在中煤科工開采研究院有限公司，有這么一群人，他們是煤礦巖層應力的“主治醫(yī)師”，找準目標層“病根”，拿起鉆孔“手術刀”，向堅硬頂板發(fā)起“靶向治療”，通過不斷改造巖層，減少隱藏在煤礦井下的致病因子——沖擊地壓隱患。
近年來，針對沖擊地壓這一世界性難題，中煤科工開采研究院有限公司一大批科研人員，結合陜西、內(nèi)蒙古深部礦區(qū)硬厚頂板、煤層強度較大、開采強度大的地域特點，研發(fā)了井上下區(qū)域分段壓裂沖擊地壓防治技術與裝備，并初步取得了預期效果。
在西部尋找防沖新技術
“我國科研人員在沖擊地壓防治方面做了大量工作，比如防沖機理、沖擊傾向性測定方法及標準、監(jiān)測預警技術及裝備、卸壓防沖等方面。但是，沖擊地壓就像地震一樣，預警和防治依然是世界性難題。”中煤科工開采研究院有限公司副總經(jīng)理徐剛表示。
我國現(xiàn)有多處沖擊地壓礦井，主要分布在山東、內(nèi)蒙古、陜西、山西和黑龍江等地。受到礦區(qū)地質(zhì)條件、煤巖體構造、開采擾動等因素影響，不同礦區(qū)沖擊地壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)區(qū)域性特點。此外，開采深度的加深，使得一些礦區(qū)迎來防沖新挑戰(zhàn)。
“5年前，沒人認為榆林和鄂爾多斯地區(qū)會有沖擊地壓，因為是淺埋深，一般不會發(fā)生沖擊地壓。但近幾年，這個地區(qū)埋深達到600米至800米，而且煤層上方有多層硬厚頂板，開采強度比東部大，導致這些地區(qū)礦井也顯現(xiàn)出了沖擊地壓。”徐剛表示。
不同于山東、兩淮等礦區(qū)，陜西、內(nèi)蒙古深部礦區(qū)除了存在多層硬厚頂板的特點外，還有礦井設計生產(chǎn)能力較大、沖擊地壓事故大多發(fā)生在回采巷道超前300米范圍等特點。
“以前是100米到200米埋深，現(xiàn)在是600米甚至800米，煤礦應力、頂板活動規(guī)律、地表破壞特點等都不一樣。這就要求我們要在煤礦規(guī)劃、可行性、初步設計、工作面布置、巷道支護等方面，適應深部開采需求。”徐剛表示，“此外，東部有的防沖技術措施，在陜西、內(nèi)蒙古深部礦區(qū)也不一定完全適用。比如限制工作面推進速度的話，年產(chǎn)量會受影響，這不僅對企業(yè)和國家來說損失很大，而且對現(xiàn)在的煤炭保供形勢也會有一定影響。所以，我們要研發(fā)適用于陜西、內(nèi)蒙古深部礦區(qū)的防沖新技術。”
開展井上下壓裂試驗
地面壓裂技術是石油行業(yè)應用相對成熟的技術，在煤礦瓦斯抽采中也有廣泛應用。2018年前后，陜西、內(nèi)蒙古深部礦區(qū)頻繁發(fā)生沖擊地壓事故，而當時的井下定向分段壓裂技術和裝備正在研發(fā)中。
基于這種情況，中煤科工開采研究院有限公司提出采用地面壓裂技術，弱化硬厚頂板，解決沖擊地壓治理難題。此前，原同煤集團總工程師于斌，在利用地面壓裂技術治理硬厚頂板強礦壓問題方面進行了一些探索，兩者原理大致相同。
當年，中煤科工開采研究院有限公司申請了中國煤炭科工集團重點項目“鄂爾多斯深部巨厚頂板強礦壓煤層安全高效開采關鍵技術”、“科技助力經(jīng)濟2020”重點專項“沖擊地壓硬厚頂板地面壓裂源頭治理技術裝備及應用”，并開展了相關研究。
“當時，我們確定的示范點是鄂爾多斯地區(qū)的煤礦，但由于種種原因最后沒在這些礦井應用，非常遺憾。后來機緣巧合下，也是因為陜煤集團及彬長礦業(yè)公司領導思路開闊、敢于嘗試，我們在孟村煤礦401102工作面首次應用了地面壓裂技術。后來，我們又在胡家河煤礦、小莊煤礦進行了應用。”徐剛表示。
經(jīng)了解，井上下區(qū)域分段壓裂沖擊地壓防治技術有兩大實現(xiàn)途徑：一是在地面采用定向水平孔，實現(xiàn)頂板壓裂。此方法處理范圍大，壓裂裂紋擴展直徑為250米至350米，一口水平井可實現(xiàn)一個工作面全覆蓋。二是在井下采用定向鉆孔，實現(xiàn)分段壓裂頂板。
