An experimental study of a yielding support for roadways constructed in deep broken soft rock under high stress

A rationally designed support for deep roadways excavated in broken soft rock under high stress was investigated. The deformation and failure characteristics and the mechanism of ''yielding support'' was studied for anchor bolts and cables. The rail roadway of the 2-501 working face in the Liyazhuang Mine of the Huozhou coal area located in Shanxi province was used for field trials. The geological conditions used there were used during the design phase. The new ''highly resistant, yielding'' support system has a core of high strength, yielding bolts and anchor cables. The field tests show that this support system adapts well to the deformation and pressure in the deep broken soft rock. The support system effectively controls damage to the roadway and ensures the long term stability of the wall rock and safe production in the coal mine. This provides a remarkable economic and social benefit and has broad prospects for fur- ther application.

碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展

我国碎软低渗煤储层分布广泛,然而由于其煤体松软、破碎、渗透性差,常规的直井/水平井煤储层直接压裂技术应用于碎软低渗煤储层强化及其煤层气地面开发的效果并不理想,碎软低渗煤储层煤层气的高效开发是制约我国煤层气产业大规模发展以及煤矿瓦斯高效治理的重要技术瓶颈。在系统分析我国碎软低渗煤储层特征及煤层气地面开发中存在的问题基础上,以水平井为基础井型,围绕间接压裂、应力释放和先固结后压裂3种不同的技术方向,梳理了目前碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展。归纳评述了以顶板间接压裂、夹矸层间接压裂以及硬煤分层间接压裂为内涵的间接压裂煤层气开发技术,以水力喷射造穴、气体动力造穴、扩孔+水力喷射+流体加卸载诱导失稳造穴、水力割缝为不同应力释放方式的应力释放煤层气开发技术,以及先微生物诱导碳酸钙固结碎软煤储层再进行水力压裂的先固结后压裂煤层气开发技术。间接压裂技术的工程实践探索已有较多积累,在地质条件适宜地区对碎软低渗煤储层强化取得了较好效果,而以应力释放为代表的碎软低渗煤储层强化新技术探索已取得重大进展,并进入工程试验和验证阶段。水平井应力释放技术针对碎软低渗煤储层特性和新的开发原理,其对储层改造潜力更大、煤层气开发效果会更好。基于水平井应力释放技术,围绕扩大应力释放范围、提高煤层气开发效果以及实现煤与煤层气共采3个方面,对碎软低渗煤储层强化及煤层气地面开发技术的发展趋势进行了展望,以期为改善我国碎软低渗煤储层增产改造效果以及提高煤层气单井产量提供参考。

煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面:①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段,密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa,煤心直径达到38 mm;②针对不同煤层地质条件,发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶(底)板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术;③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中,顺层定向长钻孔取样深度达到516 m,密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中,穿层钻孔密闭取样深度达到209 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍;在安徽淮北矿区碎软煤层中,顶(底)板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍,密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法;④在瓦斯含量测试方面,除了传统解吸法测试,发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备,可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量,一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展,并能实现随钻密闭取样。在测试上,应根据实际情况确定合理的解吸终止限,并将测试装备和密闭取样装备进一步结合,以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段,是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

煤层顶板间接压裂裂缝扩展机制及影响因素

碎软低渗煤层在我国普遍发育,制约煤层气单井产气量提高和产业发展。间接压裂是通过在邻近层产生垂直裂缝沟通煤层进而实现煤层有效改造的一种压裂方式,可以有效应对钻井塌陷、煤粉产出、压裂液滤失和煤层厚度薄等不利因素。通过间接压裂物理模拟试验和扩展有限元数值模拟分析,揭示煤层顶板间接压裂裂缝扩展影响因素,明确裂缝扩展机制,以期为间接压裂技术提供指导。通过直接压裂煤层和不同起裂位置、垂向应力和施工排量影响下间接压裂试验表明,起裂压力高,更易产生长裂缝,且受原生裂缝影响程度减小;但起裂点距离煤层越远,起裂所需能量越大,高破裂压力会对煤层造成粉碎性破坏;大施工排量下,起裂压力对应升高,起裂时间变短,原生裂缝影响程度变小。考虑地应力、起裂位置、岩石力学和施工排量等参数的数值模拟结果显示,在模型参数设置条件下,最大水平主应力和垂向应力差在<4 MPa,煤层与顶板有效应力差>3 MPa、弹性模量差<15 GPa的地层和岩性组合适合间接压裂,起裂位置距离煤层最优距离为<6 m,施工排量需要根据力学性质、断裂能密度等参数确定最优范围。

