分段水力压裂技术提高煤层块煤率的试验研究

为了解决陕北侏罗纪厚硬煤层综采能耗大、块煤率低的问题,采用水力压裂造缝技术提高煤层开采的块煤率、降低煤尘。以陕北某国有煤矿为例,在矿区回采工作面进行水力压裂试验及分析,并对试验段和非试验段的块煤率、煤层截割比能耗、含水率和工作面粉尘浓度进行现场统计,得出:水力压裂技术在煤层中的起裂压力、时间及扩散半径等参数。通过回采试验区和非试验区的对比,得出采用水力致裂煤层后,采煤块煤率、工作面粉尘浓度具体的改善程度。研究表明,对煤层进行超前水压预裂,具有清洁高效、提高块煤率及降低煤尘等优点,采用分段水力压裂技术可大幅度提高单孔的造缝率,具有很好的推广价值。     

厚硬煤层综放开采水压致裂技术及应用研究

由于厚硬煤层存在硬度大、节理裂隙不发育等特点,导致在综采放顶煤开采过程中存在支架后方大块煤体堵塞放煤窗口,严重影响矿井高产高效等问题。以新疆矿区硫磺沟煤矿坚硬厚煤层开采为工程背景,通过数值模拟计算得到顶煤水压致裂起裂压力数据,设计了水压致裂工艺流程,通过现场实测手段对坚硬厚煤层水压致裂进行了工业化试验,得到水压致裂时间与水压之间的关系。研究结果表明,采用水压致裂技术对坚硬煤体裂纹扩展、降低煤体强度、提高工作面煤炭采出率具有重要现实意义。     

MG900/2400-WD型采煤机经济截割速度研究与应用

针对凉水井煤矿42112综采面煤层地质条件及MG900/2400-WD型采煤机性能,采用理论分析、数值模拟的方法,以块煤率、截割比能耗及截齿耗损率为参数指标,综合研究确定了该采煤机合理的经济截割速度,并成功应用于现场实践,对相似条件综采工作面同型号采煤机截割定速具有指导作用。此次工程实践成功降低了截割比能耗和截齿损耗率,有效地提高了块煤产出率。     

高瓦斯低渗透煤层切槽致裂增透机理及数值模拟研究

为实现高瓦斯低渗透煤层煤与瓦斯安全高效共采的目标,提出煤层切槽致裂增透新技术。理论分析了水力切槽与脉冲水力压裂联合作用于煤体时应力场-损伤场的重构和裂隙网构建效应,建立了煤层内预制切槽导向水压致裂的卸压增透模型,分析了煤层切槽与水压致裂的应力损伤联控机制,获得了切槽煤层水压致裂下的裂纹扩展及渗透率演化规律,实现了切槽卸压场与水压致裂场的有效结合,控制了水力压裂裂隙扩展方向,破除了孔槽周围应力集中圈的瓶颈效应,提高了煤层内整体增透效果。     

“钻-切-压”定向水力压裂顶煤弱化技术应用研究

针对坚硬厚煤层综放开采条件下顶煤难冒放,安全可控性差的问题,提出了"钻-切-压"定向水力压裂顶煤弱化技术,并以榆神矿区神树畔煤矿为工程背景开展了现场试验,利用钻孔窥视、高频电磁波CT技术对压裂前、后顶煤体裂隙破裂及扩展状态进行了探测,统计分析了压裂前、后工作面顶煤回收率。工程实践结果表明,"钻-切-压"定向水力压裂顶煤弱化技术对顶煤裂隙的破裂及扩展效果显著,压裂后钻孔内顶煤裂隙发育比例增加23.5%,裂缝扩展贯通范围达到10m以上;致裂区域顶煤回收率得到明显改善,水压致裂段顶煤的日放煤量由3243t增至3433t,增加190t,提高5.5%;工作面顶煤回收率由66.16%增加至72.49%,较水压致裂前提高了6.33个百分点。该研究成果对坚硬难冒煤层综放开采回收率的提高具有重要的参考意义。     

综采工艺中单向割煤技术的应用研究

传统的综采工艺对于块煤的生产能力仍然存在一定的缺陷,因此提出了基于单向割煤技术的综采工艺.通过选择综采工艺工作面参数及设备,改进单向割煤的初采高度,获取工作面的生产能力与初采高度的关系,改进顶刀截割块煤的角度优化煤层的截割方式.实验表明,此种工艺方法能够有效地降低采煤后的块煤率,提高整体综采工艺的生产能力,对采煤技术的...     

