水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术研究

为了增加低渗透高瓦斯煤层的透气性,提高瓦斯的利用率和抽采效率,提出了水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术,分析了水力压裂-深孔预裂爆破复合增透的爆破致裂机理,建立了在爆轰气体作用下的裂纹应力强度因子方程和裂纹二次扩展半径方程。运用RFPA^2D-Flow模拟软件对水力压裂后孔壁周围煤岩体裂隙的产生过程与裂隙扩展规律进行模拟。利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析模拟软件对不同长度预裂缝影响深孔预裂爆破后瓦斯抽采增透效果的程度进行模拟。同时在阳泉五矿8410工作面开展了现场工业性试验,以此验证煤矿井下进行水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术后的瓦斯抽采增透效果。结果表明:使用水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术后煤层的透气性与常规的深孔预裂爆破相比有显著提高,致裂孔的初始瓦斯涌出量是普通爆破孔的3.18倍,瓦斯含量的衰减强度降低了77.3%。深孔预裂爆破的有效影响半径随着爆破孔内预裂缝长度的增加而提高,而且二者呈线性关系。该研究中采用复合爆破后的有效影响半径可达到6.98 m,与数值模拟结果得到的有效影响半径6.763 m相近。同时数值模拟与现场工业性试验的结果均证明:提出的水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术,能够有效增加煤岩层的透气性,提高瓦斯的抽采效率,为其他低渗透高瓦斯煤层的瓦斯抽采增透技术提供了参考。

预裂缝宽度对爆破效果影响研究

采用LS-DYNA软件建立数值模型,模拟分析了预裂缝宽度分别为3 cm和5 cm时对爆破效果的影响。结果表明,预裂缝越宽,减振效果越好,相差比例最高可达46%。选择不同孔径预裂爆破进行现场爆破振动监测试验,验证了数值模拟所得规律的正确性。预裂爆破参数的选取需结合现场实际工况和周围建(构)筑物的保护进行综合分析。

裂隙发育岩体水电工程地下洞室预裂爆破试验研究

硬梁包水电站地下厂房地质构造复杂,围岩裂隙发育,岩性杂乱,岩体具有“硬、碎、杂”特点,厂房开挖成型难度较大、预裂爆破效果差,为解决此问题,结合地下厂房第Ⅲ层中部拉槽施工预裂,开展了系统的爆破试验。初期试验中,预裂爆破线装药密度低于规范计算值近100 g/m的情况下,两侧边墙岩体在爆破后十分破碎,无法明显看到预裂孔的痕迹。开展的岩体声波测试和岩体完整性分析表明:厂房岩体全孔平均纵波速度为4.03 km/s,整体完整性差;岩体沿预裂孔轴向0~1.5 m、1.5~3.9 m、3.9~7.4 m深度的分段波速平均值分别为2.59 km/s、3.58 km/s、4.70 km/s,表现出在深度方向上的分段完整性差异。根据上述特点,在厂房开挖施工过程中,预裂爆破的平均单孔线装药密度取为0.123~0.284 kg/m,并针对不同深度选取不同的线装药密度,各分段采用小药卷均匀间隔装药,试验和应用效果良好,保证了壁面基本成型,半孔率显著提高。

覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”源头防治冲击地压技术体系及应用

主动卸压防冲是落实强化煤矿冲击地压源头治理的重要措施。现行的主动卸压防控方式,或采用回采工作面平巷布孔卸压,或采用井下原位水力压裂技术,具有卸压保护范围有限、卸压施工进度制约等不足;或采用地面水力压裂防冲系统,具有卸压范围广时效长等优点,也需要解决前期投入等。因此,秉持源头防治、防患未然、经济高效的一体化的防冲卸压创新战略思想,研究一种实践易行、效果显著、可全面推广的新型区域卸压源头防冲技术体系势在必行。提出了覆岩高位超前整层爆破卸压技术体系,针对可产生动载荷的较高位关键层,创新高位岩巷、高位钻场、爆破钻孔布置,将高位坚硬岩层超前、整体、均匀爆破预裂,从而形成“人造预裂层”。该方法突破了一般的长钻孔距离限制,使得岩层爆破的卸压高度、卸压范围、卸压效果均大幅提高,可形成覆盖整个工作面区域甚至多个工作面的超前工作面开采的高位“人造预裂层”。高位爆破“人造预裂层”首先使得该高位坚硬岩层的来压步距和来压强度大幅减弱,其次也缓冲减弱了其上硬岩层向下传递的矿山压力,最后还可降低其下方硬岩层的来压步距。在陕西长武亭南煤业3409工作面首次进行了覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”技术试验后,现场实测效果表明采用该方法较之常规爆破卸压区域,支架的平均来压强度、来压步距、来压持续距离和压力报警频次均大幅减少;巷道深孔和浅孔应力也均减少;微震事件总能量、大能量微震事件大幅度减少,且密集程度显著降低,工作面中段的微震事件尤为稀疏;地音高能事件、震源CT获得的冲击风险区域也有减少,各种实测手段均验证了高位爆破人造预裂层卸压防冲技术的优越性。

