基于CO_(2)水基压裂液的煤体软化及降尘技术应用

为解决坚硬煤层条件下,常规煤体注水方式效果不好,回采过程中顶煤可放性差、工作面截煤和放煤过程中粉尘大的难题,根据金川煤矿煤层的具体情况,基于煤体压裂软化-润渗除尘理论,利用CO_(2)活性水耦合液、液相与气相耦合液,代替传统注水和注气技术,在金川煤矿开展了煤体软化及降尘技术应用研究。CO_(2)活性水压裂软化润渗技术,能够使煤体中裂隙和孔隙的容积以及结构发生变化,造成煤体的破裂和松动,降低了煤炭强度,达到对硬煤最佳的软化效果。试验表明:煤层CO_(2)水基压裂后,放煤循环速度提高了5.6%,顶煤破碎块度均衡,顶煤平均采出率提高了3.2%;截割浮尘浓度降低45%,工作面能见度提高,工作面转载运输点煤尘降低23%,润渗作用有效降低了煤体产生浮尘的能力。

近浅埋多层厚硬顶板大采高综放工作面矿压显现规律研究

针对榆神矿区近浅埋多层厚硬顶板条件下,“大周期”来压支架立柱下缩量大、煤柱应力集中系数高、稳定性差等强矿压问题,采用了数值计算、微震和煤体应力监测等技术手段,对覆岩破断运动及工作面来压规律进行了分析研究,结果表明:覆岩破断运动上,多层厚硬顶板较大的“垂向离层空间”和“自下而上”的顺次交替垮落孕育了顶板“高+低层位组合破断”的时空基础;“高低层位顶板组合破断”是“大周期”来压增强的关键诱因;同时,煤柱应力的时空演化受控于多层厚硬顶板的破断垮落。矿压显现上,工作面“大周期”立柱下缩量平均可达945 mm,持续距离12.10 m,并可由2~5次连续强来压组成;巷道煤柱应力集中系数达到1.80~2.30,影响范围为工作面前方126 m至后方471.3 m,具有明显的“高强度、大范围、长上升期”特点。针对该条件下的强矿压防治,分别提出了“弱化低位顶板、优化破断结构”和“弱化高位顶板、改变破断次序”的技术思路,并取得的了较好的应用效果。

倾斜煤层厚硬顶板切顶留巷关键参数优化研究

为解决回采巷道倾斜厚硬顶板应力集中问题,降低顶板覆岩突然垮落的冲击扰动风险及提高倾斜厚硬顶板切顶留巷围岩控制效果,以长城六矿1301N运输巷切顶留巷为工程背景,综合采用理论分析、数值模拟及现场监测的研究方法开展倾斜煤层厚硬顶板切顶留巷关键参数优化研究。首先,基于岩石碎胀系数、砌体梁理论及现场地质资料,推导计算了1301N运输巷切顶高度和切顶角度的理论最小值。其次,为进一步验证并优化理论推导结果,利用PFC^(2D)数值软件建立了1301N工作面切顶留巷模型,采用控制变量法分析了不同切顶高度和切顶角度下留巷顶板应力、位移及组构张量响应特征。分析结果表明:切顶高度与卸压效果之间存在底数大于1的对数增长关系,即随着切顶高度增加,卸压效果逐渐增强但其增长幅度逐渐减小;切顶角度与卸压效果之间存在“S”型增长关系,即随着切顶高度增加,卸压效果先增强后减弱。卸压参数与卸压效果之间的变化规律揭示了切顶高度选择存在最适值,切顶角度选择存在最优解。综合理论分析、经济收益及数值模拟结果,确定长城六矿1301N运输巷倾斜厚硬顶板切顶留巷过程中最适切顶高度为13 m,最优切顶角度为10°。现场监测获得该切顶参数下围岩控制效果较好,留巷围岩变形量较小,可有效满足下一工作面开采需求,验证了优化切顶参数的有效性,为类似地质条件切顶留巷参数的选取提供理论依据和实践参考。