软分层厚度对煤体爆破致裂效果的数值模拟

根据煤体爆破致裂理论,结合工程实际,建立ANSYS/LS-DYNA有限元模型,研究了软分层厚度变化对含软分层煤体的致裂规律。结果表明:软分层改变了煤体内部裂纹扩展的方式和规律,导致上部硬煤层裂隙增多,下部硬煤层裂纹数量、扩展长度及分布集中度降低;软分层厚度变化只影响下部硬煤层的裂隙分布、裂隙集中度及裂隙贯通面积,对上部硬煤层几乎没有影响;拟合出了软分层厚度与峰值压力之间的关系曲线,结合致裂理论,可以估算出含软分层煤体致裂区域,为评估含软分层煤体致裂效果及有效治理瓦斯提供参考。     

基于扩展有限元的三维水力压裂数值模拟研究

针对坚硬煤层开采过程中出现难以截割及截齿磨损严重等问题,用扩展有限元方法作为工具,考虑围压差与定向射孔方位角对水力压裂的影响,进行坚硬煤层水力压裂裂纹起裂和裂纹扩展规律数值模拟研究。数值模拟结果表明:水力压裂过程分为裂隙萌生、零散发育、均匀扩展和压裂终止4个阶段,起裂压力随着围压差系数和定向射孔方位角的增大而增大。     

煤层钻孔加载前后截割特性对比研究

为提高采煤机破煤效率,采用EDEM软件建立仿真模型,以破煤率、平均截割阻力、平均截割比能耗为定性评价指标,分析滚筒截割有无钻孔煤层及不同地应力煤层的截割特性。结果表明:在煤层中加载钻孔,可以减小采煤机滚筒平均截割阻力、降低平均截割比能耗,增加破煤率。当采煤机滚筒截割10 MPa地应力煤层时,截割加载钻孔煤层的截割力、截割比能耗相对于截割无加载钻孔煤层分别减小3.814%、24.272%,破煤率增加5.87%;当采煤机滚筒截割15 MPa地应力煤层时,截割加载钻孔煤层的截割力、截割比能耗相对于截割无加载钻孔煤层分别减小5.676%、30.747%,破煤率增加6.48%;当采煤机滚筒截割无加载钻孔煤层时,截割15 MPa地应力煤层的截割力、截割比能耗相对于截割10 MPa地应力煤层分别增加18.364%、63.434%,破煤率减小8.42%;当采煤机滚筒截割有加载钻孔煤层时,截割15 MPa地应力煤层的截割力、截割比能耗相对于截割10 MPa地应力煤层分别增加16.072%、30.747%,破煤率降低7.81%。     

特厚煤层综放工作面水压致裂技术研究

顶煤冒放性是决定特厚煤层综放工作面煤炭资源回收率和安全生产的关键因素,水压致裂则是提高顶煤冒放性的有效技术之一。以小庄煤矿40309工作面为研究对象,采用理论分析、理论计算,结合现场监测（钻孔窥视、微震和矿压监测）和现场调研,对特厚煤层综放工作面水压致裂技术的应用开展研究。研究结果表明：（1）顶煤大厚度夹矸和裂隙发育程度低导致工作面回采率低和端头长时间悬顶。（2）水压致裂能有效扩张煤（岩）体原生裂隙,破坏煤（岩）体结构;水压致裂提高了顶煤覆岩压力2.5%～6%,增加顶煤破碎程度;微震事件总能量和频次增加1.98倍和1.70倍。（3）采取水压致裂措施后,工作面端头悬顶时间缩短53.3%,工作面回采率增加1.9%。     

小保当煤矿综采工作面水压预裂夹矸层技术应用

基于小保当煤矿大采高工作面厚硬夹矸层影响工作面的安全高效回采现状,采用水压预裂煤体硬夹矸层技术,结合工作面的夹矸3D结构及工作面巷道地质写实,确定了煤层夹矸预裂合理分区,制定了水压预裂夹矸层钻孔参数及布置方案,设计了夹矸预裂施工工艺。试验结果表明:在定向水力压裂过程中,压裂效果与预裂压力、预裂时间及注水量等参数有关,其中,当预裂钻孔夹矸起裂压力为26～29MPa、预裂时间120～190min、注水量13～20m~3时,夹矸裂隙发育效果分为压裂区、软化和裂隙二次扩展区域、裂隙扩展区。现场预裂效果检验表明,采用水压预裂夹矸层技术后工作面回采期间采煤机破岩效率明显提高,预裂效果明显。     

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。     

水力压裂瓦斯驱替机理研究及工程实践

针对西部某矿松软低透煤层,以含瓦斯煤层水力致裂裂隙内流场为研究对象,基于现场试验,结合理论分析等方法研究了低透气性煤层水力致裂裂隙内流场驱替机理。结果表明:水力压裂技术能够有效提高煤岩体的透气性及钻孔瓦斯抽采效果。     

采煤机滚筒运动参数的分析研究

根据采煤机截割理论,建立了滚筒截割比能耗与滚筒运动参数(滚筒转速、牵引速度)间关系的数学模型;同时,以畸变1式截齿排列的切屑图为基础,建立了块煤率与滚筒运动参数关系的数学模型.并以截割比能耗和块煤率的模型为基础,研究了滚筒运动参数的变化对截割比能耗和块煤率的影响,分析了不同形式的截齿排列与滚筒截割比能的关系.研究结果表明,采用畸变1式或畸变2式的截齿排列形式的滚筒,其截割比能耗最小;同时,截割比能耗和块煤率与滚筒转速成反比,与牵引速度成正比.     

