双厚组合坚硬顶板定向长钻水力压裂评价体系研究

针对双厚组合坚硬顶板厚煤层工作面开采过程中的强矿压显现问题,本文提出了定向长钻水力压裂方案,并基于压力实测、瞬变电磁及钻孔窥视方法从孔内、孔外、动态、静态四个方面对定向长钻水力压裂裂缝扩展进行可视化监测评价。研究成果表明:压裂过程包括钻孔周围微裂隙发育扩展,出现宏观裂缝,宏观裂缝周围微裂隙发育,出现新的宏观裂缝,直至压裂完成;钻孔径向20m范围内岩层电阻率较低,大裂缝较为发育;设计的3个钻孔压裂后影响范围基本可以覆盖整个顶板治理区域;长钻孔内各压裂段裂隙可以实现贯通,钻孔内纵裂隙、横裂隙交替发育形成三维裂隙网络;压裂后顶板微震事件总能量和总次数都显著降低,压裂层位顶板能量提前释放,表现为“高频低能”显现,工作面来压强度明显改善。

水力压裂弱化顶板护孔技术

煤矿工作面单翼布置顺序开采的情况下,工作面顺层钻孔容易受到邻近工作面采动支承应力影响导致钻孔失效。现阶段的护孔研究集中在增强钻孔本身强度,未针对影响钻孔稳定性的根本性因素提出解决措施。针对上述问题,提出了一种水力压裂弱化顶板护孔技术。通过水力压裂弱化顶板,减小作用在邻近工作面煤体上的采动支承应力峰值,阻断高支承应力向顺层钻孔周围煤体的传递,并在顺层钻孔内全程下筛管,保证煤体逸散出的瓦斯可以进入顺层钻孔。采用数值模拟分析了水力压裂弱化顶板前后顺层钻孔周围煤体垂直应力和塑性区变化规律,结果表明:通过水力压裂弱化顶板,顺层钻孔周围煤体的垂直应力峰值由21.2 MPa降低为9.1 MPa,煤体塑性区范围由19 m减小为11 m。根据数值模拟结果确定的水力压裂参数进行了现场测试,结果表明:采用水力压裂弱化顶板护孔技术后,钻孔瓦斯抽采体积分数平均值由3.6%提高到14.1%,瓦斯抽采混合流量平均值由1.28 m^(3)/min降低为0.464 m^(3)/min,未出现大范围顺层钻孔内发生煤体氧化而产生CO的情况。因此,水力压裂弱化顶板护孔技术可有效避免钻孔失效漏气,提高钻孔抽采效果,保证钻孔抽采安全。

宏岩煤矿10105工作面大巷煤柱切顶卸压技术

针对宏岩煤矿一采区10105工作面末采影响轨道下山、采区水仓的问题,通过分析明确了异常矿压的显现机理,据此制定了合理、可行的针对性切顶卸压方案,可指导井下施工。

坚硬顶板破断规律及弱化治理技术研究

针对枣泉煤矿130205工作面坚硬顶板难以垮落的问题,建立一端固支一端简支的岩梁力学模型,分析了顶板破断力学特征,确定了1030205工作面顶板坚硬岩层关键层位,理论计算了基本顶初次破断步距。提出了常规钻孔与长水平定向钻孔相结合的水力压裂弱化治理坚硬顶板方案,并对工作面初采阶段采动影响规律进行分析,验证了水力压裂弱化治理坚硬顶板的有效性,指出了后续工作面开采重点弱化治理区域,为相似条件工作面坚硬顶板弱化治理提供了可借鉴的方法。

水力压裂技术在综采工作面坚硬顶板弱化中的应用

为解决坚硬顶板煤层回采期间矿压现场异常、采空区悬顶面积大以及采空区漏风严重等问题,以4205工作面回采为工程背景,提出将水力压裂技术应用到顶板岩层弱化中。依据4205工作面现场情况,制定水力压裂技术方案并分析工程应用效果。工程应用后,4205工作面端头悬空面积大、漏风严重问题得到较好解决,采面回采期间端头顶板沿走向、倾向最大悬空长度分别为9、6 m,悬空面积在可控范围内,可满足采面安全高效推进需要。

