顾桥矿顶板水力压裂控制大巷变形技术研究

顾桥煤矿巷道顶板中具有多层关键坚硬岩层,关键岩层传递远场采动应力,致使盘区大巷围岩控制困难|用水力压裂技术切断顶板中的多层关键岩层时,要求精准可控地实现分层致裂,保障施工的有效性和安全性。为此引入成套专用技术装备,在顾桥煤矿北二采区首采工作面开展了顶板水力压裂应力转移保护盘区大巷技术试验。试验结果表明：实时监测的孔口水压力可以反映水力裂缝贯穿目标砂岩层、在其他不同岩性的顶板中扩展的过程,可作为施工过程中的参考。基于孔口压力监测和定点封孔精准致裂,可以有效分层切断顶板关键岩层。分层致裂坚硬顶板后,监测到试验盘区大巷的顶底板及两帮移近量均小于230mm|采动应力得到有效转移,盘区大巷变形得到了有效控制。试验提供了一种精准可控地分层致裂坚硬顶板、保护盘区大巷的工程实例,可为具有类似问题的矿井提供经验参考。     

定向水力致裂坚硬顶板的数值模拟及现场实践

针对煤矿坚硬难垮落顶板控制中存在的问题,进行定向水力致裂数值模拟和工业性试验。通过数值模拟和对监测孔及泵站压力波动情况进行观察,分析了煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。研究结果表明:通过对围岩进行切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;随着压裂处与监测孔距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大;分段逐次压裂可在顶板岩层中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板岩层,有效地减小了工作面的周期来压步距。     

缓倾斜厚煤层回采巷道水力压裂卸压技术应用研究

针对缓倾斜厚煤层回采巷道受采动影响大变形问题,选取枣泉煤矿140204工作面13、14采区胶带大巷为研究对象,研究了缓倾斜厚煤层回采巷道顶板水力压裂卸压技术。现场调查研究了二煤层临近工作面运输巷变形破坏特征与原因,分析了二煤层140204运输巷工程地质条件,并设计了回采巷道顶板水力压裂卸压对13、14采区胶带大巷护巷方案,提出了“顶板水力压裂卸压”回采巷道围岩控制稳定方法并付诸于实践,工程实践证明卸压效果良好,巷道围岩保持正常使用。     

坚硬顶板岩层水力压裂主裂缝中高速压裂液的湍流效应

本文以内蒙古巴彦高勒煤矿31103工作面为研究背景,采用断裂力学、材料力学结合岩石力学的理论分析方法,以及数值模拟软件进行实验方案设计,对31103工作面上覆10 m厚硬顶板水力压裂卸压防冲合理施工工艺参数开展研究。首先,建立高压水流驱动下压裂岩层中主裂缝起裂扩展力学模型,得到实际条件下水力压裂裂缝起裂的临界水压与扩展裂缝几何尺寸的关系式。其次,根据Comsol流固耦合模拟实验软件对高压水流在钻孔及裂缝中流动造成的孔壁表面压力与裂缝扩展边界条件的计算收敛结果可知,在封孔、注水、憋压直至裂缝贯通水压骤降的施工过程中,压裂液的流动状态与岩石钻孔和裂缝表面张力之间存在相互作用关系。最后,考虑现场施工反馈的数据信息,确定适合巴彦高勒煤矿31103工作面厚硬顶板的合理水力压裂施工工艺参数。     

顶板钻孔割缝导向水压裂缝扩展的现场试验

在坚硬顶板定向水力致裂原理性试验成功的基础上,在综采工作面端头超前支护段内进行了坚硬顶板钻孔预割缝定向水力致裂的半工业性试验,分析钻孔割缝对引导水压裂缝扩展的作用。大同塔山煤矿8102工作面试验结果表明,钻孔孔壁水压裂缝沿预割缝槽优先起裂,预开槽对坚硬顶板水力致裂的起裂起到了定向作用。水压裂缝定向起裂后,受地应力场等综合影响,水压裂缝会出现空间转向。采动影响会改变致裂钻孔周围的应力分布,进而影响裂缝的定向扩展效果;因此,坚硬顶板定向水力致裂应考虑采动应力影响,注意与采动的协调配合。定向水压裂缝可穿岩层间层面扩展。钻孔预割缝定向水力致裂的实质是通过预割缝来控制裂缝的定向起裂,引导裂缝的扩展方向;并配合地应力、采动应力、致裂工艺等使导向裂缝尽量满足工程要求。     

