在中煤科工开采研究院有限公司，有这么一群人，他们是煤矿岩层应力的“主治医师”，找准目标层“病根”，拿起钻孔“手术刀”，向坚硬顶板发起“靶向治疗”，通过不断改造岩层，减少隐藏在煤矿井下的致病因子——冲击地压隐患。
近年来，针对冲击地压这一世界性难题，中煤科工开采研究院有限公司一大批科研人员，结合陕西、内蒙古深部矿区硬厚顶板、煤层强度较大、开采强度大的地域特点，研发了井上下区域分段压裂冲击地压防治技术与装备，并初步取得了预期效果。
在西部寻找防冲新技术
“我国科研人员在冲击地压防治方面做了大量工作，比如防冲机理、冲击倾向性测定方法及标准、监测预警技术及装备、卸压防冲等方面。但是，冲击地压就像地震一样，预警和防治依然是世界性难题。”中煤科工开采研究院有限公司副总经理徐刚表示。
我国现有多处冲击地压矿井，主要分布在山东、内蒙古、陕西、山西和黑龙江等地。受到矿区地质条件、煤岩体构造、开采扰动等因素影响，不同矿区冲击地压显现呈现区域性特点。此外，开采深度的加深，使得一些矿区迎来防冲新挑战。
“5年前，没人认为榆林和鄂尔多斯地区会有冲击地压，因为是浅埋深，一般不会发生冲击地压。但近几年，这个地区埋深达到600米至800米，而且煤层上方有多层硬厚顶板，开采强度比东部大，导致这些地区矿井也显现出了冲击地压。”徐刚表示。
不同于山东、两淮等矿区，陕西、内蒙古深部矿区除了存在多层硬厚顶板的特点外，还有矿井设计生产能力较大、冲击地压事故大多发生在回采巷道超前300米范围等特点。
“以前是100米到200米埋深，现在是600米甚至800米，煤矿应力、顶板活动规律、地表破坏特点等都不一样。这就要求我们要在煤矿规划、可行性、初步设计、工作面布置、巷道支护等方面，适应深部开采需求。”徐刚表示，“此外，东部有的防冲技术措施，在陕西、内蒙古深部矿区也不一定完全适用。比如限制工作面推进速度的话，年产量会受影响，这不仅对企业和国家来说损失很大，而且对现在的煤炭保供形势也会有一定影响。所以，我们要研发适用于陕西、内蒙古深部矿区的防冲新技术。”
开展井上下压裂试验
地面压裂技术是石油行业应用相对成熟的技术，在煤矿瓦斯抽采中也有广泛应用。2018年前后，陕西、内蒙古深部矿区频繁发生冲击地压事故，而当时的井下定向分段压裂技术和装备正在研发中。
基于这种情况，中煤科工开采研究院有限公司提出采用地面压裂技术，弱化硬厚顶板，解决冲击地压治理难题。此前，原同煤集团总工程师于斌，在利用地面压裂技术治理硬厚顶板强矿压问题方面进行了一些探索，两者原理大致相同。
当年，中煤科工开采研究院有限公司申请了中国煤炭科工集团重点项目“鄂尔多斯深部巨厚顶板强矿压煤层安全高效开采关键技术”、“科技助力经济2020”重点专项“冲击地压硬厚顶板地面压裂源头治理技术装备及应用”，并开展了相关研究。
“当时，我们确定的示范点是鄂尔多斯地区的煤矿，但由于种种原因最后没在这些矿井应用，非常遗憾。后来机缘巧合下，也是因为陕煤集团及彬长矿业公司领导思路开阔、敢于尝试，我们在孟村煤矿401102工作面首次应用了地面压裂技术。后来，我们又在胡家河煤矿、小庄煤矿进行了应用。”徐刚表示。
经了解，井上下区域分段压裂冲击地压防治技术有两大实现途径：一是在地面采用定向水平孔，实现顶板压裂。此方法处理范围大，压裂裂纹扩展直径为250米至350米，一口水平井可实现一个工作面全覆盖。二是在井下采用定向钻孔，实现分段压裂顶板。
