急傾斜特厚煤層耦合致裂與破碎工藝研發(fā)及應(yīng)用

陳建強(qiáng)1,來(lái)興平2,3,崔峰2,3,雷兆源2，3，王寧波1，4,漆濤1,曹建濤2,3,單鵬飛2,3

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830027；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054； 3.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

摘要：水壓致裂(hydraulic fracturing,HF)與預(yù)爆破(pre-split-blasting,PSB)是有效致裂堅(jiān)硬煤巖體和促進(jìn)安全開(kāi)采的技術(shù)手段。其存在壓裂效果差、潤(rùn)濕周期長(zhǎng)、致裂方向、大小與范圍有限和易誘發(fā)災(zāi)害等。針對(duì)急傾斜特厚煤層破碎難題，通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算、模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方法，揭示弱堿性石灰水耦合致裂與破碎機(jī)制。基于聲發(fā)射(Acoustic emission,AE)觀測(cè)與裂隙光學(xué)捕獲(Crack Activity Optical Acquiisitions,CAOA)技術(shù)方法，揭示了煤巖體裂隙萌生擴(kuò)展與轉(zhuǎn)異規(guī)律。對(duì)比分析表明，在煤巖體體積膨脹中產(chǎn)生明顯側(cè)向壓力，顯著促進(jìn)煤巖體裂隙擴(kuò)展演化，裂隙擴(kuò)展速度呈現(xiàn)先增后降趨勢(shì)。應(yīng)用實(shí)踐表明，頂煤破碎度、冒放性和回采率顯著提高，開(kāi)采環(huán)境明顯改善，這對(duì)急傾斜煤層安全高效開(kāi)采與環(huán)境安全具有科學(xué)與工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：急傾斜特厚煤層；耦合致裂與破碎；聲發(fā)射；裂隙擴(kuò)展與轉(zhuǎn)異；光學(xué)觀測(cè)

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0201

文章編號(hào)：1672-9315(2015)02-0139-05

收稿日期：*2014-12-15責(zé)任編輯：劉潔

基金項(xiàng)目：973計(jì)劃前期專(zhuān)項(xiàng)(2014CB260404)；973國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2015CB251600)；國(guó)家自然科學(xué)基金(煤炭聯(lián)合基金)重點(diǎn)項(xiàng)目(U13612030)；西安科技大學(xué)博士(后)啟動(dòng)金(2014QDJ070)；新疆自治區(qū)高新技術(shù)計(jì)劃(201432102)和陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(2013KCT-16)

通訊作者：陳建強(qiáng)(1970-),男,山東臨沂人,高級(jí)工程師,E-mail:499234655@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TD 322；TD 353文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research and application of the coupled crack and crush technology for steeply dipping extra-thick coal seam

CHEN Jian-qiang1,LAI Xing-ping2,3,CUI Feng2,3，LEI Zhao-yuan2,3，WANG Ning-bo1，4,QI Tao1,CAO Jian-tao2,3，SHAN Peng-fei2，3

(1.ShenhuaXinjiangEnergyCo.,Ltd.,Urumqi830027,China；

2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;

3.KeyLaboratoryofWesternMineExploitationandHazardPreventionofMinistryofEducation,Xi’an710054,China；

4.SchoolofMiningEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

Abstract：Hydraulic fracturing(HF)and pre-split blasting are available methods for coal-rock fracturing,but they present inadequate fracturing effect，long period wet-ability，the limitations of fracturing orientation and magnitude and range，easily inducing calamity，etc.Aimed at the problem of steep coal-rock fracturing and cracking，we applied theoretical analysis，numerical computation，model material experiment，acoustic emission(AE)and crack activity optical acquisitions(CAOA)，the alkalescent limewater-surfactant solutions were proposed as base-material with coal seam fracturing.The multi-element compositing mechanism on static fracturing and crack method indicated that regularity of the internal crack conceiving，extending and evolution of specimens during static fracturing and crack.The analysis results manifested that the lateral swelling pressure emerged obviously in the process of hardening and inflating，and enhanced the internal crack extensibility and evolution.The trend of crack extensibility speed was rising and then declining,these had scientific and engineering application value for steep coal seam safe and efficient mining.