大空间坚硬顶板地面压裂技术与应用

坚硬顶板强度高、破断步距大,矿压作用强烈,是煤矿顶板控制的一大难题,特别是特厚煤层开采条件时,因开采扰动范围广,大空间坚硬顶板破断失稳,造成采场矿压显现更加复杂、强烈。研究表明,坚硬顶板特厚煤层开采,高位厚硬岩层的破断失稳是造成采场强矿压的主要因素,但现有井下预裂技术无法控制。为此,提出了煤矿坚硬顶板地面压裂控制采场矿压的方法,开展了大型真三轴原位试件(2060 mm×1200 mm×1200 mm)水力压裂试验研究,揭示了水压裂缝扩展形态及压裂全过程试件应力应变演化规律;给出了地面压裂关键层位范围,综合工作面采位、压裂层位、覆岩应力及裂隙发育特征,建立了压裂位置确定的理论模型及选取准则;给出了压裂面积-流量-时间的关系模型,得到压裂面积随压裂时间、流量的变化关系;研发了水压裂缝井上下微震一体化联合监测技术,综合前述研究,形成了大空间坚硬顶板地面压裂控制技术体系,并进行了垂直井、水平井压裂工程实践。结果表明,地面压裂裂缝扩展范围大,垂直井分级压裂裂缝扩展长度达250,218 m,裂缝宽度30~120 m,水平井分段压裂裂缝扩展长度196~216 m,裂缝高度43~50 m,裂缝扩展均覆盖了工作面范围,穿透了压裂目标层。井下采场矿压监测表明,工作面开采至压裂裂缝扩展区内,支架阻力降低21%,煤壁片帮率减少23%,超前单体无任何弯曲折损现象,巷道围岩稳定,压裂控制效果好。可见,坚硬顶板地面压裂技术,可从源头杜绝采场强矿压的发生,探索了煤矿领域坚硬顶板控制的新途径,为解决类似由高位岩层、高位结构失稳引起的矿压灾害控制提供借鉴。     

定向水平钻孔水力压裂卸压护巷技术研究及应用

针对工作面回采过程中及收尾后大巷难以保持稳定的问题，为了改变传统卸压方式在卸压范围、卸压时间、卸压效果等方面存在的不足，提出利用定向水平钻孔水力压裂技术进行卸压，采用理论分析和数值计算相结合的方式分析了大巷高应力产生原因，揭示了定向水平钻孔水力压裂对于工作面高支承压力转移作用机理，结果表明：工作面末采期顶板的断裂、旋转、运移、垮落等剧烈活动是造成采区大巷围岩应力集聚的主要原因；在工作面终采线实施定向水平钻孔水力压裂能够消除工作面停采后顶板破断而产生的动压能量，同时能够使得垮落带岩层及时破断冒落充填采空区，改变悬臂结构，进而降低护巷煤柱应力，现场应用取得了良好的效果。     

祁南煤矿工作面跨大巷回采水力压裂切顶卸压技术研究

淮北矿业股份有限公司祁南煤矿东翼轨道运输大巷位于313工作面的底板砂岩层中,在工作面接近和跨大巷回采的过程中,大巷受工作面采动的影响,易于造成大巷支护失效、围岩变形严重。虽然采取了巷道围岩注浆加固和锚杆补强的技术措施,但巷道变形控制依然没有明显的效果。为了减小动压影响下的大巷变形,对东翼轨道运输大巷顶板砂岩层实施水力压裂,提前切断采动应力的传播路径,将采动高应力转移至大巷围岩的深部,起到了显著的控制效果。     

深孔顶板预裂爆破与定向水压致裂防冲适用性对比分析

针对厚硬顶板条件下冲击地压防治技术选择的难题,围绕深孔顶板预裂爆破和顶板定向水压致裂防冲原理、现场应用类型及主要影响因素进行了系统分析,并对二者在同一工况条件下的防冲效果和工程施工效率进行了对比.研究表明:深孔顶板预裂爆破和顶板定向水压致裂都是以破坏顶板完整性,使其不具备积聚弹性变形能为目的,实现冲击地压的防控.在相同布孔方式下,爆孔间距越小,爆破应力波产生的mises有效应力作用范围越集中,能量衰减速度越慢,岩石破碎塑性区以及裂隙区扩展范围越大,爆破预裂效果越好.在等围压条件下,随着预制裂缝角度的增加,压裂孔裂纹失稳扩展压力表现为先增大后减小的趋势;随着预制裂缝长度的增加,压裂孔起裂压力和裂纹失稳扩展压力均逐渐减小;随着天然裂隙夹角的增大,爆孔预制裂缝起裂压力变化不大,裂纹失稳扩展压力呈现先降低后升高变化趋势.当工作面在顶板定向水压治理区域推采期间,微震事件明显减弱,回风平巷围岩应力显著降低,巷道变形量也明显减小.同时,深孔顶板定向水压致裂在顶板控制效果、现场施工效率、工程量、限制条件以及施工安全性等方面,均优于深孔顶板预裂爆破技术,但深孔顶板预裂爆破技术具有组织时间短、防冲效果见效快的特点,适用于冲击危险区域的应急解危.     

