厚硬煤层综放开采水压致裂技术及应用研究

宁廷州 戴华宾 雒军莉 朱国强 任文涛

(1. 兖矿新疆矿业有限公司硫磺沟煤矿，新疆自治区昌吉回族自治州，831100； 2. 山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590； 3. 山东唐口煤业有限公司，山东省济宁市，272055)

坚硬厚煤层水压致裂弱化技术是利用水压力作用，迫使孔壁起裂及裂纹扩展致裂预先弱化破坏煤体的宏观、细观结构，导致孔壁起裂以及裂纹扩展破坏煤体结构，进而弱化煤体强度。许多学者对水压致裂裂纹起裂扩展、煤层增透等方面进行了大量研究。邹庆研究了压力驱动裂纹萌生、扩展以及失稳的过程，并同时实例模拟分析了矿井顶板突水的过程；李士斌等建立了清水压裂过程中缺陷性岩体应力场—损伤场—渗流场耦合本构模型和破坏准则，并分析了拉伸和压剪应力下裂缝的扩展规律；赵源等在理论分析水压致裂起裂机理和起裂方向的基础上，采用数值模拟对煤层水压致裂增透范围进行了分析，提出了压裂增透范围为宏观裂隙区、微裂隙贯通区、微裂隙产生区(受拉区)和原生裂隙扰动区(压应力恢复区)之和。

上述研究均是针对煤岩体在水压作用下微观破裂研究，对于具体工程现场应用依旧缺乏针对性。本文采用模拟分析、现场试验相结合的方式，针对新疆矿区硫磺沟煤矿坚硬厚煤层综放顶煤冒放困难等问题，通过现场实测手段对坚硬厚煤层水压致裂进行了工业化试验，得到水压致裂时间与水压之间的关系，对于弱化顶煤硬度、提高工作面回采率具有重要意义。

1 地质概况

硫磺沟煤矿(9-15)06工作面平均埋深367.65 m，主采9-15号煤层平均厚度32.94 m，煤体硬度普氏系数f=3，为坚硬厚煤层赋存，采用综采放顶煤开采。在综放开采过程中，由于煤层硬度大，在矿山压力与液压支架共同作用下不能实现顶煤的充分预破碎，达不到支架放煤所需的合适破碎块度，顶煤不能在支架上方及时冒落并顺利从支架后部放煤窗口放出，导致资源回收率低。为降低采空区残煤量，提高工作面回采率，通过数值模拟、现场工艺实施，研究了水压致裂对于坚硬煤体强度弱化效果分析。

2 水压致裂数值模拟试验

2.1 煤体水压致裂作用机理

在坚硬厚煤层开采过程中采用水压致裂技术基本作用原理是在开采煤层中预先打设钻孔，在封闭的钻孔空间利用高压水介质，煤体克服自身的抗拉强度与最小主应力之间的作用产生破裂，煤体的原生裂纹与新裂纹在高压水压力的作用下持续扩展，从而达到对煤体强度及力学性质进行改造的目的。

2.2 数值模型建立

采用矩形平面模型开始建模，选用16 m×16 m的矩形模型，以矩形形心为中心开挖孔洞，初步设定孔径为0.2 m，水压作用于孔的内部边缘，水压增量为0.3 MPa，并假设试样内具有稳定的渗流场。依据硫磺沟煤矿9-15煤层试验数据确定基本力学参数具体数值如下：均值度为3 m，弹性模量均值为3.32 GPa，泊松比为0.23，抗压强度均值为35.35 MPa，抗拉强度均值为2.21 MPa，摩擦角φ为38°，渗透系为0.01 m/d，残余强度系数λ为0.1。

2.3 数值模拟分析

模拟在σx=5 MPa、σy=8 MPa条件下，水压致裂水压力分布与裂纹扩展演化规律如图1所示。结合声发射次数与加载步的关系，得到水压致裂条件下裂纹起裂压力、裂纹持续扩展以及煤体达到崩塌状态的的压力情况。

