坚硬顶板切顶卸压技术对巷道围岩变形规律影响

针对特厚煤层坚硬顶板、宽煤柱条件下临空巷道面临的高围岩应力、大变形等问题,以老石旦煤矿16403综放工作面为工程研究背景,从宽煤柱顶板侧向破断结构角度对临空巷道大变形的影响因素进行了理论分析,采用数值模拟方法研究了对16402运输巷实施不同切顶卸压方案时,临近采空区的16403回风巷侧向顶板采动应力传递规律,并在现场施工水力压裂钻孔进行切顶卸压,实现临空巷道围岩变形控制。研究结果表明:“低位坚硬岩层悬臂梁+高位坚硬岩层砌体梁”破断结构是特厚煤层宽煤柱临空巷道大变形的主要原因,可采用切顶卸压技术破坏宽煤柱顶板侧向破断结构来控制临空巷道围岩大变形;切顶角变化可使关键块B长度发生改变,切顶角越大,则关键块B长度越小,临空侧顶板载荷向煤柱传递的程度越弱,临空巷道围岩承受的采动应力越小,切顶角为100°时临空巷道围岩垂直应力与变形量最小;在16402运输巷以切顶角100°施工水力压裂钻孔后,16403回风巷顶底板变形量较未实施切顶卸压的16402回风巷减小86.5%,两帮变形量减小87.1%,临空巷道围岩稳定性得到极大提高。

基于粘结单元法的干热岩储层水力压裂数值模拟与参数优化

水力压裂技术是实现低渗油气及地热储层的高效开发利用的关键技术手段,为了研究干热岩型地热储层水力压裂过程中水力裂缝的扩展规律,本文使用粘结单元法(Cohesive Zone Method,CZM)研究了压裂液排量、压裂液粘度以及水平地应力差对水力裂缝形态的影响,并利用正交试验对上述压裂工艺参数的组合进行优化。结果表明:压裂液排量对水力裂缝的长度具有重要影响,而压裂液的粘度对水力裂缝的宽度具有显著影响;压裂液的排量和粘度的增加,促进了分支裂缝的萌生和扩展;水平地应力差为1 MPa时,本文所建立的模型在压裂液排量和粘度分别取0.004 m3/s和0.07 Pa·s条件下,可获得最佳的压裂改造效果;随着压裂液的排量和粘度的持续增加,当压裂液的排量和粘度分别超过0.004 m3/s和0.07 Pa·s后,继续增加压裂液的排量和粘度将导致水力裂缝的长度和宽度的减小,可见在实际压裂过程中不能盲目通过提高压裂液的排量和粘度的方式实现对压裂效果的持续改进。本文丰富了干热岩储层改造的数值模拟手段,相关研究成果有望为干热岩型地热资源开采过程中裂缝扩展行为预测和压裂工艺参数的优化提供技术支撑。

小孔径水压致裂法在阳泉五矿地应力测量中的应用

随着阳泉五矿开采深度与广度的增加,针对其围岩的应力环境、变形与破坏特征发生显著变化等问题,采用现场实测和理论分析的方法,利用小孔径水力致裂法对阳泉五矿采区巷道内9个测点的原岩应力及方向进行测量与统计,并分析地应力空间分布特征及随埋深的变化规律。研究结果与该区域内已有水平主应力研究成果较为一致。研究表明:阳泉五矿区域内水平主应力与垂直主应力的最大值分别为12.58 MPa、15.08 MPa,平均值分别为6.73 MPa、11.88 MPa,最大水平主应力方向在N61°E~N79°E范围内,井下应力场属于中等应力值区域,垂直应力占优势,属于自重型应力场;测压比的范围在0.12~1.53之间,在浅部区域,垂直主应力小于最大水平主应力,随着埋深的增加,垂直主应力大于最大水平主应力;地质构造以及超前支承压力对局部区域内地应力分布也有一定影响。

