坚硬难冒砾岩顶板注水压裂渗透特性

本文系统分析了为改造坚硬难冒砾岩顶板整体结构的一系列高压注水试验结果，包括室内自由径向高压渗透、三维应力全断面高压渗透以及井下高压压裂渗透试验数据，获得了砾岩和粗砂岩的渗透系数、注水湿润半径，以及湿润半径与孔底湿润距离、注水压力与压渗水流出量、岩石破裂压力系数与其单轴压强等相关经验方程，阐明了高压水在岩体中压裂渗透作用过程、运动性态和压裂塑化效应。所得结果可用来确定合理的注水工艺及其参数。     

煤矿坚硬难冒顶板控制

坚硬难冒厚砂岩和厚砾岩顶板的控制,一直是国内外采矿界十分重视的一个难题.由于缺乏可靠的理论指导和有效的顶板控制措施.它曾给煤矿造成严重的顶板事故.目前仍广泛采用煤柱支撑顶板方法,结果造成顶板事故多,煤炭资源回收率低,自然发火频繁,机械化水平低,产量低,效率低等一系列问题.本文对坚硬难冒顶板岩性的基本特点,矿压显现的基本规律,控制坚硬难冒顶板的理论和技术途径,进行了论述,本文重点论述高压水对坚硬岩体的破坏机理;对坚硬岩体进行高压预注水和深孔预爆破技术试验;控制坚硬顶板的技术经济效果等,最后对坚硬难冒顶板控制技术的发展方向,提出了一些具体意见.     

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。     

对老顶高压注水是防治冲击地压的新途径

冲击地压是岩体工程中的一种灾害,特别是在煤矿造成的灾害尤为突出。因此,冲击地压问题引起国内外岩石力学界和采矿界的广泛重视,进行了大量的科学研究工作,取得了一些重要的成果,但防治研究则多以煤体为对象。本文认为,老顶运动是发生冲击地压的主导因素,对老顶进行高压注水压裂软化是防治冲击地压的一种新途径。作者在枣庄矿务局陶庄煤矿对坚硬砂岩顶板进行了高压注水试验,取得了很好的效果。本文重点论述了这次试验取得的一些重要结论和效果。     

坚硬顶板水压致裂控制理论与成套技术

煤矿坚硬顶板具有硬度大、整体性好、分层厚度大等特点,导致诸多围岩控制与安全难题。水压致裂可改造顶板岩体结构,控制工作面顶板的冒落;提出坚硬顶板水压致裂控制的理论与成套技术框架。采用真三轴实验系统等研究揭示水压裂缝的扁椭球体典型形态和空间转向扩展形态,给出围压主应力差、排量、层面与原生裂隙等对水压裂缝扩展的影响规律,考虑围岩的应力应变状态与控顶效果,阐明定向压裂临空坚硬悬顶的断顶线位置适当内错煤柱的原理。给出采动岩体水压致裂的时空关系及确定方法。针对裂缝形态的控制要求,提出定向水力割缝致裂等系统的控制致裂方法,在此基础上研制煤矿井下高压(60 MPa)水压致裂的成套装备。针对不同类型工程特点,控制水压主裂缝扩展、翼型裂纹扩展和吸水湿润作用,使顶板及时充分冒落,实现围岩弱化、应力转移、诱导矿压破煤等功能。研发了工作面端头悬顶、切眼及中部坚硬顶板、坚硬顶煤弱化、综放面初采瓦斯、临空巷道冲击地压和大变形等控制成套工艺技术。成套技术与装备已在大同矿区、神东矿区等推广应用。与传统爆破弱化顶板相比,水压致裂弱化顶板管理简单、扰动小、安全性高、工程量少、作用范围大、控制距离远,且经济成本不到其1/10,在深部开采中更具有优势。     

坚硬薄基岩浅埋煤层合理强制放顶距的确定

 在开采松散表土坚硬薄基岩浅埋煤层过程中,为避免发生压架、溃沙事故,现场常采取强制放顶的方法,但对于强制放顶距如何合理确定则显得理论依据不足。为此,结合凉水井煤矿首采工作面的实际条件,根据岩层控制理论,采用理论分析、数值模拟、现场观测的方法对合理强制放顶距进行研究。结果表明,在工作面推进距离距切眼20 m处,即介于基本顶周期来压步距和初次来压步距之间,进行顶板强制放顶能成功地避免初次来压,对支架影响较小,放顶效果良好,可以避免压架的发生。结论在现场试验中得到了验证。     

