深部强压工作面水力压裂卸压防控效果研究

潞安化工集团余吾煤业S5207回风巷掘进过程中,部分巷道出现底鼓、顶角帮鼓和顶板下沉等问题,同时存在断锚杆锚索和响煤炮等动力显现情况。经测量得知,该工作面存在方向为N21.5°E的最大水平主应力为9.15 MPa,最小水平主应力为4.97 MPa,垂直方向上的主应力为10.9 MPa。为解决这一问题,针对S5207深部强压工作面,采用水力压裂技术工艺来弱化坚硬难垮顶板。经过对压裂段和非压裂段的检测点进行位移、应力和荷载检测,结果显示,在压裂段中,顶底板的移近率和两帮的收缩率相比非压裂段分别降低了43.8%和37.9%。压裂段滞后工作面的应力值稳定在平均13.05 MPa,而非压裂段工作面的应力持续增长,最终平均值达到18.6 MPa。在超前工作面的位置,压裂段工作面出现了超前支承应力峰值,平均值为13.0 MPa,增幅为2.1 MPa,超前支承应力集中系数约为1.2。综上所述,水力压裂技术能够明显减轻相邻工作面回采动压,降低巷道受力和围岩变形,有效弱化坚硬顶板,提高巷道整体安全性,并保证动压巷道留巷成功率。该技术的应用,不仅解决了余吾煤业动压巷道的技术难题,还取得了一定的技术、经济和社会效益,并为类似条件下的巷道卸压提供了宝贵的经验。

坚硬顶板高压水力切顶技术的切顶角度力学机制分析

为探究顶板的垮落倾角与水力钻孔角度对切顶卸压作用的力学机制,根据“砌体梁”关键块理论对切顶破断结构进行了力学分析,提出了基于关键块结构的“砌体梁”径向力模型与轴向力模型并进行了理论解析。运用COMSOL数值模拟软件,分析了不同角度下水力切顶钻孔的最大主应力分布特征。结果表明:切落顶板所受径向力会随垮落倾角的增加而上升,导致切顶后难以充分卸压。切落顶板所受轴向力随倾角的增加而逐渐降低,致使顶板更容易发生垮落。当水力切顶的角度小于45°时,垂直地应力对钻孔中部的压缩作用明显,对水力压裂起抑制作用。当切顶钻孔角度大于60°时,钻孔整体承受拉应力,有利于水力裂缝的扩展。

松河煤业120306工作面坚硬顶板弱化技术研究

松河煤业3号煤层上方存在均厚12.8 m的粉砂岩,不仅厚度大而且完整性较好,在工作面回采后容易形成大面积悬顶,严重影响现场的安全生产。针对这一问题,本文采用理论分析、数值模拟等方法,提出采用深孔预裂爆破的方式对顶板岩层进行弱化。共设计两种预裂爆破孔,其中预裂爆破孔A与竖直方向夹角为20°,孔深14 m,预裂爆破孔B与竖直方向夹角为60°,孔深26 m,炮孔间距为2 m。在松河煤业120306工作面进行现场试验,对顶板岩层进行深孔预裂爆破后,工作面周期拉压步距为18.5 m,采空区顶板岩层垮落效果良好,保证了工作面安全开采。

大采高工作面坚硬顶板水力压裂技术

针对大采高一次采全高采煤工作面回采过程中,经常出现的机头三角区采空区坚硬顶板难垮问题。通过对上覆岩层结构及强度进行测试、分析,结合煤层顶板特性及压裂密度大小对压裂效果的影响,确定采用分段压裂式水力压裂技术方案;并在井下现场开展水力压裂控制坚硬难垮顶板试验。结果表明,采用水力压裂技术后,工作面端头采空区顶板能够及时垮落,悬顶面积大幅度降低,工作面端头采空区悬顶沿推进方向一般最大不超过9 m,沿工作面方向最大不超过6 m,降低幅度达到70%以上,在大部分情况下,顶板能够随采随垮及时垮落,效果良好。

