浅埋厚煤层软岩巷道支护参数设计及应用

目前煤矿常采用锚杆(索)对巷道两帮及顶板进行主动支护,但受巷道所处力学环境、地质条件等多种因素影响,针对软岩巷道锚杆支护参数设计及理论选择较为困难,使巷道支护环境较差。本文结合理论与现场工程地质条件,针对五举煤矿13207工作面软岩巷道中存在的顶板破碎严重问题,对两巷道支护参数进行设计及应用。参数选择为顶板及帮部均采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆,规格分别为φ22 mm×2 800 mm、φ22 mm×2 400 mm,顶板及帮部分别采用φ21.8 mm×7 300 mm的1×19股高强度锚索与φ21.6 mm×5 300 mm的1×7股高强度锚索,锚杆预紧扭矩不小于300 N·m,锚索张拉力不小于200 k N。现场应用结果表明,巷道围岩变形得到有效控制,整体支护效果良好,为附近相似条件矿井提供借鉴。

三软煤层巷道掘进防漏的顶预防性注浆技术研究

某矿3130巷沿着13号煤层底板掘进,13号煤层为典型的三软煤层,顶板冒落及变形量大问题较为明显,特别是3130巷掘进至1 560~1 620 m范围内时,受区域褶曲构造影响顶板破碎、裂隙发育,巷道冒顶风险更为突出。因此,提出采用注浆方式对顶板进行超前加固的预防性措施,提高顶板稳定性及承载能力。依据3130巷围岩特点并结合以往注浆经验,提出使用管棚注浆方式加固顶板岩体,并具体设计超前注浆加固技术方案。现场应用后,巷道掘进期间顶板始终保持稳定,未出现冒顶、片帮等问题,同时巷道围岩变形量整体较小,围岩变形控制效果显著。

松软破碎顶板大采高工作面端面漏冒机理及控制技术研究

采用现场工业性试验及长钢丝绳注浆加固方法,开展了大采高松软破碎顶板综采工作面端面漏冒机理及其加固技术研究。结果表明:大采高松软破碎顶板工作面发生端面漏冒并不是工作面压力异常导致,工作面压力异常并不是产生漏顶事故的根本原因;端面漏冒的发生与支架结构、支架的初撑力、工人操作水平以及工作面超前支承压力影响等综合因素有关;采用长钢丝绳或锚索与注浆联合加固的方法,构成了新型的空间网格状加固方式,该方法能够很好控制松软破碎顶板工作面的端面漏冒,在现场得到了成功应用,保证了工作面的安全回采。

极破碎顶板松软煤层支架选型及抱采工艺实践

为解决极破碎松软厚煤层工作面煤壁片帮和架前端冒顶难题,以芦岭煤矿极松软9煤综放开采为工程背景,分析了传统综放开采工艺特点,结合现场工程实践,研究了无梁端距抱采放顶煤工艺,其特点是通过加长顶梁实现无梁端距条件下采煤,设置800 mm伸缩梁保证超前支护,借助铲煤板铲平顶煤,带压移架,充分利用煤壁片帮进行采煤。针对此工艺特点,提出了该回采工艺合理的"三机"配套技术,并在芦岭煤矿特定地质条件下开展工业性试验,煤炭月产量达10万t,效果良好。

近距离大倾角复合软煤层综放工作面顶板控制与生产实践

介绍了攀枝花大宝顶煤矿综放工作面大倾角、近距离复合软煤层、破碎顶煤顶板条件下综放工作面的顶板控制技术与工作面三机设备防倒防滑技术及管理的生产实践。分析了上端头顶板应力集中、顶煤破碎的原因及处理技术,对于工作面设备的管理经验进行总结,成功实现综放安全开采,在我国西南矿区厚煤层、大倾角、复合煤层或软煤综放开采中具有很高推广价值。

