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综采工作面厚硬夹矸水刀脉冲压裂技术研究
地下煤层复杂的成煤条件常常导致煤层间存在夹矸层，且一般较煤层坚硬、厚度变化大。而夹矸岩层的存在是影响综采工作面安全高效开采的重点难题。赵丽娟[1-2]采用离散元数值模拟方法研究了含夹矸煤层条件下螺旋滚筒的磨损特性，分析了滚筒组件与夹矸层接触时的不同磨损程度；冯宇峰[3]建立了夹矸破断均布载荷薄板力学模型，采用深孔预裂爆破、双轮间隔放煤等措施，解决了含硬夹矸特厚煤层综放开采顶煤冒放性差、采出率低的问题；杨继强[4]对不同夹矸厚度条件下沿空煤巷复合顶板应力分布和位移变化进行了研究，提出了维护巷道稳定性的合理支护方案；张俊文[5]研究了含有不同硬度夹矸情况下的顶煤损伤力学特性，提出降压可提高顶煤的冒放性和采出率；高晓进[6]基于弹性力学理论研究了硬厚夹矸层的力学结构，采用架间定向水力压裂致裂夹矸层，改善了含厚硬夹矸难冒顶煤的冒放性；王建利[7]通过分析夹矸厚度和位置对巷道围岩稳定性的影响，得到夹矸层厚度存在临界值，在此基础上提出了合理的围岩控制技术和支护参数，确保了工作面的安全高效生产；周涛[8]分析了夹矸层对工作面支承压力的影响，得到了含矸煤层的支承压力分布规律；刘南南[9]基于EDEM软件建立了岩层夹矸模型，分析了硬岩掘进机在夹矸煤层掘进过程中刀盘的受力情况，为硬岩掘进机刀盘设计和改进提供了依据。
综上所述，虽然以上学者对夹矸围岩力学特性及采煤机截割夹矸过程进行了众多研究，但对于综采工作面夹矸压裂弱化研究还较少。小保当一号井112201工作面夹矸层厚度0.6～2.0 m，夹矸岩层厚度大、硬度高，严重影响工作面高效回采。笔者以112201工作面为背景，采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法，研究了煤层夹矸压裂软化机理，确定了工作面夹矸预裂压裂液类型及参数，为类似工作面厚硬夹矸层的压裂软化设计提供了参考依据。
1 矿井概况
小保当112201综采工作面位于2-2煤层11盘区，埋深为313～400 m，煤层倾角为1°，煤层厚度4.2～6.3 m，平均煤厚5.8 m，容重1.32×103 kg/m3，煤层由北向南逐渐变厚，工作面长度350 m，走向推进长度4556.6 m。工作面含1～2层夹矸，局部含3层夹矸，夹矸厚度0.6～2.0 m，煤层夹矸单轴抗压强度为56 MPa，硬度系数大于6，导致采掘截割困难，对截割速度影响大，截割材料消耗量剧增，综采产能受到严重制约，工作面夹矸分布范围如图1所示。
图1 112201工作面夹矸分布平面图
2 煤层夹矸压裂软化机理研究
煤层夹矸压裂软化机理是利用高压水刀预裂切割夹矸形成定向裂缝，如图2所示，扩大压裂裂隙作用范围，而后进行高压脉动水力压裂促进预裂裂隙周围次生裂隙起裂扩展，从而形成裂隙网络，达到弱化夹矸力学特性的目的。夹矸预裂之后，夹矸力学参数弱化，最后辅助于采动产生的矿山压力二次破碎夹矸，从而达到在采煤机截割时夹矸完全破碎从而降低采煤机截割能耗的目的，煤层夹矸致裂裂隙演化规律如图3所示。
图2 高压水刀预裂破碎原理及装备
对夹矸进行高压压裂，水压裂隙以开型椭圆形裂隙扩展，根据断裂力学研究，夹矸中裂隙扩展临界条件为[10]：
(1)
式中：K——压裂裂缝尖端应力强度因子，MPa·m1/2；
p——裂缝尖端高压水压力，MPa；
