鄧廣哲，王健航，張旭東

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

我國陜北礦區(qū)煤炭儲量豐富，陜煤集團小保當一號煤礦2-2號煤層，采用一次采全高綜合機械化開采方法。由于2-2號煤層內(nèi)含有致密堅硬特性的不同厚度的夾矸層，內(nèi)外生裂隙常被方解石和菱鐵礦薄膜充填，可見黃鐵礦顆粒，硬度中等，導致煤層夾矸截割性不良，污染煤質(zhì)。資料顯示，煤層夾矸單軸抗壓強度為56MPa，硬度系數(shù)大于6，表現(xiàn)為優(yōu)異的堅固物性，導致采掘截割困難，表現(xiàn)為對截割速度影響大，截割材料消耗量劇增，綜采產(chǎn)能受到嚴重制約，生產(chǎn)過程中支承壓力峰值和影響范圍隨夾矸層厚度的增加而增大，支承壓力峰值距工作面的距離隨夾矸層厚度的增加而減小[1]。尤其是綜采過程中煤層不穩(wěn)定分布、夾矸層結(jié)構(gòu)致密，采煤機割煤效率低，截割困難，環(huán)境污染嚴重，導致生產(chǎn)成本增加，直接影響安全高效的開采，甚至誘發(fā)安全隱患事故。

現(xiàn)階段，陶可、于飛在分析深孔預裂爆破的基本原理的基礎上，提出了深孔預裂爆破的材料和工藝，并且介紹了爆破的炮眼間距、炮眼深度、裝藥量等基本參數(shù)[2]。潘泱波利用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件對現(xiàn)場實際的爆破過程進行模擬計算，模擬計算不同爆破孔間距時應力波的擴展、質(zhì)點所受的有效應力以及爆破孔周圍裂隙的發(fā)育情況，證明了深孔預裂爆破技術(shù)用于弱化煤層夾矸的可行性和有效性[3]。閆少宏、寧宇等依據(jù)夾矸與老頂巖層具有注水軟化、強度降低的特性，對現(xiàn)場夾矸厚度大于0.8m的區(qū)域采取夾矸與老頂注水的技術(shù)措施，提高含夾矸頂煤體的冒放性[6]。而現(xiàn)階段的研究成果并未對煤層夾矸的軟化液參數(shù)及注水的施工參數(shù)進行明確系統(tǒng)的確定，本文通過實驗及模擬對煤層夾矸問題，提出預裂措施，并確定了最優(yōu)的軟化液參數(shù)、鉆孔的直徑間距及注水的壓力等，針對不同類型的矸石進一步提出了系統(tǒng)的壓裂方法，為現(xiàn)場生產(chǎn)提供可靠技術(shù)支持。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)情況

小保當一號煤礦112201首采工作面地表位于石拉界村莊以東，小草灣村莊以西。地表基本域被第四系風積半固定沙丘和固定沙丘所覆蓋，新近系保德組紅土零星出露，以風蝕、風積沙漠丘陵地貌為主。首采工作面東部相鄰設計的112207工作面，西部布置未開工的112202工作面，北至2-2開拓大巷，南部切眼中線距離井田邊界1515m。

1.2 工作面煤層夾矸分布

工作面運輸巷、輔運巷、內(nèi)回風巷和外回風巷等掘進期間，均已探測到堅硬矸層，其單軸抗壓強度56MPa，硬度系數(shù)大于6。導致鉆眼時間增長，由正常情況下的4～5min/眼延長至15～50min/眼，耗時增長7.2倍；鑿巖機使用臺班增加了一倍。鉆頭使用量大幅增加，平均每根錨桿(錨索)鉆頭使用量增多1倍，鉆桿消耗量增加20倍。根據(jù)煤層夾矸層的實測情況，采用三維視覺技術(shù)，給出了112201綜采工作面范圍內(nèi)夾矸層的3D結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 112201綜采面煤層夾矸3D結(jié)構(gòu)

