在中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，有這么一群人，他們是煤礦巖層應(yīng)力的“主治醫(yī)師”，找準(zhǔn)目標(biāo)層“病根”，拿起鉆孔“手術(shù)刀”，向堅(jiān)硬頂板發(fā)起“靶向治療”，通過(guò)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(lái)，針對(duì)沖擊地壓這一世界性難題，中煤科工開(kāi)采研究院有限公司一大批科研人員，結(jié)合陜西、內(nèi)蒙古深部礦區(qū)硬厚頂板、煤層強(qiáng)度較大、開(kāi)采強(qiáng)度大的地域特點(diǎn)，研發(fā)了井上下區(qū)域分段壓裂沖擊地壓防治技術(shù)與裝備，并初步取得了預(yù)期效果。

在西部尋找防沖新技術(shù)

“我國(guó)科研人員在沖擊地壓防治方面做了大量工作，比如防沖機(jī)理、沖擊傾向性測(cè)定方法及標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)及裝備、卸壓防沖等方面。但是，沖擊地壓就像地震一樣，預(yù)警和防治依然是世界性難題。”中煤科工開(kāi)采研究院有限公司副總經(jīng)理徐剛表示。

我國(guó)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(gòu)造、開(kāi)采擾動(dòng)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(diǎn)。此外，開(kāi)采深度的加深，使得一些礦區(qū)迎來(lái)防沖新挑戰(zhàn)。

“5年前，沒(méi)人認(rèn)為榆林和鄂爾多斯地區(qū)會(huì)有沖擊地壓，因?yàn)槭菧\埋深，一般不會(huì)發(fā)生沖擊地壓。但近幾年，這個(gè)地區(qū)埋深達(dá)到600米至800米，而且煤層上方有多層硬厚頂板，開(kāi)采強(qiáng)度比東部大，導(dǎo)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(diǎn)外，還有礦井設(shè)計(jì)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(diǎn)。

“以前是100米到200米埋深，現(xiàn)在是600米甚至800米，煤礦應(yīng)力、頂板活動(dòng)規(guī)律、地表破壞特點(diǎn)等都不一樣。這就要求我們要在煤礦規(guī)劃、可行性、初步設(shè)計(jì)、工作面布置、巷道支護(hù)等方面，適應(yīng)深部開(kāi)采需求。”徐剛表示，“此外，東部有的防沖技術(shù)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(jìn)速度的話(huà)，年產(chǎn)量會(huì)受影響，這不僅對(duì)企業(yè)和國(guó)家來(lái)說(shuō)損失很大，而且對(duì)現(xiàn)在的煤炭保供形勢(shì)也會(huì)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(shù)。”

開(kāi)展井上下壓裂試驗(yàn)

地面壓裂技術(shù)是石油行業(yè)應(yīng)用相對(duì)成熟的技術(shù)，在煤礦瓦斯抽采中也有廣泛應(yīng)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(dāng)時(shí)的井下定向分段壓裂技術(shù)和裝備正在研發(fā)中。

基于這種情況，中煤科工開(kāi)采研究院有限公司提出采用地面壓裂技術(shù)，弱化硬厚頂板，解決沖擊地壓治理難題。此前，原同煤集團(tuán)總工程師于斌，在利用地面壓裂技術(shù)治理硬厚頂板強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}方面進(jìn)行了一些探索，兩者原理大致相同。

當(dāng)年，中煤科工開(kāi)采研究院有限公司申請(qǐng)了中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重點(diǎn)項(xiàng)目“鄂爾多斯深部巨厚頂板強(qiáng)礦壓煤層安全高效開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)”、“科技助力經(jīng)濟(jì)2020”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)“沖擊地壓硬厚頂板地面壓裂源頭治理技術(shù)裝備及應(yīng)用”，并開(kāi)展了相關(guān)研究。

“當(dāng)時(shí)，我們確定的示范點(diǎn)是鄂爾多斯地區(qū)的煤礦，但由于種種原因最后沒(méi)在這些礦井應(yīng)用，非常遺憾。后來(lái)機(jī)緣巧合下，也是因?yàn)殛兠杭瘓F(tuán)及彬長(zhǎng)礦業(yè)公司領(lǐng)導(dǎo)思路開(kāi)闊、敢于嘗試，我們?cè)诿洗迕旱V401102工作面首次應(yīng)用了地面壓裂技術(shù)。后來(lái)，我們又在胡家河煤礦、小莊煤礦進(jìn)行了應(yīng)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(shù)有兩大實(shí)現(xiàn)途徑：一是在地面采用定向水平孔，實(shí)現(xiàn)頂板壓裂。此方法處理范圍大，壓裂裂紋擴(kuò)展直徑為250米至350米，一口水平井可實(shí)現(xiàn)一個(gè)工作面全覆蓋。二是在井下采用定向鉆孔，實(shí)現(xiàn)分段壓裂頂板。

