坚硬煤层水力致裂机理及应用研究

摘要

“高产高效，绿色安全”是煤炭企业的追求目标。西部大煤田的开发以及采煤深度的递增，所发现的坚硬煤层也越来越多，而开采坚硬煤层存在截齿消耗大、割煤效率低、块煤含量低、煤尘浓度大等问题，严重制约着煤炭企业的高产高效与生产安全。基于此，本文利用水力致裂技术预先对坚硬煤层块裂改造，通过发挥支承压力的碎裂作用实现坚硬煤层的弱化。
　　本研究主要内容包括：⑴对煤岩体水力裂缝的开裂及扩展行为进行分析。基于弹性力学孔口围岩应力解，得出完整孔壁的开裂压力及方向，利用复变函数保角变换，将圆形孔边对称裂纹映射在数学平面的单位圆内部，以远场地应力及内部水压为边界条件，得出了裂纹尖端应力强度因子表达式。采用断裂力学K判据，推导裂缝尖端扩展压力。结合流体力学Navier-Stokes方程导出水在裂缝内的压降方程，推导了孔底水压力与起裂长度之间的关系表达式；⑵水力裂缝在坚硬煤层中的开裂及扩展行为，是水力裂缝改造坚硬煤层的前提条件。采用定向切槽只是降低起裂压力、控制开裂方向的一项措施，旨在对坚硬煤层的块裂改造。水在坚硬煤层钻孔及裂缝面边界上的渗透过程，只起到辅助软化作用。而经过块裂改造和渗透软化的煤层，为发挥支承压力的碎裂作用创造了条件。基于抗压强度的尺寸效应和宽高比，得出了发生碎裂作用的水力钻孔间距公式；⑶随着采面的推进，支承压力的遍历促使坚硬煤层碎裂。弱化后的坚硬煤层，削弱了截齿与煤体的研磨作用，实现坚硬煤层快速回采的同时，对提高块煤率、降低截齿消耗、降低煤尘浓度均起到一定的作用。以柠条塔煤矿南翼2-2煤S1201综采工作面为背景，设计了水力致裂施工方案。