滇中芹河隧洞软岩破碎段围岩大变形与支护结构相互作用研究

软岩大变形是滇中引水工程建设中较为突出的工程地质问题之一,以大楚段芹河隧洞4#支洞为研究对象开展软岩大变形特征及承载结构受力研究。4#支洞在施工过程中发生影响洞室稳定的问题,洞周围岩大变形不同程度侵限,导致钢拱架扭曲断裂、喷混凝土掉落现象时有发生。为了充分认识隧洞变形特征、破坏模式及成因机制,结合工程地质勘察、现场监控量测、数值反演及施工模拟分析等手段和方法对其进行综合研究。研究成果表明:破碎软岩洞段施工期围岩监测变形量大、变形速率较快,变形具有明显的时效性;围岩完整性差,洞周变形差异大;围岩以剪切破坏为主;围岩时效变形对支护结构受力影响大,部分承载结构受力超限,导致局部结构破坏。可见,针对破碎的软岩隧洞施工,需要采取超前注浆、减少减小施工扰动、及时跟进初期支护、尽快封闭成环,加强施工期围岩变形监测,选取合理的衬砌支护时机,实时指导和优化隧洞支护结构施工设计。

膨胀性软破岩层深竖井施工分级支护研究

境外某铜金矿千米深竖井在通过膨胀性软破岩层(泥灰岩)时,围岩遇水膨胀压力极大,先后出现两次井壁垮塌和开裂的情况,对施工进度及施工人员安全产生极大影响。为解决该问题,查找相关文献资料及国内外类似施工案例,对通过膨胀性软破岩层的井壁破裂机理进行分析,针对性地制定井壁破裂修复方案;在此基础上,进一步调查施工地点的工程地质和水文地质情况,通过分析与总结,提出深竖井不良岩层的施工及分级支护方案,对其所穿过的膨胀性软破岩层的围岩制定分级表,根据不同岩体等级分别提出相应的施工及具体支护方案。通过对两次破裂处井壁的修复,较长时间内未出现裂缝及漏水现象,修复效果良好,达到预期;此外,竖井井筒后续施工中在采用分级支护方案后,井筒顺利通过厚度超过500 m的不良岩层,且在工期、质量、安全三个方面都取得良好效果,保障该深竖井工程的施工质量与施工安全。该工程为膨胀性软破岩层中的深竖井掘进施工积累了宝贵经验,对类似工程具有一定的借鉴意义。

软破矿岩条件下胶结充填法转分段崩落法研究及应用

金川集团龙首矿西二采区上部中段充填采场发生失稳事故后,采矿方法由下向分层进路式胶结充填法转为无底柱分段崩落法时,面临着软破矿岩条件下覆盖层形成和采场稳定性问题。采用数值计算和现场试验等方法,对这2个关键技术问题进行了研究。数值模拟结果表明,随着崩落法首采分段回采工作的进行,采场复合顶板经历了破坏裂纹萌生、零星散块冒落、拱形批量冒落和柱塞状整体冒落等阶段,当首采分段回采结束时,顶板复合岩层冒落能够为崩落法采场提供足够厚度的覆盖层,且在崩落法采动地压下软破矿岩采场能够保持稳定。现场工业试验表明,在崩落法采场首采分段采用“阶梯式退采均匀扩展采空区+总量控制出矿”的技术方案,能够安全、高效地形成覆盖层,并通过增补“钢拱架+钢筋网+锚杆”的技术方案,解决在崩落法采动地压下维持破碎矿岩采场稳定性的问题,为无底柱分段崩落法在西二采区的扩大应用奠定了技术基础。