“井上壓裂是借鑒石油行業(yè)技術(shù)，我們只是根據(jù)沖擊地壓防治要求進(jìn)行了優(yōu)化。而井下分段壓裂技術(shù)是開(kāi)采研究院自己研發(fā)的成套技術(shù)和裝備。這些技術(shù)為礦區(qū)真正實(shí)現(xiàn)‘區(qū)域先行’‘先壓后掘、先壓后采’‘井下災(zāi)害井上治理、災(zāi)害提前治理’創(chuàng)造了條件。”徐剛表示。

從中煤科工開(kāi)采研究院有限公司制作的宣傳視頻中，記者詳細(xì)了解到這套技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程。壓裂工程實(shí)施前，技術(shù)人員根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，確定目標(biāo)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(shí)，被壓裂過(guò)的巖層有序垮落，從而釋放能量、減少?zèng)_擊地壓事故。

“整個(gè)過(guò)程就像醫(yī)生給病人做手術(shù)一樣。首先，我們找到‘病灶’，即目標(biāo)巖層；拿起‘手術(shù)刀’對(duì)著‘病灶’進(jìn)行切割，把‘病根’破壞掉，從而達(dá)到治療效果。”徐剛表示，“我們會(huì)根據(jù)煤礦自身?xiàng)l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(biāo)位置后，開(kāi)展水力壓裂

真正解決防沖區(qū)域治理難題

相關(guān)人員表示，技術(shù)最大創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)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(shù)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(yīng)壓裂范圍和效果也大幅度提高。孟村煤礦401102工作面進(jìn)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?zèng)]有發(fā)生沖擊地壓事故。

今年8月，國(guó)家礦山安全監(jiān)察局在彬長(zhǎng)礦業(yè)公司召開(kāi)了全國(guó)煤礦瓦斯和沖擊地壓重大災(zāi)害防治現(xiàn)場(chǎng)會(huì)。會(huì)上，這項(xiàng)技術(shù)得到了認(rèn)可。“傳統(tǒng)爆破或淺孔壓裂卸壓方法，存在處理范圍小、無(wú)法全部覆蓋工作面等缺陷。我們希望新技術(shù)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(guò)，井上下區(qū)域分段壓裂沖擊地壓防治技術(shù)也有一定應(yīng)用條件，即為硬厚頂板引起的沖擊地壓顯現(xiàn)。同時(shí)，技術(shù)雖在十幾個(gè)工作面得到應(yīng)用，但依然存在不少問(wèn)題。比如井下壓裂存在壓裂流量較小、不能進(jìn)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(wèn)題。

“最關(guān)鍵的還是要詳細(xì)研究壓裂層位的選擇。”徐剛表示，“如今，我國(guó)煤礦已經(jīng)基本解決瓦斯治理難題，主要是應(yīng)用了井上下抽采新技術(shù)，這對(duì)防沖來(lái)說(shuō)有很好的參考意義。如今，沖擊地壓防治難題，也會(huì)像解決瓦斯治理難題一樣，需要我們通過(guò)不斷應(yīng)用新技術(shù)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(shù)外，中煤科工開(kāi)采研究院有限公司還研發(fā)了磨砂水射流軸向精準(zhǔn)切頂防沖技術(shù)、煤層水力旋切擴(kuò)孔超強(qiáng)防沖技術(shù)等，并在小莊煤礦、硯北煤礦、葫蘆素煤礦等沖擊地壓或強(qiáng)動(dòng)壓礦井進(jìn)行了應(yīng)用，為沖擊地壓治理積累了有效的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

據(jù)了解，中煤科工開(kāi)采研究院有限公司從成立之初就開(kāi)始研究沖擊地壓防治技術(shù)，如今已有60多年歷史。研究團(tuán)隊(duì)有40多個(gè)人，涉及理論研究、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、防治技術(shù)及裝備、工程施工等領(lǐng)域?？导t普、齊慶新、潘俊鋒、徐剛、夏永學(xué)、王傳朋等人，在沖擊地壓傾向性測(cè)試方法及標(biāo)準(zhǔn)制定，沖擊地壓微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引進(jìn)、消化和吸收，水力壓裂技術(shù)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(dòng)了我國(guó)防沖事業(yè)的發(fā)展。

來(lái)源：中國(guó)煤炭報(bào)