长水平孔超前水力压裂治理巷道顶板技术研究

针对特厚煤层工作面回采期间伴随强矿压显现、巷道超前影响范围大、矿压剧烈、不易维护的问题,以同忻煤矿8311工作面2311巷为工程研究背景,采用长孔水力压裂原理,通过优化水力压裂参数制定了长孔水力压裂方案。结果表明:采取长水平孔超前水力压裂措施后,超前采动压力强度和范围明显降低,并且0~20^(#)支架处工作面支架阻力降低,悬顶能够及时垮落;改善了巷道围岩应力环境,有效降低了两侧采空区顶板岩层向工作面端头巷道传递应力的等级,巷道围岩变形降低60%以上;改善了工作面端头以及回采前方巷道应力结构,来压强度明显减弱,起到了调控巷道应力等级的目的,从而实现工作面安全高效回采。

高应力煤体小煤柱护巷围岩稳定性控制技术研究

高应力环境临空小煤柱巷道面临围岩稳定性差,巷道维护难度大等问题,以福达煤矿15#煤层5 m小煤柱应用现场为背景,针对影响小煤柱巷道围岩稳定性的关键因素,包括:地应力水平高、围岩稳定性差、煤柱内部遗留钻场空区等,提出了侧向水力压裂卸压、临空巷道围岩稳定性控制及煤柱内隐蔽钻场高水材料充填技术方案,并开展现场应用,结果表明:(1)水力压裂关键层位起裂压力峰值为26.5 MPa,各孔最大压力均值22.3 MPa,孔内原生裂隙受高压水挤压作用逐渐张开,对顶板完整性的弱化作用显著;(2)基于巷道矿压数据分析结论,顶板锚杆应力峰值为108 kN,帮锚杆应力峰值为86 kN,均远低于锚杆的屈服载荷,未出现断锚现象。巷道两帮及顶板下沉量均在可控范围内,巷道收缩量较小,围岩整体稳定性得到有效控制;(3)隐蔽钻场充填高水材料总体积682.9 m3,高于钻场空区总体积,每个充填钻孔均保证返浆后停止注浆,钻场充满率较高,残留1.5 m煤柱稳定性较好,达到了预期效果。

岩石非均质程度对水压致裂地应力测试方法影响的分析与讨论

准确揭示原位地应力状态,对地下工程开挖支护设计和长期稳定性分析等具有十分重要的意义。利用水压致裂技术开展了纱岭金矿主竖井地应力测试工作,获得了20个测段地应力状态;室内进行了主竖井测试孔岩芯的岩石力学试验,包括巴西劈裂试验、单轴压缩试验及声发射监测试验,获得了岩石空间非均质度和强度分布特征,并分析了岩石非均质度与水压致裂测试结果的关系。结果表明:主应力大小随测量深度近似呈线性增大,测试孔的最大水平主应力值为20.78~45.20 MPa,最小水平主应力值为14.94~35.33 MPa,平均最大水平主应力方向为NW65°;测试孔岩芯各层位非均质度不同,变辉长岩非均质度系数为0.1~0.3,且岩石不同强度条件下声发射信号数量变化不显著,岩石离散度较小,花岗岩非均质度系数最高,可达1.0,以加载后期强相破裂产生的声发射信号为主;岩石非均质度影响水压致裂裂纹的扩展方向,扩展方向和最大水平主应力方向的夹角φ影响着最大、最小水平主应力的测量结果,且对最小水平主应力的影响尤为显著。分析水压致裂测量结果与岩石性质之间的关系,对精确探测非均质地层的地应力场分布规律具有一定的指导作用。