Keywords：steepandextra-thickcoalseam；coupled-crack；acousticemission(AE)；crackextend；opticalacquisitions

0引言

水壓致裂(Hydraulicfracturing，HF)與預(yù)裂爆破(Pre-splitblasting，PSB)是加速特厚煤巖體破碎和促進(jìn)安全高效開(kāi)采的有效實(shí)用性技術(shù)手段[1-2]。但是，受煤巖體賦存性、結(jié)構(gòu)性、物性和缺陷(節(jié)理裂隙)等影響[3-5]，水壓致裂工藝實(shí)施中注水極限范圍和滲透路徑及持續(xù)時(shí)間難以調(diào)控[6-8]，預(yù)爆破易誘致巷道破壞、裝備損毀和動(dòng)力學(xué)災(zāi)害[9-10]。耦合致裂破碎方法[11](Couplingfracturingandcrackmethod，CFCM)是通過(guò)流動(dòng)性膨脹功能介質(zhì)作用增大體積膨脹應(yīng)力應(yīng)變(率)，加速裂隙尺度擴(kuò)展與轉(zhuǎn)異，提高破碎度和增透性，在能源開(kāi)采與環(huán)境調(diào)控領(lǐng)域得到有效應(yīng)用。神華新疆能源公司烏東煤礦急傾斜(45°～87°)特厚煤層(30m以上)高階段(15～27m)水平分段綜放面較短，受煤層傾角影響，注入水沿著(急傾斜)煤巖體傾角滲流演化，水壓保不住，現(xiàn)場(chǎng)煤巖體原位改性區(qū)域與范圍受控，制約致裂破碎效果[12]。煤體含有大量瓦斯和硫化氫，集中突發(fā)溢出傷人事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約急傾斜特厚煤巖體破碎性、冒放性和采收率提高[13]。因此，研究解決有效適用性煤巖體致裂破碎工藝與方法，加速煤巖體致裂，提高破碎度與增透性，降低沖擊地壓與煤與瓦斯突出傾向，對(duì)開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害調(diào)控、環(huán)境安全和高效生產(chǎn)至關(guān)重要。針對(duì)急傾斜特厚煤巖體有效致裂破碎機(jī)制與工程應(yīng)用問(wèn)題，通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)和基于聲發(fā)射(Acousticemission,AE)與裂隙活性光學(xué)捕獲(CrackActivityOpticalAcquisitions,CAOA)方法，揭示弱堿性石灰水為注入基質(zhì)煤巖體裂隙萌生、擴(kuò)展與轉(zhuǎn)異特征，為特厚煤層高效開(kāi)采與災(zāi)害調(diào)控提供依據(jù)。

1耦合致裂破碎機(jī)制

耦合致裂破碎機(jī)制的實(shí)質(zhì)就是先注后爆，實(shí)現(xiàn)煤巖體原位改性與煤層本質(zhì)安全。預(yù)先在煤體內(nèi)注入堿性石灰水，通過(guò)其水化反應(yīng)形成膨脹效應(yīng)，在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大膨脹力，使煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生初始開(kāi)裂，石灰水水壓促進(jìn)裂隙擴(kuò)展，提高煤巖濕潤(rùn)性，降低力學(xué)強(qiáng)度。與傳統(tǒng)爆破相比，注水煤巖體在后續(xù)乳膠基質(zhì)炸藥爆破下，加速了煤巖體內(nèi)部裂隙水流動(dòng)時(shí)間，導(dǎo)致煤巖體充分碎裂，實(shí)現(xiàn)降溫抑塵，驅(qū)替瓦斯-降解硫化氫、控災(zāi)和高效開(kāi)采目的。

根據(jù)急傾斜煤層傾角大特點(diǎn)，堿性水注入煤體后形成一定水力坡度，增加了膨脹力，減速煤巖體內(nèi)部裂隙萌生與擴(kuò)展速率，提高致裂效果。

FLAC數(shù)值計(jì)算表明，單孔徑向孔隙壓力分布表現(xiàn)為壓力先增后減，中后期出現(xiàn)峰值壓力；沿鉆孔方向位移持續(xù)增大，中后期出現(xiàn)位移峰值(圖1)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，加入石灰水后，煤體鉆孔內(nèi)部破裂程度加劇、裂隙活性顯著增強(qiáng)，強(qiáng)度明顯降低(圖2)。

圖1　試樣內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化特征 Fig.1　Displacement variation characteristics of internal monitoring point in sample

圖2　注水壓力變化 Fig.2　Change of injection water pressure

2煤巖體耦合破裂AE特征實(shí)驗(yàn)

