水压致裂软化方案的工程应用

张书卿

(山西忻州神达能源集团有限公司，山西　忻州　034000)

水压致裂软化方案的工程应用

张书卿

(山西忻州神达能源集团有限公司，山西忻州034000)

摘要以新疆屯宝煤矿1193综放工作面为研究对象，针对该工作面的实际情况，制定了水压致裂软化方案，采用煤层注水软化技术，对该工作面复杂煤层进行注水软化。通过实施顶煤超前预注水弱化技术，优化了注水工艺和参数，并计算获得了坚硬煤层进行注水弱化的相关参数。现场实施效果表明，注水后，煤层达到的压力值明显减小，有效减弱了煤层的冲击倾向性，同时降低了成本，减少了设备故障发生次数，提高了综放开采安全生产能力，经济效益明显。

关键词综放工作面；煤层注水；软化

1概况

新疆屯宝煤矿位于我国的西部地区，特殊的地理环境、气候及土质等造就了其煤体与其他地方煤体的不同。该地区的煤体煤层多为复合型，大约有4个，并且倾斜角为10°～20°，测量煤层的厚度在M4-5、M9-10煤层之间，宽约0.6 km，长约2.2 km，面积约1.32 km2.当中标号是M9的煤层厚约4.08 m，标号是M10煤层厚约3.9 m.M4-5煤层的平均厚度在5.5 m左右， M9与M10存在约1.1 m的夹矸。

屯宝煤矿1193工作面在综放开采过程中遇到以下情况：

1) 复合煤层结构较为复杂。2) 顶板为厚砂岩，位于1154工作面采空区的下方，顶板矿压显现规律尚不清楚。3) 工作面的上部M4-5煤层采空区及煤柱使M9-10煤层中的卸压区和应力集中区共同存在，顶煤和基本顶破坏压力异常。

为解决1193工作面存在的问题，改进缓倾斜复杂煤层顶煤弱化的采煤新技术和工艺，采用煤层注水软化技术，对1193综放工作面复杂煤层注水软化，控制复杂难采煤层的顶板破坏演化过程，改善煤层的结构和减弱应力集中现象[1].

2试验工作面的基本情况

1193工作面的组成颗粒相对比较粗大，组成砂岩以粗或者中粗类型为主，造成煤层伪顶和直接顶之间的差距约11.14 m.同时，粗砂岩和中粗砂岩彼此间存在叠加或错落。岩石的底板没有伪底板，而直接底的成分是泥质砂岩，其硬度比较中等，层理具有显著的裂隙节理不发育的特点[2].

与此不同的是，M4-5煤层主要由细砂岩等颗粒较小的岩石构成，其抗拉强度为3.15 MPa，干燥强度约为84.3 MPa.若置于饱和状况之下，其强度将产生变化，通常变化处于1.29～31.3 MPa，并且可以使煤层变得较为柔软。通过研究计算，其软化程度的平均值为0.29.

M9-10煤层顶板具有不一样的地貌特征，较为平行，并且主要以粉砂岩为主，颜色以褐色为主，致密而且坚硬，如果处于一种较为饱和的状态，其能够承受的压力为1.29～20.6 MPa，能够被软化程度的平均值为0.25，干燥强度在51.24～82.7 MPa，抗拉强度在3.3～5 MPa，单项的抗剪强度处于5.48～7 MPa.该煤层底板的粉砂岩成分表现为黑色，并且在饱和状态下的压力承受能力为31.3 MPa，其软化程度的平均值为0.38.

1193综采工作面采用煤层的底板设计巷道，确定长度为1 284 m，高度为65 m，并且以1∶2的采放比处理煤层的顶板。

1193综采工作面过道长1 284 m，宽198 m,高65 m,这种比例是科学合理的。

3水压致裂软化方案

3.1　工程的施工方案

1) 注水平台的布置。

图1　1192综采工作面沿煤层倾向注水孔布置立面图

沿煤层倾向施工1个注水平台，注水平台施工于M9-10煤层夹矸的顶部，注水平台内注水硐室布置钻场。1193综采工作面沿煤层倾向注水孔布置立面图见图1. 2) 按煤层的走向来安排钻孔的位置。

a) 钻孔数量：沿煤层走向于注水平台相对布置2组钻孔，每组11个钻孔，共计22个。

b) 钻孔长度：150 m.

c) 封孔长度：10 m.

d) 钻孔直径：113 mm.

e) 封孔方式：运用BQF-100封孔器完成。

3.2　单个注水孔的注水量和时间的计算

根据注水量的计算公式：

(1)

式中：

h—注水孔的半径，m，取12.5；

L—钻孔长度，m，取150，按照有效长度140 m计算；

λ—煤体密度，t/m3,取1.3；

δ—含水率，即1 t煤所需要注水的体积,t/m3，取0.01.

Q—单孔注水量，m3；

K—注水系数，取1.1.

