急傾斜特厚煤層耦合致裂與破碎工藝研發及應用

急傾斜特厚煤層耦合致裂與破碎工藝研發及應用

陳建強1,來興平2,3,崔峰2,3,雷兆源2，3，王寧波1，4,漆濤1,曹建濤2,3,單鵬飛2,3

(1.神華新疆能源有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830027；2.西安科技大學 能源學院,陜西 西安 710054； 3.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；4.中國礦業大學 礦業工程學院,江蘇 徐州 221116)

摘要：水壓致裂(hydraulic fracturing,HF)與預爆破(pre-split-blasting,PSB)是有效致裂堅硬煤巖體和促進安全開采的技術手段。其存在壓裂效果差、潤濕周期長、致裂方向、大小與范圍有限和易誘發災害等。針對急傾斜特厚煤層破碎難題，通過理論分析、數值計算、模型實驗和現場應用等方法，揭示弱堿性石灰水耦合致裂與破碎機制。基于聲發射(Acoustic emission,AE)觀測與裂隙光學捕獲(Crack Activity Optical Acquiisitions,CAOA)技術方法，揭示了煤巖體裂隙萌生擴展與轉異規律。對比分析表明，在煤巖體體積膨脹中產生明顯側向壓力，顯著促進煤巖體裂隙擴展演化，裂隙擴展速度呈現先增后降趨勢。應用實踐表明，頂煤破碎度、冒放性和回采率顯著提高，開采環境明顯改善，這對急傾斜煤層安全高效開采與環境安全具有科學與工程應用價值。

關鍵詞：急傾斜特厚煤層；耦合致裂與破碎；聲發射；裂隙擴展與轉異；光學觀測

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0201

文章編號：1672-9315(2015)02-0139-05

收稿日期：*2014-12-15責任編輯：劉潔

基金項目：973計劃前期專項(2014CB260404)；973國家重點基礎研究發展計劃(2015CB251600)；國家自然科學基金(煤炭聯合基金)重點項目(U13612030)；西安科技大學博士(后)啟動金(2014QDJ070)；新疆自治區高新技術計劃(201432102)和陜西省重點科技創新團隊計劃(2013KCT-16)

通訊作者：陳建強(1970-),男,山東臨沂人,高級工程師,E-mail:499234655@qq.com

中圖分類號：TD 322；TD 353文獻標志碼： 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

水壓致裂(Hydraulicfracturing，HF)與預裂爆破(Pre-splitblasting，PSB)是加速特厚煤巖體破碎和促進安全高效開采的有效實用性技術手段[1-2]。但是，受煤巖體賦存性、結構性、物性和缺陷(節理裂隙)等影響[3-5]，水壓致裂工藝實施中注水極限范圍和滲透路徑及持續時間難以調控[6-8]，預爆破易誘致巷道破壞、裝備損毀和動力學災害[9-10]。耦合致裂破碎方法[11](Couplingfracturingandcrackmethod，CFCM)是通過流動性膨脹功能介質作用增大體積膨脹應力應變(率)，加速裂隙尺度擴展與轉異，提高破碎度和增透性，在能源開采與環境調控領域得到有效應用。神華新疆能源公司烏東煤礦急傾斜(45°～87°)特厚煤層(30m以上)高階段(15～27m)水平分段綜放面較短，受煤層傾角影響，注入水沿著(急傾斜)煤巖體傾角滲流演化，水壓保不住，現場煤巖體原位改性區域與范圍受控，制約致裂破碎效果[12]。煤體含有大量瓦斯和硫化氫，集中突發溢出傷人事故時有發生，嚴重制約急傾斜特厚煤巖體破碎性、冒放性和采收率提高[13]。因此，研究解決有效適用性煤巖體致裂破碎工藝與方法，加速煤巖體致裂，提高破碎度與增透性，降低沖擊地壓與煤與瓦斯突出傾向，對開采現場災害調控、環境安全和高效生產至關重要。針對急傾斜特厚煤巖體有效致裂破碎機制與工程應用問題，通過理論分析、數值計算、模型試驗和基于聲發射(Acousticemission,AE)與裂隙活性光學捕獲(CrackActivityOpticalAcquisitions,CAOA)方法，揭示弱堿性石灰水為注入基質煤巖體裂隙萌生、擴展與轉異特征，為特厚煤層高效開采與災害調控提供依據。

