厚层坚硬顶板定向水力压裂强制放顶技术研究*

针对厚层坚硬顶板工作面初采期间顶板大面积悬空，初次来压步距大，矿压显现强烈，易诱发冲击地压等动力灾害的问题，依据定向水力压裂技术原理，研发了定向水力压裂成套装备，制定了顶板定向压裂施工工艺；结合西部矿区厚层坚硬顶板条件，分析注水压力、压裂层位、钻孔间距等关键参数，开展了3104工作面初采期间定向水力压裂工程实践，并通过实测顶板垮落情况和分析支架阻力，检测了实施效果。结果表明，直接顶初次垮落步距约11 m，初次来压步距平均值为31.8 m，与未处理顶板相比，初次来压步距减少了62.6%，初次来压时，矿压显现较类似工作面大幅减弱，避免了厚层坚硬顶板的大面积悬空，保证了工作面安全回采。     

煤层坚硬顶板定向长孔水力压裂技术研究及应用

针对煤层顶板坚硬采空区大面积悬顶后突然垮落易引发强矿压动力灾害等问题，采用定向长钻孔分段水力压裂技术弱化煤层顶板，并在布尔台煤矿42108工作面进行现场应用，分别从压裂层位选择、压裂钻孔布置、定向钻孔施工、分段水力压力施工等方面论述了定向长钻孔水力压裂技术，现场结果表明，超前治理工作面中部坚硬顶板面积230.1万m²,压裂后顶板来压步距降低了20.83%～27.27%,动载系数较未压裂段降低了5.03%～10.32%,同时利用音频电透视方法对压裂效果检测，判识单个压裂段的弱化影响范围30 m左右，单个压裂钻场弱化影响范围为走向300 m,倾向230 m,实现了对整个工作面坚硬顶板区域性有效弱化治理。     

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。     

潞宁煤业3号煤层坚硬顶板水力压裂技术研究与应用

为避免31101工作面回采期间出现悬顶过长的问题,确定在工作面采用水力压裂技术对顶板进行预裂,通过理论分析进行水力压裂裂缝起裂机理的分析,结合工作面顶底板岩层特征,具体进行水力压裂方案的设计,压裂钻孔设计为3类,分别对顶板不同层位进行压裂作业,并在压裂方案实施后进行矿压显现规律分析。结果表明:水力压裂方案实施后,基本顶初次来压步距由55 m缩短为35 m,周期来压步距由20 m缩短为15 m,有效减少了矿压显现。     

成庄矿15号煤层坚硬难垮顶板定向水力压裂技术研究

为了有效解决成庄矿15号煤首采面坚硬顶板垮落困难的问题,提出定向水力压裂弱化顶板的施工方案。通过现场生产地质条件调研,确定最优的压裂钻孔布置参数。后期钻孔窥视结果表明:通过定向水力压裂施工有效弱化15号煤上覆坚硬顶板,正常情况下能保证岩层的稳定下,随着工作面回采煤层上覆坚硬岩层可实现分层垮落,保证工作面的安全回采。     

煤矿井下定向钻孔水力压裂岩层控制技术及应用

水力压裂技术在煤矿坚硬、完整顶板岩层弱化及高应力巷道卸压方面得到越来越广泛的应用。以陕西曹家滩煤矿特厚煤层综放开采工作面、特厚稳定顶板岩层为工程背景，开展了顶板岩层地质力学测试、可压性试验，水力裂缝扩展理论分析及三维数值模拟，提出井下工作面定向钻孔区域水力压裂顶板层位、压裂钻孔布置与参数确定方法及压裂工艺。在井下进行了工业性试验和系统的地面微震实时监测，获得了顶板水力压裂裂缝空间展布特征。同时，进行了液压支架工作阻力，工作面周期来压步距及持续距离，来压动载系数及顶板岩层破断能量监测与分析，综合评价了水力压裂效果。初步建立了集压裂层位确定与参数设计，井下定向钻孔压裂工艺与装备，水力裂缝空间展布监测与压裂效果综合评价为一体的煤矿井下定向钻孔水力压裂成套技术。井下试验结果表明：在曹家滩煤矿井下地应力状态下（最小主应力为垂直应力），水力裂缝以水平裂缝为主，沿钻孔两侧扩展平均距离为80 m左右，有效弱化了工作面范围内上覆坚硬、完整顶板，实现了区域顶板改造。压裂区域工作面强矿压显现显著减弱，确保了工作面安全生产。最后，分析了水力压裂存在的问题，展望了技术发展方向。     

