大采高综采工作面煤层夹矸弱化技术研究

张文超

（晋能控股煤业集团山西王家岭煤业有限公司，山西 保德 036600）

引言

矿井开采厚煤层时具有经济效益好、煤炭产量高等优点，但是部分矿井开采厚煤层中也往往存在多层夹矸[1-2]。当夹矸为硬度较低的泥岩、炭质泥岩等时，采煤机可直接截割，从而不会给煤炭正常生产带来影响；当夹矸为坚硬砂岩或者灰岩时，由于夹矸坚硬，在生产过程中若采煤机直接截割夹矸容易出现截割齿磨损严重、产生火花以及推进速度慢等问题。现阶段厚煤层坚硬夹矸处理方法一般采用空气柱间隔爆破或者深孔爆破等方式，由于爆破会产生较大的振动冲击且会产生有毒有害气体，会给采面煤炭生产带来制约[3-5]。高压水力压裂技术近些年来在煤矿井下应用逐渐增加，通过高压水在煤体或者岩体中产生裂隙，从而达到提高煤层透气性或者弱化岩层强度目的[6-9]。为此，本文提出采用高压水力压裂技术处理厚煤层坚硬夹矸，以期提高厚煤层生产效率并为其他矿井类似情况下煤炭生产提供经验借鉴。

1 工程概况

山西某矿井田面积为87.9 km2，开采煤层包括3#、5#、9#及13#等多层煤，现阶段生产主要集中在浅部的3#及5#煤层。3302 综采工作面为3 采区第二个回采工作面，采面设计推进长度2 890 m、面长320 m，开采范围内3#煤层厚度均值5.8 m，采用大采高综采工艺，全部垮落法管理顶板，采面采用型号SL1000 采煤机割煤。3#煤层赋存稳定，顶底板岩层以粉砂岩、石灰岩及炭质泥岩等为主。根据采面回采巷道掘进揭露资料显示，采面推进至90～560 m 范围内，3#煤层中有厚度0.5～1.8 m 石灰岩夹矸，且夹矸层分布贯穿整个采面，岩层硬度超过7、抗压强度超过58 MPa，具体采面内夹矸厚度厚度变化统计结果见表1。采面在坚硬夹矸层影响范围内推进时，推进速度由9 m/d 降至5 m/d 且采煤机截割齿磨损严重。

2 厚煤层坚硬夹矸弱化技术应用

为提高3302 综采工作面在坚硬夹矸影响区内推进速度、降低夹矸影响，提出采用高压水力压裂技术对坚硬夹矸进行弱化处理，具体采用的高压水力压裂设备型号为XKRFSII-1 型，具体水力压裂系统组成见图1。具体高压水力压裂包括：通过高压水射流定向割矸，以便为后续高压水力压裂裂缝提供扩展方向，定向弱化坚硬夹矸；通过专用封孔器封孔并通过高压水多顶板夹矸区域弱化，破坏坚硬夹矸层完整性及硬度。

图1 水力压裂系统组成

2.1 水力压裂钻孔布置设计

根据采面回采巷道掘进揭露参数，采用水平长钻孔方式弱化煤层内坚硬夹矸，当采面内夹矸厚度在0.6 m 以下时，采用SL1000 采煤机可直接截割且推进速度较快，截割齿磨损在经济可控范围内，因此高压水力弱化主要针对夹矸厚度大于0.6 m 范围。根据夹矸分厚度分布情况，对水力压裂钻孔布置进行设计，具体见图2。压裂钻孔类型包括有倾向长钻孔、走向长钻孔以及倾向短钻孔，钻孔按照7 m 间距布置。

图2 水力压裂钻孔布置示意图

在采面沿着走向350～562 m 范围内，夹矸厚度均超过0.6 m 且贯穿整个采面，在此范围内从回采巷道布置倾向钻孔（钻孔编号12～35），按照7 m 间距布置钻孔；沿着走向257～327 m 范围内夹矸厚度从回风巷向进风巷方向逐渐变薄，在距离回风巷130 m 位置处夹矸厚度降至0.6 m 以内，因此在257～327 m 范围内从回风巷内布置孔深130 m，钻孔共计11 个（孔编号1～11）；在采面沿走向100～228 m 范围内夹矸厚度超过0.6 m，为便于施工在采面已施工完成的回撤通道内沿走向布置走向长钻孔，钻孔孔深控制在130～220 m，钻孔共计27 个（编号D1～D27）。

2.2 高压水力压裂过程分析

高压水力压裂效果压裂压力、单孔注水量以及压裂持续时间等密切相关，具体水力压裂过程中获取到压裂压力随压裂时间变化曲线见图3，图中I 区、II 区及III 区分别为压裂区、软化和裂隙二次扩展区、裂隙扩展区，3# 煤层中石灰岩夹矸起裂压力介于26～29 MPa。压裂钻孔单孔压力时间控制在190 min 左右，采用的高压水泵给水能力为108 L/min，共计注入量约为20 m3，其中压裂钻孔内用水量约为2 m3，剩余的18 m3水均用以坚硬夹矸弱化并进入到煤层中。

图3 压裂压力随压裂时间变化曲线

2.3 应用效果分析

采用高压水力压裂技术对开采的3#煤层内坚硬夹矸进行弱化，高压水力压裂应用完成后待3302 综采工作面推进至水力压裂区后，对采煤机截割推进速度、夹矸破碎程度以及截割难易程度等进行考察。在水力压裂区内煤层夹矸新生裂隙发育，夹矸内网格裂隙、平行裂隙错综分布且整体呈现块状破碎状态；由于水力压裂后坚硬矸石呈现破碎状态，采煤机较容易截割，水力压裂会增加煤层原始含水率，从而降低采煤机割煤期间粉尘产生量。

经过采用高压水力压裂技术对3#煤层中厚度超过0.6 m 坚硬夹矸进行弱化处理后，采煤机割煤（矸）效率明显提升，截割齿磨损、消耗等均有所降低，且割煤过程中无火花产生，对提高采面生产效率以及安全保障能力方面均有显著促进作用。

3 结论

1）根据采面回采巷道掘进揭露以及物探、采面钻孔柱状图等资料确定夹矸在3302 综采工作面分布。为提高3302 综采工作面生产效率及安全保障能力，采用高压水力压裂技术对采面开采范围内煤层夹矸超过0.6 m 位置进行弱化处理，具体布置24 个倾向长钻孔（孔深330 m）、倾向短钻孔（孔深130 m）、27个走向短钻孔（孔深130 m），钻孔布置区域覆盖整个矸石较厚区。

2）采用XKRFSII-1 型水力压裂设备弱化煤层坚硬夹矸，水力压裂效果与注水量、压裂持续时间以及注水压力等参数密切相关。在对3#煤层石灰岩夹矸弱化处理时，该层夹矸起裂压力介于26～29 MPa。

3）在对夹矸厚度超过0.6 m 区域进行弱化处理后，采面推进至弱化区域内夹矸内裂隙发育，采煤机可保持正常截割速度且截割矸石过程中无火花产生，采面保持9.0 m/d 速度回采，为采面高效生产创造良好条件。