1耦合致裂破碎機制

耦合致裂破碎機制的實質就是先注后爆，實現煤巖體原位改性與煤層本質安全。預先在煤體內注入堿性石灰水，通過其水化反應形成膨脹效應，在一定時間內產生較大膨脹力，使煤巖體內部產生初始開裂，石灰水水壓促進裂隙擴展，提高煤巖濕潤性，降低力學強度。與傳統爆破相比，注水煤巖體在后續乳膠基質炸藥爆破下，加速了煤巖體內部裂隙水流動時間，導致煤巖體充分碎裂，實現降溫抑塵，驅替瓦斯-降解硫化氫、控災和高效開采目的。

根據急傾斜煤層傾角大特點，堿性水注入煤體后形成一定水力坡度，增加了膨脹力，減速煤巖體內部裂隙萌生與擴展速率，提高致裂效果。

FLAC數值計算表明，單孔徑向孔隙壓力分布表現為壓力先增后減，中后期出現峰值壓力；沿鉆孔方向位移持續增大，中后期出現位移峰值(圖1)。現場監測表明，加入石灰水后，煤體鉆孔內部破裂程度加劇、裂隙活性顯著增強，強度明顯降低(圖2)。

圖1　試樣內部監測點位移變化特征 Fig.1　Displacement variation characteristics of internal monitoring point in sample

圖2　注水壓力變化 Fig.2　Change of injection water pressure

2煤巖體耦合破裂AE特征實驗

聲發射(AE)是揭示煤巖體裂隙萌生與擴展規律的先進技術手段。實驗中采用AE考察試件內部裂隙發生與擴展規律，圖3(a)反映了AE事件和能率與持續時間關系。試驗過程中以中小事件為主，幅度低于45.5dB占80%，AE峰值達1 066次/s，能率峰值629，持續時間18 654.5μs.事件數與能率達到峰值的持續時間分別為1 600s和2 080s.整個試驗過程中，AE事件數呈現先增后降特征規律。其中，在加注石灰水后的前60s內，無AE信號；隨著石灰水的不斷膨脹與硬化，膨脹壓力對裂隙產生二次擠壓，AE信號出現了明顯轉異，AE數與能率均達峰值，煤體破裂加劇、裂隙活性顯著增強，強度明顯降低。

圖3　試件內部損傷與裂隙擴展 AE事件-能率-時間關系 Fig.3　AE relationship of events-energy rate-time for specimen on internal damage and crack extend (a) AE事件數　(b) 能率

煤巖體破裂過程中AE參數變化與強度劣化之間關系如下

2.1初始破裂階段

在初始階段(圖3(b)階段1)，AE事件與能率處于較低水平，裂隙發展速度相對較慢，預示著煤巖體臨界破裂，AE事件數和能率峰值分別為335個/s和151mv·μs，持續時間分別為400s和392s，由于試件孔隙效應，基本沒有裂隙產生。在石灰水不斷作用下，出現初始損傷與裂隙(圖3(b)階段2)，AE數和能率明顯增多加大，峰值分別為591個/s和328mv·μs，持續時間分別為1 110s和1 050s，裂隙擴展方向和數目有所增加。

2.2破裂加速與裂隙擴展階段

由于石灰水大范圍作用，試件內部能量急劇釋放，試件內部破裂加劇，出現大量新裂隙后，未飽和石灰水大量滲入，裂隙加速擴展(圖3(b)階段3)，AE數和能率急劇增加，試件內部孔壁裂隙發展速率與破裂范圍大幅度加大，裂隙擴展方向和數目明顯增加，AE事件和能率峰值分別為1 066個/s和629mv·μs.

