定向水力致裂坚硬顶板的现场试验研究

依据断裂力学理论,建立了裂纹尖端扩展力学模型,获得了尖端起裂的临界应力及其影响因素,包括垂直应力、水平应力、岩石的断裂韧度、初始裂缝的倾角与直径、注水压力等。研究结果表明:应力达到裂缝尖端起裂的临界应力时,尖端开始起裂扩展。通过坚硬顶板定向水力致裂工业性试验,获得了初始裂缝和注水压力是决定定向水力致裂坚硬顶板效果的关键因素。

岩石定向水力致裂应用研究

为研究初始裂缝尖端起裂的条件和所需注水压力,依据断裂力学的复合型裂纹的脆性断裂理论,建立了裂缝尖端力学模型,给出了计算方法。并通过数值模拟分析了影响尖端裂缝起裂的因素,揭示了初始裂缝尖端在注入高压水后形成高拉应力集中,初始裂缝尖端在拉应力作用下起裂,注水压力越大拉应力集中程度越大。通过进行现场试验,取得了良好的效果,并验证了理论分析和数值分析的可行性。

坚硬顶板定向水力致裂影响因素数值分析

采用FLAC2D5.0数值模拟软件,分析了影响尖端应力集中的影响因素,包括埋深、初始裂缝角与直径、注水压力等。结果表明:注水改变了岩石初始裂缝尖端的应力状态。最大尖端垂直应力,与埋深、初始裂缝角与直径是非线性关系,与注水压力呈线性关系。埋深小于530 m时,随着埋深的增加,初始裂缝尖端应力集中系数减小;初始裂缝的直径越大,初始裂缝角越尖,初始裂缝尖端应力集中系数就越大,坚硬顶板就越易起裂。

坚硬顶板高压定向水力致裂现场试验研究

为了削弱宽沟煤矿B_(4-1)煤上方坚硬岩石的整体结构,降低岩石强度,实现减弱可能发生或潜在的冲击危险的目的,通过理论分析确定了高压水力致裂的主要参数,包括B4-1煤上方坚硬岩层致裂的层位、致裂位置及致裂压力,开展了现场高压定向水力致裂技术试验研究。研究表明,宽沟煤矿B_(4-1)煤上方粉砂岩的致裂压力为28.3~29.6 MPa,试验实现了致裂半径5~7m以上;煤层上方细砂岩、中砂岩的致裂压力为42.7~43 MPa,致裂半径为2~5 m,现场试验表明高压定向水力致裂能够有效降低坚硬顶板的强度和整体性厚度。

综采工作面坚硬顶板定向水力致裂研究

为了解决工作面坚硬顶板悬顶面积大、顶板不易垮落的难题,结合福达煤矿15202工作面工程背景,采用定向水力致裂技术,对工作面两顺槽顶板15 m范围内进行钻孔致裂。叙述了定向水力致裂关键技术,分析了定向水力致裂方案,并对其致裂效果进行了评价。现场工业性试验表明,定向水力致裂的应用达到了致裂要求,可防止工作面瓦斯超限,提高顶板的垮落程度。

定向水力致裂技术对采空区侧巷道围岩变形的控制

采空区侧巷道围岩变形量较大,不仅影响工作面的正常回采,更有发生冲击矿压危险的可能性。为了控制采空区侧巷道围岩变形量,以某矿7521工作面为研究背景,通过研究采空区侧巷道围岩变形量较大的机理,利用定向水力致裂技术,达到控制7521工作面采空区侧巷道围岩变形量的目的。定向水力致裂措施的成功实施,不仅实现了7521工作面的正常回采,也为该矿提供了一项降低采空区侧巷道围岩应力集中的措施。

采空区侧巷道变形的定向水力致裂控制及应用

针对某矿7521工作面材料道受采空侧悬顶挤压的问题,通过理论分析、数值模拟、现场变形量监测,分析了不同长度悬顶对巷道变形的影响、定向水力致裂技术对切断悬顶的作用,对比了致裂区域与非致裂区域变形量。结果表明:悬顶的长度越长,巷道变形量越大;定向水力致裂通过改变周期来压步距,达到切断悬顶的目的;巷道变形量降低了40%左右。

