孟紫文

(臨汾市應(yīng)急管理局,山西 臨汾 041000)

巷道掘進(jìn)是煤礦生產(chǎn)體系的重要環(huán)節(jié)[1]。隨著機(jī)械設(shè)備的更新,巷道掘進(jìn)效率也在不斷提升,為煤礦企業(yè)安全、高效生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2-3]。但是各個(gè)煤礦的地質(zhì)條件千差萬(wàn)別,掘進(jìn)難度也不盡相同,尤其是巖巷掘進(jìn)期間,部分區(qū)域巖石硬度大,若采用掘進(jìn)機(jī)強(qiáng)行掘進(jìn),機(jī)械設(shè)備的損耗非常大,有時(shí)若掘進(jìn)機(jī)割不動(dòng),還需采用爆破的方式輔助掘進(jìn)面過(guò)硬巖,不僅增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,而且極大地影響了掘進(jìn)效率[4-5]。本文以金能煤業(yè)集中回風(fēng)巷為工程背景,對(duì)掘進(jìn)面水力壓裂過(guò)硬巖技術(shù)進(jìn)行了分析研究。

1 工程背景

金能煤業(yè)有限公司隸屬于山西焦煤霍州煤電集團(tuán)。目前,正在掘進(jìn)東翼集中回風(fēng)上山,巷道總長(zhǎng)度為1 306 m.東翼集中回風(fēng)上山設(shè)計(jì)為礦井回風(fēng)大巷,開(kāi)口位置為+980 m軌道大巷11號(hào)點(diǎn)前142 m,沿135°30′53″方位施工,與現(xiàn)掘進(jìn)的東翼集中回風(fēng)上山貫通。巷道掘進(jìn)方向左側(cè)25 m為設(shè)計(jì)的一采區(qū)運(yùn)輸上山。巷道斷面設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形,采用錨網(wǎng)索噴+鋼筋拱架的方式進(jìn)行支護(hù),巷道特征如表1所示。

表1 集中回風(fēng)上山巷道特征

東翼集中回風(fēng)掘進(jìn)層位于2號(hào)煤底板,以砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖為主,其中細(xì)粒砂巖的主要成分為長(zhǎng)石石英,分選中等,次棱角狀,巖性堅(jiān)硬。在掘進(jìn)過(guò)程中,對(duì)掘進(jìn)機(jī)截齒損耗非常大,而且極易損壞掘進(jìn)機(jī),極大地影響了巷道掘進(jìn)效率。若使用傳統(tǒng)的爆破方式進(jìn)行掘進(jìn),不僅掘進(jìn)效率低,而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此,提出采用定向水力壓裂技術(shù)對(duì)硬巖進(jìn)行預(yù)處理,以保證掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率,降低設(shè)備故障率及截齒損耗量。

2 定向水力壓裂工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔方向

根據(jù)金能煤業(yè)的地質(zhì)條件及相鄰礦井的試驗(yàn)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓裂試驗(yàn),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(shí)還有利于裂隙向切槽方向擴(kuò)展、發(fā)育。因此,確定最佳切槽角度為0°,東翼回風(fēng)上山遇硬巖進(jìn)行水力壓裂時(shí),應(yīng)沿著巷道最大水平主應(yīng)力方向進(jìn)行切槽,此時(shí)鉆孔的軸向方向?yàn)橄锏雷钚∷街鲬?yīng)力方向。

2.2 切槽半徑

起裂角與起裂壓力隨著切槽半長(zhǎng)的變化如圖2所示。

圖2 起裂角與起裂壓力隨切槽半長(zhǎng)的變化曲線

如圖2所示,隨著切槽半長(zhǎng)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(shí)在保證起裂角的前提下,起裂壓力也降到最小。但是,通過(guò)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(lái)確定最佳切槽長(zhǎng)度。由起裂壓力變化曲線可知,隨著切槽半長(zhǎng)的增大,起裂壓力減小幅度逐漸變小,當(dāng)切槽半長(zhǎng)超過(guò)0.06 m時(shí),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(zhǎng)為0.06 m.

2.3 鉆孔方案

根據(jù)現(xiàn)有研究成果及相似地質(zhì)條件礦井的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況,確定在掘進(jìn)工作面距離巷道頂板2.4 m的位置布置3個(gè)鉆孔,鉆孔直徑為65 mm,3個(gè)鉆孔間距為1.3 m,其中,中間鉆孔為觀測(cè)孔,用于觀測(cè)水力壓裂效果,其余兩個(gè)鉆孔為壓裂孔,用于進(jìn)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(yè)地質(zhì)條件及施工條件,1號(hào)壓裂孔深度設(shè)計(jì)為8.4 m,壓裂切槽間距為1.2 m,壓裂次數(shù)為6次。2號(hào)壓裂孔深度設(shè)計(jì)為9.0 m,壓裂切槽間距為1.2 m,壓裂次數(shù)為6次。觀測(cè)孔深度設(shè)計(jì)為8.4 m.

