煤层注水致裂技术原理及应用

姜明星

(淮南矿业集团公司张集煤矿)

煤层注水致裂技术原理及应用

姜明星①

(淮南矿业集团公司张集煤矿)

煤层注水致裂技术是不同于传统煤层注水软化技术的新型技术,它改变了以往注水软化技术长孔、低压、稳流的特点,利用高压水所具有的切割、致裂特性,致裂破坏煤体,降低煤体硬度,提高煤炭可放性和回收率。

煤层;注水致裂;回采率

1 煤层注水致裂技术

煤层注水致裂技术是有别于传统煤层注水软化技术的新型技术[1-4],它改变了以往注水软化技术长孔、低压、稳流的特点,其技术原理及工作过程如下所述:

1.1 煤层注水致裂技术原理及主要工作过程

1)注水致裂技术原理。利用高压水对钻孔周围煤层产生切割及致裂作用,达到压碎破坏煤层、减少采空区丢煤、提高工作面回采率的目的。主要表现在三个方面:一是通过高压水对钻孔周围煤层产生切割、致裂作用,达到致裂破碎煤层的目的,这是该项技术的核心;二是对致裂的煤层起到软化(渗润)作用;三是融解煤层生成过程中的胶解物,降低煤层的脆性。

2)主要工作过程。将橡胶封孔器插入注水钻孔后,开启高压注水泵,将高压水注入钻孔内,通过高压水的压力使封孔器橡胶部分膨胀变粗,封闭钻孔的同时,高压水沿金属头内小孔注入钻孔,对钻孔周围煤体进行切割及致裂,达到降低煤体硬度、提高煤层可放性的目的。

1.2 煤层注水致裂技术所需主要设备及型号

煤层注水致裂技术所需设备比较简单,主要有:

1)煤层高压注水泵,型号3D2A-SZ,额定压力20 MPa,额定流量135 L/min,额定功率45 kW。

2)橡胶封孔器,长度1 m,外径(直径)40 mm,内径(直径)23 mm,端部金属头孔径5 mm。

3)普通套管钎子。

4)外径为19 mm的高压注水胶管。

1.3 煤层注水致裂技术应用试验

1)采区概况。淮南矿业集团公司某矿综放面走向长1 630 m,倾斜长240 m,煤层平均厚度8 m,煤层倾角平均5°。煤层节理、层理不发育,煤质较硬。煤层自燃发火期8个月,瓦斯绝对涌出量为1.02 m3/min,相对涌出量为1.49 m3/t。煤层的直接顶为3.9 m细砂岩,老顶为19.6 m粗砂岩,底板为20 m细砂岩,工作面采高1.8 m,采放比平均为1∶3。主要设备为1台SGW-40T型刮板运输机。作业方式为:工作12 h,休24 h,大三班作业,每天两采两放。

2)钻孔布置。煤层注水致裂技术钻孔布置方式为循环交叉布置,在工作面内每循环注水钻孔间距为20 m左右;上下两道注水钻孔间距为15 m,回风道钻孔长10 m,机道钻孔长20 m,间距为15 m。

3)应用效果。2009年3月至6月末,288采煤队共采出煤量158.988 0万t,平均日产13 249 t。

2 煤层注水致裂技术的优、缺点

2.1 煤层注水致裂技术的优点

1)可在较短时间内提高工作面生产能力和回采率。在这方面,注水软化与注水致裂相比,虽然也能达到提高工作面生产能力和回采率的目的,但所需要时间较长(一般需要1～2个月),从目前各矿接续相对紧张的实际看,根本无法满足注水软化所需的时间。而注水致裂技术仅需要1～2 h,在工作面常回采过程中,就可达到提高工作面生产能力和回采率的目的。

2)可提高有效的工作时间。在实际工作中,采取深孔松动爆破,需要较长的打眼时间,特别是放炮过程中必须撤出工作面人员,导致硬帮开帮时间过长,减少了放煤时间。而煤层注水致裂技术需要施工的注水钻孔数量较少,打眼工在施工开帮眼时就可以完成;同时在对煤层注水过程中,不需要撤出作业人员,增加了放煤时间,提高了工作效率和经济效益,避免了深孔爆破对安全造成的危胁。

3)可降低原煤生产的直接成本。该项技术与松动爆破技术比较,减少了火药、雷管的消耗;与注水软化技术比较,减少了工作面注水量,达到了少投入多产出的目的,可以降低煤炭生产的直接成本。

4)可较好地降低煤层瓦斯含量。采用该项技术时,随着大量高压水注入,煤体原有的内部结构被破坏,煤体内自由面增多。煤体中含有的瓦斯,一方面水占据了空间而压出;另一方面根据气体易扩散的特性,瓦斯将沿着自由面扩散到上下两巷和工作面中,被风流稀释,客观上减少了煤体硬帮瓦斯涌出和采空区瓦斯积聚,降低了工作面发生瓦斯事故的概率。