在首采工作面回采過程中，多次遇到大面積硬巖夾矸情況。夾矸層的存在影響了采面推進速度，從15m/d降到了9m/d，每個月產(chǎn)量減少了50萬t，而截齒的耗損情況更為嚴重，生產(chǎn)效率降低。與此同時，對煤質(zhì)的影響也十分巨大，較一月份相比，三月份煤炭發(fā)熱量下降了700kcal，煤質(zhì)明顯變差，尤其是對開采安全造成威脅。因此，對堅硬不穩(wěn)定夾矸的科學破碎，提高采掘效率，節(jié)能降耗，減少開采安全隱患問題，已經(jīng)成為煤礦安全高效生產(chǎn)過程中亟待破解的關(guān)鍵難題。

2 夾矸巖石力學性質(zhì)分析

在112201綜采工作面煤系地層進行巖石結(jié)構(gòu)完整性鉆孔取芯分析，取芯地點選在112201回風巷夾矸巖層厚度較厚區(qū)域。取芯之后進行加工處理制成試件，將試件進行水、5%乳化液及1.5‰CO2液的浸泡對比實驗，通過在3種不同溶液下浸泡不同時間(15min、2h)后，測試試樣力學強度及含水率。

2.1 吸水率測定

巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)。主要有吸水性、破碎軟化性、滲透性等。巖石的吸水率也是表示巖石物理性質(zhì)的一個重要指標。由于它反映了巖石總開空隙率的發(fā)育程度，因此亦可間接地用它來判定巖石的注水能力和破碎軟化性。

(1)

為了與現(xiàn)實壓裂時相適應，實測時先將巖樣烘干，并稱重為試件的干質(zhì)量，然后分別稱量一組浸水15min、一組浸5%乳化液15min及一組浸1.5‰ CO2水溶液15min的巖樣重量。其中，1、2、3試件為浸普通水的準備試樣；4、5、6試件為浸5%乳化液的準備試樣；7、8、9試件為浸1.5‰CO2液的準備試樣。之后再進行一組浸水2h、一組浸5%乳化液2h及一組浸1.5‰CO2水溶液2h的實驗并進行稱重，計算吸水率，并與浸泡15min的巖樣吸水率進行對比。

2.2 巖石軟化性試驗

在標準試驗基礎上，進行的點荷載試驗是將巖石試樣置于兩個球形圓錐狀壓板之間，對試樣施加集中荷載，直至破壞，然后根據(jù)破壞荷載求得巖石的點荷載強度。

在進行吸水率測定之后，對干燥試樣、浸泡普通水15min和2h試樣、浸泡5%乳化液15min和2h的試樣以及浸泡1.5‰CO2水溶液15min和2h的試樣進行點荷載試驗，并記錄數(shù)據(jù)。吸水率測定及軟化性測定實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同試驗條件巖石吸水率及點荷載試驗

2.3 試驗結(jié)果分析

巖樣的吸水率反映了巖層中孔隙的數(shù)量及體積大小。從表1數(shù)據(jù)可以看出，巖石試樣在普通情況浸泡15min條件下吸水率較低，說明巖石較致密，孔隙少。對比不同溶液中的吸水率，在普通水中浸泡巖樣15min吸水率為1.01%；在5%乳化液中浸泡巖樣15min吸水率為0.63%，乳化液吸水率比普通水低37.6%；在普通水中浸泡巖樣2h吸水率為2.97%；在5%乳化液中浸泡巖樣2h吸水率為2.57%，乳化液吸水率比普通水低13.47%。對比不同吸水時間的吸水率說明，普通水溶液中浸泡2h是15min的2.94倍，5%的乳化液中浸泡2h是15min的4.08倍，說明短時間內(nèi)乳化液中的油脂分子容易堵塞巖樣中的孔隙，不利于巖樣的吸水破碎軟化，而隨著浸泡時間的增加，乳化溶液對巖石吸水率的影響逐漸減少。

