水力压裂弱化坚硬煤层的施工技术研究

孔注水工艺进行改进，提出分段水力压裂施工技术弱化坚硬煤层，根据岩体的尺寸效应确定水力压裂注水孔的合理间距，从而使 致裂后的坚硬煤层在超前支承压力及采煤机推力的联合作用下碎裂弱化。以陕西咸阳某矿S1201工作面为背景，在现场进行试

验，结果表明：采用分段水力压裂技术可实现坚硬煤层的碎裂弱化,块煤含量提高25.76%,平均回采速度可增加3.3m/d,粉尘浓度 降幅为46.7%,显著提升煤矿的经济效益和作业环境。关键词：坚硬煤层；水力压裂;现场试验;碎裂弱化Abstract: In order to effectively solve the practical engineering problems of slow mining speed, low mining efficiency and high dust concentration in the process of hard coal seam mining, this paper improves the original full-length borehole water in­jection technology, puts forward the sublevel hydraulic fracturing technology to weaken the hard coal seam, and determines the

reasonable spacing of hydraulic fracturing water injection holes according to the size effect of rock mass, so as to make the hard

coal seam after fracturing overrun. Fragmentation weakening under combined action of front abutment pressure and shearer thrust.

Based on the working face S1201 of a mine in Xianyang, Shaanxi Province, field tests were carried out. The results show that the fragmentation and weakening of hard coal seam can be achieved by using subsection hydraulic fracturing technology, the lump

coal content can be increased by 25.76%, the average mining speed can be increased by 3.3 m/d, and the dust concentration can

be reduced by 46.7%, which can significantly improve the economic benefits and operating environment of the coal mine.Key words:Hard coal Seam;Hydraulic fracturing;Field test; Fracturing weakening中图分类号:TD822

文献标识码:A

文章编号:2096-4390( 2019) 12-0021 -03传统的水压致裂采用钻孔全长注水，其原理主要是水润湿

1947年，水力压裂技术作为增产油气井的主要技术措施，

首次应用在石油工业⑷。冯彦军®在系统研究水力压裂的裂缝扩 煤层内部已有裂隙，进而起到渗透软化作用。而本试验最大的 展机理的基础上，对晋城矿区王台辅煤矿的坚硬顶板难垮落问 不同在于,采用分段致裂的方式，不仅润湿煤层内部已有裂隙，

题用水力压裂技术成功解决。邓广哲⑹在放顶煤开采中,对顶煤 同时利用水压力，使煤层内部新增大量裂隙。试验设计主要包

注入高压水,以便弱化顶煤，提高放煤率。黄炳香卩如用真三轴试 括钻孔布置、水力压裂施工流程、现场的水压力控制和试验效 验仪理论上研究了高压水在煤岩体中的扩展裂缝及形态，并从 果监测。试验中得到验证。可见，高压水可以对岩体内部有效致裂，产生

2.1钻孔布置本文在陕西咸阳某矿S1201工作面进行试验，设置对比段

新的裂隙或使原有裂隙进一步扩展，实现岩体的弱化。但水压

裂缝在煤岩体的扩展与应力场关系密切,仅仅依靠水压裂缝对 和试验段,分别为150m。在试验段向煤层打设单排双侧水平孔,

坚硬煤层的块煤率和回采速度影响有限。这也是水力压裂在坚 因工作面倾向长度为294m,故设计钻孔长度为145m。从尺寸效 硬煤层的开采中未能广泛推广的重要原因。应角度出发,根据文献⑶可以得出水力压裂钻孔间距的计算公

通过对水压致裂理论和超前支承压力对煤的压力作用，对 式为：原有的煤层注水工艺进行改进。采用分段水压致裂对坚硬煤层 充分预裂，并从尺寸效应角度出发计算得出坚硬煤层在工作面

h

超前支承压力作用下发生抗压破坏的尺寸，即水力压裂钻孔间 距。以陕西咸阳某矿S1201工作面为背景，采用本文的结论，对 水力压裂技术弱化坚硬煤层的施工技术及效果进行了试验研

2----In-------(3 oml式中，X为钻孔间距,m;K为超前支承压力峰值系数;H为 该矿煤层埋深,312m;y为煤层上覆岩层平均容重,kN/m，;h为 煤层厚度,m;O”为煤岩体单轴抗压强度,MPa。究。1水力裂缝弱化坚硬煤层原理分析水力压裂对坚硬煤层的弱化主要包括水力裂缝对坚硬煤层

该矿的相关参数如下，超前支承压力峰值系数为5.8,该矿

的块裂作用和工作面超前支承压力的碎裂作用。即水压裂缝的 煤层埋深为312m,煤层上覆岩层平均容重为23 kN/m\\煤层厚 形成及扩展将较完整的坚硬煤层致裂，被致裂的坚硬煤层在超 度为4m,煤岩体单轴抗压强度为4.5 MPa。由此得出在超前支