对于注水泵的选择需要考虑多方面的因素，其中最主要的因素为煤体的渗透性以及注水泵钻孔的长度。不同的注水泵，注水时间是不一样的，并且是确定的[3].所以,选定了注水泵，即可以确定时间t：

(2)

其中，将注水泵的注水量表示为q，由于有些型号的注水泵注水速度较慢，在较大程度上阻碍了注水的速度，所以在这种情况下一般会考虑使用两台以上的注水泵共同工作。

屯宝煤矿所选定的注水泵的注水量为80 L/min.通过上述的公式可以得出如果给M9-10煤层注水，最少需要的时间为15天。

3.3　注水压力的确定

在判定渗透系数的过程中，有必要使用T=aexp(-bθ+cP)[4].在此公式中，为了试验的准确性，开采深度是一样的，将T确定为不变的量，可以将公式进行简化：

(3)

则一维的渗流方程是：

(4)

通常，使用注水泵通过动压对煤层进行注水，也就是说，注水过程中的水流量是设定好的，通过数学公式来表达，即：

(5)

解答为：

(6)

式中：

P—注水压力，MPa；

γw—水的比重，kg/cm3，取0.001；

c—导水系数根据水压上升的指数系数，MPa-1；

q1—单位注水孔的长度、单位时间以及单位煤层之厚度的一半注水量，cm/h；

P2—注水区域边界的压力，MPa；

K—重复浸湿系数，取1.2；

a—导水系数初值，cm/h；

L—注水渗透半径，cm.

带入M9-10煤层参数可得：M9-10煤层注水压力为10 MPa.

4现场实施效果

1) 现场试验的观测情况。

煤层经过注水弱化的过程后，煤体坚硬的性质被改变，位于架前工作面的煤壁质地变得较为松弛和柔软，降低了应力汇集的发生，预防了冲击地压现象的出现[5].

2) 现场的数据分析。

a) 对比M9以及M10煤层在注水前后的含水率状况。M10煤层的前后对比为3.5%和7.8%，增幅为4%；M9煤层的前后对比为4.1%和6.4%，增幅为2%.b) 注水的湿润半径。通过对注水过程中淋水状况和弱化作用的观察和检测，在注水孔末尾16.5 m(±1.5 m)的地方能够实现弱化。M9-10煤层注水半径应在8～12 m.

3) 工作面注水效果分析。

a) 距离煤壁前方约10 m，注水前的压力约为147.5 MPa，而注水后的压力降至55.85 MPa.可见，注水后，煤层达到的压力值明显减小，减弱了煤层的冲击倾向性。b) 成本降低，设备的故障发生次数减少，经济效益显著。c) 提高了综放开采安全生产能力，减少了爆破使用量，避免了安全风险。

5结论

1) 通过实施顶煤超前预注水弱化技术，优化了注水工艺和参数，通过计算获得了坚硬煤层进行注水弱化的相关参数。以新疆屯宝煤矿1193工作面为试验背景，得出：以10 m为湿润半径进行煤层注水，单个注水孔的水量在240 m3左右，注水处超前工作面20～35 m，而停止处超前8～15 m，注水时长约为2周，采用的压力在10 MPa左右。

2) 距离煤壁前方10 m，注水前的压力约是147.5 MPa，注水后的压力降至55.85 MPa，由此可知，注水后煤层达到的压力值明显减小，有效减弱了煤层的冲击倾向性。

参考文献

[1]李建胜.综放开采预注水处理顶煤的注水参数确定方法研究[J].煤炭工程，2004(1)：17-18.

[2]康天合，张建平，白世伟.综放开采预注水弱化顶煤的理论研究及其工程应用[J].岩石力学与工程学报,2004(15)：23-24.

[3]陈海波，孟宪锐.含厚夹矸煤层的综放开采[J].黑龙江科技学院学报，2004(5)：38-39.

[4]石俊生，周游，康怀宇.赵各庄矿3137工作面煤层注水实用技术研究[J].华北科技学院学报,2012(2)：33-35.

[5]陈德虎，陈军伟，康怀宇.新阳矿综放工作面煤层注水技术应用[J].华北科技学院学报,2011(3)：29-30.

Engineering Application of Hydrofracturing Softening Scheme

ZHANG Shuqing

AbstractTakes 1193 fully-mechanized caving face of Tunbao coal mine in Xinjiang as the research object, according to the practical situation of the working face, the hydrofracturing softening scheme is formulated. Coal seam water injection softening technology is adopted to soften the working face complicated seam. By implementing top coal advanced water injection softening technology optimizes water injection process and parameters. By calculation obtains the water injection softening related parameters of hard coal seam. Field implementation effects show that after water injection pressure value of coal seam reduces obviously, effectively reduces the rock burst tendentiousness of coal seam, decreases the cost, reduces the equipment failure frequency, improves the safety production capacity of full-mechanized caving mining. The economic benefits are obvious.

Key wordsFully-mechanized caving face; Coal seam water injection; Softening

中图分类号：TD823.4+9

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)12-0036-03