急倾斜特厚煤层耦合致裂与破碎工艺研发及应用

急倾斜特厚煤层耦合致裂与破碎工艺研发及应用

陈建强1,来兴平2,3,崔峰2,3,雷兆源2，3，王宁波1，4,漆涛1,曹建涛2,3,单鹏飞2,3

(1.神华新疆能源有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830027；2.西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054； 3.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；4.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116)

摘要：水压致裂(hydraulic fracturing,HF)与预爆破(pre-split-blasting,PSB)是有效致裂坚硬煤岩体和促进安全开采的技术手段。其存在压裂效果差、润湿周期长、致裂方向、大小与范围有限和易诱发灾害等。针对急倾斜特厚煤层破碎难题，通过理论分析、数值计算、模型实验和现场应用等方法，揭示弱碱性石灰水耦合致裂与破碎机制。基于声发射(Acoustic emission,AE)观测与裂隙光学捕获(Crack Activity Optical Acquiisitions,CAOA)技术方法，揭示了煤岩体裂隙萌生扩展与转异规律。对比分析表明，在煤岩体体积膨胀中产生明显侧向压力，显著促进煤岩体裂隙扩展演化，裂隙扩展速度呈现先增后降趋势。应用实践表明，顶煤破碎度、冒放性和回采率显著提高，开采环境明显改善，这对急倾斜煤层安全高效开采与环境安全具有科学与工程应用价值。

关键词：急倾斜特厚煤层；耦合致裂与破碎；声发射；裂隙扩展与转异；光学观测

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0201

文章编号：1672-9315(2015)02-0139-05

收稿日期：*2014-12-15责任编辑：刘洁

基金项目：973计划前期专项(2014CB260404)；973国家重点基础研究发展计划(2015CB251600)；国家自然科学基金(煤炭联合基金)重点项目(U13612030)；西安科技大学博士(后)启动金(2014QDJ070)；新疆自治区高新技术计划(201432102)和陕西省重点科技创新团队计划(2013KCT-16)

通讯作者：陈建强(1970-),男,山东临沂人,高级工程师,E-mail:499234655@qq.com

中图分类号：TD 322；TD 353文献标志码： 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

水压致裂(Hydraulicfracturing，HF)与预裂爆破(Pre-splitblasting，PSB)是加速特厚煤岩体破碎和促进安全高效开采的有效实用性技术手段[1-2]。但是，受煤岩体赋存性、结构性、物性和缺陷(节理裂隙)等影响[3-5]，水压致裂工艺实施中注水极限范围和渗透路径及持续时间难以调控[6-8]，预爆破易诱致巷道破坏、装备损毁和动力学灾害[9-10]。耦合致裂破碎方法[11](Couplingfracturingandcrackmethod，CFCM)是通过流动性膨胀功能介质作用增大体积膨胀应力应变(率)，加速裂隙尺度扩展与转异，提高破碎度和增透性，在能源开采与环境调控领域得到有效应用。神华新疆能源公司乌东煤矿急倾斜(45°～87°)特厚煤层(30m以上)高阶段(15～27m)水平分段综放面较短，受煤层倾角影响，注入水沿着(急倾斜)煤岩体倾角渗流演化，水压保不住，现场煤岩体原位改性区域与范围受控，制约致裂破碎效果[12]。煤体含有大量瓦斯和硫化氢，集中突发溢出伤人事故时有发生，严重制约急倾斜特厚煤岩体破碎性、冒放性和采收率提高[13]。因此，研究解决有效适用性煤岩体致裂破碎工艺与方法，加速煤岩体致裂，提高破碎度与增透性，降低冲击地压与煤与瓦斯突出倾向，对开采现场灾害调控、环境安全和高效生产至关重要。针对急倾斜特厚煤岩体有效致裂破碎机制与工程应用问题，通过理论分析、数值计算、模型试验和基于声发射(Acousticemission,AE)与裂隙活性光学捕获(CrackActivityOpticalAcquisitions,CAOA)方法，揭示弱碱性石灰水为注入基质煤岩体裂隙萌生、扩展与转异特征，为特厚煤层高效开采与灾害调控提供依据。