同忻矿8311工作面坚硬顶板破断特征与矿压显现规律研究

特厚煤层综放开采是煤炭资源开发中的一项重要课题,其开采过程中存在着一系列的难题,其中最为突出的是顶板破断引发强矿压显现。文章基于同忻矿特厚煤层8311工作面,在关键层理论基础上,采用公式计算的方法得出了坚硬顶板的初次和周期来压步距;采用离散单元软件UDEC模拟煤层开挖,得出了坚硬顶板断裂步距与结构。通过现场矿压监测,分析了坚硬顶板的来压步距、周期来压动载强度和“大小周期”现象,探究了坚硬顶板破断与矿压规律之间的关系,为特厚煤层的安全高效开采提供了有力的理论支撑。

中厚煤层坚硬顶板切顶留巷关键技术参数研究及应用

为确定中厚煤层坚硬顶板条件下切顶留巷关键技术参数,以安徽宿州界沟煤矿1026工作面运输巷道为工程背景,建立了坚硬顶板切顶留巷力学模型,采用理论分析、数值模拟及现场试验等方法,明确了切顶高度、角度与钻孔间距对切顶效果的影响规律,确定了1026工作面运输巷道合理切顶留巷关键技术参数:切顶高度10 m、切顶角度0°以及钻孔间距0.5 m。现场实测结果显示,1026工作面运输巷道留巷段累计顶板下沉量170~250 mm,采空区侧与实体煤侧液压支架滞后工作面180~200 m压力值稳定,锚索锚固有力,切顶留巷效果良好。研究成果可为相似工程地质条件矿井切顶留巷关键技术参数确定提供有益参考。

特厚煤层坚硬顶板井下定向深孔水力压裂卸压防冲技术

为进一步解决坚硬难垮顶板导致的冲击风险升高问题,以文家坡矿为例,提出了一种井下定向深孔水力压裂卸压防冲技术,并在4106工作面开展了试验研究,结果表明:提前对厚硬顶板进行卸压处理,岩层强度和完整性大大降低,有利于根本上消除冲击地压对安全生产的严重威胁。压裂期间泵压-时间曲线呈现锯齿状,定向深孔水力压裂能够使得裂缝起裂与扩展,实现顶板有效致裂。在水力压裂作用下,工作面微震活动平稳变化,高级别能量微震事件频次占比显著降低,未超过冲击危险预警临界指标,工作面顶板活动性及微震能量释放保持在较稳定状态,围岩积聚能量能够有序释放,冲击风险显著降低。

坚硬顶板特厚煤层开采矿压显现规律及控制技术研究

针对坚硬顶板特厚煤层开采过程中,临空巷道围岩变形矿压现象剧烈,巷道围岩变形程度较大,支护结构损坏严重现象。以岳南煤矿为工程背景,分析了坚硬顶板特厚煤层采矿临空巷道围岩变形破坏特征及规律。建立FLAC^(3D)数值计算模型,探究了坚硬顶板特厚煤层开采时覆岩应力时空演化规律,揭示了坚硬顶板特厚煤层覆岩力学作用机制。提出了覆岩切顶卸压控制方法,进行了工业性试验。试验结果显示:切顶卸压技术改变超前工作面临空巷道围岩应力环境,有效的切断了侧向覆岩活化的应力传递路径,降低工作面开采超前强采动影响,巷道围压变形得到了有效控制,顶底板最大移近速率由311 mm/d减小至64 mm/d,变形量大幅度降低,有利于矿井安全高效生产。

