产气具气体预裂技术在巨厚层状坚硬岩层的应用_任志新.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050450引言冲击地压是由于岩体的整体结构被破坏导致围岩应力不平衡出现弹性变形，当其受到扰动突破临界值时会突然出现应力释放，造成围岩严重破坏并发生位移的一种动力灾害现象。近30 a间，我国冲击地压矿井由50多对增至200多对，严重威胁着矿井安全高效生产。多年来，我国完善了冲击发生机理研究，并建立了冲击危险监测预警与防治的成套技术体系，为冲击地压防治提供了理论基础和行之有效的措施，大大降低了灾害损失。鄂尔多斯地区是我国北方重要的煤炭产区，截至2020年探明煤炭储量约2 383.1亿t，2021年出产煤炭6.7亿t，占全国煤炭总产量的16.2%。随着煤炭回采逐步向深部延伸，冲击地压现象越来越显著。鄂尔多斯地区冲击地压发生的因素主要有采深、煤岩冲击倾向性、地质构造、顶底板岩层结构、开采强度、临近采空区和煤柱留设及孤岛，特别是可采煤层顶部100 m范围内多分布巨厚层状坚硬砂岩，不易断裂，当打破极限平衡时，坚硬砂岩突然破断，易形成冲击地压事故。因此，对鄂尔多斯地区煤矿冲击地压的防治须从生产组织、采掘设计和控制顶底板岩层结构三方面进行。马泰壕煤矿是鄂尔多斯地区的主要矿井之一，近年来也面临越来越严重的冲击地压危险。采取有效手段减少甚至消除冲击地压危害，则需要对覆岩破坏情况进行研究，提前破坏坚硬顶板砂岩，减少破断释放的能量，减轻冲击地压强度。基于此，以马泰壕煤矿3112工作面为例，开展理论和模拟分析，采取气体致裂技术，对顶板坚硬砂岩进行卸压破坏，取得了良好的效果。1工程概况马泰壕煤矿位于东胜煤田南部，井田走向长14.47 km，倾向长8.49 km，面积122.85 km2，可采储量约1 200 Mt，设计生产能力8 Mt/a，设计服务年限113 a。采用综采一次采全高回采工艺，单工作面即可实现近千万吨年产量。矿井整体为单斜构造，倾向南西，平均倾角不足5，煤体赋存较稳定，区内未发现大型构造和褶曲，构造复杂程度为简单。主采3-1煤，煤层厚度平均6.1 m，结构简单。2冲击地压防治技术方案确定（1）冲击地压问题分析产气具气体预裂技术在巨厚层状坚硬岩层的应用任志新（内蒙古鄂尔多斯永煤矿业有限公司 马泰壕煤矿，内蒙古 鄂尔多斯017000）摘要：为解决马泰壕煤矿煤层顶板赋存巨厚层状坚硬岩层的问题，选用MCQY1-50型产气具实施气体致裂技术对覆岩进行预裂破坏，达到冲击地压防控的目的。对比爆破冲击、水力压裂和气体致裂技术的优缺点，采用经验分析、理论分析方法对气体致裂范围进行研究，并进行单孔、双孔的燃烧和爆轰过程模拟，分析装置因素和炮孔因素对气体致裂效果的影响。关键词：气体致裂；产气具；覆岩破坏；气楔作用；相似模拟中图分类号：TD324.2文献标志码：B文章编号：1003 0794（2023）05 0140 06Application of Gas Precracking Technology of Gas Producing Tool inVery Thick Layered Hard RockRen Zhixin(Mataihao Coal Mine,Inner Mongolia Ordos Yongcheng Coal Mining Co.,Ltd.,Ordos 017000,China)Abstract:In order to solve the problem of the thick layered hard rock in the roof of Mataihao coalmine,MCQY1-50 type gas producing tool was adopted to carry out the gas fracturing technology toprecrack the overburden to achieve