煤層注水致裂技術(shù)原理及應(yīng)用

姜明星

(淮南礦業(yè)集團(tuán)公司張集煤礦)

煤層注水致裂技術(shù)原理及應(yīng)用

姜明星①

(淮南礦業(yè)集團(tuán)公司張集煤礦)

煤層注水致裂技術(shù)是不同于傳統(tǒng)煤層注水軟化技術(shù)的新型技術(shù),它改變了以往注水軟化技術(shù)長(zhǎng)孔、低壓、穩(wěn)流的特點(diǎn),利用高壓水所具有的切割、致裂特性,致裂破壞煤體,降低煤體硬度,提高煤炭可放性和回收率。

煤層;注水致裂;回采率

1 煤層注水致裂技術(shù)

煤層注水致裂技術(shù)是有別于傳統(tǒng)煤層注水軟化技術(shù)的新型技術(shù)[1-4],它改變了以往注水軟化技術(shù)長(zhǎng)孔、低壓、穩(wěn)流的特點(diǎn),其技術(shù)原理及工作過(guò)程如下所述:

1.1 煤層注水致裂技術(shù)原理及主要工作過(guò)程

1)注水致裂技術(shù)原理。利用高壓水對(duì)鉆孔周圍煤層產(chǎn)生切割及致裂作用,達(dá)到壓碎破壞煤層、減少采空區(qū)丟煤、提高工作面回采率的目的。主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:一是通過(guò)高壓水對(duì)鉆孔周圍煤層產(chǎn)生切割、致裂作用,達(dá)到致裂破碎煤層的目的,這是該項(xiàng)技術(shù)的核心;二是對(duì)致裂的煤層起到軟化(滲潤(rùn))作用;三是融解煤層生成過(guò)程中的膠解物,降低煤層的脆性。

2)主要工作過(guò)程。將橡膠封孔器插入注水鉆孔后,開(kāi)啟高壓注水泵,將高壓水注入鉆孔內(nèi),通過(guò)高壓水的壓力使封孔器橡膠部分膨脹變粗,封閉鉆孔的同時(shí),高壓水沿金屬頭內(nèi)小孔注入鉆孔,對(duì)鉆孔周圍煤體進(jìn)行切割及致裂,達(dá)到降低煤體硬度、提高煤層可放性的目的。

1.2 煤層注水致裂技術(shù)所需主要設(shè)備及型號(hào)

煤層注水致裂技術(shù)所需設(shè)備比較簡(jiǎn)單,主要有:

1)煤層高壓注水泵,型號(hào)3D2A-SZ,額定壓力20 MPa,額定流量135 L/min,額定功率45 kW。

2)橡膠封孔器,長(zhǎng)度1 m,外徑(直徑)40 mm,內(nèi)徑(直徑)23 mm,端部金屬頭孔徑5 mm。

3)普通套管釬子。

4)外徑為19 mm的高壓注水膠管。

1.3 煤層注水致裂技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)

1)采區(qū)概況。淮南礦業(yè)集團(tuán)公司某礦綜放面走向長(zhǎng)1 630 m,傾斜長(zhǎng)240 m,煤層平均厚度8 m,煤層傾角平均5°。煤層節(jié)理、層理不發(fā)育,煤質(zhì)較硬。煤層自燃發(fā)火期8個(gè)月,瓦斯絕對(duì)涌出量為1.02 m3/min,相對(duì)涌出量為1.49 m3/t。煤層的直接頂為3.9 m細(xì)砂巖,老頂為19.6 m粗砂巖,底板為20 m細(xì)砂巖,工作面采高1.8 m,采放比平均為1∶3。主要設(shè)備為1臺(tái)SGW-40T型刮板運(yùn)輸機(jī)。作業(yè)方式為:工作12 h,休24 h,大三班作業(yè),每天兩采兩放。

2)鉆孔布置。煤層注水致裂技術(shù)鉆孔布置方式為循環(huán)交叉布置,在工作面內(nèi)每循環(huán)注水鉆孔間距為20 m左右;上下兩道注水鉆孔間距為15 m,回風(fēng)道鉆孔長(zhǎng)10 m,機(jī)道鉆孔長(zhǎng)20 m,間距為15 m。

3)應(yīng)用效果。2009年3月至6月末,288采煤隊(duì)共采出煤量158.988 0萬(wàn)t,平均日產(chǎn)13 249 t。

2 煤層注水致裂技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)

