“双硬”煤层水力靶向裂化煤岩体卸压原理及关键技术

研发起止时间：2016.1～2018.12

完成单位：晋能控股煤业集团有限公司、山东科技大学、晋能控股山西科学技术研究院有限公司、青岛山科矿安科技有限公司

成果水平：国际先进

1 项目背景

大同矿区是我国典型的“双硬”煤层条件矿区。目前，“双硬”煤层临空巷道围岩稳定性及上覆采空区残留煤柱下强矿压显现等问题限制了部分矿井安全高效生产，已成为亟需解决的技术难题。本项目采用理论分析、室内试验、数值模拟相结合的方法研究“双硬”煤层水力靶向裂化煤岩体卸压技术裂缝的扩展方向、影响范围及其演化规律，揭示了“双硬”煤层水力靶向裂化煤岩体卸压技术裂缝扩展的诱导机理，研发了水力钻割压切顶相配套的设备，为煤矿井下“双硬”煤层水力靶向裂化煤岩体卸压技术的应用提供了理论基础。

2 研究内容

（1）采用理论分析和数值模拟获得了喷嘴最佳参数：收缩角13°、出口直径为3.0 mm、支柱段6.0 mm；采用扩散焊工艺和热轧-温轧法制备TWIP 钢与低碳钢的复合材料，抗拉强度达到950 MPa，完全能够满足耐高压、耐冲蚀喷嘴的制备要求；通过以上研究成果，研发了新型耐高压、耐冲蚀喷嘴（如图1所示），新型喷嘴相较于传统喷嘴出口射流提高了116%，有较明显的性能优势。

图1 典型新型耐冲蚀喷嘴

水力靶向裂化煤岩体卸压一体设备连接示意图如图2所示

图2 水力靶向裂化煤岩体卸压一体设备连接示意图

（2）采用理论分析、数值模拟、室内试验获得了割缝导向压裂裂缝定向扩展路径与孔隙压力梯度、割缝偏差角和水平应力差异系数有密切关系。孔隙压力梯度会降低裂缝扩展压力，能够诱导裂缝扩展；割缝偏差角小于30°或水平应力差异系数Kh小于0.5时，割缝导向压裂形成的裂缝基本能沿割缝预设方向定向扩展，水力压裂裂缝的最终扩展方向为垂直于最小主应力方向而沿着最大主应力方向。

（3）割缝钻孔网格化布置能够保证相邻割缝孔之间相互影响，卸压影响区域相互贯通，避免割缝钻孔间出现大范围的应力集中。在保证卸压效果和施工效率的前提下，割缝钻孔间距为2 倍的缝槽塑性区半径。同时根据数值模拟结果，构建了缝槽几何参数与周边煤体破坏范围之间的数学表达式：

（4）采用“双硬”煤层水力靶向裂化煤岩体卸压原理及关键技术治理临空巷道侧向悬顶问题，使临空巷道锚杆、锚索受力降低了60%，巷道顶底板及两帮变形量降低了80%，底鼓量减少了90%，巷道巷修工程量大大减少。图3为侧向切顶钻孔布置图。

图3 侧向切顶钻孔布置

3 主要研究成果

（1）以射流压力和阻水能力为指标，优化设计了水力割缝喷嘴最佳结构及几何参数，采用热处理工艺、淬火工艺等对TRIP 钢组织和性能进行改性，研发了以TWIP 钢/Q235 双金属复合材料为基础的高压耐冲蚀材料，开发了新型耐高压、耐冲蚀的水力割缝喷嘴。

（2）分析了不t同孔隙压力梯度、水力割缝宽度等因素影响下压裂裂隙空间扩展规律，揭示了孔隙压力梯度作用下水力割缝导向压裂切顶原理，研发了“双硬”煤层多孔联合水力靶向导向压裂切顶技术。

（3）针对双硬煤层煤柱下开采采掘空间“强矿压”显现特征，分析了大煤柱网格化破裂尺度对煤层压力分布的影响规律，揭示了残留煤柱网格化破裂卸压机理，提出了残留煤柱网格化水力裂化卸压方法。

4 应用效益

本技术在晋能控股煤业集团有限公司晋华宫煤矿8214 工作面与燕子山煤矿8216 工作面成功进行了工业性实践。现场应用表明，矿井临空巷道围岩降低了80%，底鼓量减少了90%，围岩应力卸压程度达到60%以上。近2 年共多回收煤炭95.5 万吨，为矿井新增产值共计2.87亿元，新增利润0.573亿元，新增税收0.271亿元。后续，在晋能控股煤业集团有限公司数对矿井近十个工作面进行了整体的推广应用，提高了“双硬”煤层开采资源回收率，为保障采掘巷道稳定性提供了有力技术支撑。

本项目于2021年4月8日通过了中国煤炭工业协会组织的专家鉴定，研究成果达到国际先进水平。依据本项目研究成果共发表学术论文4 篇，申请国家发明专利7项，其中授权5项，实审2项。