the purpose of rock burst prevention and control.The advantagesand disadvantages of blasting impact,hydraulic fracturing and gas fracturing technology were compared.The range of gas fracturing was studied by empirical analysis and theoretical analysis,and the combustionand detonation process of single and double holes were simulated.The influences of device factors andhole factors on gas fracturing effect were analyzed.Key words:gasfracturing；gasproducingtool；overburdenfailure；gaswedgeaction；similaritysimulation140根据马泰壕煤矿矿井构造可知：井田内断层构造不甚发育，多发育巨厚层状、结构完整的坚硬砂岩，不易断裂；随着回采步距的增加，应力达到极限平衡，在采动破坏扰动下，极限平衡突然被打破，巨厚坚硬岩层发生断裂，瞬间释放巨大的弹性势能，岩层动载叠加应力集中，产生剧烈震动，极易诱发冲击地压事故。（2）技术方案介绍针对马泰壕煤矿存在的冲击地压问题，需要采取预裂措施，提前破坏顶板坚硬砂岩，使其无法积累较大的弹性势能并发生阶段性的破断。对水力压裂、爆破致裂和气体致裂方案进行分析，选择最为合适的方法进行预裂。水力压裂主要是将高压液体注入到钻孔中并进入目标层位，将油气储层压裂，然后注入支撑剂使目标层位保持张开的状态，有利于油气的运移和抽采；爆破冲击施工一系列钻孔进入目标层位，通过炸药爆破产生冲击波破坏岩层的完整性，从而达到工程目的；气体致裂分为高压气体致裂和高能气体致裂。高压气体致裂原理为利用经过物理手段而压缩或者液化的气体突然释放产生冲击波对围岩造成破坏效应，产生径向纹裂，然后利用高压气体的尖劈致裂效应对已经产生的纹裂进行扩展。高能气体致裂与高压气体致裂的区别是利用装在套管中的化学剂和催化剂联合作用，燃烧产生高压气体而实现致裂。（3）技术方案对比及确定升压曲线对比3种技术方案升压曲线如图1所示，由图1可知，爆破冲击升压迅速、压力峰值高，但持续时间较短；水力压裂升压最慢、高压持续时间最长，但压力峰值相对较低；气体致裂技术指标位于两者之间。分析可得，水力压裂压力有限，爆破冲击高压持续时间太短，不易产生规模较大的裂隙，而气体致裂在压力峰值和持续时间上都具有一定的保障。图1升压曲线对比1.爆破冲击2.气体致裂3.水力压裂升压技术参数对比气体致裂与爆破冲击和水力压裂相比，主要的技术指标如表1所示。按照力学相关理论，炮孔如果压力加载时长t10-7s，会造成硬岩粉碎变形；当时长为10-610-3s时，会生成数条径向裂隙；而当时长t10-1s时，会生成与最大主应力方向一致的对称性裂隙。由此可知，采用气体致裂技术能够充分利用升压时间，最大限度生成裂隙并扩展。表13种致裂升压技术参数裂隙形态对比3种技术产生裂隙的形态特征如图2所示。由图2可知：爆破冲击由于能量强度最大，会在中心处产生严重的破坏，但裂隙发育范围和密度不足；水力压裂仅能在最小主应力的垂直方向上沿岩层薄弱面形成1条对称裂隙；气体致裂高压时间长，存在二次劈裂，能够产生多方向、高密度的对称裂隙。（a）爆破冲击（b）气体致裂（c）水力压裂图23种致裂手段不同裂隙形态特征经过以上方案对比，最终确定采取气体致裂技术方案。3气体致裂技术及工程施工3.1气体致裂装置、原理及优势（1）产气具介绍产气具由主药剂和启动器组成，如图3所示，主要有MCQY1-32型、MCQY1-41型、MCQY1-50型和MCQY1-76型。