近距离煤层多次采动影响巷道围岩破坏特征与控制

针对隆德煤矿近距离煤层上下同采工作面巷道围岩稳定性控制问题,采用现场实测和理论分析方法,对多次采动影响下巷道支护体受力特征和煤柱应力演化特征进行研究。结果表明,巷道锚杆/索受力经历7个变化阶段,包括采动影响前初始稳定阶段、单工作面超前影响阶段、双工作面超前影响阶段、采动卸压区快速升高阶段、采动应力恢复区慢速升高阶段、二次稳定阶段和双工作面开采扰动升高阶段;煤柱采动应力演化经历5个阶段,包括采动影响前初始稳定阶段、单工作面超前影响区缓慢上升阶段、采动卸压区快速上升阶段、采空区压实自由演化阶段和双工作面开采扰动升高阶段。随着钻孔应力计安装深度增加,煤柱应力呈现先升高后降低趋势,煤柱浅部3 m左右进入塑性状态,承载能力降低;基于上述观测结果,对新掘巷道支护参数进行优化,在保证围岩长期稳定性的同时还可以降低支护费用,实测结果表明,支护参数优化后巷道表面位移量在工程允许范围内,巷道围岩裂隙发育程度较低。

中近距离煤层多采空区回采巷道底鼓变形机理

为了研究不同煤层开采间巷道底鼓的变形破坏机理,以肖家洼矿221303材料顺槽为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测协同的手段,利用FLAC3D对该巷在多采空区下底板偏应力云图、位移及应力张量分布特征进行对比,结果表明:上层煤层120801工作面与邻近221301工作面采空后叠加的采动应力使221303材料顺槽周围的最大偏应力为11.2MPa,最大主应力比值为4,处于高偏差应力带内,为该顺槽煤壁片帮,底鼓剧烈提供了必要的应力环境。120803工作面回采过程中引起偏应力重分布,沿采空区遗留煤柱转移至顺槽,导致掘进过程中底鼓剧烈。

深埋特厚煤层多工作面开采地表移动规律研究

深埋特厚煤层多工作面开采相互影响剧烈,地表移动呈现出特殊规律。以彬长矿区文家坡煤矿41盘区4103、4104和4105工作面为例,采用数值模拟、现场实测等研究手段,探讨新工作面开采对已采工作面地表移动的影响,得出覆岩及地表应力分布特征与变化规律。研究表明:新工作面开采加剧了已采工作面地表的移动,随着新工作面开采数目的增多,已采工作面地表下沉值与水平移动值增幅逐渐变小并趋于稳定,且受相邻工作面开采影响最大。通过理论分析将深埋特厚煤层多工作面开采覆岩及地表应力划分为拉应力区、压应力区和拉压应力转化区,其中新工作面开采使老采空区覆岩产生应力扰动与面间煤柱应力集中,且覆岩压应力与面间煤柱压应力增幅程度与地表移动程度呈正相关。研究成果为深埋特厚煤层多工作面开采地表损伤预测与防治奠定基础。

复合煤层多组工作面开采条件下覆岩破坏规律研究

为探究复合煤层覆岩运移与破坏规律,以陕西某矿为例,运用3DEC软件完整复现了垂直尺度的地质赋存环境,通过模拟复合煤层双组工作面下行开采过程,对覆岩破坏规律、导水裂隙带发育趋势、沟谷型地表变形特征进行分析。结果表明:下组煤开采时垮落带相较于裂隙带会更快达到稳定状态。裂隙带高度是上组煤层开采时的3.5倍,相较于上组煤裂隙带会更慢达到稳定状态,并会促进上组煤裂隙带的进一步扩展,导致沟谷型地表下沉区域均呈明显“条带状”分布特征,易使沟谷中心及凸出型沟谷一侧承受水害影响。