中高位厚硬顶板长孔水力压裂防冲效果研究

针对于门克庆煤矿3106工作面厚硬顶板卸压效果不足的问题,通过现场微震监测的微震高能事件活跃层位和理论分析确定了3106工作面顶板诱冲关键层,提出了长孔水力压裂技术并进行了现场应用,分析评判了压裂效果和卸压效果。结果表明:距离煤层平均高度59.33 m、厚度49.95 m的砂岩层为诱冲的关键层;实施水力压裂后,在关键层内预制了裂隙面,裂隙内含水量增加,视电阻率的连续性增强,出现了降阻现象;水力压裂削弱了关键层的整体性和强度,微震能量转为“高频低能”释放,大能量事件平均延米发生密度和延米释放能量分别降低了55%和79%,回采期间现场未发生大能量矿震等动力现象;工作面来压步距缩短,来压强度降低,动载系数整体显著减小,且呈逐渐下降趋势;工作面回采压裂区域后的地表沉降斜率增加,厚硬顶板垮落更充分。研究证实了长孔水力压裂技术在防冲工程中的有效性和可行性,实现了工作面的安全开采。

麦垛山煤矿巷道围岩地质力学测试试验

为进一步优化麦垛山矿井巷道围岩支护方案,对麦垛山矿井巷道的地应力和巷道围岩强度进行原位测试,利用钻孔窥视法观测巷道围岩结构,揭露煤矿巷道围岩结构形态,选取合适测点测试水压致裂地应力,采用钻孔触探法测试围岩强度;分析麦垛山矿井6煤所处的围岩地质力学分布特征和力学参数。测试结果表明:麦垛山矿井最大水平主应力平均值为15.2 MPa,最小水平主应力平均值为8.17 MPa,垂直主应力平均值为13.94 MPa,试验区地应力场为中等应力值地区;区域巷帮6号煤平均强度为28.16 MPa,煤质较坚硬,在巷道围岩10 m范围内,由浅及深分别为粉砂岩、粗砂岩和粉砂岩;岩体强度依次增大,在4.9 m处岩体强度提升95.41 MPa。

德顺矿煤柱留巷水力压裂弱化顶板技术研究

为了在德顺煤业11106工作面开展煤柱留巷工程,采取水力压裂卸压技术抑制围岩变形,通过UDEC软件数值模拟影响卸压效果的因素——压裂次数和压裂位置。模拟结果发现:分段压裂距离越大,则压裂次数越少,切顶卸压效果越不理想,分段压裂距离最好小于4 m;在上区段工作面采空区侧布置压裂钻孔时,煤柱应力下降幅度达到15.1%.现场试验发现:压裂试验区巷道比非压裂试验区的巷道变形稳定期减小32.8%,两帮移近量下降达45.5%,顶底板移近量下降达63.1%,显著降低了煤柱留巷围岩变形量,卸压效果明显。

煤岩水压裂缝扩展行为特性研究

对坚硬煤体预裂中存在的问题,采用地应力场控制下水压致裂的方法,通过来自铜川矿区的九块大型煤块试件,研究了水压裂缝扩展行为的控制参数。在此基础上对水压裂缝的形成、扩展与煤体渗透性改变、水压作用的关系,进行了系统试验研究。克服了常规小试件试验的局限性,建立了起始渗透压力和最大破坏压力与煤样裂缝扩展变化过程的对应关系,研究了水压裂缝破坏煤体结构的力学机制,为解决煤岩体介质材料中水压裂缝扩展行为控制提供了科学依据。试验表明,本文结果中水压裂缝扩展控制参数对改善顶煤预裂设计效果具有实际意义。

岩石Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性的测试及其影响因素分析

根据直缝巴西圆盘（SNBD）试件计算应力强度因子的原理,设计组建了一套岩石Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性测试系统,测定了岩石的Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性,并与厚壁圆筒法的I型断裂韧性测试值进行了比较。根据试验结果,分析了试样尺寸、围压等因素对Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性的影响。结果表明,研制的试验装置能够可靠地测出Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性;试件厚度最好大于30 mm,初始裂缝半长与圆盘半径的比a/R为0.1-0.3时,可很好地确定Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性;Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性测试值均有随围压增大而增大的趋势。