巨厚煤层坚硬顶板抽冒型垮落岩层控制关键技术及应用

针对柴沟煤矿坚硬顶板巨厚煤层工作面初采阶段顶板抽冒型垮落导致的矿压、通风、地面破坏等系列问题,采用理论分析、现场测试、实验室试验、微震监测等手段,统计分析巨厚煤层开采过程中覆岩运动规律及特征,对巨厚煤层坚硬顶板围岩强度和结构参数特征进行测试分析,分析水力压裂对不同岩性破坏深度的影响,提出了巨厚煤层坚硬顶板抽冒性垮落及综合治理技术。在此基础上,提出巨厚煤层坚硬顶板抽冒型垮落防治手段,采用长距离水平定向钻孔区域压裂与浅孔工作面水力压裂初次放顶联合控制技术,对采煤工作面坚硬岩层大尺度全方位进行水力压裂预裂与卸压,促使巨厚煤层坚硬顶板在工作面初采阶段实现有序垮落。在柴沟煤矿1519工作面进行现场工业性试验,监测结果表明,采用“长距离水平孔区域压裂+浅孔水力压裂”联合控制技术后,工作面来压步距和强度明显降低,大的微震能量事件显著降低,避免了工作面在地表形成抽冒现象,安全经济效益显著。

工作面坚硬难垮顶板控制技术研究与应用

针对神东矿区某矿回采工作面因存在厚硬难垮顶板导致工作面两巷底鼓、震顶现象频发的难题,通过理论计算、数值模拟、现场监测等方法,对该矿61610工作面硬岩及关键层层位、顶板控制方案、控顶效果进行了研究。结果表明:工作面覆岩厚度为5.8、13.38、23.31 m的粗砂岩是导致工作面出现底鼓、震顶现象的关键岩层,即工作面覆岩重点处理层位;控顶方案的实施在工作面坚硬岩层产生竖向及横向2种裂隙,延展长度在0.3~1 m;控顶方案实施后有效降低了工作面回采期间大能量微震事件发生频次,发生频次平均降低40%,工作面震顶等矿压显现事故显著减少,保障了工作面安全高效回采。

综采工作面超深孔爆破强制放顶技术研究

为解决综采工作面厚硬难冒顶板易造成飓风伤人事故的问题,采用理论分析和现场实测的方法,对综采工作面超深孔爆破强制放顶技术进行研究,通过对炮眼布置参数、炮眼装药工艺以及相应的强制放顶安全措施的研究,提出了布置加强眼的方式,采用PVC管装药工艺及木楔封口技术,实现了炮眼的快速装药、封口,使炮眼的最大长度达到50 m,提高了顶板的爆破强度,有效解决了综采工作面坚硬厚顶板难以冒落的难题。

大同矿区坚硬顶板大面积整体切冒分析

针对大同矿区坚硬煤层坚硬顶板及坚硬覆岩介绍了一种特殊的开采沉陷实例,即大同矿区"三硬"条件上覆岩层大面积整体突然切冒。从煤层特征、围岩性质、采煤方法及顶板控制等方面对影响顶板大面积一次性整体切冒的因素进行了详细分析,阐述了坚硬顶板大面积一次性整体切冒的机理,指出了其对井下采场和地表破坏具有突发性、随机性和滞后性。因此对大同矿区开采沉陷的治理具有重要意义。