采前顶板预裂在坚硬顶板综采工作面中的应用

为实现坚硬顶板煤层回采期间顶板可及时垮落,以7505综采工作面为研究对象,提出在采面通过深孔爆破方式弱化顶板并进行工程应用。在7505综采工作面切眼按照4~5 m间距布置孔深9 m的炮孔,在回采巷道内按照2~3 m间距布置孔深9.6 m的炮孔,采用不耦合装药方式,给出具体炮孔装药结构。现场应用后,钻孔窥视发现顶板裂隙扩展,强度及完整性明显降低;采面回采后初次来压步距将至24.2~27.8 m,采空区顶板悬空面积小,顶板可及时垮落,为7505综放工作面安全高效回采创造了良好条件。研究成果可为其他矿井坚硬煤层开采期间顶板管理提供经验借鉴。

沁城煤业综采工作面水力压裂卸压技术研究

沁城煤业综采工作面开采过程中,由于上部关键层不能及时、充分垮落,在护巷煤柱上方形成悬臂梁结构,导致巷道变形大,出现底鼓和帮鼓现象,影响巷道的安全、正常使用。为了解决这一问题,经过分析研究,决定在该矿20106工作面和20107工作面停采线位置、20107工作面与20108工作面切眼位置、20107工作面回风巷(辅助进风巷)进行水力压裂顶板弱化卸压试验,并制定了相关压裂方案。实践表明,设计的卸压方案实施后,顶板可以及时垮落,减小了悬顶长度,解决了尾巷和大巷变形大的问题,降低了巷道返修量,保证回采安全。

龙泉公司4205工作面顶板长钻孔水力压裂技术研究

龙泉能源发展有限公司4203工作面在开采时巷道应力显现强烈,巷道底鼓和两帮变形量较大,严重影响了工作面安全生产和推采速度,为了保障相邻的4205工作面能顺利开采,决定对该工作面两顺槽顶板进行卸压。分析了目前应用较广的深孔爆破和水力压裂卸压技术,决定采用水力压裂,并根据4205工作面实际情况,设计了水力压裂方案。实践表明,设计的卸压方案实施后,顶板可以按计划有序垮落,底鼓和两帮变形得到有效控制,保障了4205工作面安全高效开采。

山西新景矿8119工作面爆破切顶卸压及瓦斯治理生产实践

以山西新景矿8119工作面为研究对象,由于其顶板坚硬、强度高,在工作面回采过程中受上覆岩层和采动影响,回风巷道煤帮挤压变形严重,顶板整体下沉量大,底鼓明显,造成局部巷道断面尺寸不足,通风、行人困难,从而影响工作面的正常回采。为了保证工作面的顺利推进,结合矿井地质及实际经济情况,提出了爆破切顶卸压的方法。与此同时,为了预防爆破后瓦斯超限,提出了相应的管控措施。结果表明:8119工作面顶板采取爆破卸压处理后,积聚在内部的应力释放出去,顶板完整性遭到破坏,顶板得到了弱化;回风巷顶底板收缩变形量和两帮收缩变形量明显降低,围岩变形控制良好,也没有出现瓦斯超限情况。

南阳煤业综放工作面坚硬顶板控制技术研究

针对南阳煤业3#煤层顶板岩层厚度大、硬度大不易垮落的问题,提出在开切眼和回采巷道同时布置爆破孔,对顶板岩层进行爆破弱化处理。采用理论分析、数值模拟的方法确定了爆破方案及爆破孔参数,并且在南阳煤业3203综放工作面进行了现场试验。结果发现,对顶板进行爆破弱化处理后,顶板岩层垮落效果良好,顶煤冒放性明显提升,顶煤回收率可达86%。