厚煤层多波地震响应及联合反演技术应用研究

为确保厚煤层工作面中隐伏构造的精准探测,保障矿井安全生产,通过联合体波双插地震反演成像和槽波一步反演成像,实现厚煤层全空间多波联合反演。开展了三维有限元数值模拟,建立了厚煤层中隐伏构造的地震勘探模型,搭建V_(P)/V_(S)模型参数进行多波联合反演,断层反演结果与模型位置吻合。现场试验表明:通过在双巷和切眼中布置检波器并在煤层中激发,震源激发后可获取体波和槽波的地震响应特征,结合搭建的V_(P)/V_(S)模型参数完成多波联合反演,精准定位隐伏构造位置,经钻孔与实际回采揭露,隐伏构造位置与反演结果一致。

二氧化碳注入煤层多用途研究

为了减轻环境污染,提高煤层气产率,增加能源储备,根据煤层气地质学和生物气的基本理论,提出二氧化碳(CO2)注入煤层多种用途这一新观点。研究结果显示:煤对CO2具有很强的吸附能力,可将煤层作为CO2的储集层;煤具有优先吸附CO2而滞后吸附甲烷(CH4)的特性,向煤层注入CO2可大大提高煤层气的采收率;产甲烷菌具有利用CO2生成CH4的能力,新生成的CH4成为能源储备的有益补充。可见,CO2注入煤层不仅可有效减少温室气体的排放,强化煤层甲烷产出,而且为新能源生物CH4的生成提供了基质。

柳林地区多煤层多分支水平井斜井连通工艺

柳林位于鄂尔多斯盆地东缘,区内中煤阶煤层含有丰富的瓦斯气资源,但由于黄土垣地貌沟壑纵横,限制了常规多分支水平井的应用。为了提高煤层气钻井开发效率,创新采用了斜井连通工艺,实现了工程井和排采斜井井口间距10 m的小井场部署,并针对3+4号煤储层与5号煤储层压力相同、适合合采的地质特点,采用多煤层多分支水平井的钻完井技术同时开发3+4和5号煤层,完井下入塑料筛管。目前已经完成4口斜井连通的多煤层多分支水平井,4口井的日产气达到5万m3/d。多煤层多分支水平井钻完井技术成为鄂尔多斯东缘中煤阶煤层气高效开发的示范技术,经济和社会效益显著。

煤层多元气体相互作用与替代机理研究方向

由于我国煤层气藏的特殊性,使用当前技术对其开发时受到较大限制。注气增产法是一种具有发展前途的新措施,但注入气体后,煤中存在多元气体的相互作用。论述了国内外煤层气开发现状及我国煤层气开发存在的问题,并初步探讨了煤中多元气体相互作用与替代机理,指出了今后的研究方向与发展趋势。

预注水软化顶板岩石在特厚煤层多分层开采中的实践

一、前言 坚硬顶板特厚煤层的开采历来就是采煤技术的一大难题。多年沿用的仓房高落式采煤法,不仅使得资源损失严重,而且作业也极不安全。山西大宁煤田的5号煤层就属这种情况。经山西矿业学院和阳方口煤矿共同研究,采用了倾斜分层采煤法,各分层采高平均为2.2m。其中关键是顶分层回采时,将坚硬难冒的整体顶板变为易冒的层状块体顶板,为以下各分层回采创造安全可靠的条件。

低渗煤层多脉冲压裂激励作用的裂缝模型研究

为了提高适用于低渗煤层气高能气体压裂开发的技术水平,结合全封闭多脉冲压裂工艺特点,分析了多脉冲加载激励煤层产生多裂缝松弛地应力的作用机理及p-T作用过程,研究建立其多裂缝物理模型。该模型为低渗煤层全封闭多脉冲压裂瞬间破岩成缝机理研究及优化工艺设计提供了理论参考。

极近距离煤层多采空区下巷道稳定性影响因素及支护对策研究

针对大同矿区侏罗纪下组可采煤层多、层间距离近的特点,应用数值模拟对极近距离煤层多采空区下巷道稳定性影响因素进行了系统研究,研究结果表明近距离煤层群开采时,上层煤柱宽度越大,巷道越靠近采空区,层间距越大,下层巷道顶板受力越小,越容易维护。对巷道稳定性的影响从大小依次为煤柱下方不同水平位置影响大于层间距影响大于煤柱宽度影响。基于此,提出从巷道布置、支护措施、预爆破上覆煤柱等来解决极近距离煤层多采空区下巷道的稳定问题。