潞安矿区综采裂隙带发育高度规律实测研究

为了研究潞安矿区不同开采工艺对导水裂隙带发育高度的影响规律,通过地面施工20余个勘探钻孔,采用水文观测、注水试验等综合手段,对采空区顶板岩层裂隙分布进行了探测研究。通过对大量实测数据的统计分析,研究了导水裂隙带高度与开采高度以及分层数的关系,对比分析了不同开采工艺裂隙带发育规律。结果表明:相同煤层条件下综放开采工艺裂隙带最为发育,分2层综采工艺裂隙带高度与综放开采相比降低了24%,但综放开采裂采比与初分层开采裂采比基本一致,裂采比值约为20,并得到了潞安矿区裂隙带高度计算经验公式,确定了该矿区水体下采煤的原则性方案。在五阳煤矿漳河下厚煤层综放开采的成功实施,验证了研究结果的可靠性。     

脉冲射流割缝控制压裂技术关键参数研究及应用

为解决常规水压裂缝受地应力影响,导致扩展形态单一、易在裂缝两侧遗留增透空白带等问题,结合脉冲射流破煤岩特点与缝槽-孔隙水压联合诱导裂缝定向扩展作用,研究了煤矿井下脉冲射流割缝控制压裂技术。通过冲击应力波效应分析了脉冲射流充分利用水锤压力高效破碎煤体割缝机理,阐明了脉冲射流割缝控制压裂大幅增加煤层透气性原理,明晰了脉冲射流割缝压力、割缝控制压裂实施压力和压裂钻孔封孔长度等关键参数,探讨了割缝控制压裂技术的工艺流程,并在逢春煤矿开展了割缝控制压裂、常规压裂和钻孔抽采三种现场试验,对比考察了三种方式的煤层瓦斯抽采效果。现场试验结果表明：由于缝槽卸压和孔隙压力场的存在,脉冲射流割缝控制压裂能降低煤层压裂时的实施压力|通过分析压裂后不同距离煤体瓦斯含量和含水率变化规律,得出割缝控制压裂技术比常规压裂的影响范围更远,提高约33%|煤层实施割缝控制压裂后单孔瓦斯抽采纯量为0.034m/min,较常规压裂和传统钻孔抽采技术提高了3.7倍和10.6倍,瓦斯抽采汇总浓度约为73%,提高了1.7倍和2.25倍。     

煤层压裂卸压防冲机制研究

针对彬长矿区高地应力厚煤层开采时冲击动力灾害严重问题,采用理论分析和现场试验等方法,对压裂煤层卸压防冲机制进行了研究。研究表明：煤层压裂破碎后,煤体裂纹扩展表面能降低,产生碎块数量增多,耗散能占比越大,可释放弹性能减小;煤层压裂区应力存在往非压裂区转移现象,巷道侧煤体由压裂前的塑性-弹性2区变为压裂后的塑性-弹性-塑性-弹性4区分布;压裂煤层裂隙发育,应力集中系数降低,塑性区范围显著扩大,煤体弹性能得到释放,有效地预防了冲击地压的发生。     

深部煤层单段/多段水力压裂增透效果对比

为对比深部煤层钻孔内单段和多段水力压裂增透效果,基于谢桥煤矿待揭8煤层赋存条件,分别建立了单段和多段水力压裂增透模型,运用RFPA~(2D)-Flow软件,模拟分析了水力压裂影响区内煤层水压场、应力场、裂隙场和渗透场特征和规律,并进行了效果验证。结果表明:单段压裂起裂时的煤体孔隙水压为7 MPa,多段压裂起裂时的煤体孔隙水压为16 MPa;煤层起裂后,单段压裂时钻孔中部煤体产生了明显的应力集中,而多段压裂时煤体应力分布虽有起伏但无明显应力集中;单段压裂时裂隙主要在钻孔中部位置向顶底板萌发延伸,有效压裂面积较小,多段压裂时各压裂段均可产生类似的裂隙场,有效压裂面积大;单段压裂时煤体渗透系数最大可达初值的249倍,多段水力压裂时最大可达初值的263倍。与钻孔单段水力压裂工艺相比,多段水力压裂可有效提高钻孔瓦斯抽采效果。     

割缝钻孔水压致裂增透过程的数值模拟

利用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统RFPA2D-Flow,对比分析了单孔和割缝钻孔水力压裂失稳破裂过程。结果表明:割缝钻孔预制缝槽转移集中应力达到卸压效果,诱导高压水流沿缝槽形成主裂隙向外扩展,有效削弱煤岩的强度和整体性达到水压致裂增透的效果;水压致裂裂隙路径的粗糙度和不规则展布受围岩非均匀性的影响十分显著。     

同忻矿特厚煤层坚硬顶板水压致裂技术

介绍了水压致裂的力学机理及参数确定方法。依据同忻矿生产实际条件,确定了特厚煤层坚硬顶板致裂位置、注水压力、注水量、注水时间以及钻孔转角等参数,设计了钻孔布置方案。同忻矿8105工作面现场实践表明,通过水压致裂措施工作面周期来压步距减小了4.6 m,支架工作阻力降低了8.8%,取得了良好的应用效果。