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。     

定向长钻孔分段水力压裂技术在布尔台煤矿的应用北大核心

为解决坚硬顶板和遗留煤柱影响下综放工作面强矿压显现问题,分析了定向长钻孔分段水力压裂原理,提出了考虑工作面“见方”影响的压裂设计方案,并在神东布尔台煤矿42202综放工作面实施应用。结果表明:在工作面“见方”范围内实施定向长钻孔分段水力压裂技术后,42202工作面压裂区域来压步距和强度降幅明显,来压步距减小了4.3%,来压时支架平均阻力降低了6.9%,动载系数较小了4.2%;工作面煤壁基本无明显片帮现象,机尾采空区垮落充分;42202工作面辅运煤巷两帮移近量减小了30.0%,顶底板移近量减小了24.2%,副帮应力最大值减小了32.1%,辅运煤巷围岩稳定性整体得到提升;压裂区域的巷道锚索受力出现了大幅度的降低,锚杆受力出现明显波动现象,证明定向长钻孔分段压裂技术可有效解决工作面远场覆岩结构,使上覆基本顶有序垮落并形成稳定的“砌体梁结构”,保证了“采空区垮落矸石-液压支架-工作面煤壁”支撑体系的整体稳定性。     

中厚煤层坚硬顶板水力压裂初采初放技术应用研究

为避免西冯街煤矿3402工作面老顶初次来压威胁工作面的安全生产,理论分析计算确定工作面为Ⅳ_b级顶板,老顶初次来压矿压显现将非常强烈,设计采用水力压裂初采放顶技术,根据现场实际的条件确定具体的压裂钻孔布置参数,并在压裂方案实施后进行矿压监测,结果表明：3402工作面初次来压步距46.6 m,老顶分级降为Ⅱ级,有效减少了矿压显现,实现了初采期间的安全生产。     

水力压裂切顶卸压技术在煤峪口矿8712工作面的应用研究

为解决煤峪口矿11-12#合并煤层工作面末采阶段主回撤通道围岩破坏严重的问题,综合运用现场矿压监测、数值模拟及理论分析等方法,研究表明,11-12#合并煤层顶板为坚硬难垮顶板,超前支承压力影响导致主回撤通道变形严重,采用水力压裂切顶卸压技术能够有效的减小超前支承压力对主回撤通道的影响,依据8712工作面具体的开采技术条件设计水力压裂钻孔的参数,切顶后工作面末采期间,回撤通道回采帮未出现明显的矿压显现,顶底板移近量最大为67mm,煤柱帮位移量最大为46mm,主回撤通道围岩的稳定性良好,取得了良好的应用效果和经济效益。     

综放工作面顶板水力压裂卸压技术应用

针对煤矿回采工作面煤层开采后大面积坚硬顶板悬露在采空区内,致使回采工作面顶板垮落步距较大、来压剧烈、易引起支架压死等一系列安全问题,以雅店煤矿1403综放工作面为研究背景,通过对水力压裂技术与工艺流程进行分析,研究了水力压裂卸压技术的可行性,同时对水力压裂钻孔参数进行设计并开展现场水力压裂卸压试验,最后对压裂效果进行了分析。结果表明,压裂过程中存在明显的起裂阶段,随后在相对恒定压力的作用下,裂缝向深部扩展,压裂曲线呈现紧密的锯齿状;水力压裂可以有效弱化坚硬顶板、破坏其完整性,削弱顶板的强度和整体性,一定程度上能够改善支架的受力状况,达到减小或消除坚硬顶板对工作面回采危害的目的。     

定向长钻孔分段水力压裂超前弱化技术

为解决煤层群下行开采时上覆煤柱给下伏煤层带来的顶板管理安全隐患,以榆家梁煤矿43202、43203工作面为工程背景,提出采用定向长钻孔分段水力压裂超前弱化技术对工作面顶板进行卸压弱化;阐述了长钻孔分段水力压裂的基本原理和压裂钻孔的布置原则,根据经验公式优选了压裂层位并对压裂钻孔的布置及压裂参数等进行了设计,利用压裂曲线图和压裂后工作面的矿压观测数据。对压裂成果考察结果表明:采用定向长钻孔分段水力压裂超前弱化技术,钻孔压裂突破点明显,工作面来压步距较小,达到了预期的卸压效果。     

石灰岩顶板综采工作面水力压裂放顶技术实践

为了解决石灰岩顶板工作面来压步距大,进、回风隅角悬顶面积大,瓦斯易积聚的问题,通过在工作面切眼和两顺槽布置水力压裂钻孔,对工作面坚硬顶板进行高压致裂弱化顶板,并进行工业试验。结果表明:采用水力压裂治理顶板后,工作面老顶初次来压步距28.5周期来压步距13.8 m,进、回风隅角悬顶面积为4-8m2,坚硬顶板得到有效弱化。     

冲击地压矿井水射流联合水力压裂宽煤柱卸压技术研究

针对冲击地压矿井宽煤柱会积聚大量弹性能从而容易引起地压灾害事故的问题，基于理论分析和现场试验，对葫芦素煤矿21103工作面区段煤柱进行了“钻-切-压”一体化卸压技术研究，通过布置钻孔进行射流切缝和压裂对区段煤柱弱化卸压，增大了区段煤柱内塑性区宽度，减少了弹性能量积聚，同时为减少煤柱卸压对巷道支护产生的负面影响，在21103工作面临空回风巷进行了定向水力压裂切顶，减少了侧向采空区悬露顶板向区段煤柱上的应力传递。“钻-切-压”一体化卸压技术与定向水力压裂切顶技术的联合应用，在21103工作面临空回风巷内取得了良好的实践效果，解决了区段煤柱内塑性区宽度增加同时对巷道支护不利这一矛盾。     

