定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验

 针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题,进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化,深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试验结果表明：(1) KZ54型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;(2) 采用跨式膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂,压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板;(3) 随着压裂处与孔口距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大,裂缝的扩展半径最大可达20 m;(4) 在压裂过程中,由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化,压力–时间曲线呈现出多种形态;(5) 岩石抗拉强度与地应力值较为接近时,岩石强度对水力压裂有较大影响。     

浅埋深极松软顶板采场矿压显现规律研究

分析了印度PVK矿Queen煤层开采的采场矿压显现规律。浅埋深极松软顶板难以形成“梁”或“板”结构，随着开采，将形成“压力拱”结构：当采场推进到一定距离时，拱结构失稳破坏，产生初次来压；当拱顶高度接近地表时，压力拱主结构内岩体失稳破坏，引起工作面更剧烈来压，同时，拱外次结构内岩体随之破坏，引起地表下沉：压力拱结构周期性失稳并前移，引起工作面周期来压。研究结果合理解释了项板极其松软、矿山压力显现且相当剧烈的现象，对国内类似开采条件下的矿压显现规律研究可资参考。     

大同矿区特厚煤层综放回采巷道强矿压显现机制及控制技术

为保证大同矿区特厚煤层开采过程中临空巷道超前支护段的稳定性与可用性,采用理论分析与现场实测相结合的方法,得到巷道超前支护段的强矿压显现机制。研究表明:侏罗系煤层采空区区段煤柱应力集中影响区深度仅50~70 m,不足以影响石炭系工作面回采巷道的强矿压显现;石炭系工作面临空巷超前支护段的强矿压显现,主要受工作面采动超前支承压力及相邻工作面采空区悬顶的双向高支承压力的影响,且当工作面过上覆煤层采空区边界煤柱后,侏罗系煤层顶板大结构被重新激活,再次运动失稳,加剧了临空巷道的强矿压显现。提出并实施巷道顶板水压致裂有效控制技术,对同忻矿8105工作面5105临空巷实施定向高压水力致裂,实现巷道围岩高应力的转移,大大降低了临空巷超前支护段的强矿压显现强度,取得良好的临空巷卸压效果,保证了特厚煤层综放工作面的正常生产。     

浅埋顺槽难垮顶板水力压裂技术研究

针对新疆某煤矿143运输顺槽生产过程中端头支架后部顶板悬顶25m左右不垮、上隅角瓦斯超限等问题,提出了采用水力压裂弱化方式处理顺槽难垮顶板。根据B₄²煤层和顶板岩石物理力学特征,利用RF-PA^2D-Flow模拟软件对顶板水力压裂孔壁周围岩体应力分布规律、最大主应力同压裂孔距离的关系进行了数值模拟,确定了水力压裂卸压设计的参数和工艺,并在143运输顺槽进行了水力压裂技术现场试验。结果表明：实施水力压裂后,143运输顺槽端头支架后部顶板能够随工作面推进充分垮落,上隅角瓦斯浓度在正常范围内。水力压裂技术在该煤矿的成功实施,为新疆准南煤田B₄²煤层顺槽难垮顶板控制提供了参考价值。     

人为弱面对坚硬难垮顶板水力压裂的影响研究

弱面对水压裂隙的扩展有着重要影响,为达到有效控制坚硬难跨顶板,需要研究人为弱面对水力压裂的影响。根据水压裂隙产生及扩展机理,运用数值模拟试验方法,通过声发射及剪应力分布研究了3种人为弱面影响下的水力压裂过程中裂隙扩展特征,对比分析了 7种压裂方式下的水力压裂数据。结果表明:预制裂隙开挖形成的层理弱面和监测孔开挖形成的应力卸压圈均能影响水压裂隙的扩展,在扩展方向上水压裂隙往往偏向于高孔隙水压力的区域扩展,且其在扩展一段之后受顶板自由面影响,主裂隙向工作面两端延伸4.5~8.5倍孔径的区域时会发生近90°的空间转向。水力压裂数据研究表明,预制裂隙和监测孔协同作用强化了控制坚硬难垮顶板的效果。     