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 m3,截至2017-11-16,已累计产气500万m3,日产气量仍在3 200 m3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。     

综采工作面水力压裂试验研究与应用

阳煤集团新景煤矿为了降低沿空留巷巷道围岩高应力,在3107辅助进风巷进行了水力压裂试验。试验结果表明:水力压裂对巷道浅部围岩不进行预裂,仅对巷道顶板深部围岩进行预裂与软化,没有破坏巷道浅部煤岩体完整性,对巷道锚杆锚索支护体受力影响较小;水力压裂区域巷道变形较大,巷道高度逐步变高;压裂区域变化较非压裂区域巷道变形相对较小,压裂后,有效弱化了顶板岩层水,改善了巷道变形情况。     

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。     

水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术研究

为了增加低渗透高瓦斯煤层的透气性,提高瓦斯的利用率和抽采效率,提出了水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术,分析了水力压裂-深孔预裂爆破复合增透的爆破致裂机理,建立了在爆轰气体作用下的裂纹应力强度因子方程和裂纹二次扩展半径方程。运用RFPA2D-Flow模拟软件对水力压裂后孔壁周围煤岩体裂隙的产生过程与裂隙扩展规律进行模拟。利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析模拟软件对不同长度预裂缝影响深孔预裂爆破后瓦斯抽采增透效果的程度进行模拟。同时在阳泉五矿8410工作面开展了现场工业性试验,以此验证煤矿井下进行水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术后的瓦斯抽采增透效果。结果表明:使用水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术后煤层的透气性与常规的深孔预裂爆破相比有显著提高,致裂孔的初始瓦斯涌出量是普通爆破孔的3.18倍,瓦斯含量的衰减强度降低了77.3%。深孔预裂爆破的有效影响半径随着爆破孔内预裂缝长度的增加而提高,而且二者呈线性关系。该研究中采用复合爆破后的有效影响半径可达到6.98 m,与数值模拟结果得到的有效影响半径6.763 m相近。同时数值模拟与现场工业性试验的结果均证明:提出的水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术,能够有效增加煤岩层的透气性,提高瓦斯的抽采效率,为其他低渗透高瓦斯煤层的瓦斯抽采增透技术提供了参考。     

坚硬顶板定向水力压裂技术在王台铺煤矿的应用

王台铺煤矿XV#煤顶板属于坚硬难垮顶板,由于条件限制和存在问题不宜采用传统的超前深孔预裂爆破弱化方式处理顶板问题,采用定向水力压裂技术在井下工作面进行现场试验,通过现场围岩地质力学特征测试确定定向水力压裂方案。工作面回采后通过监测支架受力,得出预压裂工作面顶板初次来压步距在26~27 m之间,水力压裂控制顶板效果良好,并且克服了深孔预裂爆破中存在的不足,为该技术的推广应用提供了依据。     

煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的应用

水力压裂技术在煤矿围岩控制中,主要用于坚硬顶板弱化和高应力巷道围岩卸压。在分析现有水力压裂理论的基础上,介绍国内采用真三轴水力压裂试验系统获得的有关水力裂缝扩展规律的研究成果;重点论述煤矿井下水力压裂技术取得的最新进展,包括常规压裂与定向压裂方法,压裂机具设备与工艺,及压裂效果检测仪器与方法。介绍水力压裂在回采工作面坚硬顶板弱化,及受多次采动影响的高应力巷道卸压中的应用实例,分析和评价压裂效果。最后,根据煤矿井下煤岩体特点,提出水力压裂技术的发展方向与建议。     

干河煤矿卸支耦合动压巷道围岩控制技术研究

为解决干河矿动压巷道变形量大的难题,针对干河矿2-118D工作面围岩地质条件,采用水力压裂技术改变顶板岩层结构,控制动压巷道围岩应力,降低巷道支护难度。首先通过数值模拟分析了水力压裂控制动压巷道采动应力的原理,计算了压裂关键层,提出了有针对性的水力压裂设计方案|其次开展了水力压裂现场施工,同时提出了高预紧力强力支护和强帮支护方案,最后进行了矿压监测。研究结果表明：采用水力压裂和高预紧力强力支护的卸支耦合动压巷道围岩控制技术后,巷道变形量基本与普通实体煤巷道相同,较该矿原动压巷道的围岩变形量降低90%以上,巷道围岩控制效果极为显著。     