浸泡后的巖石樣品抗壓強度降低，水溶液對巖石力學性能影響十分明顯。乳化液浸泡后試樣的含水率雖然略高于水溶液，但抗壓強度及破碎軟化系數(shù)的減小幅度明顯低于水溶液。因此，分析得知水溶液對該構(gòu)造區(qū)的硬巖能夠達到破碎軟化作用。另外從表中實驗數(shù)據(jù)可以得出普通水中浸泡巖樣2h軟化系數(shù)比浸泡15min軟化系數(shù)大4.2%，5%乳化液中浸泡巖樣2h軟化系數(shù)比浸泡15min軟化系數(shù)大7.2%，說明短時間乳化液中的油分子容易堵塞巖樣中的孔隙，不利于巖樣的吸水軟化，長時間浸泡在乳化液中的巖樣吸水軟化與普通水吸水軟化差距減小。

巖石試件在1.5‰CO2溶液中分別浸泡15min和2h，吸水率分別為1.57%、1.93%，從數(shù)值中看出吸水率反而較普通水低，造成原因是和巖石表面裂隙較發(fā)育部分充填礦物發(fā)生化學反應，造成松散碎石表層脫落，所以表現(xiàn)出吸水率低的假象；巖石試樣在1.5‰CO2水溶液中分別浸泡15min、2h強度為87.04MPa、53.25MPa，軟化系數(shù)分別為0.52、0.32，說明CO2水溶液碳酸與巖石中的礦物發(fā)生化學反應，造成強度急劇降低，軟化效果明顯。

2.4 巖石鉆孔預裂數(shù)值模擬分析

運用FLAC3D5.0數(shù)值模擬軟件，建立物理力學模型，對厚度0.6m≤H<2.0m區(qū)間的硬巖層采用單排布孔方式，采用不同孔徑、水壓對構(gòu)造帶硬巖預裂破碎規(guī)律進行分析：

1)注水壓力15MPa、單孔間距7m情況下，模擬鉆孔半徑40mm、45mm、50mm時塑性區(qū)分布范圍，如圖2所示，注水壓力穩(wěn)定后，鉆孔半徑40mm的塑性區(qū)變化范圍較小，孔與孔之間無應力重疊區(qū)域，當把孔徑增加到50mm后，塑性區(qū)重疊，說明增加鉆孔直徑能夠顯著改善壓裂影響范圍。

圖2 不同鉆孔直徑時塑性區(qū)分布范圍

2)基于現(xiàn)場測量，現(xiàn)有鉆孔的孔徑為85mm，通過上述模擬得到壓裂影響范圍與鉆孔的直徑成正比，故選取大直徑鉆孔更為合適。通過在鉆孔直徑90mm、單孔間距7m情況下，模擬注水壓力為10MPa、20MPa、30MPa時塑性區(qū)分布范圍，如圖3所示，塑性區(qū)范圍隨著壓力的提高而變大，增加壓力有利于裂隙的發(fā)育，但是壓力過大，容易使鉆孔之間裂隙貫通，形成粗大導水通道，建議增加壓力緩慢壓裂，形成毛細裂隙，充分破碎軟化巖石。

圖3 不同注水壓力時塑性區(qū)分布范圍

通過數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和形成過程的分析，認為采用小壓力、大流量，壓力過高容易形成鉆孔之間導通。根據(jù)相似情況工程實踐經(jīng)驗，鉆孔間距不宜過小，結(jié)合模擬結(jié)果，7m比較合理。

3 預裂技術(shù)方案

3.1 煤層夾矸分類情況

根據(jù)榆北煤業(yè)小保當一號煤礦112201首采工作面地質(zhì)條件可知，現(xiàn)開采的2-2煤層中存在著大量致密堅硬的夾矸，主要分為兩種：第一種類型，112201工作面100～560m范圍煤層中存在厚度0.6～1.7m，巖性為致密粉砂巖的夾矸層，該夾矸層連續(xù)貫通工作面，面積約16萬m2；第二種類型，工作面煤層中巖性以長石、石英、菱鐵礦為主，塊狀分布，含粘土碎屑，致密、堅硬且不穩(wěn)定分布的局部夾矸，厚度0.4～2.5m，最大長度超過40m。12201工作面夾矸分布如圖4所示。