特厚煤层综放采场支架合理工作阻力研究

采用微震监测技术、相似材料模拟试验和现场支架工作阻力宏观观测等方法,对15 m以上特厚煤层综放采场支架合理工作阻力进行研究。支架阻力宏观观测表明,正常情况和老顶来压情况下,支架安全阀开启都较为频繁,说明13 000 kN/架的支架额定工作阻力不能满足目前工作面开采的需要,支架工作阻力在正常情况下为9 000～12 000 kN/架,老顶来压时大于13 000 kN/架。通过相似模拟试验研究,得到特厚煤层综放采场支架工作阻力为:正常情况下,支架合理工作阻力为9 000～13 000 kN/架;低位老顶来压情况下,为13 000～17 500 kN/架;高位老顶动压情况下,为17 500～23 000 kN/架。微震监测结果表明,支架工作阻力在正常情况下平均为10 971.45 kN/架,异常来压时大于13 333.95 kN/架。将相似材料模拟试验、现场宏观观测和微地震监测研究结果进行定性对比研究,可得支架工作状态分为三类:正常情况、低位老顶来压和高位老顶来压。     

厚硬顶板硬顶煤压缩性分析与综放开采方案选择

顶煤的运移与垮落，尤其是内部微观裂隙的扩展，与其直接项和老项岩层的活动规律密切相关。张双楼煤矿主采煤层为7煤和9煤，两层煤之间赋存唯一一层厚硬岩层，即9煤层的直接项也是7煤层的直接底。9煤较硬，其项煤的可放性和开采方案的选择是其成功应用综放开采技术的关键。采用实验室物理模拟，分析厚硬岩层的破断特征，并根据开采不同布置方式与厚硬岩层的不同断距提出9种上层煤与下层煤不同开采方案，系统分析下层煤项煤压缩量的变化及其可放性。计算机数值模拟与现场实践表明，7煤与9煤的工作面成交错布置方式，先采7煤后采9煤，一次采全高，最有利于9煤工作面的顶煤冒放，保证9煤综放开采的成功。研究结果可为类似条件下的厚硬煤层推广综放开采工艺提供设计指导。     

深井特厚煤层综放工作面断层活化规律研究

 以新巨龙公司2301N综放工作面过断层为工程背景,通过微震监测、数值模拟和理论分析等方法,对深井特厚煤层断层活化规律进行研究。得到的主要结论为：(1) 根据2301N工作面微震监测结果,将断层活化分为应力显现阶段(距断层274.8～214 m)、蓄能阶段(距断层214～84 m)和结构活化阶段(距断层84～0 m),并采用数值模拟进行了验证;(2) 工作面过断层期间存在断层活化型冲击和断层煤柱型冲击2类动力灾害,断层活化型冲击的机制主要是开采诱发断层两侧煤岩体积聚的构造应力释放,断层煤柱型冲击地压机制主要是工作面开采引起断层煤柱应力的高度集中;(3) 根据工作面过断层期间冲击地压发生机制,提出相应的防治技术,并进行现场验证,保障了工作面的安全开采。研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的借鉴意义。     

特厚煤层综放回采巷道支护研究

本文采用大型有限差分数值和数值模拟计算软件,进行巷道围岩应力、变形和破坏范围计算,分析各种因素对巷道稳定性的影响;经多方案比较,得出比较合理的高预应力锚杆支护参数。通过详细的围岩位移和锚杆受力监测,根据监测结果验证特厚煤层回采巷道支护可行性。     

巨厚煤层综放开采顶板离层水形成机制及防治方法研究

针对巨厚煤层在综放开采条件下的顶板离层水涌突水实例,分析离层水形成的基本条件,并对研究区可能产生离层的位置进行判别计算.重点介绍不同于我国中东部矿区的离层水防治措施,设计的地面直通式导流孔可以对离层积水进行有效疏放,并研究采高和离层水突水的关系以及工作面推进速度与离层空间积水量的关联性.研究对离层水形成条件的分析和针对西部特殊地层进行的离层水防治水设计为具有相似开采条件的矿井进行离层水害防治提供重要参考.     

非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压机理初探

即使是非坚硬顶板条件，当开采强度加大时，也将发生冲击地压灾害。针对厚及特厚煤层综采放顶煤、大采高综采等高强度开采条件，立足于由顶板岩层-煤层-底板岩层所组成的力学系统，通过数值模拟研究，研究采动应力场的时空演化过程对采掘空间受力、变形及破坏的影响及远场应力与近场应力的相互影响及诱发冲击地压的条件，弄清煤岩层垮断、采动应力场的时空演化规律，揭示非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压及瓦斯灾害的机制。     