聲發(fā)射(AE)是揭示煤巖體裂隙萌生與擴(kuò)展規(guī)律的先進(jìn)技術(shù)手段。實(shí)驗(yàn)中采用AE考察試件內(nèi)部裂隙發(fā)生與擴(kuò)展規(guī)律，圖3(a)反映了AE事件和能率與持續(xù)時(shí)間關(guān)系。試驗(yàn)過(guò)程中以中小事件為主，幅度低于45.5dB占80%，AE峰值達(dá)1 066次/s，能率峰值629，持續(xù)時(shí)間18 654.5μs.事件數(shù)與能率達(dá)到峰值的持續(xù)時(shí)間分別為1 600s和2 080s.整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，AE事件數(shù)呈現(xiàn)先增后降特征規(guī)律。其中，在加注石灰水后的前60s內(nèi)，無(wú)AE信號(hào)；隨著石灰水的不斷膨脹與硬化，膨脹壓力對(duì)裂隙產(chǎn)生二次擠壓，AE信號(hào)出現(xiàn)了明顯轉(zhuǎn)異，AE數(shù)與能率均達(dá)峰值，煤體破裂加劇、裂隙活性顯著增強(qiáng)，強(qiáng)度明顯降低。

圖3　試件內(nèi)部損傷與裂隙擴(kuò)展 AE事件-能率-時(shí)間關(guān)系 Fig.3　AE relationship of events-energy rate-time for specimen on internal damage and crack extend (a) AE事件數(shù)　(b) 能率

煤巖體破裂過(guò)程中AE參數(shù)變化與強(qiáng)度劣化之間關(guān)系如下

2.1初始破裂階段

在初始階段(圖3(b)階段1)，AE事件與能率處于較低水平，裂隙發(fā)展速度相對(duì)較慢，預(yù)示著煤巖體臨界破裂，AE事件數(shù)和能率峰值分別為335個(gè)/s和151mv·μs，持續(xù)時(shí)間分別為400s和392s，由于試件孔隙效應(yīng)，基本沒(méi)有裂隙產(chǎn)生。在石灰水不斷作用下，出現(xiàn)初始損傷與裂隙(圖3(b)階段2)，AE數(shù)和能率明顯增多加大，峰值分別為591個(gè)/s和328mv·μs，持續(xù)時(shí)間分別為1 110s和1 050s，裂隙擴(kuò)展方向和數(shù)目有所增加。

2.2破裂加速與裂隙擴(kuò)展階段

由于石灰水大范圍作用，試件內(nèi)部能量急劇釋放，試件內(nèi)部破裂加劇，出現(xiàn)大量新裂隙后，未飽和石灰水大量滲入，裂隙加速擴(kuò)展(圖3(b)階段3)，AE數(shù)和能率急劇增加，試件內(nèi)部孔壁裂隙發(fā)展速率與破裂范圍大幅度加大，裂隙擴(kuò)展方向和數(shù)目明顯增加，AE事件和能率峰值分別為1 066個(gè)/s和629mv·μs.

2.3裂隙穩(wěn)定與能量釋放階段

AE事件和能率均達(dá)到峰值(圖3(b)階段4)。由于試件內(nèi)部裂隙與石灰水之間存在固液互驅(qū)與競(jìng)爭(zhēng)作用，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。AE數(shù)和能率在較短時(shí)間內(nèi)急劇下降，持續(xù)時(shí)間為1 950～2 320s，AE事件和能率分別達(dá)到259個(gè)/s和220mv·μs.隨時(shí)間持續(xù)演化，殘余能量瞬間釋放，AE事件和能率峰值347個(gè)/s和189mv·μs(圖3(b)階段5)，與前述各階段相比，明顯降低，預(yù)示大范圍失穩(wěn)發(fā)生。

3基于裂隙擴(kuò)展光學(xué)觀測(cè)的破裂規(guī)律

基于裂隙擴(kuò)展光學(xué)觀測(cè)(CAOA)，對(duì)裂隙空間展布(方向和數(shù)目)進(jìn)行測(cè)量，煤樣局部破裂呈“無(wú)裂-裂紋出現(xiàn)-裂隙增加與轉(zhuǎn)異-穩(wěn)定”演化過(guò)程。注入石灰水之前與開(kāi)始澆注石灰水時(shí)孔壁光滑，原始裂隙在宏觀監(jiān)測(cè)上并未有明顯變化(圖4(a))。受石灰水作用產(chǎn)生擠壓力，出現(xiàn)新裂隙，初始裂隙開(kāi)始擴(kuò)展，孔壁裂隙較為明顯，鉆孔出現(xiàn)小變形(圖4(b))。由于石灰水滲透演化范圍擴(kuò)展，膨脹壓力得到最大釋放，孔壁裂隙數(shù)顯著增加，鉆孔出現(xiàn)明顯變形(圖4(c))。隨石灰水的凝固作用逐漸減弱，鉆孔形狀不再有明顯變化(圖4(d))。