裂隙岩体渗透系数确定方法综述

总结了近年来裂隙岩体渗透系数的确定方法,主要有现场水力试验法、裂隙测量法和离散裂隙网络渗流数值试验法。每种方法都有自己的适用性和测量尺度。裂隙岩体渗透系数存在尺度效应,针对不同尺度的研究对象,应尽量选取与渗流模型网格剖分尺度匹配的测量方法。裂隙的延伸具有方向性,测试点的布设应合理科学,不同测量方法需要结合起来才能得到裂隙岩体真实的渗透系数。

高温深井裂缝性泥灰岩压裂技术

华北束鹿凹陷泥灰岩的主要特点有:①深井(4237.5m)、高温(146℃)、高压(42MPa);②高泥质含量(占岩石的15%～22%),黏土矿物中运移矿物含量高(占黏土的54%～71%);③水平层理异常发育,并伴随高角度缝洞;④基质特低渗(0.0087～0.022mD),可动流体饱和度特低(12.3%～18.3%)。针对泥灰岩储集层特点,提出了水力压裂技术系统:①新型的“超级”瓜尔胶体系;②不同粒径组合的高强度陶粒;③新型的小型测试压裂技术;④新型的压裂工艺参数优化及施工技术,如压裂工艺参数的多级优化技术、多裂缝控制技术等;⑤新型的压裂后放喷及排液技术。将上述技术应用于晋古13井,压裂取得了理想的效果,初步形成了泥灰岩储集层的水力压裂技术体系。

考虑应力梯度的原生裂隙水压致裂法地应力测量的原理及工程应用

介绍原生裂隙水压致裂法地应力测量的原理及其与经典水压致裂法的异同之处,并探讨在单钻孔中考虑沿铅直钻孔轴向应力梯度的应力场的反演方法。在求解某液化石油气地下储备库工程应力场的过程中,假定区域应力场在拟建洞室附近的小区间内呈线性关系,并将参考点选在洞室附近某点,与前人将参考点选在地面并假定区域应力场从地面至钻孔底部整个深度区间内呈线性关系的研究成果相比,无疑使得计算结果更趋合理。同时将遗传算法应用于求解应力场任意一点的完全应力张量,得到比较满意的结果。

利用测井资料预测岩石Ⅱ型断裂韧性的方法研究

根据直缝巴西圆盘(SNBD)试验获取应力强度因子的计算原理,设计组建一套岩石Ⅱ型断裂韧性测试系统,测定20块取自WG油田岩石试样的Ⅱ型断裂韧性。基于试验数据,分析Ⅱ型断裂韧性和围压、抗拉强度的关系,建立利用测井资料预测断裂韧性的模型。利用H341井声波测井、密度测井和伽马测井资料预测水平地应力和抗拉强度,结合建立的断裂韧性模型成功预测Ⅱ型断裂韧性连续值,并在压裂实践中得到验证。该方法解决了现场压裂作业缺少断裂韧性全井筒连续数据的难题。

区段大煤柱水力压裂切顶护巷技术研究

针对工作面回采过程中沿空留巷围岩应力高、蠕变变形大的难题,以赵庄矿井1309工作面为研究背景,用理论计算的方法开展了沿空留巷区域围岩结构力学分析,并提出了适用于该矿井的顶板双向水力压裂护巷工艺和效果检测方法。研究结果表明:13092巷道变形程度由煤体单轴抗压强度、煤层埋深、顶板岩梁强度共同决定,在以上因素的叠加作用下采空区侧向顶板挤压煤柱,煤柱塑性区范围扩大,侧向应力向煤柱深部转移,顶板断裂前煤柱内弹塑性过渡区域垂直应力达到最大值,受侧向应力峰值影响13092巷道发生强烈蠕变变形,巷道断面维护困难;通过在13091巷道布置双向水力压裂孔,提前弱化顶板,破坏其应力传递和能量积聚的条件,有效地进行了人为断裂线的预制,并改善断裂线在煤柱上方的倾向位置,减缓了煤柱受挤压程度;在巷道上方施工的水力压裂孔能够有效促使关键岩块B回转下沉,减小了1309工作面侧向悬顶的长度,垮落的关键岩块B能够较好地对高位岩层形成支承作用;在施工水力压裂孔后相应区域巷道变形量缩小40%,煤柱边界区域微震事件数和微震能量值均有大幅度减小,保证了沿空巷道在回采期间的围岩稳定性。该研究成果探索了顶板水力压裂护巷在晋煤矿区应用的可行性,并为类似矿井条件下开展压裂工艺提供了工程指导。