综采工作面坚硬顶板爆破弱化技术研究

为解决坚硬顶板综采工作面采空区悬顶面积大、矿压显现异常以及采空区瓦斯涌出大等问题,以3505综采工作面为研究对象,提出采用爆破弱化技术处理顶板,并结合现场情况针对性制定顶板爆破弱化方案,分析工程应用效果。在3505综采工作面切眼架间、回采巷道内均布置爆破钻孔,对顶板9.6 m范围内岩层进行弱化,并具体给出爆破孔布置参数及施工方案。工程应用后,3505综采工作面初次来压步距控制在18.6~25.6 m,来压强度较小,表明采用的爆破弱化技术可实现采空区顶板及时垮落,可为采面安全创造良好条件。

煤矿短壁工作面水力压裂顶板弱化试验

陕西神木某煤矿短壁工作面切眼长度75 m,推采长度240 m,工作面上覆坚硬顶板。针对短壁工作面初采期间采空区顶板冒落不及时这一现象,采用了水力压裂技术对工作面上覆顶板进行有效弱化。通过分析该矿ST5201工作面采用水力压裂弱化顶板的效果,得出深孔水力压裂强制放顶时裂隙扩展半径可达30 m左右,压裂后工作面初次来压步距为20.5 m左右;从回采期间采空区顶板冒落效果,施工期间人工劳动强度、操作安全角度等方面验证了水力压裂对短壁工作面回采期间的安全可靠性,为短壁工作面坚硬顶板治理提供了有效途径。

地面压裂弱化厚硬顶板防治冲击地压技术研究及应用

针对高位厚硬顶板诱发冲击地压的问题,常规卸压手段难以达到区域卸压防治冲击地压的目的,提出地面区域预裂顶板防治冲击地压的方法,分析地面预裂顶板卸压防冲的原理,设计孟村煤矿401102工作面地面压裂防冲方案。现场试验在地面安设地面微震,在井下安设井下微震、地音、应力等监测系统,构建“裂隙场—震动场—应力场”等多场多参量联合监测体系。试验结果表明,地面压裂可有效促进压裂区域高应力集中区能量的释放,对目标岩层弱化改造效果较好。

坚硬顶板预裂弱化后应力场及裂隙场演化特征数值模拟研究

工作面上覆坚硬顶板,开采过程不易垮落,采场周围形成高应力场,易引发冲击地压与瓦斯异常涌出灾害事故。为确保安全生产,工作面回采过程中,需对坚硬顶板进行弱化处理,弱化后煤、岩层应力场、裂隙场演化特征是工作面灾害治理的依据和关键,通过理论分析获得顶板的初次来压步距和坚硬顶板分类,以宽沟煤矿I010202工作面为工程背景,利用UDEC数值模拟软件,结合矿井实际地质资料及相关煤岩力学参数,建立平面数值模型,对工作面开采过程中应力场及裂隙场演化特征进行模拟。模拟计算得出顶板弱化后应力场、裂隙场分布特征,为工作面冲击地压及瓦斯灾害治理提供了理论依据。

厚硬顶板水力压裂弱化和精准控制技术研究

针对厚硬顶板易悬顶难破断导致工作面矿压显现剧烈问题,以神辉煤业灰岩顶板为对象,采用理论分析、数值模拟和现场应用方法,研究厚硬顶板水力弱化机理和效果模拟、高压水小孔径预裂关键参数和技术。研究结论如下:高压水沿预割导向裂缝扩展将厚硬岩层裂化为分层和小块体,及时垮落充填于采空区,切断应力传递路径、减小作用载荷,从而实现精准控制;确定了致裂高度、层位、泵站压力和钻孔参数等关键参数和工艺,工业性应用后顶板悬顶长度由10~30 m减为5 m、出现及时垮落充填,成功实现了神辉煤业厚硬顶板的有效控制。