突出煤层多重水力卸压增透技术的现场试验研究

单一低透气性突出煤层的区域防突问题一直是一个技术难题。本文以大平煤矿为例,通过实施"水力压裂—水力冲孔—孔间压裂—二次冲孔"多重水力卸压增透技术,并经过现场试验检验了该技术的区域防突效果。现场试验结果表明:多重水力卸压增透技术使单一突出煤层的卸压效果更均衡,钻孔初始瓦斯抽采流量是采取单独水力冲孔措施的2.15倍,是不采取卸压措施的28倍;预抽消突达标时间缩短至6个月以内,并消除了单纯采用水力冲孔措施的卸压效果不均衡、存在局部应力集中的现象,区域防突效果明显。

新疆大倾角煤层多缝和有效支撑压裂技术研究

新疆阜康白杨河矿区煤层具有大倾角、多煤层、大厚度的地质特点,煤层压裂裂缝扩展规律、裂缝形态等与其他地区有较大差异,影响单井产量的因素及规律也不明确,导致在沁水盆地南部及鄂尔多斯盆地东缘成功应用的“套管完井、清水加砂压裂”等改造技术适应性不强,后期部分井压裂后产量较低。因此,攻关低煤阶大倾角厚煤层增产改造优化技术,探索大倾角、多煤层、大厚度煤层气压裂裂缝扩展规律,提高区块煤层气产量,对国内类似特征煤层气增产改造具有重大意义。开展了大尺寸真三轴压裂物理模拟实验,得到了最大主应力沿地层走向方向、地层倾向方向2种地应力条件下的压裂裂缝扩展结果,总结了2种地应力下裂缝沟通规律。研究为国内类似特征煤层气提供了相应的钻井轨迹设计参考。

三软煤层多次采动下巷道支护技术

为解决急倾斜三软煤层多次采动巷道的支护技术难题,基于赵家坝煤矿工程地质条件,对该类巷道的合理支护技术进行了研究。通过现场实测和数值模拟分析了巷道变形破坏的特点,分析得出了巷道围岩岩性差、应力高以及支护结构与参数不合理是巷道变形破坏的主要原因,根据围岩松动圈支护理论提出了应采用以"锚梁网+锚索"为主体的支护形式,并对巷道关键部位加强支护实施动态叠加支护,确保巷道的稳定。结果表明:采用以"锚梁网+锚索"为主体的支护方式,多次采动巷道顶底板移近量不超过250mm,两帮移近量不超过200mm;巷道支护15d内,锚杆锚应力迅速增加,以后基本稳定在2～3MPa,表明该支护方案是合理的,可以有效控制巷道围岩的变形和改善巷道围岩的受力状态。

含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破技术研究

针对在含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层开采时,一方面煤层瓦斯抽采困难,另一方面煤层中的坚硬夹矸难破碎的问题,开展含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破研究。理论上,分析多向聚能装药对爆破的影响,引入多向聚能影响系数,计算得出了不同方向上裂隙的范围。通过相似模拟试验,验证了多向聚能爆破实际效果;利用LS-DYNA数值模拟软件,对不同装药方式爆破作用下煤与夹矸裂隙的发育特征及应力演化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:多向聚能爆破能够将爆破能量积聚在夹矸弱化和煤层增透的方向上,形成以导向裂隙为主,大量分支裂隙为辅的裂隙网,在夹矸弱化和煤层增透方向上的应力峰值分别为普通爆破的1.21倍和1.16倍。多向聚能爆破能够在提高破碎坚硬夹矸能力的同时提升煤体中裂隙的发育程度,从而大幅优化爆破效果。