综放开采顶煤三维变形、破坏的数值分析

针对大同矿务局局忻州窑矿8911面综放开采煤岩变形破坏的全过程，利用岩石力学数值分析方法对放顶煤三维采场的顶煤、顶板活动进行了系统的研究，得到了三维模型的应力、变形及单元破坏数值分析结果。研究表明：大同矿务局煤层强度较高，在支承压力作用下难于破碎，需进行弱化处理后才能有效放出。综采放顶煤过程中，支承压力具有明显的分区特征，顶煤的始动点就是支承压力峰值位置，位于煤壁前方5－7m处，并得到现场实测结果的验证。     

坚硬顶板控制的数值模拟

通过对岩层移动的现场观测,建立了综放采场坚硬顶板控制的悬梁模型及其数值模型,运用有限元法分析了坚硬顶板不同来压步距对硬顶煤的压裂效应,并确定了合理的支架阻力,从而对坚硬顶板进行有效的控制,达到消除坚硬顶板对采场的冲击隐患、保证采场矿压对坚硬顶煤的有效压裂及提高顶煤回收率之目的.     

特厚坚硬煤层分层综放开采关键技术研究

通过对特厚坚硬煤层综放开采技术的系统分析，指出提高坚硬顶煤的冒放性和瓦斯的综合治理是该条件下综放开采所面临的主要技术难题。在对特厚坚硬顶煤结构及破碎特点分析的基础上，提出了提高坚硬顶煤冒放性的主要技术途径和措施，在宁夏太西集团白芨沟矿煤层特厚、坚硬、顶板坚硬、高瓦斯和浅埋深条件下，成功地进行了分层综放开采的实践，达到了工作面年产 １５０Ｘ １０４ｔ的生产水平。在该条件下实现了综放开采技术的突破，取得了预期的效果。     

岩石性质及其微观特征的研究在煤矿工程上的应用

本文通过一些实例,论述了岩石性质与微观特征的研究和煤矿工程实际紧密结合的问题,文中对坚硬厚层砂岩顶板的微观特征、物理力学性质以及注水软化的效果、影响因素、机理等作了较详细的分析研究     

急倾斜煤层坚硬顶板塌落规律及控制研究

急倾斜煤层坚硬顶板塌落控制已成为煤矿生产中的难点问题,深入研究急倾斜煤层坚硬顶板塌落规律及控制方法对煤矿安全生产具有重要意义。通过现场勘查及室内试验方法分析煤岩层岩体的力学特性,采用室内相似材料模拟实验方法及离散元数值计算方法研究急倾斜煤层坚硬顶板的塌落规律,分析急倾斜煤层坚硬顶板的突变塌落特征及范围,设计坚硬顶板预裂爆破方案,利用离散元方法对坚硬顶板塌落控制方案进行数值模拟计算,并与实际工程中的应用效果进行对比分析。研究结果表明:坚硬顶板岩层具有明显的弹脆塑性破坏特性,采用弹脆塑性应变软化本构模型计算煤岩层接触面的破坏过程,能够合理反映急倾斜煤岩层顶板的破坏特征;3DEC离散元计算结果与相似材料模拟实验结果基本吻合,急倾斜坚硬顶板在短壁开采条件下沿倾向位移不明显,沿走向不易塌落,易在后方采空区形成跨度75～85m的大面积悬顶,并伴有明显的突变塌落特征;提出利用离散元方法计算超前深孔预裂爆破顶板的数值计算方法,计算结果与现场实际应用效果相符,验证了该方法应用在坚硬顶板控制研究方面的可行性。     

深孔爆破在深井坚硬复合顶板沿空留巷强制放顶中的应用

 为防止深井坚硬顶板沿空留巷的充填墙体在顶板垮落时被压坏,特采取深孔爆破强制放顶来释放顶板压力以提高沿空留巷的护巷效果。通过数值模拟和理论分析的方法,阐述深孔爆破强制放顶的卸压机制。炸药在坚硬岩体中爆破,爆破孔周边的岩体受爆轰应力波作用产生大量裂隙并发生大幅度位移,使爆破孔周围的应力重新分布,厚层顶板垮落,降低了巷旁充填墙体的附加载荷,从而起到护巷作用。最后,在潘一矿东区1252(1)工作面进行超前深孔爆破强制放顶的现场应用,在经历工作面回采和充填留巷稳定阶段后,墙体整体维护效果良好,对类似条件下沿空留巷强制放顶具有很好的借鉴意义。     