“井上壓裂是借鑒石油行業(yè)技術，我們只是根據(jù)沖擊地壓防治要求進行了優(yōu)化。而井下分段壓裂技術是開采研究院自己研發(fā)的成套技術和裝備。這些技術為礦區(qū)真正實現(xiàn)‘區(qū)域先行’‘先壓后掘、先壓后采’‘井下災害井上治理、災害提前治理’創(chuàng)造了條件。”徐剛表示。
從中煤科工開采研究院有限公司制作的宣傳視頻中，記者詳細了解到這套技術的應用過程。壓裂工程實施前，技術人員根據(jù)多年經(jīng)驗和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，確定目標巖層；利用定向鉆孔，利用泵送水將巖層分段壓裂。待井下工作面回采時，被壓裂過的巖層有序垮落，從而釋放能量、減少沖擊地壓事故。
“整個過程就像醫(yī)生給病人做手術一樣。首先，我們找到‘病灶’，即目標巖層；拿起‘手術刀’對著‘病灶’進行切割，把‘病根’破壞掉，從而達到治療效果。”徐剛表示，“我們會根據(jù)煤礦自身條件，比如埋深、處理巖層的厚度、是否好征地等因素，決定采用地面還是井下治理。”
定向鉆孔“探”到目標位置后，開展水力壓裂
真正解決防沖區(qū)域治理難題
相關人員表示，技術最大創(chuàng)新點在于實現(xiàn)了工作面全范圍壓裂。跟傳統(tǒng)水力壓裂流量每分鐘0.1立方米相比，新技術壓裂流量為每分鐘2立方米至10立方米，提高了20倍至100倍，相應壓裂范圍和效果也大幅度提高。孟村煤礦401102工作面進行地面壓裂后，與401101首采工作面相比，壓裂區(qū)微震頻次降低了44.3%，微震能量降低了83.3%，壓裂區(qū)再沒有發(fā)生沖擊地壓事故。
今年8月，國家礦山安全監(jiān)察局在彬長礦業(yè)公司召開了全國煤礦瓦斯和沖擊地壓重大災害防治現(xiàn)場會。會上，這項技術得到了認可。“傳統(tǒng)爆破或淺孔壓裂卸壓方法，存在處理范圍小、無法全部覆蓋工作面等缺陷。我們希望新技術能真正解決沖擊地壓區(qū)域防治難題，為煤礦工人提供更安全的工作環(huán)境。”徐剛表示。
不過，井上下區(qū)域分段壓裂沖擊地壓防治技術也有一定應用條件，即為硬厚頂板引起的沖擊地壓顯現(xiàn)。同時，技術雖在十幾個工作面得到應用，但依然存在不少問題。比如井下壓裂存在壓裂流量較小、不能進行射孔和下套管、壓裂范圍不大等，井上地面壓裂存在成本高等問題。
“最關鍵的還是要詳細研究壓裂層位的選擇。”徐剛表示，“如今，我國煤礦已經(jīng)基本解決瓦斯治理難題，主要是應用了井上下抽采新技術，這對防沖來說有很好的參考意義。如今，沖擊地壓防治難題，也會像解決瓦斯治理難題一樣，需要我們通過不斷應用新技術和新裝備，更新防治思路，逐漸形成防沖新局面。”
除了井上下區(qū)域分段壓裂沖擊地壓防治技術外，中煤科工開采研究院有限公司還研發(fā)了磨砂水射流軸向精準切頂防沖技術、煤層水力旋切擴孔超強防沖技術等，并在小莊煤礦、硯北煤礦、葫蘆素煤礦等沖擊地壓或強動壓礦井進行了應用，為沖擊地壓治理積累了有效的實踐經(jīng)驗。
據(jù)了解，中煤科工開采研究院有限公司從成立之初就開始研究沖擊地壓防治技術，如今已有60多年歷史。研究團隊有40多個人，涉及理論研究、監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)、防治技術及裝備、工程施工等領域?？导t普、齊慶新、潘俊鋒、徐剛、夏永學、王傳朋等人，在沖擊地壓傾向性測試方法及標準制定，沖擊地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)引進、消化和吸收，水力壓裂技術及裝備研制、深孔爆破工藝及裝備優(yōu)化等方面做了大量工作，極大推動了我國防沖事業(yè)的發(fā)展。
來源：中國煤炭報