坚硬灰岩顶板破断对煤层底板破坏特征

为研究坚硬灰岩顶板破断对煤层底板变形破坏的影响,以黄河北煤田邱集煤矿111107工作面为背景,基于顶板岩体破断动载应力函数,运用FLAC^(3D)模拟了坚硬灰岩顶板破断对采空区底板的破坏过程,对比了不同动载幅值下采空区底板破坏特征,基于深孔聚能爆破预裂技术,设计了爆破切顶方案,为坚硬灰岩顶板工作面安全开采提供保障。模拟结果表明:动载作用前后底板破坏范围和深度有明显增加,底板最大破坏深度达12 m,动载作用结束以后,残余应力波仍持续影响采场底板,直到灰岩顶板破断150 ms后,采场底板的动力响应才全部结束;随着动载幅值增大,底板破坏范围逐步增大;在持续时间相同的条件下,当幅值小于10 MPa时,动载作用前后底板破坏变化不明显;当幅值大于10 MPa时,动载作用前后底板破坏有明显变化。

7107工作面水力压裂及爆破初采放顶效果对比分析

为从施工周期及经济预算角度对比分析爆破切顶与水力压裂2种卸压方式的卸压效果,以7107工作面为背景,通过数值模拟的研究手段,分别从施工周期角度设计了7 d、13 d、19 d这3种设计方案,从经济预算角度设计了40万预算、50万预算、60万预算3种设计方案。通过顶板初次垮落步距来确定各方案切顶卸压效果。结果表明,当施工周期大于7 d时,爆破切顶初次垮落步距均为20 m,卸压效果均达到预期,可保证7107工作面安全回采;当施工周期小于19 d时,水力压裂切顶卸压效果较差;施工周期大于19 d时水力压裂初次垮落步距为24 m,与爆破切顶效果相近,达到安全标准。当预算大于40万时,水力压裂垮落步距均为24 m,符合安全标准;预算为40万时,爆破卸压初次垮落步距为28 m,比相同预算条件下水力压裂大16.7%。预算为50万时,爆破卸压初次垮落步距为24 m,与40万预算条件下的水力压裂一致。预算为60万时,初次垮落步距减小至20 m,比40万预算条件下的水力压裂小16.7%。通过对比分析可知,在地质条件、施工时间、施工效果方面,爆破施工优于水力压裂施工;在瓦斯含量、施工成本、环境保护方面,水力压裂施工则优于爆破施工。

基于地震波CT探测的冲击地压危险性评价与防治

为了解决工作面回采过程中存在的冲击危险区域的不确定性和煤岩体内部静载荷分布的模糊性,采用地震波CT探测技术,对回采工作面采取静载荷探测和冲击危险性评估,对冲击危险区域进行了重新确定,并制定了有针对性的卸压方案,提高了工作面回采期间的冲击地压防治效果。结果表明,小庄煤矿40302工作面回采期间,发现中等危险区域共9处,弱危险区域14处,其他区域为无冲击危险区域。通过采用地面L型水平井分段压裂技术、煤层大直径卸压钻孔、煤层爆破及顶板预裂爆破技术对冲击危险区域进行卸压,有效降低了工作面回采期间的冲击风险,为工作面安全回采提供了保障。

低渗透煤层合增透技术应用

为增加低渗透高瓦斯煤层的透气性,提高瓦斯利用率和抽采效率,提出低渗透煤层复合增透的方法。利用RFPA2D-Flow和FLAC3D软件分别对水力压裂裂缝的起裂、延伸与扩展规律和CO2增透钻孔内提前制造不同长度的预裂缝对爆破致裂增透效果的影响情况进行模拟。进行井下复合增透效果工业试验,运用瓦斯压力降低法分析预裂后煤层瓦斯抽采半径。结果表明:模拟注水压裂27 PMa时,割缝半径约2 m,随着煤壁预裂缝长度增加,CO2爆破致裂影响半径呈线性递增的趋势。现场复合增透后煤层抽采率显著提高,有效半径由原来单一水力压裂的2 m增加到7 m左右。