2.1 煤層注水致裂技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1)可在較短時(shí)間內(nèi)提高工作面生產(chǎn)能力和回采率。在這方面,注水軟化與注水致裂相比,雖然也能達(dá)到提高工作面生產(chǎn)能力和回采率的目的,但所需要時(shí)間較長(zhǎng)(一般需要1～2個(gè)月),從目前各礦接續(xù)相對(duì)緊張的實(shí)際看,根本無(wú)法滿足注水軟化所需的時(shí)間。而注水致裂技術(shù)僅需要1～2 h,在工作面常回采過(guò)程中,就可達(dá)到提高工作面生產(chǎn)能力和回采率的目的。

2)可提高有效的工作時(shí)間。在實(shí)際工作中,采取深孔松動(dòng)爆破,需要較長(zhǎng)的打眼時(shí)間,特別是放炮過(guò)程中必須撤出工作面人員,導(dǎo)致硬幫開(kāi)幫時(shí)間過(guò)長(zhǎng),減少了放煤時(shí)間。而煤層注水致裂技術(shù)需要施工的注水鉆孔數(shù)量較少,打眼工在施工開(kāi)幫眼時(shí)就可以完成;同時(shí)在對(duì)煤層注水過(guò)程中,不需要撤出作業(yè)人員,增加了放煤時(shí)間,提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益,避免了深孔爆破對(duì)安全造成的危脅。

3)可降低原煤生產(chǎn)的直接成本。該項(xiàng)技術(shù)與松動(dòng)爆破技術(shù)比較,減少了火藥、雷管的消耗;與注水軟化技術(shù)比較,減少了工作面注水量,達(dá)到了少投入多產(chǎn)出的目的,可以降低煤炭生產(chǎn)的直接成本。

4)可較好地降低煤層瓦斯含量。采用該項(xiàng)技術(shù)時(shí),隨著大量高壓水注入,煤體原有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞,煤體內(nèi)自由面增多。煤體中含有的瓦斯,一方面水占據(jù)了空間而壓出;另一方面根據(jù)氣體易擴(kuò)散的特性,瓦斯將沿著自由面擴(kuò)散到上下兩巷和工作面中,被風(fēng)流稀釋,客觀上減少了煤體硬幫瓦斯涌出和采空區(qū)瓦斯積聚,降低了工作面發(fā)生瓦斯事故的概率。

5)可預(yù)防煤層及采空區(qū)浮煤自燃。在對(duì)煤層和采空區(qū)浮煤自燃問(wèn)題研究中,一般認(rèn)為沒(méi)有采取防火措施的煤體或采空區(qū)浮煤,當(dāng)溫度超過(guò)70°后就已處于自燃狀態(tài)的臨界點(diǎn),其溫度將直線上升導(dǎo)致自燃發(fā)火;經(jīng)過(guò)注水后的煤體或采空區(qū)浮煤在達(dá)到100°左右,才會(huì)出現(xiàn)溫度迅速升高自燃發(fā)火的現(xiàn)象。實(shí)踐證明,采用煤體注水致裂技術(shù),可以有效增加煤體含水量,提高煤炭自燃溫度的起始點(diǎn),達(dá)到預(yù)防煤層及采空區(qū)浮煤自燃發(fā)火的目的。

6)可降低一線職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。在未采用該項(xiàng)技術(shù)前,部分頂煤較硬的放頂煤工作面為增加循環(huán)產(chǎn)量,均不同程度地采用了深孔松動(dòng)爆破技術(shù)。但由于該項(xiàng)技術(shù)對(duì)頂煤破壞的范圍相對(duì)較小,每循環(huán)都需要向硬幫打眼爆破,增加了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度和火藥、雷管的消耗量。而采用此項(xiàng)技術(shù)后,每循環(huán)需要施工的注水鉆孔數(shù)量減少,有效減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

7)可改善一線工人的作業(yè)環(huán)境。在眾多采煤方法中,放頂煤開(kāi)采工藝對(duì)一線工人危害最大的是放煤過(guò)程中產(chǎn)生的煤塵。而采用煤體注水致裂技術(shù),有效增加了煤體的含水量,避免了工作面放煤過(guò)程中產(chǎn)生大量煤塵,改善了一線工人工作環(huán)境,減輕了工人的職業(yè)危害。

2.2 煤層注水致裂技術(shù)的缺點(diǎn)

1)不適用于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的工作面。部分地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的工作面由于煤層節(jié)理、裂隙較發(fā)育,且斷層較多,煤體中自由面較多,在斷層帶附近放煤效果好,不需要采用此項(xiàng)技術(shù)。如果距斷層較遠(yuǎn)處煤體較硬,出現(xiàn)頂煤不易放出的情況,應(yīng)考慮采取深孔松動(dòng)爆破技術(shù),加以處理。