定向水力致裂坚硬顶板的数值模拟及现场实践

针对煤矿坚硬难垮落顶板控制中存在的问题,进行定向水力致裂数值模拟和工业性试验。通过数值模拟和对监测孔及泵站压力波动情况进行观察,分析了煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。研究结果表明:通过对围岩进行切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;随着压裂处与监测孔距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大;分段逐次压裂可在顶板岩层中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板岩层,有效地减小了工作面的周期来压步距。

厚硬顶板定向水力压裂数值模拟研究

本文针对厚硬顶板难以自行垮落等问题,提出采用定向水力致裂技术处理。对定向裂隙的起裂机理、水在定向裂缝中的渗流特点进行了理论分析,同时对定向切槽钻孔和未切槽钻孔中,裂缝的扩展演化过程进行了数值模拟研究,研究结果具有一定的参考价值。

坚硬顶板工作面初次放顶水力致裂控制技术

为了使坚硬顶板能够及时垮落,采用定向水力致裂技术,得出定向水力致裂的水压裂缝扩展半径为10 m以上,最大扩展达到30 m,可成功致裂坚硬老顶;采用定向水力致裂技术后,工作面推进40 m位置,工作面垮落面积达到70%;工作面推进至45 m位置,工作面完全垮落。水力致裂前后工作面初次垮落步距由原先的68 m减小至45 m,有效改善了坚硬顶板的初次垮落,效果良好。

顶板钻孔割缝导向水压裂缝扩展的现场试验

在坚硬顶板定向水力致裂原理性试验成功的基础上,在综采工作面端头超前支护段内进行了坚硬顶板钻孔预割缝定向水力致裂的半工业性试验,分析钻孔割缝对引导水压裂缝扩展的作用。大同塔山煤矿8102工作面试验结果表明,钻孔孔壁水压裂缝沿预割缝槽优先起裂,预开槽对坚硬顶板水力致裂的起裂起到了定向作用。水压裂缝定向起裂后,受地应力场等综合影响,水压裂缝会出现空间转向。采动影响会改变致裂钻孔周围的应力分布,进而影响裂缝的定向扩展效果;因此,坚硬顶板定向水力致裂应考虑采动应力影响,注意与采动的协调配合。定向水压裂缝可穿岩层间层面扩展。钻孔预割缝定向水力致裂的实质是通过预割缝来控制裂缝的定向起裂,引导裂缝的扩展方向;并配合地应力、采动应力、致裂工艺等使导向裂缝尽量满足工程要求。

坚硬顶板水力致裂最佳割缝位置的模拟

对于煤层厚度较厚、倾角起伏,且老顶过于坚硬、悬顶长度较长、整体结构稳定的地质赋存条件,应力容易区域集中,高能量也积聚在顶板中,易导致冲击危险性加大。采用水力致裂技术,破坏老顶的整体结构,使老顶损伤而释放能量,结合渗流-应力耦合分析软件F-RFPA2D对老顶定向水力致裂割缝最佳位置进行模拟,得出如下结论:在老顶距直接顶最上边界之间,缝的位置在老顶中间及靠近直接顶致裂效果最佳;在老顶中间连线割两缝水平对称分布致裂效果也易达到最佳。

多孔线性协同定向水压裂缝扩展规律的数值模拟研究

针对破岩工程中定向致裂的问题,首先分析了多孔线性协同定向水压致裂技术原理,然后采用RFPA2D-Flow数值模拟软件对多孔线性协同定向水力致裂试验结果进行验证,最后研究了多孔线性协同定向水压裂缝的起裂和扩展规律。结果表明:RFPA2D-Flow数值模拟结果与试验结果趋于一致;多孔线性协同定向水力致裂的过程可以分为注水升压、水压裂缝的起裂、裂缝稳定扩展和裂缝贯通4个阶段;在裂缝传播过程中,裂缝扩展朝向钻孔分布的方向。不同钻孔在水压裂缝扩展过程中存在相互影响,导致水压裂缝扩展贯通。