特厚煤层开采坚硬顶板覆岩结构及其演化特征分析

特厚煤层开采形成了大空间采场,坚硬顶板断裂扰动波及范围广,工作面来压具有强矿压特征,尤其当煤层顶板“见方”开采期间,采场矿压作用更加强烈。据此,采用现场实测和物理三维相似模拟方法,探讨了特厚煤层开采覆岩扰动高度及坚硬顶板断裂特征。首先基于现场实测研究分析了覆岩破断失稳规律,实测结果表明,特厚煤层开采过程中,煤层顶板存在超前断裂现象。伴随工作面的推进,顶板初始运动主要是围绕断裂线近区基点旋转下沉,滞后工作面一定距离;地表岩移观测结果表明,特厚煤层顶板分层构成顶板群组并产生组合运动,具有层位运动特点,且伴随工作面推进,层位顶板运动存在阶跃现象。基于地表裂缝形态及钻孔多点岩移观测反演,揭示了特厚煤层开采过程中的顶板断裂及运动特征,认为特厚煤层开采覆岩扰动高度大,坚硬顶板断裂具有转向特征,伴随煤层开采推进,由低位顶板层位的横向“O-X”断裂逐渐向高位硬岩的纵向“O-X”断裂转向;特厚煤层坚硬顶板开始发生断裂转向的临界位置即所谓的煤层开采“见方”区,合理解释了工作面开采的“见方”来压现象;高位顶板纵向断裂尺寸大,扰动影响范围广,是诱发采场强矿压的主要因素,确定了特厚煤层采后覆岩“低-中-高”层位结构的合理性,为大空间采场大小周期及强矿压显现的准确解释提供了依据。

浅埋厚硬顶板特厚煤层综放工作面矿压显现规律及控制技术研究

针对榆神矿区曹家滩煤矿浅埋厚硬顶板特厚煤层综放工作面矿压显现强烈、强动载来压现象频发的问题,对工作面强矿压显现规律进行了研究总结。研究得出:工作面周期来压步距平均18.4m,来压持续距离平均11.5m,动载系数平均1.45,来压主要影响35#—125#支架,具有来压动载强、来压持续时间长、来压区域性明显、周期性出现强矿压等特点,工作面平均每间隔135m出现一次大周期来压,大周期来压时一般出现连续性强来压,并伴随支架安全阀大范围长时间开启(安全阀开启比例50%以上)、支架活柱持续性快速下缩(支架最大下缩量超过2.0m)等现象。为减小坚硬顶板带来的强矿压威胁,采用井下定向水平长钻孔区域压裂技术对工作面坚硬顶板进行超前预裂。压裂后,工作面矿压显现强度明显减弱,未再发生顶板快速下沉的强矿压现象,顶板来压更加可控,支架工况得到明显改善,取得了良好的应用效果,对榆神矿区浅埋厚硬顶板工作面强矿压治理具有借鉴意义。

浅埋薄表土层特厚煤层强制放顶条件下主要地裂缝演化规律实测

黄河流域是我国重要的生态屏障,也是我国重要煤炭基地集中区,生态保护与煤炭开采矛盾在此处异常突出。晋北煤炭基地具有典型浅埋薄表土层特厚煤层坚硬顶板的埋藏条件普遍采用强制放顶技术进行煤炭资源生产,但鲜见相关地理及技术条件下的地表主要裂缝演化规律研究,地表主要裂缝的产生制约着此类矿井生态保护与煤炭开采协同发展。为此,针对该条件下地裂缝的演化规律进行了实测研究,得到:①主要裂缝产生于开采边界,表现为先张拉、后上下错动且裂缝上部与下部脱离、上台阶下方会出现空洞。②工作面“见方”时,开采各边界主要裂缝发育情况类似,“见方”后,关键层按循环爆破步距(20 m)的3倍周期垮落,两侧巷道上方地表主要裂缝也按60 m“跳跃式”发育。③工作面正上方主要裂缝宽度及高差始终小于其他3处开采边界的主要裂缝,且闭合速度每隔一个放顶步距发生一次改变。④深(采深)厚(采厚)比较小、表土层薄时易造成对地表破坏最严重的边界不可自修复大裂缝,且裂隙带直达地表,绝大多数主要裂缝处于采场边界内,裂缝闭合周期更短,约9 d。⑤110和N00工法及错层位等无煤柱开采技术可扩大均匀沉陷区范围,缓解边界台阶裂缝损害,有利于源头治理和节省成本。