σ3——煤层最小主应力，MPa；
h——压裂孔距离夹矸层位距离，m；
K1c——夹矸断裂强度因子，MPa·m1/2。
裂缝在夹矸中扩展的临界水压p0为：
(2)
式中：K2c——煤层断裂强度因子，MPa·m1/2。
图3 夹矸压裂裂隙演化规率
3 煤层夹矸压裂软化参数研究
3.1 夹矸煤岩力学性质试验
对现场所取夹矸岩样分别在蒸馏水、5%含油乳化液及0.15% CO2酸性溶液中浸泡2 h，进行对比试验分析不同压裂液对夹矸岩层的软化作用。夹矸浸泡力学试验如图4所示。
图4 夹矸浸泡力学试验
夹矸岩样在蒸馏水、5%含油乳化液及0.15% CO2酸性溶液中浸泡2 h后的吸水率分别为2.97%、2.57%和1.93%；软化系数分别为0.69、0.72和0.32。其中0.15% CO2酸性溶液浸泡夹矸岩样吸水率最低，主要原因为夹矸岩石表面裂隙较发育部分充填矿物与酸性溶液发生化学反应，造成松散碎石表层脱落，所以造成吸水率低的假象。因此综合对比分析可得3种压裂液对夹矸岩层的弱化顺序为：0.15% CO2酸性溶液>蒸馏水>5%含油乳化液。夹矸软化作用效果分析如图5所示。
图5 夹矸软化作用效果分析
3.2 压裂参数数值模拟
采用FLAC5.0数值模拟软件流固耦合分析模块中的CONFIG fluid渗流模式，对压裂钻孔周围施加高压孔隙水压力，模拟高渗透压作用下的围岩塑性区扩展特征，分析不同压裂参数下夹矸压裂效果。根据工作面地质条件，建立数值计算模型，对厚度0.6 m≤H<2.0 m区间的硬厚夹矸岩层布置双排“三角”平行剪切孔进行高压水压致裂破碎夹矸。模拟不同孔径、水压对构造带夹矸岩层致裂破碎规律，分析如下：
注水压力15 MPa，单孔间距7 m，模拟钻孔半径40、45、50 mm时塑性区分布范围，如图6所示。注水压力稳定后，钻孔半径40 mm和50 mm的塑性区半径分别为2 m和2.5 m，塑性区变化范围较小，孔与孔之间无塑性区重叠区域，当把孔径增加到50 mm后，塑性区半径达到3.8 m，塑性区重叠，说明增加钻孔半径能够显著改善压裂影响范围。但是压裂裂隙与钻孔过早连通，将使夹矸层位产生卸压，不利于夹矸层位裂隙网络形成，因此建议采用半径45 mm的压裂钻孔进行压裂。
钻孔直径90 mm，单孔间距7 m，模拟注水压力为10、20、30 MPa时，塑性区分布范围分别为0.8、2.2和4 m，如图7所示。塑性区范围随着水压的提高而变大，增加水压有利于促进裂隙起裂扩展，但是压力过大容易使钻孔之间裂隙贯通，形成粗大导水通道，煤层夹矸层位难以有效形成裂隙网络结构，夹矸弱化效果较差。因此建议采用20 MPa水压，增加压力缓慢压裂，形成毛细裂隙，充分破碎软化岩石。
通过物理力学试验研究及数值模拟，结合现场地质调查和形成过程的分析，认为采用高压力、大流量注水及0.15% CO2酸性溶液软化比较适合致裂破碎软化硬厚夹矸岩层。因此根据相似情况的工程实践经验，建议采用钻孔半径45 mm，钻孔间距7 m，压裂压力20 MPa进行高压压裂。
图6 不同压裂孔径数值模拟
图7 不同压裂水压数值模拟
4 现场试验
根据112201综采工作面夹矸分布范围，采用水平长钻孔顺层预裂压裂综合破碎法，钻孔布置平面图如图8所示。通过双排“三角”平行剪切布孔方式分阶段进行夹矸预裂破碎。第1阶段高压压裂预裂法(HPF法)，采用钻孔水射流分段定向切割夹矸，破坏夹矸完整性；第2阶段低压软化法(DPF)，高压水致裂形成夹矸层内裂缝网络，酸化破碎坚硬夹矸整体性。