煤矿井下碎软煤层气动定向钻进技术与装备研究

【目的】我国煤层赋存地质条件复杂,碎软煤层分布广泛,高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井众多,目前采用钻孔瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的有效措施。碎软煤层常规回转钻进存在轨迹不可控、成孔深度浅、抽采盲区大,常规定向钻进卡埋钻事故多、成孔困难、钻进效率低等问题。【方法】系统阐述了煤矿井下碎软煤层钻进技术的发展历程与应用现状,研制了气动螺杆钻具、定向钻机、随钻测量系统、除尘泵车、空压机或制氮机、油雾润滑装置等组成的煤矿井下气动定向钻进装备,并配套开发了气动定向钻进工艺和筛管完孔技术等关键技术,解决碎软煤层定向钻进成孔难题,保障瓦斯抽采效果。利用该成套技术与装备在两淮、山西、贵州等地区煤矿进行的碎软煤层定向钻孔试验。【结果和结论】研究表明:(1)气动定向钻进技术是碎软煤层钻孔瓦斯治理的有效技术手段,其钻进深度普遍达到200 m以上,最大钻孔深度达607 m,且可有效控制钻孔轨迹在目标煤层中延伸,煤层钻遇率达90%以上。(2)现场试验表明,气动定向钻进成孔效果好、施工效率高,最大效率达到3 594 m/(台·月),有力推动气动定向钻进技术从小规模试验到大规模的工业化推广应用。结合此成套技术与装备的应用现状和煤矿安全高效生产对钻探技术装备的发展需求,提出煤矿井下气动定向钻进技术与装备的拓展应用方向以及向自动化、智能化和集约化方向发展的现实需求和必然趋势。

松软破碎厚顶煤小煤柱巷道围岩控制技术研究

以山寨煤矿3506回风顺槽为工程背景,通过理论分析、数值模拟和现场实践等方法,揭示了松软破碎厚顶煤小煤柱巷道存在围岩变形大、应力高,煤体裂隙发育、围岩稳定性差等特点;提出了“锚杆索高强高阻支护+弱结构卸压”组合围岩控制技术;现场实践结果表明,支护方案优化后,最大顶板下沉量为120.9 mm,最大两帮内缩量为187.4 mm,巷道围岩稳定性得到有效控制,支护效果满足开采生产要求。

破碎软弱围岩巷道耦合支护技术研究

受开采扰动破碎围岩巷道容易发生变形破坏,是矿山深部开采面临的重要支护难题。以昆阳磷矿二矿破碎、极破碎地段巷道破坏为研究背景,采用有限元分析方法分析巷道开挖后围岩位移、应力分布特征、塑性区范围。研究发现巷道开挖后两帮出现拉伸破坏,拱肩部位产生大量的剪切塑性区,顶板区域发生贯通的变形破坏机理。因此,提出采用钢拱架、锁脚锚杆、钢筋网、连接筋、喷混凝土耦合支护形式防止巷道坍塌。通过现场应用表明:采用此耦合支护技术可有效控制破碎软弱巷道围岩的变形,支护效果良好。研究结果为类似工程地质条件下的巷道支护提供了借鉴。

浅埋厚煤层软岩巷道支护参数设计及应用

目前煤矿常采用锚杆(索)对巷道两帮及顶板进行主动支护,但受巷道所处力学环境、地质条件等多种因素影响,针对软岩巷道锚杆支护参数设计及理论选择较为困难,使巷道支护环境较差。本文结合理论与现场工程地质条件,针对五举煤矿13207工作面软岩巷道中存在的顶板破碎严重问题,对两巷道支护参数进行设计及应用。参数选择为顶板及帮部均采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆,规格分别为φ22 mm×2 800 mm、φ22 mm×2 400 mm,顶板及帮部分别采用φ21.8 mm×7 300 mm的1×19股高强度锚索与φ21.6 mm×5 300 mm的1×7股高强度锚索,锚杆预紧扭矩不小于300 N·m,锚索张拉力不小于200 k N。现场应用结果表明,巷道围岩变形得到有效控制,整体支护效果良好,为附近相似条件矿井提供借鉴。