2)工作面發(fā)生沖擊地壓后將影響其效果。工作面發(fā)生沖擊地壓后,局部煤體被切割壓碎,在頂煤中仍存在大塊而影響放煤效果。對(duì)于頂煤中的大塊,由于其抵抗線較小,應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)不能產(chǎn)生明顯效果,因此,在實(shí)際操作中,應(yīng)考慮采取其它辦法加以處理。

3 煤層注水致裂技術(shù)推廣應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題

1)必須合理布置注水鉆孔。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)表明,無(wú)論是注水軟化,還是注水致裂,水在煤體內(nèi)最終作用的結(jié)果,都是以鉆孔內(nèi)每一點(diǎn)為中心球體的疊加。通過(guò)反復(fù)實(shí)踐,根據(jù)所選泵的型號(hào),認(rèn)為最有效的致裂破壞范圍應(yīng)為10 m左右。這就要求在布置注水鉆孔過(guò)程中,要充分考慮這一因素,適當(dāng)掌握注水鉆孔距離,提高高壓水對(duì)煤體致裂破壞的效果。

2)必須注意注水鉆孔施工長(zhǎng)度。煤體注水致裂技術(shù),主要是通過(guò)鉆孔內(nèi)高壓水切割、致裂煤體。從這一原理出發(fā),煤體的致裂破壞程度,應(yīng)直接與被封閉鉆孔內(nèi)水的壓力有關(guān)。因此,為提高煤體注水致裂技術(shù)的效果,就應(yīng)該盡可能提高鉆孔內(nèi)水的壓力。在這個(gè)問(wèn)題上,一方面是提高泵的額定壓力;另一方面是盡量減少泵輸出壓力的損失。也就是在泵壓一定的情況下,在考慮壓力水沿程損失的同時(shí),要研究注水鉆孔長(zhǎng)度對(duì)高壓水破壞煤體的影響。通過(guò)幾個(gè)月的摸索實(shí)踐,目前一般認(rèn)為注水鉆孔最佳長(zhǎng)度為7 m左右。

3)必須掌握好注水時(shí)間。通過(guò)調(diào)查了解,在注入高壓水時(shí)要掌握好時(shí)間,如果高壓水注入時(shí)間過(guò)短,將無(wú)法達(dá)到充分致裂煤體的目的;但如果注入時(shí)間過(guò)長(zhǎng),煤壁滲水過(guò)多,既不利于降低生產(chǎn)成本,又要影響工作面文明生產(chǎn)。目前,在采取這項(xiàng)技術(shù)時(shí),一般認(rèn)為高壓水注入時(shí)間30～90 min。

4)必須加強(qiáng)對(duì)鉆孔施工及注水過(guò)程的管理。

a)要保證鉆孔間的距離。在實(shí)際施工中不能人為地縮小或擴(kuò)大鉆孔距離,防止距離過(guò)小或過(guò)大,無(wú)法達(dá)到煤體注水致裂的效果。b)要保證注水時(shí)間。在注水過(guò)程中,要注意保證有充足的注水時(shí)間,確保煤體能夠被充分致裂。c)要掌握好注水鉆孔的長(zhǎng)度。在注水過(guò)程中,要確保注水鉆孔的有效長(zhǎng)度,切實(shí)達(dá)到注水致裂煤體的目的。

[1] 曾 勇.長(zhǎng)、短孔煤層注水在孔隙率低的煤層中聯(lián)合應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理,2009(1):31-33.

[2] 孫云虎,孟鴻生.煤層注水消突及治理瓦斯、煤塵技術(shù)[J].中州煤炭,2009(7):103-104.

[3] 王堅(jiān)鋼,趙廣黨,孫波.煤層注水提高短壁輕放面頂煤的可放性[J].中國(guó)煤炭,2008,34(1):42-44.

[4] 李偉雄,周宗衛(wèi),張興權(quán).煤層注水技術(shù)在芙蓉煤礦的研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,36(2):50-54.

Principle and Application of Hydraulic Fracturing Technique in Seam Water Injection

J iang Ming-xing

Technology of hydraulic fracturing of coal body is the new-type technology that different from traditional coal body water flooding and soften technology.It has changed the past flooding water and softened technology,characteristic of the long hole,low-voltage,the stationary flow,utilize high-pressure cut had of water,press the characteristic of splitting,destroy coal body to split to press,reduce coal body hardness,the performance that may blast down the roof,improve coal recovery.

Coal body;Hydraulic fracturing;Rate of cutting coal

book=4,ebook=102

TD823.43

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1672-0652(2010)04-0040-03

2010-02-12

姜明星 男 1977年出生 2006年畢業(yè)于安微理工大學(xué) 助理工程師 淮南 232171