厚层坚硬石灰岩顶板深孔预裂爆破技术研究

为解决厚层坚硬石灰岩顶板煤层开采过程中悬顶面积大的问题,综合运用理论分析、数值模拟、现场实测等手段,采用深孔预裂爆破技术控制初次来压步距。研究表明:原生顶板条件下,根据关键层理论预计工作面初次来压步距为59.2 m,顶板来压非常强烈。通过数值模拟分析深孔爆破裂纹扩展特征,在开切眼实施深孔预裂爆破后,沿炮孔径向产生大量次生裂隙,破坏了K2石灰岩的完整性。根据爆破过程中炮孔周围监测点应变响应特征,确定炮孔间距为6 m。支架工作阻力在线监测系统显示初次来压步距平均值为34.3 m,动载系数为1.35。工作面初次来压步距减小24.9 m,来压强度减弱,实现了工作面初采阶段安全高效生产。

坚硬软弱复合顶板切顶卸压沿空留巷爆破技术

为在坚硬软弱复合顶板切顶卸压沿空留巷时取得较好预裂爆破效果,通过现场试验和分析,采用合理的双向聚能张拉爆破技术,对巷道顶煤强度较小、直接顶较软弱、基本顶坚硬的复合顶板进行了有效的预裂爆破。结果表明:对于软弱岩层,爆破能量易沿孔壁原生裂隙发生冲楔作用,聚能效果较差,深12 m的炮孔内裂缝长度只有1.2 m,并且孔口易出现爆破漏斗,对巷道原有支护造成破坏;对于坚硬岩层,随着装药线密度增大,聚能方向裂缝率逐渐增大,当单个炮孔装药量为7卷、药卷长度和空气柱长度的比值为3.348、填塞位置位于坚硬岩层时,普氏系数为12的中砂岩段炮孔内沿预裂方向全部产生张拉裂缝,裂缝长度达5 m,裂缝率达100%。因此,对于坚硬软弱复合复合顶板,使坚硬岩层沿预裂方向产生有效的裂缝,软弱岩层自行垮落,能够取得满意的预裂效果。

急倾斜厚煤层102m阶段煤体综放开采煤体致裂综合分析

急倾斜高阶段煤体综放开采技术复杂,结合神新公司苇湖梁煤矿+579E2EB1+2急倾斜(64～69°)厚煤层(32.9m)高阶段(102m)综放工作面顶煤超前预爆破综放开采实践,运用爆破理论分析了孔内爆破的裂隙圈半径与临界抵抗值,采用RSM智能松动声波检测仪和YS(B)光学钻孔窥视仪对弱化煤体孔壁滑行波及爆轰气体应力场产生的径向裂隙等全面检测,辅以弹性波CT成像分析,继续追踪模拟高阶段上位顶煤破裂情况,综合分析表明:爆后除尚存有少量三角煤及顶煤结构外其它范围煤体破裂充分,理论分析与实践检测基本相符,并对爆破后支架最大工作阻力进行了分析对比,急斜高阶段煤体超前松动致裂效果显著。

间隔聚能装药爆破技术与应用

针对小直径炮孔光面、预裂爆破的特点，提出类似空气间隔装药的聚能爆破技术，并介绍该方法的基础思想及聚能药包的优化设计方法，分析间隔聚能装药爆破促使岩石定向断裂的基本过程及其主要控制参数．以预裂爆破为例，给出主要爆破参数计算公式，并在花岗岩石料开采现场进行了实际应用。

综放工作面初采期顶煤深孔爆破弱化试验研究

为解决兴隆庄煤矿3306工作面初采阶段顶煤整体性强、冒放性差、顶煤放出难的问题,在工作面回采前实施顶煤深孔预裂爆破、开切眼顶煤与顶板截断爆破试验。深孔预裂爆破提高了顶煤裂隙发育程度,降低了顶煤破碎块度,顶煤冒放性得到增强;开切眼中的顶煤、顶板截断爆破在顶板岩层中形成裂隙自由面,促使顶板提前弯曲、断裂,缩短初次来压步距。通过上述方法,初采阶段顶煤放出率由45%提高到75%,直接顶和基本顶初垮步距分别减小40.4%和36.6%,实现了顶煤的强制冒放和初次来压前的充分放出,有效提高了综放工作面初采阶段的顶煤采出率。