厚煤层坚硬顶板区段煤柱留设尺寸与失稳控制

为解决厚煤层坚硬顶板下煤柱合理尺寸与失稳控制难题,以榆树湾煤矿为背景,基于微单元图像识别技术定量表征了巷道非对称破坏特征,结合有限元法和解析法,确定了煤柱合理宽度并分析了顶、帮支护强度与煤柱宽度的关系,针对性提出了巷道非对称控制方案。研究结果表明:巷道呈现帮大顶小的破坏特点,帮部S形非对称破坏突出,应是重点控制对象;随着煤柱宽度减小,帮部所需支护强度越显著大于顶板,原方案下支护强度与煤柱宽度匹配失调,加剧巷道非对称破坏;以煤柱塑性区面积占比50%、弹性核区宽度3 m为阈值,煤柱的合理宽度下限为15 m;采用优化后的方案,巷道非对称破坏得到显著改善。研究结果可为类似工况下巷道控制提供借鉴。

二氧化碳压裂液对煤体力学特性影响的试验研究

为了研究二氧化碳压裂液对煤体力学特性的影响规律,以陕北典型侏罗纪煤层为研究对象,利用自主研发的煤岩体多场多相耦合压裂试验系统,开展不同二氧化碳压裂液、不同条件(时间、温度和浸泡压力)下的煤体浸泡试验,通过单轴压缩与巴西劈裂力学测试,分析二氧化碳压裂液对煤体力学特性的影响规律,同时结合X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)对煤体的微观测试,分析二氧化碳压裂液与煤体的相互作用机制。结果表明:二氧化碳压裂液浸泡后煤体的峰值强度、弹性模量、抗拉强度与软化系数均出现不同程度的下降;二氧化碳压裂液作用煤体过程中,煤体的峰值强度、弹性模量与软化系数受温度、浸泡压力影响较大,且对煤体强度弱化幅度超过30%;在二氧化碳压裂液作用下,一方面改变煤体颗粒骨架与孔隙结构,另一方面改变煤体中的矿物组分,降低矿物颗粒间的联结力,从而弱化煤体的力学特性。研究成果为低渗硬厚煤层二氧化碳耦合压裂参数设计优化提供参考。

特厚坚硬煤层深浅交替钻孔水力压裂弱化顶煤技术研究

为有效解决特厚煤层大采高放顶煤开采设计时,因顶煤坚硬并且工作面上方为采空区,导致矿压显现较小,放煤过程中煤块较大、冒放性差、回采率低等技术难题,在特厚坚硬煤层中采用深浅交替钻孔水力压裂弱化顶煤技术,并在金山煤业13101工作面进行工业性试验,通过FLAC^(3D)数值模拟以及现场监测等多种手段对水力压裂效果进行综合分析。结果表明:在特厚坚硬煤层中采用深浅交替钻孔水力压裂技术,钻孔孔壁四周出现大量微小裂缝以及多条贯穿大裂缝,可有效破坏坚硬顶煤层的完整性,使顶煤能够充分垮落和回收,并且缩短周期来压步距,减小压裂范围支架工作阻力,压裂后顶煤煤块大块最大粒度从800 mm左右下降到300 mm以下,放顶煤回采率提高11.3%,实现了工作面安全高效生产和资源的充分回收。水力压裂弱化特厚坚硬顶煤技术为相似工程设计提供了技术途径和方向。

坚硬顶板定向水压致裂主控技术研究

为解决坚硬工作面顶板垮落难、初次来压步距过大等难题,以陕西某煤矿2102工作面为工程背景,分析了坚硬顶板悬顶的危害及定向水压致裂切顶控制机理,提出了坚硬顶板定向水力压裂切顶主控切顶技术,并开展现场实践。确定压裂钻孔水平间距为5 m,垂直间距3 m,孔内压裂点间距9 m,压裂层位为厚层中粒砂岩坚硬顶板。结果表明,2102工作面坚硬顶板水压致裂后,内部裂隙发育,初次来压步距减小为15.6 m,初次来压动载影响程度减弱,未发生大面积强矿压、煤壁片帮等现象。工作面端头顶底板最大移近量为681 mm,两帮最大移近量为485 mm,保证了安全生产。