5)可预防煤层及采空区浮煤自燃。在对煤层和采空区浮煤自燃问题研究中,一般认为没有采取防火措施的煤体或采空区浮煤,当温度超过70°后就已处于自燃状态的临界点,其温度将直线上升导致自燃发火;经过注水后的煤体或采空区浮煤在达到100°左右,才会出现温度迅速升高自燃发火的现象。实践证明,采用煤体注水致裂技术,可以有效增加煤体含水量,提高煤炭自燃温度的起始点,达到预防煤层及采空区浮煤自燃发火的目的。

6)可降低一线职工的劳动强度。在未采用该项技术前,部分顶煤较硬的放顶煤工作面为增加循环产量,均不同程度地采用了深孔松动爆破技术。但由于该项技术对顶煤破坏的范围相对较小,每循环都需要向硬帮打眼爆破,增加了职工的劳动强度和火药、雷管的消耗量。而采用此项技术后,每循环需要施工的注水钻孔数量减少,有效减轻了职工的劳动强度。

7)可改善一线工人的作业环境。在众多采煤方法中,放顶煤开采工艺对一线工人危害最大的是放煤过程中产生的煤尘。而采用煤体注水致裂技术,有效增加了煤体的含水量,避免了工作面放煤过程中产生大量煤尘,改善了一线工人工作环境,减轻了工人的职业危害。

2.2 煤层注水致裂技术的缺点

1)不适用于地质构造复杂的工作面。部分地质构造复杂的工作面由于煤层节理、裂隙较发育,且断层较多,煤体中自由面较多,在断层带附近放煤效果好,不需要采用此项技术。如果距断层较远处煤体较硬,出现顶煤不易放出的情况,应考虑采取深孔松动爆破技术,加以处理。

2)工作面发生冲击地压后将影响其效果。工作面发生冲击地压后,局部煤体被切割压碎,在顶煤中仍存在大块而影响放煤效果。对于顶煤中的大块,由于其抵抗线较小,应用该项技术不能产生明显效果,因此,在实际操作中,应考虑采取其它办法加以处理。

3 煤层注水致裂技术推广应用中应注意的问题

1)必须合理布置注水钻孔。根据以往的经验表明,无论是注水软化,还是注水致裂,水在煤体内最终作用的结果,都是以钻孔内每一点为中心球体的叠加。通过反复实践,根据所选泵的型号,认为最有效的致裂破坏范围应为10 m左右。这就要求在布置注水钻孔过程中,要充分考虑这一因素,适当掌握注水钻孔距离,提高高压水对煤体致裂破坏的效果。

2)必须注意注水钻孔施工长度。煤体注水致裂技术,主要是通过钻孔内高压水切割、致裂煤体。从这一原理出发,煤体的致裂破坏程度,应直接与被封闭钻孔内水的压力有关。因此,为提高煤体注水致裂技术的效果,就应该尽可能提高钻孔内水的压力。在这个问题上,一方面是提高泵的额定压力;另一方面是尽量减少泵输出压力的损失。也就是在泵压一定的情况下,在考虑压力水沿程损失的同时,要研究注水钻孔长度对高压水破坏煤体的影响。通过几个月的摸索实践,目前一般认为注水钻孔最佳长度为7 m左右。

3)必须掌握好注水时间。通过调查了解,在注入高压水时要掌握好时间,如果高压水注入时间过短,将无法达到充分致裂煤体的目的;但如果注入时间过长,煤壁渗水过多,既不利于降低生产成本,又要影响工作面文明生产。目前,在采取这项技术时,一般认为高压水注入时间30～90 min。

4)必须加强对钻孔施工及注水过程的管理。

a)要保证钻孔间的距离。在实际施工中不能人为地缩小或扩大钻孔距离,防止距离过小或过大,无法达到煤体注水致裂的效果。b)要保证注水时间。在注水过程中,要注意保证有充足的注水时间,确保煤体能够被充分致裂。c)要掌握好注水钻孔的长度。在注水过程中,要确保注水钻孔的有效长度,切实达到注水致裂煤体的目的。

[1] 曾 勇.长、短孔煤层注水在孔隙率低的煤层中联合应用[J].能源技术与管理,2009(1):31-33.

[2] 孙云虎,孟鸿生.煤层注水消突及治理瓦斯、煤尘技术[J].中州煤炭,2009(7):103-104.

[3] 王坚钢,赵广党,孙波.煤层注水提高短壁轻放面顶煤的可放性[J].中国煤炭,2008,34(1):42-44.

[4] 李伟雄,周宗卫,张兴权.煤层注水技术在芙蓉煤矿的研究与应用[J].煤炭科学技术,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年毕业于安微理工大学 助理工程师 淮南 232171