圖4 12201工作面夾矸分布

3.2 技術(shù)方案設計

針對112201綜采面煤層堅硬夾矸破碎問題，開發(fā)硬巖夾矸層預裂破碎新技術(shù)、提高首采面的生產(chǎn)效率、大幅度降低生產(chǎn)成本是本設計的基本宗旨。目前，國內(nèi)外有關(guān)煤礦硬巖軟化破碎，主要采用礦山壓力、人工預裂和煤機截割三種技術(shù)方法。其中，常用的人工干預技術(shù)包括炸藥爆破和水壓致裂兩種。

1)根據(jù)112201工作面、回風巷、運輸巷夾矸統(tǒng)計分析結(jié)果，在巖石破碎理論指導下，采用煤巖層物理化學力學特征分類方法對大面積夾矸進行分類研究，包括：①對112201綜采工作面的煤層夾矸層地質(zhì)學選點定位，根據(jù)煤層夾矸分類，對煤層夾矸預裂關(guān)鍵點進行標識；②對工作面、回風巷、運輸巷不同層位夾矸層的巖芯進行采集及標準制樣測試巖石化學力學實驗。

2)根據(jù)工作面夾矸的不同類型分析，提出大面積堅硬夾矸分類預裂方法。采用高壓水刀預裂、氣體聚能爆破、高壓壓裂、酸化一體化的預裂破碎新技術(shù)針對性解決不同類型夾矸層的有效破碎問題，如圖5所示。

圖5 預裂方法與夾矸分類致裂的關(guān)聯(lián)關(guān)系

3)針對綜采煤層夾矸破碎問題，采用超前綜合壓裂破碎方案，并輔助可視化效果監(jiān)控，如圖6所示。由圖6可知：在工作面采區(qū)前方沿工作面巷道超前實施工作面全長水平長鉆孔預裂；鉆孔初期夾矸完整，及時采取高壓水預裂形成預制定向裂縫網(wǎng)；預裂縫完成后，進行動靜壓耦合壓裂破碎施工，形成貫通型裂隙破碎網(wǎng)絡。該破碎過程由預裂-壓裂-氣水耦合酸化按一定工藝組成，具有定向作用，破碎網(wǎng)絡可控性好，對工作面煤層頂?shù)装迕鈹_動，以保證綜采面的安全及截割效率。

圖6 煤層夾矸破碎設計

小保當一號煤礦112201綜采工作面夾矸破碎工程，通過硬巖夾矸預裂破碎新技術(shù)現(xiàn)場示范，并取得成功，為小保當含堅硬夾矸煤層科學開采提供技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

1)我國陜北榆林礦區(qū)硬巖夾矸層，結(jié)構(gòu)致密，單軸抗壓強度高，但受到夾矸結(jié)構(gòu)帶的影響，巖石貫通裂隙發(fā)育，導水性較好。通過對巖石進行吸水性和軟化性實驗，可知浸泡后的巖石樣品抗壓強度降低，約為原始樣品抗壓強度的35.5%，軟化系數(shù)為0.64，水溶液對巖石力學性能影響十分明顯。不飽和酸活性水溶液浸泡后試樣的含水率雖然略高于水溶液，但抗壓強度及軟化系數(shù)的減小幅度明顯低于水溶液。因此，分析得知水溶液對該構(gòu)造區(qū)的硬巖能夠達到破碎軟化作用。通過數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和形成的過程的分析，認為采用小壓力、大流量，壓力過高容易形成鉆孔之間導通。根據(jù)相似情況工程實踐經(jīng)驗，鉆孔間距宜不宜過小。

2)預裂軟化破碎技術(shù)很好解決了硬巖夾矸層產(chǎn)煤過程的割煤效率低，截割困難，環(huán)境污染嚴重問題，提高了工作面產(chǎn)煤效率。同時，本文提出了水壓破碎新技術(shù)、工藝與新方法，根據(jù)不同的夾矸層，可按方法組合進行預裂；并且該技術(shù)在小保當煤礦工作面得到較好的應用，工作環(huán)境得到改善，工作效率得到提高，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。