综放面顶煤注水弱化技术实践.pdf

1 9 0 未瞧差 科技 2 0 1 1 年第5 期 综放 面顶煤 注水 弱化技 术实践 潘大伟 山西省煤炭规划设计院 ， 山西 太原0 3 0 0 4 5 摘要该文分析了煤层及顶底板特性， 确定了岩体弱化高度、 湿润半径及注水技术参数， 制定了注水压裂工艺。回采实践证明， 注水弱化顶 煤顶板 明显提高 了顶煤 的可放性和顶板 的垮落性能， 保证 了回收率 的提高和采面 生产安全。 关键词综放面顶煤注水弱化 中图分类号 T D 8 2 3 ． 4 9 文献标识码B 1 煤 层特性 及顶 底板 特性 某矿开采 3 5 } } 煤层厚度较大， 沉积环境不稳定 ， 分岔合并现象频繁。煤层由6～ 3 5个分层 一般 1 0～ l 5 组成， 含矸率 2～3 3 ％， 平均 1 6 ％。夹矸累厚 0 ． 1 5 ～ 1 ． 4 m， 单层最厚 0 ． 6 m， 一般由高岭岩、 高岭质泥岩、 砂质泥岩和炭质泥岩组成。煤层节理较为发育 ， 硬度 中等以上 。厚度 1 ． 6 3 2 9 ． 2 1 m， 平均1 5 ． 7 2 m。 煤层由下向上依次为 4 m厚垂直节理发育煤层、 6 m厚倾斜节理发育煤层、 5 m厚层理发育煤层、 2 m厚 破裂煤层和不到 l m的破碎煤层， 因受火成岩侵入影 响， 上部为 1 4 m的硅化变质煤层。 煤科 院北京开采所在 2 0 0 5年 4月对该矿巷道进 行了围岩力学测试和结构观测， 测试结果为煤体最大 强度为2 6 ． 7 5 MP a ， 平均为 1 21 6 M P a ， 煤层呈弱玻璃 一 玻璃光泽 ， 碎块 一块状， 参差不齐阶梯状断口， 加有 镜煤条带 ， 发育有内生裂隙。节理面充填有方解石脉， 结构疏松 ， 性脆易碎。煤层节理间距在 1 5 2 5 e m， 主 节理间距 1 ． 0 1 ． 2 m， 节理倾角5 5 。 。 煤层顶板为不同岩性薄层互层型复合结构。在火 成岩侵入区， 直接顶主要为煌斑岩和高岭质泥岩等， 在 非火成岩侵入区， 直接顶主要为高岭质泥岩、 炭质泥 岩、 泥岩和砂质泥岩等。由于顶板岩性变化较大， 如果 按照缓倾斜煤层顶板分类方案进行分类 ， 则直接顶的 厚度在 1 8 3 8 m。根据首采工作面内的 1 5 0 5 、 1 4 0 8个 地质钻孑 L 资料及在两个顺槽进行 的探顶资料分析， 顶 板为泥岩、 砂质泥岩、 煤、 高岭岩、 细砂岩、 中砂岩、 粗砂 岩的互层， 分层厚度一般为0 ． 1 4 ． 0 m， 且厚度较大的 分层中间都夹有泥岩或煤 的软弱夹层 ， 该类型顶板应 为不稳定顶板。顶板岩层的单 向抗压强度一般为 3 1 6 7 M P a 。底板多为砂质高岭质炭质泥岩、 泥岩和高 }收稿 日期 2 O l 1 0 53 O 作者简介 潘大伟 1 9 8 2一 ， 男， 江苏省宿迁市人， 毕业于太原理 工大学采矿工程专业， 山西省煤炭规划设计院从事采矿工程相关技 术工作。 岭岩， 含少量粉砂岩和细砂岩。底板岩层的单 向抗压 强度一般为 1 0 3 4 M P a 。 2 顶板注水压裂软化孔参数的确定 首采工作 面采用综采一次放顶 开采 ， 工作面长 2 3 0 m， 推进长度 1 5 4 0 m， 机采高度为 3 ． 5 m， 煤厚 l 5～ 1 7 m， 巷道规格 皮带巷 5 ． 5 x 3 ． 3 m、 回风巷 5 ． 23 ． 6 m， 巷道支护形式为 锚 网支护 。 工作面通过注水软化顶板降低岩体整体性和强 度。由于顶煤放煤厚度为 1 2～1 4 m， 工作面长 2 3 0 m， 应选用双巷双测双孔注水压裂孔布置。 2 ． 1 岩体弱化高度 日 放顶煤工作面的顶板塌落高度 日应满足 1～1 ． 5 倍的采高。 H 1一一 ． 5 M 1～ 1 ． 5 1 5 1 5 2 2 ． 5 m 式中 一采高， m ． 取岩体弱化高度 H 2 0 m 2 ． 2 湿润半径 根据集 团公 司以往 的经验可取 R1 0 1 5 m 2 ． 3 注水技术参数 ， 1 ①第一层孔长度 L L | 掣 ‘ 4 s i n ‘ 0 式中 0 一 注水孔水平投影与工作面顺槽 的夹角， 初次 放顶区取 0 9 0 。 ， ， 一般取 7 0 。 则初次放顶区L ， 一1 0 7 m取 1 0 0 m 正常般情况 一1 1 4 m取 L 。 l l 0 m 2 注水孔仰角 JB ①初次放顶区 S 1 2 2 O ／ l O O 卢一1 8 ． 6 7 。 取 JB 1 9 。 ②正常情况区 S 1 2 2 0 ／ 1 1 0 卢 一1 6 ． 9 1 。 取 卢1 7 。 3 第二层孔参数及长度 由于顶煤的厚度大约有 1 1 ． 51 6 ． 5 m， 所 以第一 层孔从孔 口到见顶板处有大于4 0 m的顶板未能很好注 2 0 1 1 年 第5 期 东 瞧茬 舛技 l 9 1 水弱化 ， 故需打第二层孔。取未注好水的顶板长度为 5 0m。 ①注水孔参数 注水孔仰角 为 t a r e 1 51 5 ／ 5 0 -- 3 0 ． 9 。 取 3 0 。 ②注水孔长度 L 2 5 0 ／ c o s B L 2 5 8 m取 L 2 6 0 m 第一次注水孔从切眼算起 2 0 m打孔， 以后孔间距 取 3 0 m， 注水孑 L 布置参数见图 4所示。根据现场钻机 特性， 选取注水 L q L 径为 8 0 9 0 ra m。 A - A 图1 顶板注水软化压裂孔布置示意 4 注水量及注水压力 孔长 6 0 m的注水量可先按照 2 0 03 0 0 m ／ 孔， 孔 长 1 0 01 1 0 m的注水量可先按照 4 0 0 5 0 0 m ／ 孔考 虑。实际根据具体情况现场而定 ， 若 出现明显漏水或 周围煤岩有渗水应立即停止注水。开始的注水压力为 1 0～ 2 0 MP a ， 稳定注水压力保持在 3 6 MP a 。 5 注水压裂侵润时间 注水压裂侵润时间为 l 56 0 d ， 即注水后必须超 过 1 5 d ， 但不得超过 6 0 d ， 在此期间必须开采此注水长 度。 3注水压 裂 工艺 注水压裂工艺包括钻孔、 封孔、 注水压裂三个工 序。 钻孔是通过钻机而实现的， 钻机要求体积小、 重量 轻、 移动方便。钻进深度在 l O 0 m以上， 施工中使用两 种钻机 ， K z一 2 0 0和 MK一 4钻机。 封孔是注水压裂弱化的重要工序之一 ， 既要保证 设计的封孔长度， 又要保证封堵严密不漏水。选择水 泥砂浆封孔， 该方法工序复杂， 时间长， 但优点是取材 方便， 封堵严实， 封孔压力可达到 2 0 MP a以上。 注水压裂孔封好之后 ， 便可进行注水压裂工作。 压裂液一般选用矿井水 ， 将矿井水排至地面储水池经 过沉淀后， 通过静压输水管路 ， 将水直接送到注水压裂 工作面的水泵 应先过滤 。注水泵出水管通过高压 胶管及快速接头与注水孔的注水管连接， 见图 2所示， 在注水压裂系统中， 必须安装有流量计和压力表， 分别 测定注入水量和注水压力。 顶板 1一注水压裂管 ； 2一管接 头； 3一高压胶管 ； 4一高 压注水 泵； 5一 压力表； 6 一 低压胶管； 7一 过虑器； 8 一压力表； 9一流量计； 1 0一 水管 ； 1 1一阀门； 1 2一地面水池 图2 顶板注水压裂系统示意 、 注水压裂之前 ， 需 要进行 试 注水。试注 水量 不得 少于 2 0 m 。试注水的目的是检查封孔质量， 并通过注 水泵压变化观测注水孔受水条件与裂隙发育情况。 注水压裂时 ， 注水量可通过连接在泵与水包过滤 器问的流量计测得， 注水压裂孑 L 内的压力可通过测量 注水泵的供水压力间接取得， 也可通过安装在泵体上 的防震压力表断续测量 ， 还可以使用普通压力 自记仪 进行泵压 自动记录。 4 结束 语 回采实践证明， 注水弱化顶煤顶板明显提高了顶 煤的可放性和顶板的垮落性能， 保证了回收率的提高 和采面生产安全。 参考文献 [ 1 ] 潘立友 张立俊 刘先贵． 注水压裂弱化控制煤层坚硬难冒顶板技 术[ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 姜福兴、 尹增德等． 矿山压力与岩层控制[ M] ． 北京 煤炭工业出 版社 ， 2 0 0 4 ．