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        “雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓原理及關(guān)鍵技術(shù)

        2021-05-21 07:33:14臧歡歡
        同煤科技 2021年2期
        關(guān)鍵詞:壓力梯度沖蝕煤柱

        研發(fā)起止時間:2016.1~2018.12

        完成單位:晉能控股煤業(yè)集團有限公司、山東科技大學(xué)、晉能控股山西科學(xué)技術(shù)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(qū)是我國典型的“雙硬”煤層條件礦區(qū)。目前,“雙硬”煤層臨空巷道圍巖穩(wěn)定性及上覆采空區(qū)殘留煤柱下強礦壓顯現(xiàn)等問題限制了部分礦井安全高效生產(chǎn),已成為亟需解決的技術(shù)難題。本項目采用理論分析、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓技術(shù)裂縫的擴展方向、影響范圍及其演化規(guī)律,揭示了“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓技術(shù)裂縫擴展的誘導(dǎo)機理,研發(fā)了水力鉆割壓切頂相配套的設(shè)備,為煤礦井下“雙硬”煤層水力靶向裂化煤巖體卸壓技術(shù)的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

        2 研究內(nèi)容

        (1)采用理論分析和數(shù)值模擬獲得了噴嘴最佳參數(shù):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(fù)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(fā)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(tǒng)噴嘴出口射流提高了116%,有較明顯的性能優(yōu)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(shè)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(shè)備連接示意圖

        (2)采用理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗獲得了割縫導(dǎo)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(yīng)力差異系數(shù)有密切關(guān)系??紫秹毫μ荻葧档土芽p擴展壓力,能夠誘導(dǎo)裂縫擴展;割縫偏差角小于30°或水平應(yīng)力差異系數(shù)Kh小于0.5時,割縫導(dǎo)向壓裂形成的裂縫基本能沿割縫預(yù)設(shè)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(yīng)力方向而沿著最大主應(yīng)力方向。

        (3)割縫鉆孔網(wǎng)格化布置能夠保證相鄰割縫孔之間相互影響,卸壓影響區(qū)域相互貫通,避免割縫鉆孔間出現(xiàn)大范圍的應(yīng)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(qū)半徑。同時根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,構(gòu)建了縫槽幾何參數(shù)與周邊煤體破壞范圍之間的數(shù)學(xué)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(guān)鍵技術(shù)治理臨空巷道側(cè)向懸頂問題,使臨空巷道錨桿、錨索受力降低了60%,巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟拷档土?0%,底鼓量減少了90%,巷道巷修工程量大大減少。圖3為側(cè)向切頂鉆孔布置圖。

        圖3 側(cè)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(yōu)化設(shè)計了水力割縫噴嘴最佳結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù),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(fā)了以TWIP 鋼/Q235 雙金屬復(fù)合材料為基礎(chǔ)的高壓耐沖蝕材料,開發(fā)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(guī)律,揭示了孔隙壓力梯度作用下水力割縫導(dǎo)向壓裂切頂原理,研發(fā)了“雙硬”煤層多孔聯(lián)合水力靶向?qū)驂毫亚许敿夹g(shù)。

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

        4 應(yīng)用效益

        本技術(shù)在晉能控股煤業(yè)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(yè)性實踐?,F(xiàn)場應(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(xù),在晉能控股煤業(yè)集團有限公司數(shù)對礦井近十個工作面進行了整體的推廣應(yīng)用,提高了“雙硬”煤層開采資源回收率,為保障采掘巷道穩(wěn)定性提供了有力技術(shù)支撐。

        本項目于2021年4月8日通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的專家鑒定,研究成果達到國際先進水平。依據(jù)本項目研究成果共發(fā)表學(xué)術(shù)論文4 篇,申請國家發(fā)明專利7項,其中授權(quán)5項,實審2項。

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