大断面松软破碎顶板锚梁网索联合支护技术研究

针对渝阳煤矿北三采区运输上山大断面松软破碎顶板支护难题,通过顶板松动范围测定和锚、梁、网、索等支护构件的作用机理分析,制定了"锚杆+钢筋梁+金属网+中空注浆锚索"联合支护方案。现场实践表明:松软破碎顶板下沉变形得到明显控制。

软煤层碎胀顶板巷道高预应力短锚索支护技术

以晋城矿区赵庄煤矿软煤层、碎胀顶板巷道为工程背景,采用数值模拟与理论分析方法,研究了预应力锚索在不同预应力及不同长度条件下的预应力场分布特征和支护应力对围岩承载区的作用,指出高预应力、短锚索的支护效果优于低预应力的长锚索。在分析原有巷道支护设计存在问题及围岩变形与破坏特点的基础上,提出高预应力、短锚索支护技术,该技术能大幅度提高锚索的预应力,并使其有效扩散到围岩中,有效控制顶板离层等有害变形,形成刚性顶板。同时,使二次应力分布更为平缓,减小集中应力,有利于控制巷道两帮变形和底鼓。

韩城矿区碎软煤层顶板梳状孔水力压裂瓦斯抽采工程实践

韩城矿区碎软煤层发育,煤层透气性差,本煤层钻孔钻进困难,瓦斯抽采效果差。顶板梳状孔水力压裂技术结合了水力压裂技术和定向钻进技术二者的优势,是解决碎软低渗煤层瓦斯抽采难题的有效技术途径。在韩城矿区王峰煤矿3号煤层顶板粉砂岩中施工长钻孔并向煤层开分支,采用套管+封隔器座封的整体压裂方式进行水力压裂工程试验。钻孔总长度344 m,有效压裂长度284 m,累计注水量874.79 m3,最大泵注压力9.4 MPa。试验结束后对钻孔瓦斯抽采相关参数连续监测86 d,钻孔瓦斯抽采体积分数27%~51%,平均42.11%,钻孔瓦斯抽采纯量8.25~21.41 m3/min,平均17.02 m3/min,钻孔累计抽采瓦斯量约210万m3。与常规的穿层钻孔水力冲孔技术相比,该技术百米钻孔瓦斯抽采量提高了11.48倍,初步证明了该技术在碎软煤层瓦斯强化抽采领域的适用性。

井下碎软煤层顶板加砂分段压裂瓦斯高效抽采技术

碎软煤层瓦斯治理常采用的底板穿层钻孔抽采瓦斯方式存在掘进工程量大、治理周期长、钻孔揭煤段短、抽采治理效果受限等问题,顺层短孔抽采方式存在成孔性差、抽采钻孔短、抽采区域小等问题。通过统计淮北、淮南、焦作、晋城、阳泉5个典型碎软煤层矿区煤层及其顶底板围岩力学参数和地应力,可得顶板岩层弹性模量为碎软煤层的2.56~6.71倍,泊松比为煤层的0.48~0.84倍,分析认为碎软煤层顶板岩层具有高弹性模量、低泊松比特征,顶板较碎软煤层更易压裂改造。参考地面煤层气水平井顶板加砂分段压裂思路,提出了井下碎软煤层顶板加砂分段压裂瓦斯抽采思路,即在煤层顶板稳定岩层中施工定向长钻孔(与煤层距离一般小于10 m),对钻孔由里向外逐段携砂压裂,形成以定向长钻孔将岩层完全联通、煤岩层中压裂缝网将煤层充分沟通的多级缝网,通过支撑剂保障缝网处于开启状态,实现碎软煤层瓦斯顶板定向长钻孔大区域高效抽采。建立了山西新景矿煤业有限责任公司某工作面3号煤层顶板加砂压裂地质模型,采用FracproPT软件对煤层及顶板水力加砂压裂进行数值模拟,得出顶板压裂裂缝在垂直方向上主要向煤层延伸,在水平方向上压裂缝长为煤层压裂缝长的3.49倍,表明碎软煤层顶板间接压裂较煤层直接压裂效果更好。在该工作面3号煤层顶板施工2个609 m定向长钻孔进行水力加砂分段压裂瓦斯抽采工程应用试验,2个钻孔压裂影响半径为20~38 m,压裂钻孔瓦斯抽采纯量分别为1025.11,2810.60 m^(3)/d,百米瓦斯抽采纯量为同区域顺层未压裂钻孔的5.6~15.4倍,实现了碎软煤层大区域瓦斯高效抽采。