顶板预裂爆破技术在防止压架事故中的应用

由于高水压松散含水层的载荷传递作用,使覆岩关键层复合整体破断,导致了祁东煤矿7121工作面开采过程中压架事故的发生。防止压架事故需要从防止顶板整体破断入手,顶板超前预裂爆破是一种合适的方法。根据7121工作面地质开采条件和覆岩结构特征,确定了顶板预裂爆破的方案及相关技术参数。实践结果表明,在保障工作面良好支护质量的基础上,采取顶板预爆破措施,使工作面中下部支架平均阻力减小了246 kN,周期来压步距由34.1 m减小为23.0 m,来压持续长度由20.2 m减小为5.0 m,从而降低了覆岩关键层复合整体破断的可能性,对防范压架事故起到了积极作用。

综采工作面煤层超前深孔预裂爆破增透试验研究

基于抽采时间短的采煤工作面回采过程中存在瓦斯超限的问题,通过在原抽采孔中间布置爆破孔,采用直径为63mm的煤矿瓦斯抽采水胶药柱进行超前深孔预裂爆破增透,使得煤层透气性大大增加,取得了抽采孔瓦斯浓度提高2.2倍、流量提高5倍以上的效果。试验表明采用超前深孔预裂爆破增透技术可有效解决工作面回采期间瓦斯超限的问题。

厚层坚硬顶板工作面沿空留巷技术

针对凤凰山煤矿厚层坚硬顶板条件下工作面沿空留巷难度大,留巷变形严重的情况,结合顶板移动规律,采用顶板预裂爆破技术,利用采场周期来压沿空切顶,形成上覆基本顶岩梁的支撑结构,控制基本顶的回转和下沉变形,实现卸压作用。结合154307工作面沿空留巷工艺特征,分析了坚硬顶板条件下沿空留巷充填系统工艺流程、顶板预处理手段、留巷内辅助加强支护方式,并对留巷期间围岩移近速度等活动规律进行观测分析。留巷后巷道断面8 m2以上,巷道顶板完整稳定。

切顶卸压沿空留巷技术探讨

文章介绍了峰峰集团孙庄煤矿12465Ⅱ工作面的总体情况,根据其工作面和巷道概况,决定采用沿空留巷技术对其开采,根据孙庄煤矿预留巷道周围的地质条件,设计了切顶留巷顶板预裂爆破参数,分析了切顶卸压成巷的基本原理,提出了切顶卸压沿空留巷实施方案。

缺陷介质切槽爆破断裂行为的动焦散线实验

利用数字激光动态焦散线实验系统,对含缺陷介质在切槽爆破和普通炮孔爆破中爆生裂纹的断裂行为进行对比研究。结果表明,切槽爆破中沿切槽方向起裂的主裂纹比非切槽方向早10μs,有利于能量优先沿切槽方向释放;切槽方向主裂纹的起裂韧度为0.58 MN/m3/2,其裂纹扩展的平均速度为277 m/s,分别是普通爆破时主裂纹相应值的54%和86%;当切槽方向主裂纹与缺陷介质贯通后,为爆生气体提供了足够的膨胀空间,诱导爆生气体向预制裂纹两端释放,翼裂纹起裂以Ⅰ型拉伸破坏为主,并在裂纹扩展的60～250μs内,Ⅰ型动态应力强度因子保持在0.6～0.8MN/m3/2,形成了明显的平台,延缓了翼裂纹扩展速度的衰减,最终较普通炮孔翼裂纹扩展时间和扩展长度分别增加了22.7%和17.8%。

千米埋深特厚煤层井筒揭煤综合防突技术

为解决千米埋深特厚煤层立井揭煤防突和穿煤施工安全,通过建立区域突出危险性预测、深孔预裂控制爆破增透抽放、效果检验和验证、中空锚杆金属骨架、远距离放炮揭煤、突出危险性预警和壁后预留排放等组成的七步法综合防突技术,从技术、施工组织、工程质量和安全防护4个环节保障施工安全。结果表明:采用深孔预裂控制爆破强化措施,抽放41 d达到区域防突要求;采用2圈中空锚杆注浆加固和壁后预留1圈排放孔等新工艺,揭煤和穿煤期间瓦斯浓度非常稳定,实现了零超限揭穿千米埋深9.8 m厚突出煤层。

顶板深孔预裂爆破提高综放孤岛工作面初采率研究

通过顶板岩石的力学特性分析、深孔预裂爆破切顶的数值模拟分析和工程应用,对深孔预裂爆破提高综放孤岛面初采期间煤炭采出率进行系统的研究,研究表明,综放孤岛面顶板采用深孔预裂爆破技术,工作面初次来压步距缩短了9.6m,顶煤回收率提高了14.38%,实现了综放孤岛面的安全高效开采。