1耦合致裂破碎机制

耦合致裂破碎机制的实质就是先注后爆，实现煤岩体原位改性与煤层本质安全。预先在煤体内注入碱性石灰水，通过其水化反应形成膨胀效应，在一定时间内产生较大膨胀力，使煤岩体内部产生初始开裂，石灰水水压促进裂隙扩展，提高煤岩湿润性，降低力学强度。与传统爆破相比，注水煤岩体在后续乳胶基质炸药爆破下，加速了煤岩体内部裂隙水流动时间，导致煤岩体充分碎裂，实现降温抑尘，驱替瓦斯-降解硫化氢、控灾和高效开采目的。

根据急倾斜煤层倾角大特点，碱性水注入煤体后形成一定水力坡度，增加了膨胀力，减速煤岩体内部裂隙萌生与扩展速率，提高致裂效果。

FLAC数值计算表明，单孔径向孔隙压力分布表现为压力先增后减，中后期出现峰值压力；沿钻孔方向位移持续增大，中后期出现位移峰值(图1)。现场监测表明，加入石灰水后，煤体钻孔内部破裂程度加剧、裂隙活性显著增强，强度明显降低(图2)。

图1　试样内部监测点位移变化特征 Fig.1　Displacement variation characteristics of internal monitoring point in sample

图2　注水压力变化 Fig.2　Change of injection water pressure

2煤岩体耦合破裂AE特征实验

声发射(AE)是揭示煤岩体裂隙萌生与扩展规律的先进技术手段。实验中采用AE考察试件内部裂隙发生与扩展规律，图3(a)反映了AE事件和能率与持续时间关系。试验过程中以中小事件为主，幅度低于45.5dB占80%，AE峰值达1 066次/s，能率峰值629，持续时间18 654.5μs.事件数与能率达到峰值的持续时间分别为1 600s和2 080s.整个试验过程中，AE事件数呈现先增后降特征规律。其中，在加注石灰水后的前60s内，无AE信号；随着石灰水的不断膨胀与硬化，膨胀压力对裂隙产生二次挤压，AE信号出现了明显转异，AE数与能率均达峰值，煤体破裂加剧、裂隙活性显著增强，强度明显降低。

图3　试件内部损伤与裂隙扩展 AE事件-能率-时间关系 Fig.3　AE relationship of events-energy rate-time for specimen on internal damage and crack extend (a) AE事件数　(b) 能率

煤岩体破裂过程中AE参数变化与强度劣化之间关系如下

2.1初始破裂阶段

在初始阶段(图3(b)阶段1)，AE事件与能率处于较低水平，裂隙发展速度相对较慢，预示着煤岩体临界破裂，AE事件数和能率峰值分别为335个/s和151mv·μs，持续时间分别为400s和392s，由于试件孔隙效应，基本没有裂隙产生。在石灰水不断作用下，出现初始损伤与裂隙(图3(b)阶段2)，AE数和能率明显增多加大，峰值分别为591个/s和328mv·μs，持续时间分别为1 110s和1 050s，裂隙扩展方向和数目有所增加。

2.2破裂加速与裂隙扩展阶段

由于石灰水大范围作用，试件内部能量急剧释放，试件内部破裂加剧，出现大量新裂隙后，未饱和石灰水大量渗入，裂隙加速扩展(图3(b)阶段3)，AE数和能率急剧增加，试件内部孔壁裂隙发展速率与破裂范围大幅度加大，裂隙扩展方向和数目明显增加，AE事件和能率峰值分别为1 066个/s和629mv·μs.