松软破碎顶板开切眼锚网支护技术研究

为解决松软破碎顶板切眼在开挖过程中顶板离层易严重冒落的问题,针对合阳一矿X502切眼的具体情况,以自稳隐形拱为理论基础,提出了开切眼侧导洞二次掘进成巷的方案,确定了开切眼的支护参数。现场监测结果表明:X502开切眼设计方案有效地控制了周围围岩的稳定,实现了松软破碎顶板开切眼安全成巷,为后续矿井工作面切眼施工起到了指导作用。

碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采模式

碎软低渗煤层的煤层气高效抽采一直是制约我国煤层气产业化发展和煤矿瓦斯灾害防治的技术瓶颈。以安徽淮北矿区芦岭煤矿8号碎软低渗煤层为研究对象,通过开展现场调研、分析测试、理论分析、水力压裂物理模拟和数值模拟等工作,提出了碎软低渗煤层的煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式,揭示了该模式下水力压裂裂缝的扩展延伸规律及控制机理,构建了该模式实施的主要工艺流程。研究结果表明:顶板岩层相对脆性、裂缝扩展压力较高,碎软煤层相对塑性、裂缝扩展压力低。在顶板岩层水平井进行套管射孔和水力压裂,顶板岩层中产生的压裂裂缝,在垂向上向下扩展伸延并穿入碎软煤层;同时在水平方向上也快速扩展延伸,由此产生的牵引作用撕裂下部碎软煤层形成较长的压裂裂缝。数值模拟结果显示,在给定的压裂施工参数条件下,顶板岩层中压裂在碎软煤层中形成的压裂裂缝长度,是直接在碎软煤层中压裂形成的压裂裂缝长度的6.7倍。碎软煤层和顶板岩层中形成的这些压裂裂缝在后续加砂压裂过程中被充填,成为煤层气从下部煤层向顶板岩层水平井运移的导流通道。显然,采用这种抽采模式,碎软低渗煤层可以获得良好的压裂改造效果。研究成果应用于淮北矿区芦岭煤矿煤层气顶板岩层水平井抽采示范工程,取得了很好的产气效果,水平井单井曾连续3,6,12个月平均日产气量分别为10 358,9 039,7 921 m^3,截至2017-11-16,已累计产气500万m^3,日产气量仍在3 200 m^3以上,创造了我国碎软低渗煤层的煤层气水平井气产量的新记录。

注浆充填加固技术在煤矿采场围岩控制中的应用

基于西南地区采煤工作面多断层褶曲问题,为了降低冒顶、碎顶、滑底灾害对工作面正常工序的影响,分析了注浆充填加固技术对采场围岩的作用机理,模拟了注浆充填加固对顶底板应力及位移量分布的影响,进行了顶板冒落工作面、顶板破碎工作面、软底下滑工作面注浆充填加固技术的实践。研究表明:注浆对冒顶工作面应力及位移分布影响不大;注浆能很好地控制破碎顶板下沉量及下沉范围;注浆能有效抑制底鼓,大大减小底鼓范围,并且对顶板应力值有一定影响。

全锚索支护软弱煤层碎胀顶板巷道的探析

赵庄煤矿3号煤层井田由于受到多期地质构造的影响,煤层松软破碎,顶板碎胀易剥落,巷道破坏严重:顶板下沉易冒落,巷道移近量大,底鼓严重,有的地段达到1m,支护难度较大。根据赵庄煤矿巷道围岩变形特征,设计采用高预应力短锚索支护巷道顶板,通过大幅度提高巷道支护体系的强度和刚度,有效地抑制围岩变形。在井下的试验中,采用了高预应力短锚索之后,巷道顶板基本不产生离层,两帮变形也得到有效控制,围岩完整性良好,成功地解决了赵庄矿软弱煤层碎胀顶板的支护难题。