圖4　試件內(nèi)部裂隙發(fā)展特征規(guī)律 Fig.4　Characteristics on internal crack evolution of specimens (a) 1階段　(b) 2階段　(c) 3階段　(d) 4階段

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐

急傾斜特厚煤層高階段綜放頂煤破碎難點(diǎn)在于：受煤層節(jié)理與裂隙傾角影響，傳統(tǒng)注水方法，無(wú)法較好地實(shí)現(xiàn)煤層保水壓裂，潤(rùn)濕性難改善，破碎與弱化區(qū)域范圍控制難度較大，影響頂煤冒放性與開(kāi)采效率與環(huán)境安全。現(xiàn)場(chǎng)利用水平工藝巷分層壓裂和垂直鉆孔分段改造方法與技術(shù)(圖5)應(yīng)用，加速主裂縫與多級(jí)次生裂縫交織形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最大限度提高煤層破碎度、滲透率、冒放性和瓦斯與硫化氫降解率，提高開(kāi)采安全性和復(fù)雜難采煤層采收率。

圖5　現(xiàn)場(chǎng)耦合致裂破碎工藝 Fig.5　Coupled-crack and crush technology on field

應(yīng)用表明，耦合致裂破碎方法優(yōu)點(diǎn)如下

4.1提高頂煤破碎度、冒放性和回采率

鑒于急傾斜煤層地質(zhì)賦存特點(diǎn)，綜放面較短，最大為50m，以往利用礦壓破煤與放煤，回采率較低。采用耦合致裂破碎頂煤方法后，試驗(yàn)面采出率從平均61.34%，提高到86.10%，日產(chǎn)量從原先的平均1 148.3t，提高到1 899.1t.

4.2降低動(dòng)力學(xué)災(zāi)害誘發(fā)傾向

2011—2013年，在高階段水平分段綜放開(kāi)采過(guò)程中，煤巖冒落易產(chǎn)生沖擊地壓等動(dòng)力學(xué)災(zāi)害。2014年，應(yīng)用耦合方法后，煤巖潤(rùn)濕性得以改善，內(nèi)在彈性能降低，消除了煤巖動(dòng)力災(zāi)害的巖性特征，緩解巷道局部化帶誘發(fā)滑落式結(jié)構(gòu)失穩(wěn)傾向，動(dòng)力災(zāi)害明顯減少。

4.3提高增透性與環(huán)境安全性

通過(guò)提前注入石灰水等堿性介質(zhì)等，促進(jìn)固-液互驅(qū)，延長(zhǎng)水體在裂隙間流動(dòng)時(shí)間，擴(kuò)大裂隙尺度與透氣性，加速氣體充分放出，瓦斯降至0.1%以下，減少積聚或煤與瓦斯突出的可能性。同時(shí)，煤體內(nèi)硫化氫與石灰水反應(yīng)，硫化氫明顯降低，煤塵降低10.0%.

總之，隨著急傾斜頂煤致裂破碎技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用需求，增加堿性基質(zhì)，這對(duì)改進(jìn)前致裂工藝、促進(jìn)急傾斜煤巖體致裂工藝改進(jìn)、環(huán)境安全和高效開(kāi)采具有現(xiàn)實(shí)必要性。

5結(jié)論

1)受煤層傾角、節(jié)理與裂隙影響，急傾斜特厚煤層保(水)壓致裂效果調(diào)控難度較大，耦合致裂破碎方法對(duì)促進(jìn)急傾斜特厚煤層綜放安全開(kāi)采工藝改進(jìn)至關(guān)重要；

2)通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)分析，揭示堿基石灰水作用下，煤巖體內(nèi)部破裂-AE參數(shù)變化-強(qiáng)度劣化之間關(guān)系，裂隙擴(kuò)展速度基本呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，裂隙萌生-擴(kuò)展-失穩(wěn)過(guò)程明顯；

3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，煤巖裂隙活性增強(qiáng)，有利于煤體弱化，增加致裂區(qū)域與范圍，這對(duì)促進(jìn)急傾斜煤巖體致裂工藝改進(jìn)和安全高效提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)References

[1]陸菜平,竇林名,吳興榮.煤巖動(dòng)力災(zāi)害的弱化控制機(jī)理及其實(shí)踐[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,35(3)：301-305.

LUCai-ping,DOULin-ming,WUXing-rong.Controlledweakeningmechanismofdynamiccatastropheofcoalandrockanditspractice[J].JournalofChinaUniversityofMining&Technology,2006,35(3)：301-305.

[2]竇林名,陸菜平,牟宗龍,等.沖擊礦壓的強(qiáng)度弱化減沖理論及其應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2005,30(6)：690-694.