2.3裂隙穩定與能量釋放階段

AE事件和能率均達到峰值(圖3(b)階段4)。由于試件內部裂隙與石灰水之間存在固液互驅與競爭作用，持續時間較長。AE數和能率在較短時間內急劇下降，持續時間為1 950～2 320s，AE事件和能率分別達到259個/s和220mv·μs.隨時間持續演化，殘余能量瞬間釋放，AE事件和能率峰值347個/s和189mv·μs(圖3(b)階段5)，與前述各階段相比，明顯降低，預示大范圍失穩發生。

3基于裂隙擴展光學觀測的破裂規律

基于裂隙擴展光學觀測(CAOA)，對裂隙空間展布(方向和數目)進行測量，煤樣局部破裂呈“無裂-裂紋出現-裂隙增加與轉異-穩定”演化過程。注入石灰水之前與開始澆注石灰水時孔壁光滑，原始裂隙在宏觀監測上并未有明顯變化(圖4(a))。受石灰水作用產生擠壓力，出現新裂隙，初始裂隙開始擴展，孔壁裂隙較為明顯，鉆孔出現小變形(圖4(b))。由于石灰水滲透演化范圍擴展，膨脹壓力得到最大釋放，孔壁裂隙數顯著增加，鉆孔出現明顯變形(圖4(c))。隨石灰水的凝固作用逐漸減弱，鉆孔形狀不再有明顯變化(圖4(d))。

圖4　試件內部裂隙發展特征規律 Fig.4　Characteristics on internal crack evolution of specimens (a) 1階段　(b) 2階段　(c) 3階段　(d) 4階段

4現場應用實踐

急傾斜特厚煤層高階段綜放頂煤破碎難點在于：受煤層節理與裂隙傾角影響，傳統注水方法，無法較好地實現煤層保水壓裂，潤濕性難改善，破碎與弱化區域范圍控制難度較大，影響頂煤冒放性與開采效率與環境安全。現場利用水平工藝巷分層壓裂和垂直鉆孔分段改造方法與技術(圖5)應用，加速主裂縫與多級次生裂縫交織形成裂縫網絡系統，最大限度提高煤層破碎度、滲透率、冒放性和瓦斯與硫化氫降解率，提高開采安全性和復雜難采煤層采收率。

圖5　現場耦合致裂破碎工藝 Fig.5　Coupled-crack and crush technology on field

應用表明，耦合致裂破碎方法優點如下

4.1提高頂煤破碎度、冒放性和回采率

鑒于急傾斜煤層地質賦存特點，綜放面較短，最大為50m，以往利用礦壓破煤與放煤，回采率較低。采用耦合致裂破碎頂煤方法后，試驗面采出率從平均61.34%，提高到86.10%，日產量從原先的平均1 148.3t，提高到1 899.1t.

4.2降低動力學災害誘發傾向

2011—2013年，在高階段水平分段綜放開采過程中，煤巖冒落易產生沖擊地壓等動力學災害。2014年，應用耦合方法后，煤巖潤濕性得以改善，內在彈性能降低，消除了煤巖動力災害的巖性特征，緩解巷道局部化帶誘發滑落式結構失穩傾向，動力災害明顯減少。

4.3提高增透性與環境安全性

通過提前注入石灰水等堿性介質等，促進固-液互驅，延長水體在裂隙間流動時間，擴大裂隙尺度與透氣性，加速氣體充分放出，瓦斯降至0.1%以下，減少積聚或煤與瓦斯突出的可能性。同時，煤體內硫化氫與石灰水反應，硫化氫明顯降低，煤塵降低10.0%.

總之，隨著急傾斜頂煤致裂破碎技術規模化應用需求，增加堿性基質，這對改進前致裂工藝、促進急傾斜煤巖體致裂工藝改進、環境安全和高效開采具有現實必要性。

5結論

1)受煤層傾角、節理與裂隙影響，急傾斜特厚煤層保(水)壓致裂效果調控難度較大，耦合致裂破碎方法對促進急傾斜特厚煤層綜放安全開采工藝改進至關重要；

2)通過理論和實驗分析，揭示堿基石灰水作用下，煤巖體內部破裂-AE參數變化-強度劣化之間關系，裂隙擴展速度基本呈現先增加后降低趨勢，裂隙萌生-擴展-失穩過程明顯；

3)現場應用表明，煤巖裂隙活性增強，有利于煤體弱化，增加致裂區域與范圍，這對促進急傾斜煤巖體致裂工藝改進和安全高效提供依據。

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