坚硬顶板切顶卸压垮落规律研究

为了解决坚硬顶板垮落步距大而易引起大面积来压等问题,以邱集煤矿1102工作面为研究对象,开展切顶卸压对坚硬顶板垮落规律的研究。基于悬臂梁理论推导了切顶卸压后坚硬顶板垮落步距的计算公式,理论计算了邱集煤矿1102工作面坚硬顶板各岩层荷载和切顶卸压前后各岩层的垮落步距,对比分析了切顶卸压前后顶板的垮落特征,并利用现场实测数据验证了理论分析的准确性。结果表明:切顶卸压后,直接顶的垮落步距从26.66m减小到9.13m,减小了65.8%;基本顶的初次垮落步距从45.41m减小到25.64m,减小了43.5%;周期垮落步距从18.54m减小到12.82m,减小了39.9%。切顶卸压减小了直接顶和基本顶的垮落步距,实现了对坚硬顶板垮落步距的有效控制,保证工作面安全开采,对类似的地质条件下煤层开采和矿压控制具有借鉴意义。

坚硬顶板下采动覆岩破断规律研究

采用相似材料模拟实验方法,针对恒癉煤业9203工作面坚硬顶板下开采的地质特点,对工作面在推进过程中的矿山压力显现规律进行研究。得出老顶是分层连续垮落,垮落步距为9.6~11.2 m,导水裂隙带发育高度51.4~65 m和回采工作面前后范围内的4个分区(即原岩应力区、应力增高区、应力降低区、应力恢复区)的分布范围,寻求工作面采场矿压显现规律和顶板覆岩运动规律。

厚硬砂岩直覆顶板卸压技术研究

直覆厚硬顶板进行预裂切顶成功与否是工作面安全开采的关键,以顾北矿13121^(上)工作面为研究背景,结合理论分析直覆厚硬顶板初次破断及周期破断步距,提出顶板预裂切顶方案,利用FLAC^(3D)软件对厚硬顶板切顶效果进行验证,对比切顶前后厚硬顶板位移规律及工作面超前支承应力的变化特征。结果显示:预裂切顶可以有效改善硬厚顶板直覆工作面工作环境,切顶后,工作面超前支承应力峰值降低28.39%,超前影响范围缩减了37%,顶板垮落压实步距缩短了43.53%,超前支承应力峰值位置向深部转移,预裂切顶对厚硬顶板直覆工作面矿压控制起到了积极作用,对工作面超前支护设计具有借鉴意义。

厚硬顶板弱化前后垮落致灾数值模拟研究

针对采空区大面积顶板垮落对采区机械设备及工作人员造成的冲击灾害问题,采用ANSYS/LSDYNA有限元软件,建立顶板弱化前后块体冲击地面的三维计算模型,研究顶板弱化前后垮落体引起巷道内飓风风速的变化规律及冲击载荷对工作面煤层的影响。结果表明:在顶板下落过程中,由采空区到巷道口处,飓风速度呈增大趋势,且在巷道口处风速急剧增大,但风速在巷道内随着距巷道口距离的增大而衰减;随着顶板下落时间的增加,巷道内的风速整体呈上升趋势,但巷道内风速的衰减速率逐渐降低,且风速峰值随着所在位置与巷道口距离的增大呈对数衰减;大面积顶板垮落使工作面煤层出现应力集中现象,顶板弱化放顶循环步距控制在30 m以下可显著降低飓风的影响范围及冲击载荷对工作面煤层的影响。

煤矿开采中坚硬顶板弱化技术分析与应用

坚硬顶板抗拉抗压强度大、弹性模量高、节理裂隙发育程度不明显、单层岩体厚度大、整体性及自承能力强,在工作面回采过程中不易自然垮落,大面积悬顶严重。通过在开切眼顶板上深孔预裂爆破破坏顶板的完整性,能够减小直接顶初次垮落步距和顶板悬露面积,保证工作面安全、高效生产。

定向水力压裂坚硬顶板在凤凰山矿的试验

针对凤凰山矿15#煤层的高强度、整体性强的石灰岩直接顶板,决定采用定向水力压裂来控制坚硬难垮顶板的井下试验。试验结果表明:使用高压泵产生的高压水能够使预施工的钻孔裂缝压裂并扩大其影响范围,且能成功在15#煤坚硬顶板中人为制造出更多裂隙,达到了预期效果。