工艺参数对顶煤冒放性影响的数值分析与硬顶煤的预处理

运用相似材料模型试验，得出了顶煤冒放的桥拱式、半拱式和柱式等３种结构。在煤层条件对顶煤冒放性影响的研究的基础上，用有限元正交数值试验，进一步研究了开采工艺参数对顶煤冒放性的影响规律。介绍分析了硬顶煤的预注水软化和预爆破弱化处理方法及应用效果。     

大空间远近场结构失稳矿压作用与控制技术

针对大同石炭系坚硬顶板特厚煤层开采造成的强矿压显现及控制难题,通过现场实测和理论分析,揭示了大空间远、近场岩层失稳破断的强矿压显现机制,提出了坚硬顶板控制技术。研究表明:近场岩层破断失稳造成工作面复合周期来压显现,远场结构失稳是工作面强矿压的主要影响因素,临空开采、煤柱赋存条件下,高位结构破断回转、应力集中更复杂,采场矿压显现更强烈。提出井上下、远近场协同控制坚硬岩层技术体系,通过采用井下近场预裂和地面远场压裂的坚硬岩层弱化技术,减弱远、近场坚硬岩层的矿压作用,控制工作面强矿压显现,开辟了采场矿压控制的新途径。     

预注水软化顶板岩石在特厚煤层多分层开采中的实践

<正> 一、前言 坚硬顶板特厚煤层的开采历来就是采煤技术的一大难题。多年沿用的仓房高落式采煤法,不仅使得资源损失严重,而且作业也极不安全。山西大宁煤田的5号煤层就属这种情况。经山西矿业学院和阳方口煤矿共同研究,采用了倾斜分层采煤法,各分层采高平均为2.2m。其中关键是顶分层回采时,将坚硬难冒的整体顶板变为易冒的层状块体顶板,为以下各分层回采创造安全可靠的条件。     

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。     

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。     

采煤工作面推进过程中采场围岩的应力分布

有限元法在采矿工程中应用以来,给采矿工程的设计和稳定性分析提供了依据和手段,为了更科学地预测顶板冒落,应该对采场的应力分布进行定量的研究,由于采煤工程和地质体本身的复杂性,寻找采场围岩应力分布的解析式目前尚有困难;然而,用有限元法却能提供数值分析的结果。本文以大同云岗矿为例,用三维有限元法分析了综采式采场在采煤工作面推进过程中的围岩应力分布,计算结果说明了这种顶板难冒的原因,为研究大同云岗矿坚硬难冒顶板的岩体改造方案提供了依据,文中并就云岗矿现采煤层中几种典型的顶板模式,分别给出了采场围岩的应力变化分布图,这些模式,对完整结构岩体的采场有一定的代表性。     

云冈矿8621综放面坚硬顶板弱化处理技术

针对同煤集团云冈矿8621综采放顶煤工作面煤层和顶板条件,为了保证在"两硬"条件下综放工作面安全生产,沿12号煤层顶板布置了两条工艺巷,在工艺巷内对坚硬的顶煤和煤层顶板进行爆破预裂弱化,保证了顶煤的顺利下放和高效回收,避免了工作面坚硬顶板大面积悬顶的威胁。     

缓倾斜采空场处理新方法及采场地压控制研究

根据东桐峪金矿的具体条件,提出了控制爆破局部切槽放顶处理采空场的新方法和采场地压控制新方法—硬岩矿山的矿柱设计新理论。主要研究工作和主要研究结论如下: (1) 将顶板假设为岩梁,应用材料力学推导了切槽位置的计算公式,分析了采空场顶板的力学特性。研究表明,若仅开采至866 m水平,在966 m水平附近实施切槽是合理的,能引起顶板应力向有利于安全生产的方向重分布。若继续开采至 780 m水平,应在796.7 m附近实施二次切槽。该计算公式适用于连续、规则的采空场;否则,将会出现较大的偏差。例如,二次切槽位置的计算结果(796.7 m)偏差较大。 (2) 应用对NCAP-2D程序进行改进后得到的NFAS二维弹塑性非线性有限元程序,分析了东桐峪金矿采空场的力学特性。计算结果同样表明,若开采至750 m水平,966 m和866 m水平附近都是实施切槽放顶的合理位置,切顶能引起顶板应力向有利于安全生产的方向重分布,不会引起地表发生明显岩移。 (3) 根据理论分析,提出了控制爆破局部切槽放顶处理采空区的新方法。该方法应用控制爆破手段,在顶板拉应力最大的地点沿空场走向全长实施一定宽度的切槽,强制引起顶板最先在该地点冒落,并尽可能使冒落接顶,从而实现空场小型化及其与深部开采系统的隔离,削弱可能发生的自然冒落所激起的空气