松软煤层多孔爆破的裂纹分布及区域电阻率响应实验研究

为获得松软煤层多孔爆破的裂纹分布及区域电阻率响应特征,利用岩体和煤体的三层物理模型,开展松软煤层多孔模型爆破实验,借助图像处理与电阻率层析成像技术,分析松软煤层多孔爆破的裂纹分布特征,得出爆破前后电阻率的响应规律。结果表明:在爆生裂隙形成的同时,控制孔内侧煤体呈现出断裂式和非断裂式2种位移现象,部分抵消了爆破孔扩腔带来的挤压作用;提出采用爆生裂隙、控制孔及爆破孔面积变化三者的综合值(S)分析爆破效果,单孔爆破时,S<0,煤层裂隙分形维数变化率仅5%,控制区域呈现压实现象,电阻率降低约20%;多孔爆破时,爆生裂隙丰富、煤体发生充分位移,裂隙分形维数变化率达到21.28%,爆破孔空腔的负效应被抵消(S>0),控制区域内电阻率普遍增大1~30倍;与单孔爆破模型相比,多孔爆破更符合煤矿现场,且能有效实现控制区域内的增透,电阻率普遍呈现增大现象。

倾斜特厚易燃煤层多分层综放面发火机理及综合防治

以甘肃华亭煤电股份公司陈家沟煤矿为例,介绍了倾斜特厚易燃煤层多分层综放面自然发火机理、规律。

煤层多分支水平井安全钻井技术

通过对煤层地质特征、钻井工程特点以及现场实践分析,归纳了煤层损害与井壁失稳机理,提出了煤层多分支水平井安全钻井策略。研究表明:应力敏感、流体及固相侵入、水相圈闭是煤层损害的主要类型;控制钻井液滤失量,增强滤液与煤层配伍性,提高煤层能量,完善煤层损害解除方法是保护煤层的有效手段;地质情况复杂,煤岩强度低,钻进液性能不稳、密度不合理,清水充气不均是清水充气欠平衡钻进多分支井水平井煤层损害和井壁失稳的主要机理;开展三维地震优选布井,钻井工艺,清水改性及暂堵-返排钻井液体系等配套技术研究有利于煤层多分支水平井钻井安全。

沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井钻井工艺

沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井钻井施工中遇到了以下难题:①井壁稳定性差,容易发生井下复杂事故;②煤层易受污染,储层保护难度大;③岩屑携带不畅,井壁严重失稳;④缺乏先进适用的钻井工具及仪器。为解决上述问题,分析了多分支水平井井眼轨迹及分支结构优化设计、复合造穴、水平井与洞穴井连通、井眼轨迹控制、充气欠平衡钻井等关键技术的要点,结合现场先导试验实施情况和效果,综合研究后认为:①沁水盆地3#煤层分布稳定、煤层平坦、煤岩机械强度相对较高、煤层顶板稳定,适于采用多分支水平井钻井技术来开发煤层气,而且利用国内现有技术和装备完全可以实施多分支水平井钻井施工;②在该区实施充气欠平衡钻井应尽量选取小的欠压值,或者保持近平衡钻进,重点应放在辅助清水钻井液携岩方面;③高阶煤层比较脆且存在互相垂直的天然裂缝,极易引起井下垮塌、卡钻等复杂事故,甚至造成井眼报废,钻进过程中要密切关注钻井参数的变化,及时调整钻井参数,防止井下发生复杂事故;④储层保护、携带煤屑和井壁稳定仍是高阶煤层多分支水平井亟待攻克的技术瓶颈。

低透气性煤层多组分酸化压裂增透技术研究

为了解决富含碳酸盐类矿物煤层透气性差的问题,提出多组分酸化压裂增透技术。通过实验室测试煤样酸化前后渗透率的变化,确定了适用于三元煤矿的压裂酸液配比:w(HCl)为9%+w(CH 3COOH)为3%+ρ(KCl)为20 g/L。现场工业试验结果表明,三元煤矿采用多组分酸化压裂后,抽采瓦斯混合流量和瓦斯浓度比普通抽采钻孔平均提高了1.34倍和1.70倍。对比传统水力压裂增透技术,多组分酸化压裂通过物理增透和化学增透的联合作用,更有利于煤体孔隙裂隙网络结构的发育,且反应生成的二氧化碳对瓦斯产生了驱替作用,有利于瓦斯抽采;同时扩大钻孔孔径可以有效提高压裂接触面和抽采自由面面积,进一步提高增透抽采效果。