前支承压力作用下被压碎。块裂作用是碎裂作用的前提条件， 承压力作用下发生碎裂弱化的钻孔间距为11.8m,现场钻孔设

而碎裂作用是块裂作用的发展。碎裂后的煤层其完整性和强度 计采用12m。孔位布置如图1所示。大大降低,又为采煤机的推采提供便利，不仅提高块煤率、回采

2.2水力压裂施工流程采用分段压裂技术对每个孔分段进行水力压裂。水力压裂 施工流程如图2。速率，而且降低截齿消耗和工作面煤尘含量，提升坚硬煤层开 采效率的同时，显著改善工作面环境。2试验设计水力压裂工艺流程如图3(a)~(e)：-22- 科学技术创新2019.12(e)致裂结束图3坚硬煤层水力压裂工艺图2.3注水压力控制图1钻孔布置图每一钻孔分3段进行水力压裂。胶囊封孔器压力均为手动泵控 制压力，胶囊水压稳定在2~3MPa即可有效封堵钻孔。采用高压泵

图2分段水力压裂施工流程图(a)煤层中钻孔(b)利用钻机下放封隔器(c)手动泵给封隔器注水加压(d)分段致裂对钻孔孔壁进行压裂并使其裂缝扩展。孔壁开裂压力计算公式为珂P〉q(3入一1)一5

⑵式中,P为孔壁开裂压力,竖向应力为大主应力6,煤岩体的抗 拉强度为S,侧压力系数为X。根据该矿地质勘查报告资料,可知该矿煤层埋深为312m,煤层

上覆岩层平均容重为23 kN/m3,水平侧压力系数为0.7,煤岩体抗 拉强度为1.2MPa。则孔壁开裂压力为6.7 MPa。现场高压泵的水压

力应控制在10-15 MPa。每一钻孔分段注水压裂时间控制在

30midm。3水力压裂弱化坚硬煤层效果分析通过近一个月的连续观测,分别对采出煤的块煤率，工作面粉尘浓度,采煤机截齿消耗等情况进行分析、设非压裂区左边线所处

位置为0,压裂区右边线位置为300m,煤层块煤分级统计情况见表

lo表1煤层块煤分级统计情况块度粒径范围售价 非压裂区 压裂区元八产率产率大块80 〜15054000中块30〜8055012」914.62小块13〜805556.8716.87精末6〜1356018.4636.84混末0.25 〜626047.9422.27煤泥0〜0.251514.549.4由表1可知，分段水力压裂工艺使得6~80mm粒径的煤分布较

多，小块煤和精末煤含量增加明显，由3752%增加至6833%,增幅

为30.81%;混末和煤泥含量由62.48%降为31.67%,明显减少。试验 结果表明,分段水力压裂工艺能显著提高煤炭的经济效益。经过现场实测，普通段的平均回采速度为试验段的平

均回采速度为12.4m/do经分段水力压裂的煤层回采速度可提高

3.3m/do统计采煤机在非压裂区和压裂区的截齿消耗情况。非压裂区使

用截齿共计52个,压裂区使用截齿共计33个，相比可减少19个, 降幅高达36.5%。对比煤层非压裂区和压裂区的粉尘浓度可得，分段水力压裂煤 层具有显著降尘作用。煤尘浓度由2.407mg/m3降至1.282 mg/m',

下降了 46.7%o (图 4)4结论本文采用分段水力压裂技术对陕西咸阳某矿S1201坚硬煤层

进行现场弱化试验研究根据岩体的尺寸效应确定水力压裂注水 孔的合理间距，从而使致裂后的坚硬煤层在超前支承压(转下页)2019.12科学技术创新 -23-大型立式泵不稳定振动故障诊断与治理刘晓锋'裴翔2(1、江苏方天电力技术有限公司，江苏南京210000 2、国电物资集团有限公司上海分公司，上海200000)摘要：循环水泵作为汽轮发电机组电力生产的重要辅机,其振动安全对电力生产可靠性影响显著。由于泵内水流的水动力

学作用以及轴系的立式不稳定结构，都导致了凝结水泵和循环水泵复杂多样的振动故障。这些故障通常涉及泵内流体激振、结构

共振、轴系失稳、机械磨损、安装质量以及多种故障的耦合。下面通过实际故障案例介绍分析这些故障的特征、振动机理以及处理方案。关键词：立式泵；不稳定振动；故障诊断中图分类号:TM311,TH3 文献标识码:A文章编号:2096-4390( 2019) 12-0023-02330rpm，工频为5.5Hz,21Hz为其4X倍频。从降速波特图来看， 1背景XX电厂#3机组采用4台KSB立式斜流循泵。而#4机组 断电后故障频率并未立刻消失。现场未听到明显异音。采用2台长沙水泵厂循泵(即#9,#10循泵)，型号88LKXA-17.9