DOULin-ming，LUCai-ping，MOUZong-long,etal.Intensityweakeningtheoryforrockburstanditsapplication[J].JournalofChinaCoalSociety，2005,30(6)：690-694.

[3]歐陽(yáng)振華,齊慶新,張寅,等.水壓致裂預(yù)防沖擊地壓的機(jī)理與試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(增2)：321-325.

OUYANGZhen-hua,QIQing-xin,ZHANGYin，etal.Mechanismandexperimentofhydraulicfracturinginrockburstprevention[J].JournalofChinaCoalSociety,2011,36(Suppl.2)：321-325.

[4]黃炳香,程慶迎,劉長(zhǎng)友,等.煤巖體水力致裂理論及其工藝技術(shù)框架[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011,28(2)：167-173.

HUANGBing-xiang,CHENGQing-ying,LIUChang-you,etal.Hydraulicfracturingtheoryofcoal-rocktechnicalframework[J].JournalofMining&SafetyEngineering，2011,28(2)：167-173.

[5]黃炳香,鄧廣哲,劉長(zhǎng)友.煤巖體水力致裂弱化技術(shù)及其進(jìn)展[J].中國(guó)工程科學(xué),2007,9(4)：83-88.

HUANGBing-xiang,DENGGuang-zhe,LIUChang-you.Technologyofcoal-rockmasshydraulicfractureweakeninganditsdevelopment[J].EngineeringScience，2007,9(4)：83-88.

[6]楊仁樹(shù),孫中輝,佟強(qiáng),等.靜態(tài)破碎劑膨脹作用下試件裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究[J].工程爆破,2010,16(3)：7-11.

YANGRen-shu,SUNZhong-hui,TONGQiang，etal.Experimentofcrackpropagationintestspecimenunderexpansiveactionofstaticcrackingagent[J].EngineeringBlasting，2010,16(3)：7-11.

[7]張子飛,來(lái)興平.復(fù)雜條件下急斜厚煤層高階段綜放開(kāi)采超前預(yù)爆破[J].煤炭學(xué)報(bào),2008,33(8)：845-848.

ZHANGZi-fei，LAIXing-ping.Segmentpre-blastingofsublevelcavingofsteepandthickcoalseamundercomplexconditions[J].JournalofChinaCoalSociety,2008,33(8)：845-848.

[8]來(lái)興平,漆濤,蔣東暉,等.急斜煤層水平分段頂煤超前預(yù)爆范圍的確定[J],煤炭學(xué)報(bào)，2011,36(5)：718-721.

LAIXing-ping,QITao,JIANGDong-hui,etal.Comprehensivedeterminationofdimensionofsegmentpre-blastingofsub-leveltopcoalcavinginsteepseams[J].JournalofChinaCoalSociety，2011，36(5)：718-721.

[9]來(lái)興平,崔峰,曹建濤,等.特厚煤體爆破致裂機(jī)制及分區(qū)破壞的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(8)：1 642-1 649.

LAIXing-ping,CUIFeng,CAOJian-tao,etal.Extra-thickcoalblastingmechanismandnumericalsimulationofpartitionfailure[J].JournalofChinaCoalSociety，2014，39(8)：1 642-1 649.

[10]來(lái)興平,伍永平,曹建濤,等.復(fù)雜環(huán)境下圍巖變形大型三維模擬實(shí)驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010,35(1)：31-36.

LAIXing-ping,WUYong-ping,CAOJian-tao,etal.Experimentonrock-massdeformationoflargescale3D-simulationincomplexenvironment[J].JournalofChinaCoalSociety,2010，35(1)：31-36.

[11]崔峰.復(fù)雜環(huán)境下煤巖體耦合致裂基礎(chǔ)與應(yīng)用研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

CUIFeng.Studyonthecoupled-crackbaseandapplicationforcoal-rockundercomplicatedenvironment[D].Xi’an：Xi’anUniversityofScienceandTechnology,2014.

[12]曹建濤.復(fù)雜煤巖體結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)預(yù)報(bào)與控制研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

CAOJian-tao.Predictionandcontrolresearchonminingseismicityoccurrencesundercomplexcoal-rockmasses[D].Xi’an:Xi’anUniversityofScienceandTechnology，2014.

[13]陸菜平,竇林名.隧道圍巖的損傷與聲電監(jiān)測(cè)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004,29(1)：41-44.

LUCai-ping,DOULin-ming.Damageandmonitoringwithacousticemissionandelectromagneticemissionofrocksaroundthetunnel[J].JournalofChinaCoalSociety，2004,29(1)：41-44.