張文超

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司，山西 保德 036600）

引言

礦井開采厚煤層時(shí)具有經(jīng)濟(jì)效益好、煤炭產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，但是部分礦井開采厚煤層中也往往存在多層夾矸[1-2]。當(dāng)夾矸為硬度較低的泥巖、炭質(zhì)泥巖等時(shí)，采煤機(jī)可直接截割，從而不會(huì)給煤炭正常生產(chǎn)帶來影響；當(dāng)夾矸為堅(jiān)硬砂巖或者灰?guī)r時(shí)，由于夾矸堅(jiān)硬，在生產(chǎn)過程中若采煤機(jī)直接截割?yuàn)A矸容易出現(xiàn)截割齒磨損嚴(yán)重、產(chǎn)生火花以及推進(jìn)速度慢等問題。現(xiàn)階段厚煤層堅(jiān)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(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)沖擊且會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體，會(huì)給采面煤炭生產(chǎn)帶來制約[3-5]。高壓水力壓裂技術(shù)近些年來在煤礦井下應(yīng)用逐漸增加，通過高壓水在煤體或者巖體中產(chǎn)生裂隙，從而達(dá)到提高煤層透氣性或者弱化巖層強(qiáng)度目的[6-9]。為此，本文提出采用高壓水力壓裂技術(shù)處理厚煤層堅(jiān)硬夾矸，以期提高厚煤層生產(chǎn)效率并為其他礦井類似情況下煤炭生產(chǎn)提供經(jīng)驗(yàn)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(xiàn)階段生產(chǎn)主要集中在淺部的3#及5#煤層。3302 綜采工作面為3 采區(qū)第二個(gè)回采工作面，采面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度2 890 m、面長320 m，開采范圍內(nèi)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(hào)SL1000 采煤機(jī)割煤。3#煤層賦存穩(wěn)定，頂?shù)装鍘r層以粉砂巖、石灰?guī)r及炭質(zhì)泥巖等為主。根據(jù)采面回采巷道掘進(jìn)揭露資料顯示，采面推進(jìn)至90～560 m 范圍內(nèi)，3#煤層中有厚度0.5～1.8 m 石灰?guī)r夾矸，且夾矸層分布貫穿整個(gè)采面，巖層硬度超過7、抗壓強(qiáng)度超過58 MPa，具體采面內(nèi)夾矸厚度厚度變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。采面在堅(jiān)硬夾矸層影響范圍內(nèi)推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)速度由9 m/d 降至5 m/d 且采煤機(jī)截割齒磨損嚴(yán)重。

2 厚煤層堅(jiān)硬夾矸弱化技術(shù)應(yīng)用

為提高3302 綜采工作面在堅(jiān)硬夾矸影響區(qū)內(nèi)推進(jìn)速度、降低夾矸影響，提出采用高壓水力壓裂技術(shù)對堅(jiān)硬夾矸進(jìn)行弱化處理，具體采用的高壓水力壓裂設(shè)備型號(hào)為XKRFSII-1 型，具體水力壓裂系統(tǒng)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(xù)高壓水力壓裂裂縫提供擴(kuò)展方向，定向弱化堅(jiān)硬夾矸；通過專用封孔器封孔并通過高壓水多頂板夾矸區(qū)域弱化，破壞堅(jiān)硬夾矸層完整性及硬度。

圖1 水力壓裂系統(tǒng)組成

2.1 水力壓裂鉆孔布置設(shè)計(jì)