高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂分析

以前研究均认为水力劈裂的必要条件是岩体中发生Ⅰ型张拉破坏。实际上，在众多岩体工程中，其断裂破坏型式多属压剪破坏。本文根据断裂力学原理对高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂作用进行了研究，首先研究水工压力隧洞围岩区各种类型裂纹的Ⅰ型应力强度因子的计算方法，讨论分析张开型复合型裂纹发生水力劈裂的理论判据。然后研究压剪断裂的力学机理，分析有水压力作用的压剪断裂应力强度应力的计算及其断裂判据。最后将以上理论应用于某水电工程引水发电隧洞的高压竖井的水力劈裂安全性分析中。     

复合顶板高瓦斯厚煤层综放工作面覆岩“两带”动态发育特征

以余吾煤业为试验矿井,采用钻孔两端封堵分段注水装置和钻孔电视系统,探测综放开采上覆岩层"两带"高度,对采动前后裂隙倾角、数量与深度关系、数量与宽度关系进行数字化分析,并就采动过程裂隙演变情况进行相似模型与数值模拟试验。结果表明:余吾煤业综放开采冒落带高度为27～32 m,裂隙带高度为58～61 m,采动前裂隙以高角度、低宽度为主;随着采煤工作面的逐步推进裂隙数量呈直线上升,且增加的裂隙以小角度、中宽度为主;采动过程中裂隙的主要聚集区在煤壁前后,覆岩裂隙密度分布曲线呈两端和中间高,如"波浪"型。     

坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究

 基于坚硬顶板长壁工作面初次跨落步距大、周期断裂悬顶长,对采场安全危害严重的特点,系统研究工作面顶板初次断裂的3种控制放顶方式和周期断裂的合理悬顶长度。通过建立两端固支岩梁力学模型,分析并比较采用循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽等3种爆破控制放顶方式缩短坚硬顶板工作面初次断裂步距的拉槽深度与爆破工程量。结果表明,就爆破工程量而言,端部拉槽最小,中部拉槽次之,循环浅孔拉槽最大。通过顶板周期断裂悬臂岩梁力学模型的建立及其分析,基于工作面支架的设计工作阻力,推导顶板周期断裂的合理悬顶长度与工作面支架设计支护阻力,以及上覆岩层荷载和工作面控顶距之间的关系式。研究结果在晋城七岭煤矿15102工作面成功应用,可以为相应条件下坚硬顶板控制放顶提供理论依据与应用指导。     

大采高综采采场顶板控制力学模型研究

采用现场实测及相似模拟技术研究大采高综采采场项板结构特征,建立大采高综采采场的顶板控制力学模型.根据直接顶岩层结构不同,将大采高直接顶划分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型3种类型,Ⅰ型直接顶顶板载荷按给定载荷法或采高倍数法计算;Ⅱ型直接顶暂不宜采用大采高开采技术;Ⅲ型直接顶顶板控制应主要考虑直接顶关键层厚度、层位及工程力学特征,当直接顶关键层距离支架较近时,必须考虑冲击载荷影响.     

综放开采预注水弱化顶煤的理论研究及其工程应用

提高顶煤放出率是综放开采的一个重大课题，预注水弱化顶煤是解决这一问题的有效方法之一。从理论上研究了超前开采工作面注入煤体的水在裂隙和孔隙中的渗透运动和水对煤体的弱化机理：从试验上得出了注水压力对煤体变形模量的弱化规律和注水含水率对煤的抗压强度的弱化规律：提出了预注水超前工作面的位置、时间、注水含水率、注水量、注水润湿半径、注水孔间距、注水持续时间、注水压力和注水孔布置等工程参数的确定方法。将理论研究结果应用于潞安王庄矿4309综放开采工作面，取得了显著的技术经济效益和社会效益。     

“两硬”条件正断层影响下的冲击地压发生规律研究

断层是能够诱发冲击地压的一种重要地质构造,为研究断层活动对冲击地压发生的作用机制,以大同忻州窑煤矿8935回采工作面为例,通过对4个月内连续发生的十余次冲击地压案例的分析,得到正断层影响下的冲击地压的发生特征,冲击地压发生前后电磁辐射、微震等的信号特征和前兆信息。研究结果表明：冲击地压发生频度和强度受断层影响明显,断层对冲击地压的影响体现在两方面：一方面是改变了煤岩体的物理力学性质,另一方面是使构造应力场变得复杂;微震事件集中在断层前方230～360 m,冲击位置在工作面前方0～60 m;电磁辐射能量和脉冲数曲线呈现马鞍形的形态时预示着冲击危险来临,随后发生冲击地压的概率极高;微震监测显示冲击地压发生能量为105～106 J量级,持续出现能级大于105 J的微震事件,且能量起伏变化大,则存在冲击危险。