山西同煤首创坚硬顶板地面压裂控制技术
查看隐藏内容（*）需先登录
日前，由同煤集团与重庆大学联合研发的“煤矿坚硬顶板地面压裂控制技术”获中国煤炭工业协会科学技术一等奖，这项技术属国内首创，是同煤集团继****年“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备”获得国家科技进步一等奖、****年同忻矿智能化综放工作面关键技术荣获中国煤炭工业协会“千万吨级综放工作面关键技术及示范工程”项目科学技术一等奖后同煤集团斩获的又一重要科技殊荣。 高位坚硬岩层制约矿井安全高效开采 作为具有世界竞争力和影响力的能源企业，同煤集团经过**多年的开采，开采阵地逐步由侏罗纪煤系向石炭纪煤系转移。较之侏罗系煤层，石炭系的煤层厚度大、顶板结构复杂、强度高、整体性强，这些因素叠加，就会使作业时矿压显现强烈，毫无规律可言，造成支架压死、巷道变形，严重影响安全生产。然而，传统的顶板控制技术只能局限于基本顶范围，对于高位坚硬顶板（距煤层***－***m）尚没有行之有效的解决策略。因此，如何治理高位坚硬顶板，消除综放工作面强矿压，是开采过程中亟待解决的重大难题。 解决难题，需要集思广益，需要博采众长。同煤集团从****年起联合重庆大学，开始组织技术人员立项研究。基于国内外坚硬顶板控制的现状，项目的主要完成人于斌、匡铁军、田利军、刘锦荣等人在国家重点研发项目“深部岩体原位力学行为研究”等理论支撑下，提出了地面水力压裂坚硬顶板控制矿压的方法。这种方法借鉴石油工程领域技术，通过地面钻探垂直井压裂弱化高位坚硬顶板。针对石炭系煤层**%以上为砂岩，利用压裂液与砂岩发生化学反应，溶蚀孔隙内的矿物，使孔隙增加，从而降低裂缝面的岩体强度，达到释放强矿压的目的。并先后完成了水力压裂弱化机理、坚硬顶板目标层判定、采动应力场水压裂缝扩展规律、地面压裂精准控制技术及参数优化等方面的研究和测试，使项目的进一步实施具备了成熟的技术条件。 解决高位岩层引发的强矿压显现难题 实验测试过程中，同煤集团先后在地面、井下工作面和物理实验室联合开展工作，摆脱了传统的井下水力压裂技术被作业空间制约、无法应用高性能压裂设备实施的局限。据研发成员之一的同煤集团同大科技院采矿研究所所长刘锦荣回忆，“有了地面致裂这一构想后，研发团队就开始寻找可参照的成功案例。只是当时国内煤炭行业还没有对相似地质结构高位坚硬岩层的有效控制技术可供借鉴。” 彼时，研发人员将观测设备安装在井下进行精准测算，分析回采参数、坚硬顶板层位、厚度及强度对矿压的影响。他们反复进入工作面以及条件对应的地面进行测试。通过在现场获取的****×***×***mm原岩试件进行试验，获得了水压裂缝扩展规律及分布特征，为压裂裂缝扩展控制找到了理论依据”。 一项成果的顺利实施，往往聚合了多项先进技术的支撑，“煤矿坚硬顶板地面压裂控制技术”便是如此。在研发过程中，共取得“地面压裂坚硬顶板控制采场矿压术”“地面水力压裂弱化坚硬顶板工艺及参数、微震监测裂缝扩展技术”五项创新成果。每一项之间都是环环相扣，关联紧密。五项技术合体后，便达到了项目实施的所有条件。 新技术属国内首创，并成功用于实际 煤矿坚硬顶板地面压裂控制技术的首批实验应用地是集团塔山矿****工作面和同忻矿****工作面。这两个矿是同煤集团千万吨级高效发展的矿井典型，作业环境具有高位坚硬顶板地质条件特点。两个工作面上覆两层坚硬顶板 (距煤层顶板***m和***.**m)，实施地面水力压裂后，产生的水压裂缝对坚硬顶板形成了明显的分层效果，有效控制支架阻力和超前支承应力，使支架平均工作阻力降低**%，超前支承应力降低**%，煤壁片帮率减少**%，回采期间未出现强矿压显现的现象。
此外，经过地面水力压裂对坚硬顶板实施控制，使试验巷道受到的采动矿压影响显著减小，无需返修；经过煤柱宽度优化及支护方案的调整，超前支护段不再需要木垛，两项共可节支近千万元。 此项技术突破了传统井下水压致裂坚硬顶板时作业空间的局限性，协同采动应力场控制裂缝扩展方向，对坚硬顶板层位、压裂时机和压裂范围进行精准控制，实现了覆岩坚硬顶板控制的全覆盖，填补了高位坚硬顶板控制的空白，开辟了坚硬顶板控制的新途径，推动了我国坚硬顶板强矿压控制技术进步，使我国的坚硬顶板控制技术达到国际领先水平。（刘雨亭）