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。

厚煤层坚硬顶板工作面水力压裂切顶卸压技术研究

针对10109厚煤层工作面坚硬顶板垮落步距大、工作面矿压显现强烈,结合工作面地质条件和顶板结构特征,对初次来压和周期来压前进行坚硬顶板预裂。研究结果表明,水力压裂后顶板钻孔形成了裂隙并逐步扩展贯通,回采巷道围岩顶底板最大移近量为82mm,两帮最大移近量为106mm。

特厚煤层坚硬顶板沿空巷道支—卸协同控制技术及实践

针对特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩稳定性控制难题,以东古城煤业Z109工作面19 m特厚煤层坚硬顶板沿空巷道为研究对象,分析了特厚煤层围岩大空间回采扰动、坚硬顶板大面积悬顶及上覆岩层剧烈回转下沉等因素对沿空巷道围岩稳定性控制的影响特征,提出了以“高强螺纹钢锚杆+高强钢绞线锚索+W钢带+钢筋网+中顶、小煤柱侧帮喷浆+水力压裂切顶卸压”为核心的特厚煤层坚硬顶板沿空巷道支—卸协同控制技术方案,开展了东古城煤业Z109工作面回风巷支—卸协同控制技术现场试验,并对水力压裂切顶效果及巷道矿压显现规律进行了现场监测。结果表明,在“锚带网索喷”强力支护及水力压裂切顶卸压协同作用下,Z109工作面回风巷回采期间基本顶初次来压步距缩短至46 m,围岩最大变形量控制在450 mm以内,巷道支—卸协同控制技术效果明显,研究成果对于指导特厚煤层坚硬顶板沿空巷道围岩稳定性控制具有一定的理论与工程意义。

厚煤层沿空掘巷水力切顶围岩控制技术实践

针对厚煤层综采工作面留设煤柱沿空掘巷巷道围岩大变形技术难题,以陕西黄陵二号煤矿422工作面回风巷为工程背景,分析切顶卸压围岩稳定控制机理,认为切顶卸压节理为切断应力传递路径、减小悬顶长度、改善应力集中,理论确定了切顶高度及角度等技术参数。结合422工作面生产条件,确定了422回风巷煤柱侧水压致裂切顶卸压技术方案并应用于现场实践。现场监测结果表明,422回风巷采用切顶卸压技术后,两帮收敛量最大为148 mm,顶底板移近量最大为174 mm,有效降低了巷道围岩应力,保证工作面安全高效回采。

特厚煤层综放工作面冲击地压防治实践

以彬长矿区孟村煤矿为背景,针对煤层上覆坚硬难垮顶板瞬间破断诱发冲击灾害的风险,创新应用井上下立体联合卸压技术。通过地面L型水平井分段压裂对高位关键层坚硬顶板实施压裂改性,以及井下顶板定向长钻孔水力压裂及深孔预裂爆破对中、低位关键层坚硬顶板进行等距破断弱化,破坏岩层的整体性并降低破断强度。结合煤层大孔径钻孔卸压,阻断静载荷积聚及动载荷传递通道,从源头上消除(减小)冲击危险,开辟了冲击地压科学防控的新途径。实践表明,实施立体联合卸压方法消除了工作面上覆坚硬顶板岩层难跨悬顶积聚载荷,微震频次显著下降且杜绝了1×10^(4)J以上微震事件,为具有坚硬顶板破断诱发冲击地压风险的类似矿井提供了参考。

特厚煤层综放工作面坚硬顶板弱化技术实践

针对特厚煤层坚硬顶板矿压显现剧烈问题,以斜沟煤矿23107工作面、23111工作面坚硬顶板条件为背景,提出采用深孔爆破预裂切顶技术弱化顶板,对爆破参数进行了设计,并在23111工作面现场进行了实践,根据现场情况,切顶后,工作面初次垮落步距明显降低,来压强度减弱,工作面卸压效果显著。