，工作面粉塵濃度降低12%，實現(xiàn)了工作面的安全清潔高效開采。