根據(jù)采面回采巷道掘進(jìn)揭露參數(shù)，采用水平長鉆孔方式弱化煤層內(nèi)堅(jiān)硬夾矸，當(dāng)采面內(nèi)夾矸厚度在0.6 m 以下時(shí)，采用SL1000 采煤機(jī)可直接截割且推進(jìn)速度較快，截割齒磨損在經(jīng)濟(jì)可控范圍內(nèi)，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(jù)夾矸分厚度分布情況，對水力壓裂鉆孔布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(nèi)，夾矸厚度均超過0.6 m 且貫穿整個(gè)采面，在此范圍內(nèi)從回采巷道布置傾向鉆孔（鉆孔編號(hào)12～35），按照7 m 間距布置鉆孔；沿著走向257～327 m 范圍內(nèi)夾矸厚度從回風(fēng)巷向進(jìn)風(fēng)巷方向逐漸變薄，在距離回風(fēng)巷130 m 位置處夾矸厚度降至0.6 m 以內(nèi)，因此在257～327 m 范圍內(nèi)從回風(fēng)巷內(nèi)布置孔深130 m，鉆孔共計(jì)11 個(gè)（孔編號(hào)1～11）；在采面沿走向100～228 m 范圍內(nèi)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(nèi)沿走向布置走向長鉆孔，鉆孔孔深控制在130～220 m，鉆孔共計(jì)27 個(gè)（編號(hào)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(xù)時(shí)間等密切相關(guān)，具體水力壓裂過程中獲取到壓裂壓力隨壓裂時(shí)間變化曲線見圖3，圖中I 區(qū)、II 區(qū)及III 區(qū)分別為壓裂區(qū)、軟化和裂隙二次擴(kuò)展區(qū)、裂隙擴(kuò)展區(qū)，3# 煤層中石灰?guī)r夾矸起裂壓力介于26～29 MPa。壓裂鉆孔單孔壓力時(shí)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(jì)注入量約為20 m3，其中壓裂鉆孔內(nèi)用水量約為2 m3，剩余的18 m3水均用以堅(jiān)硬夾矸弱化并進(jìn)入到煤層中。

圖3 壓裂壓力隨壓裂時(shí)間變化曲線

2.3 應(yīng)用效果分析

采用高壓水力壓裂技術(shù)對開采的3#煤層內(nèi)堅(jiān)硬夾矸進(jìn)行弱化，高壓水力壓裂應(yīng)用完成后待3302 綜采工作面推進(jìn)至水力壓裂區(qū)后，對采煤機(jī)截割推進(jìn)速度、夾矸破碎程度以及截割難易程度等進(jìn)行考察。在水力壓裂區(qū)內(nèi)煤層夾矸新生裂隙發(fā)育，夾矸內(nèi)網(wǎng)格裂隙、平行裂隙錯(cuò)綜分布且整體呈現(xiàn)塊狀破碎狀態(tài)；由于水力壓裂后堅(jiān)硬矸石呈現(xiàn)破碎狀態(tài)，采煤機(jī)較容易截割，水力壓裂會(huì)增加煤層原始含水率，從而降低采煤機(jī)割煤期間粉塵產(chǎn)生量。

經(jīng)過采用高壓水力壓裂技術(shù)對3#煤層中厚度超過0.6 m 堅(jiān)硬夾矸進(jìn)行弱化處理后，采煤機(jī)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(chǎn)生，對提高采面生產(chǎn)效率以及安全保障能力方面均有顯著促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

1）根據(jù)采面回采巷道掘進(jìn)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(chǎn)效率及安全保障能力，采用高壓水力壓裂技術(shù)對采面開采范圍內(nèi)煤層夾矸超過0.6 m 位置進(jìn)行弱化處理，具體布置24 個(gè)傾向長鉆孔（孔深330 m）、傾向短鉆孔（孔深130 m）、27個(gè)走向短鉆孔（孔深130 m），鉆孔布置區(qū)域覆蓋整個(gè)矸石較厚區(qū)。

2）采用XKRFSII-1 型水力壓裂設(shè)備弱化煤層堅(jiān)硬夾矸，水力壓裂效果與注水量、壓裂持續(xù)時(shí)間以及注水壓力等參數(shù)密切相關(guān)。在對3#煤層石灰?guī)r夾矸弱化處理時(shí)，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(qū)域進(jìn)行弱化處理后，采面推進(jìn)至弱化區(qū)域內(nèi)夾矸內(nèi)裂隙發(fā)育，采煤機(jī)可保持正常截割速度且截割矸石過程中無火花產(chǎn)生，采面保持9.0 m/d 速度回采，為采面高效生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。