工作面顶板灾害类型、监测与防治技术体系

长期以来顶板灾害在我国煤矿灾害事故中发生起数和死亡人数始终占据首位,是困扰煤矿安全生产的主要难题。笔者开展了顶板岩性、矿压显现特征和顶板灾害案例统计分析,结果表明:我国回采工作面顶板灾害主要表现为片帮冒顶、顶板大面积突然垮落和大面积切顶压架3种类型。系统分析了各类型顶板灾害的发生特点及致灾原因:片帮冒顶多发生于松软煤岩体,采煤方法不合理及管理不当的工作面;顶板大面积突然垮落一般为坚硬顶板大面积悬顶、瞬时垮落所致;大面积切顶压架主要发生在薄基岩浅埋深工作面或顶板累积下沉量大引起顶板在煤壁处断裂的工作面。针对我国顶板灾害监测与防治,建立了工作面顶板灾害全景监测预警技术架构,即采用微震监测系统监测远场顶板活动,采用矿压监测系统监测近场顶板运动,采用三维激光扫描技术监测煤壁片帮时空演化,通过监测数据系统分析,动态掌握采场围岩的活动规律和支架工况,实现顶板灾害监测预警。提出了工作面开采全过程的顶板灾害综合防治技术体系,在工作面开采前确定合理采煤方法,合理工作面布置方式,科学开采参数及优化设备选型配套,这是防治顶板灾害的核心技术;在开采过程中保持支架良好的工况辅以顶板弱化技术,进而实现工作面顶板灾害防治。

深孔聚能爆破坚硬顶板弱化试验研究

针对坚硬难垮落顶板控制问题,以通化矿业(集团)有限责任公司松树镇煤矿为例,根据聚能流侵彻、应力波拉伸和爆生气体气楔作用定向切割使顶板弱化的原理,在分析聚能爆破裂隙起裂扩展条件基础上,设计了深孔聚能爆破顶板弱化方案,并结合现场条件对爆破孔参数进行优化。试验结果表明,聚能爆破弱化了坚硬顶板,缩小了回采工作面初次来压步距,使顶板冒落面积减少近30%,为解决采空区顶板大面积悬顶提供了技术途径。

深孔爆破数值模拟及其在煤矿顶板弱化中的应用

分析了钻孔爆破对岩石的破坏过程,提出了岩石钻孔爆破过程的"动静压"破坏原理.利用AUTODYN软件对钻孔爆破进行数值模拟,得出钻孔爆破的岩石破裂过程.分析了钻孔不耦合装药爆破的规律,实现了理论分析及数值模拟结合到现场实施的煤矿顶板弱化成套技术,用现场钻孔观测爆破裂隙及矿压规律监测方法验证了研究结论.

定向水力压裂弱化坚硬顶板技术研究

晋煤集团寺河矿二号井15#煤层坚硬K2灰岩顶板难以垮落,易造成回风巷上隅角悬顶面积过大引起瓦斯超限安全隐患。为解决上述问题,以151305工作面为试验对象,通过地质围岩测试等技术手段确定了定向水力压裂试验方案。

大倾角坚硬顶板冒落撞击摩擦试验研究

针对大倾角坚硬顶板垮落时岩块撞击摩擦产生火花点燃采空区遗煤和瓦斯的突出问题,通过理论计算和实验室试验的方法,分析了工作面坚硬顶板岩石的化学成分和能量转化情况,得出了中煤新集二矿岩石撞击摩擦产生火花的原因。试验结果表明:含有黄铁矿的石英砂岩能够增加引燃采空区遗煤和瓦斯的概率;在8 kN和12 kN压力下分别摩擦60次,光面摩擦和粗糙面摩擦升温均为1.0～2.1℃,且岩石表面升温与摩擦时间(次数)成一次线性关系,与岩石表面粗糙程度成正相关关系;在不同高度(0.9、1.0、1.5 m)下进行撞击试验,岩石表面升温与碰撞时岩块所具有的能量以及碰撞次数成正相关的关系。根据上述影响因素给出深孔预裂爆破、顶板走向钻孔及上隅角埋管综合抽采等预防措施,可有效实现采空区防火、防爆。