本文选择MCQY1-50型产气具，规格50 mm900 mm，启动器10 mm200 mm。该产气具点燃后不会立即爆轰，当压力达到一定程度时才会发生爆轰反应，反应情况受到燃烧压力峰值的控制，即在空气中点燃不会发生爆轰，还有顶板岩层相互导通的裂隙特别发育，高压气体散逸时间充足，也不会发生爆轰反应。图3产气具组成示意图1.主药剂2.启动器第44卷第5期Vol.44 No.5产气具气体预裂技术在巨厚层状坚硬岩层的应用任志新压力时间123类型爆破冲击气体致裂水力压裂压力峰值/MPa10410210升压时长/s10-710-210-1102103加载速率/MPas110610210410-1总过程/s10-610-110412141（2）气体致裂工作原理气体致裂是利用产气具的气楔效应，燃烧时对围岩的原生裂隙进行首次压裂，当产生爆轰后对围岩产生破坏，对裂隙进行二次扩展。燃烧过程产气具利用高压电流放电点燃炸药，热能和膨胀力瞬间激发产气具，之后主药剂燃烧产生气楔效应，形成的张应力对围岩的原生裂隙进行扩展。爆轰过程当燃烧产生的压力到达临界值时，产生爆轰。其包括冲击波、拉应力和爆生气体膨胀作用3个阶段。爆炸首先产生冲击波作用于孔壁，冲击压力远超围岩抗压强度造成围岩破坏，并产生初始裂隙；之后爆轰引发环向以及反射拉应力，促进原生裂隙和初始裂隙的二次发育，并再次产生裂隙；爆炸产生的气体剧烈的膨胀形成劈裂作用，继续对裂隙进行扩充。产气具爆炸后，通过对围岩较长时间不同性质应力的连续破坏，产生气爆孔、破碎区、裂隙区和震动区，如图4所示。图4气体致裂示意图1.气爆孔2.破碎区3.裂隙区4.震动区（3）气体致裂技术优势气体致裂技术相对于其他致裂技术存在以下优势：产气具燃烧过程中形成高压预裂作用，对原生裂隙进行扩展，为之后的爆轰提供有效空间，减少由于压力过大造成围岩过度破坏而降低致裂程度；爆轰发生时，其周边空间已经存在高压气体，在爆轰作用的推动下，这些高压气体进一步向裂隙深部推进，有利于裂隙的进一步发育；燃烧作用、爆轰作用和高压气体劈裂作用有利于围岩产生贯通裂隙，提高围岩的破坏范围和破坏程度。3.2施工方案在3112回风顺槽1#联巷向工作面78378 m处煤柱帮施工预裂孔，每10 m施工1组2个预裂孔，共30组60个孔。在3112胶运顺槽1#联巷向工作面301601 m处回采帮施工预裂孔，每6 m施工1组2个预裂孔，共50组100个孔。3112工作面回风顺槽断层区域煤柱帮布置1排高低位预裂孔，组间距10 m，组内孔间距1 m，方位角为322。其中高位孔倾角60、孔深57 m、装药长度18 m，装药量2448 kg，封孔长度不小于19 m，孔径93 mm；低位孔方位角为322、倾角60、孔深32 m、装药长度12 m，装药量1224 kg，封孔长度不小于11 m，孔径93 mm。总计30组，60个孔，进尺量2 670 m。3112工作面胶运顺槽由于卸压孔无法施工，调整此处预裂孔布置密度，加强卸压程度。采煤帮布置1排高低位预裂孔，组间距6 m，组内孔间距1 m，方位角为322。其中高位孔倾角60、孔深57 m、装药长度18 m，装药量2448 kg，封孔长度不小于19 m，孔径93 mm；低位孔倾角60、孔深32 m、装药长度12 m，装药量1224 kg，封孔长度不小于11 m，孔径93 mm。总计50组、100个孔，进尺量4 450 m。施工剖面图如图5所示。图5顶板爆破钻孔施工剖面图4气体致裂预裂范围分析4.1经验分析岩层爆破影响范围受地质条件、岩性等的控制，研究认为基于装药半径，破碎区半径为装药半径的27倍，裂隙区半径为装药半径的1015倍。计算可知气体致裂破碎区半径5.0017.50 cm，裂隙区半径25.0037.50 m。4.2模拟分析（1）模型建立建立有限元模型对炮孔围岩致裂情况开展数值模拟。考虑到炮孔直径远小于其长度，可忽略其端部