坚硬顶板塌陷机理探讨

大同"两硬"浅埋深煤层开采地表塌陷具有整体一次性切冒特征,其特点是具有明显的滞后性和突发性,塌陷过程时间短、破坏性大、难以预测预防。通过对覆岩活动的力学分析,得出坚硬顶板塌陷原因,在采空区部分煤柱丧失承载能力后,上部覆岩将围岩应力转移到周边仍具有一定承载力的尚未完全失效的煤柱上,使相邻煤柱破坏,产生"多米诺骨牌"连锁破坏效应,造成顶板塌陷。

基于UDEC的坚硬顶板工作面矿压显现规律研究

针对坚硬顶板工作面在生产过程会产生一系列的技术、安全以及经济等问题,采用UDEC数值模拟软件和现场实测相结合的方法,对坚硬顶板工作面矿山压力显现规律进行研究分析,研究了当坚硬顶板厚度为3 m时,工作面的初次垮落步距、周期垮落步距、最大集中应力等矿压参数。研究得出:当直接顶坚硬顶板厚度为3 m时,其工作面的初次垮落步距和周期垮落步距分别为30~35 m和6~10 m;在顶板垮落时前方应力集中达到最大值(45 MPa),其中数值模拟与现场实测结果基本相吻合。研究为工作面安全开采提供理论依据,并起到提前预警的作用。

工作面坚硬难垮落顶板处理技术及应用

神木县隆德矿业有限责任公司209工作面顶板属坚硬难垮落类型,通过分析坚硬难垮落顶板的特点及危害,并比较采前爆破、采后爆破、注水弱化和水力压裂等几种处理方法的优缺点,最后选择水力压裂方法应用。在工作面上通过监测水力压裂压力、裂纹扩展范围及工作面顶板垮落情况,结果表明:可以保证工作面安全生产,不会形成飓风等动力灾害。

坚硬顶板工作面矿山压力显现规律相似模拟研究

针对坚硬顶板工作面在生产过程会产生的一系列技术、安全及经济等问题,采用相似模拟研究方法,利用相似模拟实验具有效果直观、试验周期短、见效快等特点,对坚硬顶板工作面矿山压力显现规律进行相似模拟分析,研究了坚硬顶板厚度为6 m时,煤层顶底板的应力和位移的变化规律以及直接顶初次垮落步距及周期垮落步距,研究得出坚硬直接顶厚度为6 m的情况下,直接顶初次垮落步距为40 cm,即周期性破断距离约11.2 m,且每次周期性破断块体距离大小基本相同,为坚硬顶板工作面矿山压力显现规律提供一定技术指导。

复合硬厚顶板采场覆岩垮落控制研究

针对西部弱胶结地区采场硬厚顶板来压步距大,易引起剧烈矿压显现的问题,提出对硬厚顶板注水软化的处理方案,使顶板冒落步距大幅缩短,矿压显现显著降低。以泊江海子煤矿113100工作面为背景,利用Fl AC3D软件,数值模拟现场施工过程,对比分析理论计算来压步距及有无注水软化孔工作面回采过程中应力场、塑性区演变情况,得出水力软化顶板破断的最佳步距;将钻孔注水软化顶板的施工方案运用于113100工作面的回采中,使直接顶的初次来压步距控制在20 m左右,基本顶的初次来压步距控制在30 m左右。结果表明:通过提前对覆岩顶板钻孔注水软化,可有效控制顶板初次垮落步距,实现顶板在预定位置垮落的目的,从而将工作面的顶板瞬时动力显现效应降到最低,保证工作面的安全回采。

坚硬顶板预裂控制研究

利用数值模拟软件,基于Mohr-Coulumb及应变软化模型,确定了充填体的具体参数,充填宽度1.2 m及水灰比1.5∶1的参数下,可有效控制围岩的受力变形。实际工程应用效果显示,该充填方案下顶板最大位移量为315 mm,解决了坚硬顶板垮落造成的围岩变形大的问题。