松软破碎顶板变形规律分析研究

煤层顶底板极松软,若支护不及时、强度不够时极易破坏,需对巷道进行整体支护并具有较大的支护强度。以四川省某矿S1136区段平巷为研究对象,通过现场观测结果及数据拟合,得出顶板下沉量与时间的关系呈"S"型曲线分布,并建立了一般关系表达式。根据变化速度的不同,将顶板下沉量与时间关系一般曲线分为4个发展阶段:初始发展阶段、等速发展阶段、发展速度衰减阶段和稳定阶段,并且得出曲线的形状与顶板岩层性质、支护方式、巷道埋藏深度、掘进影响程度等因素有关的结果,另外,受顶板岩层的性质不同和掘进影响程度的不同,曲线会存在缺失初始发展阶段的现象。

紧邻碎软煤层的顶板岩层水平井开发煤层气技术

煤体结构破碎和渗透率低是碎软煤层"有气难出"的主要原因。为了提高该类储层的煤层气产量,以淮北矿区芦岭井田8号煤层为例,从水平井钻井、压裂和排采控制等3个方面加以综合考虑,基于紧邻碎软煤层的顶板岩层水平井开发煤层气的思路,在对顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律进行研究的基础上,对顶板水平井位置进行了优化,探索形成了紧邻碎软煤层的顶板岩层水平井开发煤层气技术,并进行了现场试验。研究结果表明:(1)顶板岩层水平井穿层压裂过程中形成的垂直裂缝能够从高应力值的顶板岩层向下延伸到低应力值的煤层中,且水平井的位置对穿层压裂效果会产生重要的影响,水平井距离煤层越近,穿层压裂裂缝延伸的效果越好;(2)水平井的位置应布置在距离煤层顶界1.5 m范围的顶板内,这样才能最大限度地满足顶板水平井的增产改造要求;(3)形成了"优质、快速、安全"钻井技术,深穿透定向射孔技术,"大排量、大规模、高前置液比、中砂比"活性水压裂技术等3项关键技术;(4)工程实践取得了较好的产气效果。结论认为,紧邻碎软煤层顶板岩层水平井开发煤层气技术可行,该研究成果为碎软煤层的煤层气开发提供了一条新的技术途径。

碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障,针对碎软煤层区域瓦斯高效抽采难题,以陕西韩城矿区3号煤层为研究对象,提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法,验证模式适用性,阐明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征,进而建立适用于500 m孔深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系,实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层5 m左右、多段均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础,在韩城桑树坪二号井开展2孔次的工程实践:压裂主孔深度588 m、距3号煤层2 m左右,单孔压裂6段,压裂范围探查深度381 m、压裂影响半径20 m以上;压裂后,钻孔抽采瓦斯平均体积分数40%以上、瓦斯抽采量1 m3/min以上,抽采效果是常规钻孔的4倍,120 d瓦斯抽采有效半径可达9 m,实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化应用技术思路。

煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

“十三五”以来,围绕“我国煤矿井下煤层区域增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板岩层弱化区域治理”两大难题,将定向长钻孔与分段压裂技术结合,通过技术攻关与装备研发及工程试验,在煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术和装备研发及工程示范应用等方面均取得了明显进展。主要表现在如下4个方面:(1)开发了适合于煤矿井下煤岩层裸眼定向长钻孔不动管柱和动管柱两种分段水力压裂工艺技术与工具,不动管柱分段压裂工程应用钻孔长度突破了500 m,单孔压裂实现了5段;动管柱分段压裂钻孔长度工程应用突破了800 m,单孔压裂实现了17段。(2)研发了煤矿井下低压端加砂压裂泵组和高压端加砂压裂装置,低压端加砂泵组压力达到了70 MPa,排量达到90 m^(3)/h,携砂比达到20%;高压端加砂压裂装备耐压能力达到55 MPa,一次连续加砂压裂的砂量达到750 kg;低压端和高压端加砂装备均在现场进行了工程应用,应用结果表明装备均具有较好携砂压裂能力。(3)建立了碎软煤层围岩分段压裂和硬煤顺层钻孔分段压裂区域增透瓦斯高效抽采技术模式,前者在山西阳泉矿区和陕西韩城矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量均值分别达到了2811 m^(3)/d和1559 m^(3)/d,后者在陕西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了2491 m^(3)/d。(4)探索出了坚硬顶板强矿压煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂主动超前区域弱化治理的新模式,工程应用钻孔长度突破了800 m,坚硬顶板分段水力压裂治理后,顶板来压步距、动载系数和最高压力值较未压裂区分别下降了18.9%~70.6%,5.8%~7.9%,13.7%~19.4%,有效治理了工作面坚硬顶板引起的强矿压灾害。随着煤矿井下分段水力压裂技术改进和煤矿智能开采发展的实际需要,提出了煤矿井下大排量高压力智能压裂泵组、井下长钻孔裸眼分段压裂智能工具等装备和煤矿井−地联合分段水力压裂技术研发方向,以更好地推动煤矿井下水力压裂技术与装备发展,为煤矿安全高效绿色智能开采提供技术和装备支撑。

软煤层综采工作面破碎顶板控制技术研究

软煤层综采工作面破碎顶板管理难度较大,回采过程中极易出现顶板冒漏现象。以21090工作面为例,通过采用煤体注水、顶板铺网、化学注浆等多种手段有效提高了顶板的完整性和强度,降低了顶板冒漏率和冒漏程度,为确保工作面安全回采奠定了基础。

大采高工作面智能化综采关键技术研究

为了解决大采高综采工作面用人多、劳动强度大等问题,针对陕西陕煤黄陵矿业有限公司二号煤矿实际情况,分析了大采高工作面智能化综采存在的片帮精准控制难、底软拉架难及装备可靠性、感知精准度、协同性差等技术难题;选用可视化远程干预型技术路线来实现大采高综采工作面智能常态化开采;重点研究了高效采煤工艺、防片帮控制技术、底软智能控制技术和顶板破碎智能控制技术。通过采煤工艺革新,三角煤截割效率提高了30%;在煤壁发生片帮的不同阶段采用不同的控制手段,实现了护帮板精准控制;通过液压支架多次降架模拟人工操作的方式完成底板软弱条件下的智能化处理,解决了架前堆煤问题;通过液压支架超前拉架的方式完成工作面顶板破碎条件下的智能化处理,确保顶板破碎区域可以智能开采。二号煤矿实践表明,采用智能化综采技术后,实现了以工作面设备智能运行为主、现场干预控制为辅的智能化生产模式,以及井下7人作业、地面2人监控的"7+2"作业模式,达到了减员提效的目的。

碎软煤层坚硬顶板综采工作面自燃“三带”分布与注氮参数研究

为了解决碎软突出煤层坚硬顶板条件下,综采工作面采空区自燃"三带"划分及注氮参数设计与优化的问题,在进、回风巷布置埋管实测进、回风侧自燃"三带"并采用数值模拟、图像处理相结合的方法确定采空区中部自燃"三带"分布,并给出了注氮参数。研究表明:在碎软煤层坚硬顶板条件下,采空区散热带和氧化带宽度都明显变宽,最佳注氮口在散热带和氧化带交界处,但该位置埋深较深,拖管注氮存在困难,可通过增加注氮量减小注氮深度在注氮管埋深30 m处注氮,最佳注氮量为600~800 m^(3)/h,采空区CO分布与自燃"三带"分布呈对应关系,24311工作面最小安全推进速度为1.89 m/d,工作面安全通风量为119 m^(3)/min。