“井上压裂是借鉴石油行业技术，我们只是根据冲击地压防治要求进行了优化。而井下分段压裂技术是开采研究院自己研发的成套技术和装备。这些技术为矿区真正实现‘区域先行’‘先压后掘、先压后采’‘井下灾害井上治理、灾害提前治理’创造了条件。”徐刚表示。
从中煤科工开采研究院有限公司制作的宣传视频中，记者详细了解到这套技术的应用过程。压裂工程实施前，技术人员根据多年经验和现场数据，确定目标岩层；利用定向钻孔，利用泵送水将岩层分段压裂。待井下工作面回采时，被压裂过的岩层有序垮落，从而释放能量、减少冲击地压事故。
“整个过程就像医生给病人做手术一样。首先，我们找到‘病灶’，即目标岩层；拿起‘手术刀’对着‘病灶’进行切割，把‘病根’破坏掉，从而达到治疗效果。”徐刚表示，“我们会根据煤矿自身条件，比如埋深、处理岩层的厚度、是否好征地等因素，决定采用地面还是井下治理。”
定向钻孔“探”到目标位置后，开展水力压裂
真正解决防冲区域治理难题
相关人员表示，技术最大创新点在于实现了工作面全范围压裂。跟传统水力压裂流量每分钟0.1立方米相比，新技术压裂流量为每分钟2立方米至10立方米，提高了20倍至100倍，相应压裂范围和效果也大幅度提高。孟村煤矿401102工作面进行地面压裂后，与401101首采工作面相比，压裂区微震频次降低了44.3%，微震能量降低了83.3%，压裂区再没有发生冲击地压事故。
今年8月，国家矿山安全监察局在彬长矿业公司召开了全国煤矿瓦斯和冲击地压重大灾害防治现场会。会上，这项技术得到了认可。“传统爆破或浅孔压裂卸压方法，存在处理范围小、无法全部覆盖工作面等缺陷。我们希望新技术能真正解决冲击地压区域防治难题，为煤矿工人提供更安全的工作环境。”徐刚表示。
不过，井上下区域分段压裂冲击地压防治技术也有一定应用条件，即为硬厚顶板引起的冲击地压显现。同时，技术虽在十几个工作面得到应用，但依然存在不少问题。比如井下压裂存在压裂流量较小、不能进行射孔和下套管、压裂范围不大等，井上地面压裂存在成本高等问题。
“最关键的还是要详细研究压裂层位的选择。”徐刚表示，“如今，我国煤矿已经基本解决瓦斯治理难题，主要是应用了井上下抽采新技术，这对防冲来说有很好的参考意义。如今，冲击地压防治难题，也会像解决瓦斯治理难题一样，需要我们通过不断应用新技术和新装备，更新防治思路，逐渐形成防冲新局面。”
除了井上下区域分段压裂冲击地压防治技术外，中煤科工开采研究院有限公司还研发了磨砂水射流轴向精准切顶防冲技术、煤层水力旋切扩孔超强防冲技术等，并在小庄煤矿、砚北煤矿、葫芦素煤矿等冲击地压或强动压矿井进行了应用，为冲击地压治理积累了有效的实践经验。
据了解，中煤科工开采研究院有限公司从成立之初就开始研究冲击地压防治技术，如今已有60多年历史。研究团队有40多个人，涉及理论研究、监测系统开发、防治技术及装备、工程施工等领域。康红普、齐庆新、潘俊锋、徐刚、夏永学、王传朋等人，在冲击地压倾向性测试方法及标准制定，冲击地压微震监测系统引进、消化和吸收，水力压裂技术及装备研制、深孔爆破工艺及装备优化等方面做了大量工作，极大推动了我国防冲事业的发展。
来源：中国煤炭报