2.3裂隙稳定与能量释放阶段

AE事件和能率均达到峰值(图3(b)阶段4)。由于试件内部裂隙与石灰水之间存在固液互驱与竞争作用，持续时间较长。AE数和能率在较短时间内急剧下降，持续时间为1 950～2 320s，AE事件和能率分别达到259个/s和220mv·μs.随时间持续演化，残余能量瞬间释放，AE事件和能率峰值347个/s和189mv·μs(图3(b)阶段5)，与前述各阶段相比，明显降低，预示大范围失稳发生。

3基于裂隙扩展光学观测的破裂规律

基于裂隙扩展光学观测(CAOA)，对裂隙空间展布(方向和数目)进行测量，煤样局部破裂呈“无裂-裂纹出现-裂隙增加与转异-稳定”演化过程。注入石灰水之前与开始浇注石灰水时孔壁光滑，原始裂隙在宏观监测上并未有明显变化(图4(a))。受石灰水作用产生挤压力，出现新裂隙，初始裂隙开始扩展，孔壁裂隙较为明显，钻孔出现小变形(图4(b))。由于石灰水渗透演化范围扩展，膨胀压力得到最大释放，孔壁裂隙数显著增加，钻孔出现明显变形(图4(c))。随石灰水的凝固作用逐渐减弱，钻孔形状不再有明显变化(图4(d))。

图4　试件内部裂隙发展特征规律 Fig.4　Characteristics on internal crack evolution of specimens (a) 1阶段　(b) 2阶段　(c) 3阶段　(d) 4阶段

4现场应用实践

急倾斜特厚煤层高阶段综放顶煤破碎难点在于：受煤层节理与裂隙倾角影响，传统注水方法，无法较好地实现煤层保水压裂，润湿性难改善，破碎与弱化区域范围控制难度较大，影响顶煤冒放性与开采效率与环境安全。现场利用水平工艺巷分层压裂和垂直钻孔分段改造方法与技术(图5)应用，加速主裂缝与多级次生裂缝交织形成裂缝网络系统，最大限度提高煤层破碎度、渗透率、冒放性和瓦斯与硫化氢降解率，提高开采安全性和复杂难采煤层采收率。

图5　现场耦合致裂破碎工艺 Fig.5　Coupled-crack and crush technology on field

应用表明，耦合致裂破碎方法优点如下

4.1提高顶煤破碎度、冒放性和回采率

鉴于急倾斜煤层地质赋存特点，综放面较短，最大为50m，以往利用矿压破煤与放煤，回采率较低。采用耦合致裂破碎顶煤方法后，试验面采出率从平均61.34%，提高到86.10%，日产量从原先的平均1 148.3t，提高到1 899.1t.

4.2降低动力学灾害诱发倾向

2011—2013年，在高阶段水平分段综放开采过程中，煤岩冒落易产生冲击地压等动力学灾害。2014年，应用耦合方法后，煤岩润湿性得以改善，内在弹性能降低，消除了煤岩动力灾害的岩性特征，缓解巷道局部化带诱发滑落式结构失稳倾向，动力灾害明显减少。

4.3提高增透性与环境安全性

通过提前注入石灰水等碱性介质等，促进固-液互驱，延长水体在裂隙间流动时间，扩大裂隙尺度与透气性，加速气体充分放出，瓦斯降至0.1%以下，减少积聚或煤与瓦斯突出的可能性。同时，煤体内硫化氢与石灰水反应，硫化氢明显降低，煤尘降低10.0%.

总之，随着急倾斜顶煤致裂破碎技术规模化应用需求，增加碱性基质，这对改进前致裂工艺、促进急倾斜煤岩体致裂工艺改进、环境安全和高效开采具有现实必要性。

5结论

1)受煤层倾角、节理与裂隙影响，急倾斜特厚煤层保(水)压致裂效果调控难度较大，耦合致裂破碎方法对促进急倾斜特厚煤层综放安全开采工艺改进至关重要；

2)通过理论和实验分析，揭示碱基石灰水作用下，煤岩体内部破裂-AE参数变化-强度劣化之间关系，裂隙扩展速度基本呈现先增加后降低趋势，裂隙萌生-扩展-失稳过程明显；

3)现场应用表明，煤岩裂隙活性增强，有利于煤体弱化，增加致裂区域与范围，这对促进急倾斜煤岩体致裂工艺改进和安全高效提供依据。

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