木瓜煤矿10-102工作面切顶护巷技术应用研究

为解决木瓜煤矿采煤工作面停采后相应区段的回风大巷变形严重的问题,通过数值模拟、理论分析等方法,确定10-102工作面合理的停采线煤柱留设宽度为70 m,采用水力压裂切顶卸压技术能够有效的减小工作面回采对大巷围岩的扰动,依据10-102工作面具体的开采技术条件设计水力压裂钻孔的参数,现场应用过程中进行工作面液压支架工作阻力和回风大巷围岩位移观测,工作面两侧的回采巷道内布置水力压裂钻孔切顶效果良好,工作面停采后,回风大巷围岩变形量有效的控制在合理的范围内,取得了很好的应用效果。     

砂岩钻孔轴向预制裂缝定向压裂试验研究

针对煤矿坚硬难垮顶板带来的冲击灾害,提出沿钻孔轴向预制裂缝定向水力压裂缩短悬顶长度的降冲技术。选用尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的紫砂岩试样,在试件中心打通孔,孔径为25 mm,沿孔壁不同方位预制裂缝长度为10 mm的对称裂缝,共制备试件16块,利用真三轴压裂试验平台与恒流恒压注液泵开展水力定向压裂试验,监测获得注液压力-注液时间的变化曲线,统计压裂裂缝路径形态,并引入裂缝偏转角表征裂缝路径的偏转特征,研究了不同预制裂缝角、水平应力差异系数及注液速率对水力裂缝的起裂、扩展规律的影响,并结合Hubbert-Willis弹性水力压裂模型与Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型分别讨论了试验结果中水力裂缝的起裂机理与扩展机制。试验结果表明:预制裂缝定向压裂均形成单一裂缝,且裂缝形态可归纳为两类:转向裂缝和平直裂缝。起裂压力随预制裂缝角的增大而增大,随着水平应力差异系数的增加而减小,随着注液速率的增加而增大;具有定向作用的预制裂缝角度随水平应力差异系数增大而减小。在相同偏转角下裂缝的扩展长度随预制裂缝角的增大先减小后增加,在45°时为最小;随着水平应力差异系数的增加而减小;随着注液速率的增加而增大。结合试验结果与理论模型讨论可知:预制裂缝具有定向作用时,可用Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型预测起裂压力和裂缝偏转规律;预制裂缝定向作用失效时,适用Hubbert-Willis弹性水力压裂模型求解起裂压力。研究结果为现场预制裂缝定向压裂参数设计提供参照。     

特厚缓倾斜煤层坚硬厚顶板超长钻孔定向三维水力压裂技术及应用

针对新疆坚硬厚顶板条件下特厚煤层开采后造成的大面积悬顶可能诱发的强矿压现象，以宽沟煤矿I010206工作面为例，通过理论分析、数值模拟、现场监测、工程试验等方法，分析了特厚缓倾斜煤层顶板垮落形态及坚硬厚顶板强矿压控制思路，明确了合理压裂参数，提出了超长钻孔定向三维水力压裂技术并进行了现场试验。研究结果表明：孔隙水压力随着与钻孔径向距离的增加在5 m内迅速衰减，压裂段间距较小时两裂缝扩展出现影响，易造成裂缝偏转，注水量从20 m³增加至35 m³时，裂纹扩展长度增加50%，综合考虑压裂层位强度、裂纹相互影响范围及压裂效果，确定宽沟煤矿水力压裂最佳参数为：起裂压力17 MPa，钻孔间距50～72 m，压裂段间距30 m，单段注水量为35 m³。基于宽沟煤矿地质条件提出了双厚组合岩层双封单卡多点拖动定向分段水力压裂技术及工艺，压裂后坚硬顶板微震次数大幅降低，顶板来压峰值有效减小。本文研究可为类似条件矿井坚硬厚顶板开采中出现的强矿压现象提供解决思路。     

王峰煤矿3#煤顶板水力压裂裂缝扩展模拟研究

针对王峰煤矿3^#煤层瓦斯含量高、煤层碎软的特点,开展了王峰煤矿顶板定向长钻孔水力压裂裂缝发育规律研究,利用FLAC^3D数值模拟分析了顶板水力压裂裂缝扩展演化特征,讨论了压裂孔直径和压裂压力对裂缝发育的影响规律。研究得出:当压裂压力为5~8 MPa时,裂缝首先在水平方向产生,垂直方向上均未产生裂隙;当压裂压力大于10 MPa时,随着压裂压力的增大,裂缝在竖直方向逐渐延伸,且裂缝宽度沿水平方向逐渐扩展;裂缝延伸方向主要沿最大主应力方向,在最大主应力方向上裂缝扩展的增长速度与压裂压力基本呈正相关。相同压裂压力条件下,压裂孔孔径越大,塑性区扩展长度越大,裂缝扩展越大;当压裂压力大于10 MPa后,垂直方向上的裂缝扩展速率大于水平方向,裂缝沿最大主应力方向扩展速度最快。综合得出,王峰煤矿3^#煤的顶板水力压裂的钻孔直径为φ120 mm,压裂压力为10 MPa,可有效地指导工程实践。