Field investigation into directional hydraulic fracturing for hard roof in Tashan Coal Mine

Research and development of safe and effective control technology of hard roof is an inevitable trend at present. Directional hydraulic fracturing technology is expected to become a safe and effective way to control and manage hard roof. In order to make hard roof fracture in a directional way, a hydraulic fracture field test has been conducted in the third panel district of Tashan Coal Mine in Datong. First, two hydraulic fracturing drilling holes and four observing drilling holes were arranged in the roof, followed by a wedge-shaped ring slot in each hydraulic fracturing drilling hole. The hydraulic fracturing holes were then sealed and, hydraulic fracturing was conducted. The results show that the hard roof is fractured directionally by the hydraulic fracturing function of the two fracturing drilling holes; the sudden drop, or the overall downward trend of hydraulic pressure from hydraulic monitoring is the proof that the rock in the hard roof has been fractured. The required hydraulic pressure to fracture the hard roof in Tashan coal mine, consisting of carboniferous sandstone layer, is 50.09 MPa, and the fracturing radius of a single drilling hole is not less than 10.5 m. The wedge-shaped ring slot made in the bottom of the hydraulic fracturing drilling hole plays a guiding role for crack propagation. After the hydraulic fracturing drill hole is cracked, the propagation of the resulting hydraulic crack, affected mainly by the regional stress field, will turn to other directions.     

近距离煤层水力压裂切顶卸压护巷技术研究

针对近距离煤层底抽巷在上部工作面采动后处于高应力状态而难以维护的问题,开展了水力压裂切顶卸压护巷技术研究,得出:工作面采动后坚硬厚顶板易形成较长时间跨度的悬顶效应是底抽巷压力显现的关键因素;水力压裂消除或减弱了坚硬顶板形成的悬顶效应,提高了采空区上覆岩层冒落性,改变了煤柱中应力分配比例,改善了底抽巷应力状态;现场采用同孔多段分次后退式水力压裂技术,结合跨式钻孔封隔器,在顶板坚硬岩层中形成明显的人工裂缝,缓解了底抽巷围岩应力集中,降低了底抽巷的维护难度,取得了良好的效果。     

高压水力压裂技术在综放工作面初采放顶中的应用

针对12204工作面初采期间老顶来压不及时,采空区出现大面积悬顶,经常出现瓦斯积聚超限且给顶板管理带来极大安全隐患等问题,提出利用高压水力压裂技术方案处理坚硬顶板不及时垮落问题。12204工作面采用高压水力对切眼顶板岩层逐层进行分割、压裂后,破坏了岩层的整体稳定性,使其强度大大降低。采用高压水力压裂技术处理顶板后,工作面初次来压步距比原工作面老顶初次来压步距缩短了36.6m,工作面回采过程中顶板能够实现随采随落。通过理论计算分析和现场实践结果表明,达到了预期效果。     

坚硬顶板下综采面回采初期水力致裂控制技术应用

为防止回采初期坚硬顶板诱发的动力灾害,以米山煤矿15112综采面顶板赋存K2石灰岩坚硬顶板为工程背景,提出采用坚硬顶板水力致裂技术控制顶板岩层,介绍了坚硬顶板水力致裂技术基本原理,设计坚硬顶板水力致裂技术与参数.现场应用后,定向钻孔水力致裂效果明显,工作面来压步距和强度明显降低,表明了坚硬顶板下综采面回采初期水力致裂控...     

刀柱式采空区下坚硬顶板控制技术研究

针对刀柱式采空区下坚硬稳定顶板初次垮落步距大、顶板突发大面积垮落容易引起安全生产事故的问题,采用理论分析和数值计算的方式分析了工作面初采期间顶板难以垮落的原因,得出顶板自稳性高、工作面倾斜长度小、盖山厚度小、刀柱式采空下不均匀应力等是影响刀柱式采空下工作面初采顶板难以垮落的主要原因。提出采用水力压裂对顶板进行弱化,压裂过程中采用后退式多分段压裂技术,压裂钻孔采用高位孔和低位孔交叉布置方式。现场应用结果表明,工作面初采期间顶板能够及时垮落,取得了良好的效果。     

冲刷带侵蚀工作面支架失稳机制及控制技术研究

保德煤矿8#煤层三盘区受冲刷带侵蚀影响,存在顶板大面积悬露问题,威胁工作面的生产安全.为解决81308工作面冲刷带侵蚀工作面矿压显著问题,保障冲刷带侵蚀区域煤层的安全高效开采,通过建立冲刷带侵蚀煤层采场覆岩结构模型,研究了顶板围岩失稳机制和支架承载特征,并提出了水力压裂顶板弱化措施.研究表明:在冲刷带侵蚀作用下顶板的来...