碎软煤层定向钻孔防瓦斯套铣打捞技术

针对碎软煤层定向钻孔套铣打捞,孔壁失稳塌孔造成瓦斯异常涌出的技术难题,提出了碎软煤层定向钻孔防瓦斯套铣打捞技术。在现有套铣打捞技术基础上,分析了碎软煤层套铣打捞孔内瓦斯异常涌出原因、涌出通道和涌出量,优化了套铣打捞钻具内抽采瓦斯管路系统,将套铣打捞过程中打捞钻具内积聚瓦斯进行抽采并卸压;开发了套铣打捞孔口密闭抽瓦斯系统和套铣打捞加杆防瓦斯装置,实现套铣打捞全程负压抽采、密闭排渣和密封加杆。利用该技术成功处理1起孔深362 m的碎软煤层定向钻孔卡钻事故,事故处理中通过打捞钻具内抽采瓦斯管路系统,实现了打捞钻具内积聚瓦斯的抽采和卸压,通过孔口密闭抽瓦斯系统和加杆防瓦斯装置,实现了孔口和打捞钻杆末端口涌出瓦斯的密闭抽采,整个打捞过程中未发生瓦斯超限事故。

阳泉矿区碎软煤层深孔气动定向钻进关键技术与实践

【目的】针对山西阳泉矿区碎软煤层瓦斯精准、超前、区域治理需求,提出采用气动定向钻进煤层预抽钻孔的技术方案。【方法】在分析气动定向钻进成孔技术难题的基础上,开发了适用于阳泉矿区碎软煤层赋存条件的气动螺杆钻具稳定运转技术、钻孔轨迹精确控制技术、深孔高效排渣技术、气动套铣打捞技术,优化了气动定向钻进装备配套方案,并在阳泉矿区碎软煤层中开展了现场工业性试验。【结果和结论】结果表明:(1)通过优化气动螺杆钻具结构和工艺流程、设计低风阻管路,有效解决了气动螺杆钻具的异常制动,实现了稳定高效运转。(2)通过优化钻孔设计轨迹和工艺参数、设计大角度造斜钻具组合和研制气动冲击螺杆钻具,保障了钻孔轨迹的精确调控,提高了煤层钻遇率。(3)通过复合强排渣技术和短起钻冲孔工艺的应用,有效提升了钻孔排渣效率。(4)通过采用气动套铣打捞技术,配套设计的专用可退式打捞筒,满足阳泉区矿区碎软煤层孔内复杂事故处理需要,并成功处理2起严重卡钻事故。(5)在阳泉矿区某矿施工完成孔径120 mm的10个定向钻孔,成孔深度均达到450 m以上,最大钻孔深度达到607 m,最大单班进尺76 m。碎软煤层定向孔取得了显著的瓦斯抽采效果,单孔日均抽采瓦斯纯量最大达971.96 m^(3),实现了阳泉矿区碎软煤层瓦斯长时间稳定抽采。研究成果为阳泉矿区碎软煤层瓦斯高效治理提供了新的技术途径,具有显著的应用和推广价值。

碎软低渗煤层水平井水力喷砂射孔工艺优化

针对碎软低渗煤层水平井煤粉产出危害,提出采用水力喷砂射孔压裂来实现“射孔-增透-控粉”为一体的压裂改造理念,具体工艺包含水力喷砂射孔、高压射流、环空压裂以及水力补射孔清洗。通过成本及工艺对比,选择油管拖动水力喷砂射孔方式进行压裂,并对工艺和关键工具进行优化。首先,优化防反冲蚀破坏一体化硬质合金圆锥收敛型喷嘴,能实现排量2.0~2.5 m3/min时,射流压力为16.5~25.8 MPa。其次,优化喷射器本体,能有效射穿套管、水泥塞,并射入岩石一定深度。配套一体化管柱顺利完成了煤层气U型水平井压裂和补射孔施工各8段,每段射孔时间15 min以上,并充分顶替返排煤粉,投产3年后产气量仍达到3500 m3/d以上,表明优化工艺达到了碎软低渗煤层改造效果。与连续油管分段压裂技术相比,油管拖动水力喷射压裂单段压裂作业成本降低了28.5%。