2.4 施工工序

掘進(jìn)工作面過(guò)硬巖水力壓裂預(yù)處理的施工工序包括以下6個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):①施工準(zhǔn)備;②鉆孔及切槽施工;③水力壓裂;④觀測(cè)孔窺視;⑤低壓注水;⑥設(shè)備復(fù)位。為保證施工進(jìn)度及掘進(jìn)效率,水力壓裂整個(gè)施工流程應(yīng)在8 h檢修期間全部完成,以免影響工作面正常掘進(jìn)。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(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備完成后即可進(jìn)行鉆孔及切槽施工,按照前述設(shè)計(jì)方案,在既定位置進(jìn)行鉆孔,當(dāng)鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí),利用切槽刀具進(jìn)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(jìn)行水力壓裂,直到觀測(cè)孔出水后,關(guān)閉高壓泵并開(kāi)啟泄壓閥進(jìn)行卸壓,再對(duì)下一處切槽進(jìn)行壓裂。當(dāng)鉆孔內(nèi)所有切槽均進(jìn)行水力壓裂后,可通過(guò)觀測(cè)孔對(duì)壓裂效果進(jìn)行窺視。最后,采用封孔器封住壓裂孔孔口,將水泵水壓調(diào)節(jié)為5 MPa左右進(jìn)行低壓注水,將前期水力壓裂生成的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育,生成新的次生裂隙,起到注水軟化的作用,以提高掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率。低壓注水后還可有效減少掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵量,低壓注水持續(xù)時(shí)間約為1 h.以上工序完成后,進(jìn)行設(shè)備復(fù)位,對(duì)下一個(gè)壓裂孔重復(fù)進(jìn)行上述工序進(jìn)行水力壓裂。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

采用前述設(shè)計(jì)方案,在金能煤業(yè)東翼集中回風(fēng)上山掘進(jìn)面過(guò)硬巖區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),為驗(yàn)證水力壓裂效果,分別從粉塵量、掘進(jìn)機(jī)截齒消耗及掘進(jìn)效率3個(gè)方面進(jìn)行分析。

1) 掘進(jìn)期間的粉塵量。在東翼集中回風(fēng)上山距離掘進(jìn)工作面3 m位置安裝粉塵傳感器,對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖5所示。

圖5 掘進(jìn)期間粉塵量監(jiān)測(cè)曲線

如圖5所示,在2023年5月15日之前并未對(duì)掘進(jìn)工作面前方巖體進(jìn)行水力壓裂,掘進(jìn)期間產(chǎn)生的粉塵量平均值為1 122.7 mg/m3;5月15日以后,對(duì)掘進(jìn)工作面前方巖體進(jìn)行水力壓裂后,掘進(jìn)期間產(chǎn)生的粉塵量平均值為486.3 mg/m3.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明:對(duì)掘進(jìn)工作面前方巖體進(jìn)行水力壓裂后,掘進(jìn)期間粉塵量平均值可降低57%,降塵效果良好。

2) 掘進(jìn)機(jī)截齒消耗。5月15日水力壓裂前后掘進(jìn)機(jī)截齒消耗量如圖6所示。

圖6 掘進(jìn)機(jī)截齒消耗量

如圖6所示,對(duì)掘進(jìn)機(jī)前方巖體進(jìn)行水力壓裂前(4月9日至5月15日掘進(jìn)期間),共計(jì)消耗截齒200個(gè),掘進(jìn)機(jī)每掘進(jìn)1 m需要消耗截齒1.8個(gè)。對(duì)掘進(jìn)機(jī)前方巖體進(jìn)行水力壓裂后(5月16日至6月10日),共計(jì)消耗截齒109個(gè),掘進(jìn)機(jī)每掘進(jìn)1 m平均需要消耗截齒1個(gè)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,對(duì)掘進(jìn)機(jī)前方巖體進(jìn)行水力壓裂后,巖體強(qiáng)度降低,減少了掘進(jìn)過(guò)程中截齒的消耗,掘進(jìn)機(jī)截齒消耗量可下降44%.以巷道全長(zhǎng)1 306 m計(jì)算,采用水力壓裂后,約可節(jié)省截齒1 045個(gè),按每個(gè)截齒100元計(jì)算,約降低10萬(wàn)元成本,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3) 掘進(jìn)效率。水力壓裂前后掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)如圖7所示。

圖7 水力壓裂前后掘進(jìn)進(jìn)尺

如圖7所示,未對(duì)掘進(jìn)機(jī)前方巖體進(jìn)行水力壓裂(4月9日至5月15日)期間,掘進(jìn)機(jī)共計(jì)運(yùn)行37 d,進(jìn)尺110 m,平均日進(jìn)尺為2.97 m.對(duì)掘進(jìn)機(jī)前方巖體進(jìn)行水力壓裂(5月16日至6月10日)期間,掘進(jìn)機(jī)共計(jì)運(yùn)行26 d,進(jìn)尺107 m,平均日進(jìn)尺為4.13 m.現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,對(duì)掘進(jìn)機(jī)前方巖體進(jìn)行水力壓裂后,掘進(jìn)機(jī)平均日進(jìn)尺可提升39%,掘進(jìn)效率明顯提升。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)金能煤業(yè)集中回風(fēng)上山掘進(jìn)面過(guò)硬巖掘進(jìn)效率低的問(wèn)題,提出采用水力壓裂技術(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)前方巖體進(jìn)行預(yù)處理,采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法得出以下結(jié)論:

1) 在掘進(jìn)工作面距離頂板2.4 m位置布置3個(gè)鉆孔,鉆孔間距為1.3 m,中間鉆孔為觀測(cè)孔,孔深8.4 m,其余兩孔為壓裂孔,其中1號(hào)壓裂孔深度為8.4 m,切槽間距1.2 m,2號(hào)壓裂孔深度為9.0 m,切槽間距1.2 m.

2) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)掘進(jìn)機(jī)前方巖體進(jìn)行水力壓裂后,掘進(jìn)期間粉塵量平均值可降低57%,掘進(jìn)機(jī)截齒消耗量可下降44%,掘進(jìn)機(jī)平均日進(jìn)尺可提升39%.