从测试数据来看,电动机上部轴向振动值偏大，工频分量较

型立式斜流泵，扬程17.0m,流量36720mVh,重83000kg。投产9 小，主要为21 Hz频率成分,计算发现该频率与转速的4X倍频

年来,#9、#10循投运运行状态一直良好,2014年将#10循泵配 吻合。从降速波特图来看，断电后该频率并未立刻消失。工频成

套电机改为330/370rpm双速运行。#10循泵改造后，在低转速状 分较小，说明转子平衡情况较好，断电后该频率依然存在，说明 态与#9循泵并列运行时，出现轴向振动高且大幅波动的情况， 振动和电动机电磁力无关,考虑到该泵叶轮具有4个叶片，说明 有时甚至达到0.11mm。该频率为泵叶片通过频率，分析该振动问题与流体紊流有关,有

2振动故障特征上部轴向振动值偏大，且电机有明显异音，高转速下振动情况 机上部水平向振动位移值不超过55um,振速值不超过2.0mm/s,

可能该循泵改为低转速运行后，偏离原始设计工况，流体出现紊

由于#10循泵低转速运行时径向振动良好，轴向振动略微

该循泵由单速改为双速运行后,在低转速下运行时,电动机 流，导致出现较明显叶片通过频率。正常。经过现场测试各测点振动频谱显示，从测试数据来看，电 偏高，出于经济性考虑,#10循泵低速运行了一月左右,最初振

动情况基本稳定，但后来振动有增大趋势,切为高转速运行后，

轴向位移值在90um左右，振速值在3.3mm/s,偏大。从测试频谱 电机振动也变大,2014年5月15日对#10循环水泵再次进行

(转下页)图看，工频分量较小，主要为21Hz的频率成分,此时工作转速振动测试。

［5］ 冯彦军，康红普.定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验［JJ.岩石

力学与工程学报2012,6:1148-1155.［6］ 邓广哲，齐晓华，王雷.水压致裂提高块煤率的机理及应用［J］.西安

科技大学学4^201737(2):187-193.［7］ 黄炳香，赵兴龙，陈树亮,刘江伟.坚硬顶板水压致裂控制理论与成

套技术［J］.岩石力学与工程学报401736(12):29542970.〔8］黄炳香，陈树亮,程庆迎.煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问

题［J］煤炭学报^016,41(1):128-137.图4工作面粉尘浓度监测分析［9］ 黄炳香，王友壮.顶板钻孔割缝导向水压裂缝扩展的现场试验［JJ.煤

力及采煤机推力的联合作用下碎裂弱化。现场监测表明込采用分 炭学报15,40(9):2002-200&黄炳香，程庆迎,陈树亮，张统.突出煤层深孔水力致裂驱赶与浅孔 段水力压裂技术可使块煤含量提高30.81%,显著提高煤矿经济效 ［10］

益。b.对比非压裂区，压裂区的粉尘浓度有效降低,降幅为46.7%,对 抽采消突研究［J］.中国矿业大学学报4013,42(5):701-711.康天合，张建平.白世伟.综放开采预注水弱化顶煤的理论研究及 工作面环境显著改善。c.统计非压裂区和压裂区的采煤机回采速度 ［11］

和截齿消耗量，可以得出压裂区回采速度增加,截齿消耗减少，有 其工程应用［J］.岩石力学与工程学报,2004,23(15):2615-2621.效提高煤矿生产效率。参考文献［8］ 邓广哲.煤体致裂软化理论与应用［M］.西安:陕西科学技术出版社, 2003.［1］ 王海.煤层注水起裂压力及浸润扩散距离试验研究［JJ.煤矿安全, ［9］ 索永录.综采工作面预处理坚硬煤体研究试验［JJ.西安科技学院学

扌彩000(1):18-20+242018,49(9):41-43,47.［2］ 张平,姜吉容.低孔隙坚硬煤层注水试验研究［JJ.煤矿安全2016,47:18-20.(2)［10］ 黄炳香.煤岩体水力压裂弱化的理论与应用研究［D］.徐州:中国矿

业大学2009.［3］ 李鑫.坚硬煤层水力致裂机理及应用研究［D］.西安:西安科技大学, ［11］ 董跃文，胡国忠,许家林，秦伟，汪锋.超前支承压力对煤层注水速 率影响试验研究［J］煤炭科学技术2013(11):47以9.2016.［4］ 康红普，冯彦军.煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用 ［JJ.煤炭科学技术2017,45(1):1-9作者简介:李鑫，山西晋城人，西安科技大学硕士毕业,现主要 从事岩体力学，煤矿开采等方面的教学研究工作。