地应力测试及其在勘探开发中的应用

对国内外地应力测试与应用工作现状进行了综合分析。论述了地应力的分布规律、地应力的矿场和岩心测试方法、地应力的计算及其在油气勘探开发中的应用等。分析了水力压裂法、井壁崩落法、声发射法等地应力测试方法的原理、应用范围及计算方法，对目前应用的测试方法中存在的问题进行了研究，并指出了进一步发展的方向及需要解决的主要问题。结合油气勘探开发的需要，对油田开展地应力研究问题提出了建议。

增强型地热系统关键技术研究现状及发展趋势

增强型地热系统(EGS)是开发干热岩型地热资源的主要手段,但其目前存在高温作用下人工压裂缝网不合理、多尺度多场耦合规律不明、井内闪蒸流动造成采热效率低下、地热流体热电转换效率低等关键问题,不利于地热资源的大规模商业化开发。围绕上述重大瓶颈问题,针对EGS开采干热岩型地热资源涉及的4大关键技术,系统梳理和分析了各项技术的研究进展及发展趋势。主要内容包括:①在干热岩储层人工压裂技术方面,详述了储层改造方法、人工缝网形成机制和裂缝扩展预测模型等方面的研究进展;②在干热岩开采数值模拟技术方面,分别从岩心尺度多场耦合模型、储层尺度多场耦合模型和尺度升级方法3个角度,阐述了裂缝表征方法、数学模型及求解方法的研究进展;③在井筒热流体高效提取技术方面,讨论了井筒内流体闪蒸的原理、闪蒸流动特性研究的实验和数值模拟方法;④在干热岩地热发电技术方面,介绍了地热发电原理、发电系统类型和主要的应用市场。结论认为,EGS是一个技术密集型系统,但由于地下储层工况的复杂性和地面设备的不稳定性,机理研究往往与实际脱节,需与先导试验项目密切结合、互相指导,开展产—研结合模式,在不断往复中提高认知、突破关键点,从而大幅提升EGS的应用价值。

水库裂隙岩体渗透系数张量的确定

通过裂隙在空间展布状况的测量,用统计学方法初步确定裂隙岩体的渗透系数张量,获得渗透系数张量的主值及主方向。考虑到裂隙测量的误差,根据野外压水试验得到的单位吸水量,利用巴布什金公式计算岩体的各向同性渗透系数,对其进行修正,从而得到研究区裂隙岩体的修正渗透系数张量。并运用上述方法对蒲石河抽水蓄能电站上水库坝址区裂隙岩体的渗透系数张量进行了计算。结果表明,该方法能较好地反映裂隙岩体渗透性的各向异性特征,可为岩体渗透性分区及防渗帷幕的优化提供科学依据。

川西深层须家河组气藏压裂改造难点和工艺技术对策

川西地区须家河组砂岩气藏埋藏深,温度高,异常高压,岩性致密,作为勘探开发核心技术的压裂改造技术能否获得突破,将直接制约深层气藏的勘探开发进程。通过工程地质特征分析,指出压裂改造的主要难点是破裂压力超高、闭合压力超高、施工压力超高、压裂液综合性能要求高和排量提升困难。详细分析了川合148井测试压裂和主压裂的成功作业过程和川合139井不成功的压裂作业。通过这2口井现场试验的对比分析,认为深层须家河组气藏的加砂压裂改造是可行的,但由于异常复杂的地质特征,压裂改造的难度仍然很大。为了有效解决这些技术难题,提出了一系列有针对性的工艺技术对策,以期能为深层气藏下一步压裂改造技术攻关提供有益的参考。