图8 煤层夹矸预裂钻孔布置平面图
预裂钻孔夹矸起裂压力为26～29 MPa，压裂压力20 MPa左右。单孔压裂时间为120 min，泵组能力108 L/min，用水量为13 m3，钻孔用水量为2 m3，可知11 m3水量可有效满足压裂裂隙扩展和硬厚夹矸岩层的低压软化。
工作面夹矸压裂软化之后，夹矸层裂隙发育，在采煤机截齿扰动作用下，夹矸岩层成片状剥离破坏，如图9所示。夹矸层预裂软化之后，采煤机运行速度提高35%，吨煤截齿消耗量降低40%，吨煤油脂消耗降低27%，工作面粉尘浓度降低12%，实现了工作面的安全清洁高效开采。
图9 现场压裂效果压裂效果
5 结论
(1)通过对工作面煤层夹矸压裂软化机理的研究表明，工作面夹矸层经高压水刀预裂+高压脉动压裂+采动矿山压力，可实现夹矸层裂隙起裂扩展发育，并形成裂隙网络有效弱化夹矸岩层强度。
(2)通过物理力学实验及数值模拟研究表明，蒸馏水及0.15%CO2酸性溶液可有效弱化夹矸强度，增大夹矸岩层吸水率。现场设计压裂钻孔半径45 mm，钻孔间距7 m，压裂压力20 MPa进行高压压裂，可实现夹矸层的有效弱化。
(3)工作面夹矸层预裂之后，夹矸层成片状剥离破坏，强度降低。预裂之后采煤机运行速度提高35%，吨煤截齿消耗量降低40%，吨煤油脂消耗降低27%，工作面粉尘浓度降低12%，实现了工作面的安全清洁高效开采。
[1] 赵丽娟,金鑫,赵宇迪,等.含夹矸煤层滚筒磨损特性离散元模拟试验分析[J].煤炭学报,2019,43 (8):1-11.
[2] 赵丽娟,罗贵恒,刘旭南.夹矸煤层采煤机斜切进刀过程滚筒载荷特性研究[J].煤炭科学技术,2020,48 (4):218-223.
[3] 冯宇峰.综放开采含硬夹矸顶煤破碎机理及控制技术研究[J].煤炭科学技术,2020,48(3):133-139.
[4] 杨继强,姜宁,向喜伟.不同夹矸厚度沿空煤巷复合顶板支护设计与分析[J].中国煤炭,2018,44(2):68-73.
[5] 张俊文,赵景礼,王志强.近距残煤综放复采顶煤损伤与冒放性控制[J].煤炭学报,2010,35(11):1854-1858.
[6] 高晓进,于海湧,黄志增,等.架间定向水力压裂提高含夹矸巨厚煤层冒放性研究[J].煤炭科学技术,2017,45 (3):56-61.
[7] 王建利,沈乐,徐营.浅埋薄基岩含夹矸煤层巷道围岩稳定及控制技术[J].煤炭技术,2016,35(8):8-10.
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Research on water jet pulse fracturing technology for thick and hard gangue layer in fully mechanized mining face
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Zhang Huifeng. Research on water jet pulse fracturing technology for thick and hard gangue layer in fully mechanized mining face[J].China Coal，2020,46(12)：129-133. doi: 10.19880/j.cnki.ccm.2020.12.019