急倾斜极薄矿脉破碎软岩支护技术研究

针对某矿山采场片帮频发、超挖严重和采矿损失贫化较大等问题,结合极薄矿脉作业空间受限等问题,提出了采用锚杆+双筋条的支护技术,其实质是双筋条支护的时效性和柔韧性,在支护过程中使整排的锚杆群在托板作用下协同起作用,从而使可能冒落的关键块体处于稳定状态。该支护技术很好地解决了极薄矿脉支护难题,有利于提高采场安全性,并降低矿石贫化率,从而提高矿山的经济效益。

高阶碎软煤层氮气/空气复合定向钻进技术研究

针对晋城矿区无烟煤碎软区域瓦斯抽采钻孔施工难度大、成孔率低、CO超限和孔内着火的问题,提出了氮气/空气复合定向钻进技术。从技术原理、工艺方法入手,分析了风压和供风量等工艺参数对复合定向钻孔施工的影响。在长平煤矿4326工作面进行现场试验,共完成42个主孔,累计进尺6454.5 m,300 m及以上的钻孔成孔率为79.5%,200 m及以上的钻孔成孔率为85.7%,150 m及以上的钻孔成孔率为94.5%,效果显著。

破碎软煤大变形回采巷道稳定性分析及支护技术研究

鸿兴煤业由于巷道煤层软弱、裂隙发育、围岩破裂变形不致密、支护参数不合理等问题,给矿井的安全开采带来了巨大的挑战。结合理论,分析了主动支护和被动支护对巷道稳定性的影响,提出了新的支护方案,并进行了现场试验。试验过程中,在29107巷道中实施了“螺栓、W钢带”+“锚索、锚索梁”+“工字钢棚”的主动式被动耦合支护方案,并对巷道两壁和顶板、底板位移收敛变形进行了实时监测,结果表明,该方案有效地控制了巷道围岩变形,保证了巷道的稳定性。

碎软煤层高速螺旋钻探装备研制与实践

针对王坡煤矿碎软煤层钻孔施工排渣难、事故率高、成孔难等问题,设计了高转速履带式钻机、配套螺旋钻杆及三角梯齿钻头,能够有效地解决在钻进过程中出现的卡钻、塌孔等问题。现场工业性试验表明,该套钻探装备有效解决了施工过程中存在的排渣难、喷孔顶钻等问题,提高了钻孔成孔率,为矿井本煤层瓦斯抽采提供了重要支撑。

破碎松软复合煤体高效螺旋钻进技术试验研究

高速螺旋复合钻进技术是针对破碎松软复合煤体钻孔过程中出现的问题进行改进的一种方法。通过研究给进速度、压风风量以及钻具转速等关键参数,确定了合适的钻进参数;此外,设计了3种具有高强度、良好刚度和钻孔保直性较好的钻具组合,分别为?110/63.5 mm、?95/60.3 mm和?88/50 mm。通过优化钻杆材质,并选择了三角锥齿PDC钻头,提高了螺旋钻具的使用效果。同时,匹配了ZDY6000LR大功率钻机,增强了深孔成孔的能力和成孔率。在某煤矿4318工作面的现场工业性试验中,证明了高速螺旋复合钻进技术和配套的钻探装备与钻具组合可以有效解决施工过程中的排渣困难和喷孔顶钻等问题。钻孔成孔率得到了显著提高,百米以上的钻孔成孔率超过70%。

富水破碎软岩巷道破坏机理及支护技术研究

随着浅部矿产资源的枯竭,矿井逐渐向深部发展,面对深部富水破碎软岩巷道支护时,巷道底鼓变形尤为突出。为确保顺利通过富水破碎软岩区域,针对某矿-570 m水平巷道支护难题,分析围岩破坏力学特征,建立底鼓力学模型,综合分析富水破碎软岩巷道围岩破碎机理,提出了反底拱与砌碹联合支护技术。现场检测结果表明,采用反底拱与砌碹联合支护技术,有效降低了淋水量,减少了积水渗入底板,改善了底板围岩条件,有效降低了巷道底鼓量,最大底鼓量不大于50 mm,确保了该巷道围岩稳定与支护安全。