由图1可知，当加载至step21-1，水头压力达到9.8 MPa时，孔内开始出现裂纹，并伴随有声发射产生，表明钻孔在水压力的作用下，逐渐开始产生破坏。当加载至step22-6，水头压力达到10.09 MPa时，孔内裂纹开始出现持续性扩展，同时随着裂纹扩展，声发射大量出现，直至煤体试样完全失稳、崩塌，此时水压致裂压力达到最大值。

3 水压致裂现场实施工艺及效果

3.1 现场实施工艺

针对坚硬厚煤层赋存条件，设计了水压致裂现场实施工艺，主要有封孔和注水两道主要工序。水压致裂动力系统主要组成包括水箱、高压泵站、控制阀、高压管路以及封孔器等。辅助设备是压力表和流量计，主要是实时观测注水过程中压力变化和水的注入量。水压致裂施工流程为：向水压致裂钻孔内推置专用封孔器→敷设高压管路→水压致裂设备运转情况检查→专用封孔器封孔→开启注水阀门进行水压致裂→水压致裂结束，工艺系统设备布置示意图如图2所示。

图2 工艺系统布置图

结合工作面实际情况，在轨道平巷一侧进行水压致裂工业现场试验。每组水压致裂孔依次编号为1、2、3，每组预裂孔包含3个钻孔编号为1#、2#、3#，整体编号为1-1#、1-2#、1-3#；2-1#、2-2#、2-3#；3-1#、3-2#、3-3#。轨道平巷1#钻孔深度为11 m，1#钻孔封孔器距孔口的距离为9 m，轨道平巷2#钻孔深度为17 m，2#钻孔封孔器距孔口的距离为12 m，轨道平巷3#钻孔深度为34 m，3#钻孔封孔器距孔口的距离为15 m，具体参数如表1所示。

表1 水压致裂钻孔参数

3.2 水压致裂效果分析

现场采用矿用高压乳化液泵记录现场水压致裂时间、压力，并绘制水压致裂时间与注水压力关系曲线图，如图3所示。

图3 水压致裂时间与注水压力关系图

由图3可知，水压致裂注水压力随时间变化逐渐处于上升阶段，并伴随有裂纹起裂；当裂纹扩展开启后，注水压力几乎处于稳定状态下，裂纹扩展压力出现在10 MPa左右，随裂纹的持续扩展，压力会出现突然升高或降低；当煤体内裂隙贯通，内部崩塌后注水压力会出现持续性下降。

通过采用YTJ20型岩层探测记录仪探测水压致裂实施前后的钻孔内裂纹扩展对比情况如图4所示。由钻孔电视进行精细化探测发现，7-1#、8-1#水压致裂孔内实施水压致裂前，钻孔内壁呈现十分完整的形态，孔内原始裂纹并不明显，煤层裂隙发育程度不高；实施水压致裂后破裂集中分布在封孔器以里区段内(即水压致裂压裂区域)，主要为裂隙沿孔壁径向开裂以及沿孔壁呈螺旋状扩展且裂纹开裂效果明显。探测结果表明，水压致裂对于弱化煤层具有良好效果。

图4 水压致裂效果前后对比图

4 结论

(1)通过采用钻孔电视探测仪发现，(9-15)06工作面煤层厚度大、煤体强度大、节理裂隙不发育，综放开采条件下存在顶煤冒放困难等问题。

(2)采用数值模拟计算，得出(9-15)煤层水压致裂裂纹扩展压裂为10.09 MPa，与现场实际水压致裂裂纹扩展压力基本吻合。

(3)通过采用顶煤水压致裂技术现场试验，得到了水压致裂后钻孔内裂纹扩展的宏观形态、裂隙分布特点。结果表明，水压致裂对于提高煤体裂隙度、降低煤体整体强度、提高煤炭采出率具有十分重要的意义。