眼前山铁矿水压致裂矿岩预处理裂隙扩展研究

水压致裂预处理技术是大幅改善硬岩矿山矿岩可崩性的关键技术,选用合适压裂能力的设备以及压裂钻孔布置是工业应用中的重要工作。本文基于眼前山铁矿开展的水压致裂矿岩预处理试验,采用微地震定位及水位观测的方法对岩石水力裂缝扩展距离、破裂面方向等进行了分析。结果表明:当注水泵量为150L/min时水力裂缝扩展距离最大可达34m,平均值为24. 54m,该泵量下1 500s内裂缝已充分扩展;微地震平面分布的长轴方向与区域上水平最大主应力方向近乎一致;水压致裂试验产生的破裂面法线方向为最小主应力方向。     

地应力测量对水压致裂硬岩矿体预处理技术的指导应用

水压致裂硬岩矿体预处理技术是大幅提高自然崩落采矿法产量的关键技术,该技术部分核心参数的选择与计算都在地应力场分布规律的基础上进行。为探讨地应力测量对水压致裂硬岩矿体预处理技术的指导应用,在眼前山铁矿进行了地应力测量。实测表明:预处理区-195 m水平以下50.8～266 m内,最大水平主应力为14.67～35.08 MPa,破裂压力20.13～32.76 MPa,侧压系数4.03～10.71,最大水平主应力方向近EW向。依据实测结果,压裂设备应选择大于32.7 MPa(最大破裂压力)的变量高压泵;观测孔应密集布置在EW向(最大水平主应力方向)巷道内、压裂孔两侧;压裂孔竖向压裂间距依据侧压系数,0～50 m内间距为14 m,250～266 m内间距为6 m。实测结果可为眼前山铁矿预处理试验提供科学依据。     

硬岩金属矿自然崩落法开采中矿岩预处理技术研究

矿岩预处理是硬岩自然崩落法矿山在开采过程中应用的一项重要技术,该技术的核心作用是增加矿体内部的裂隙发育改善矿岩可崩性,对自然崩落采矿法在硬岩金属矿山的成功应用起到技术保障。目前矿岩预处理技术主要包括水压致裂和钻孔爆破致裂两种方法。本文在总结国内外自然崩落法矿山矿岩预处理技术理论研究及应用案例的基础上,结合国内研究现状,提出了针对我国硬岩金属矿山开展矿岩预处理研究的技术路线、设计实施、效果评价等方面的系统方案,可为国内学者和矿山企业开展类似研究提供指导。     

顶板定向钻孔水压致裂工作面强矿压控制试验研究

针对神东矿区布尔台煤矿42107工作面回采过程中频繁发生的强矿压显现问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测方法,对井下定向钻孔水压致裂顶板厚硬关键层控制工作面强矿压显现进行了研究。研究结果表明:4-2煤层顶板厚度约22 m的粉砂岩亚关键层2是影响工作面强矿压显现的主要因素;理论分析通过顶板弱化降低亚关键层2的强度,在一定程度上能够削弱工作面强矿压;通过减小亚关键层2破断块体竖向节理的摩擦角以模拟顶板致裂效果,亚关键层2弱化改性后,42107工作面两侧的区段煤柱以及实体煤壁上的支承压力峰值显著降低,减小幅度约18.3%;实际在42107工作面顶板布置了3个定向钻孔,由该工作面内11台液压支架在致裂前后的工作阻力曲线得出,来压期间支架最大工作阻力由22 535 kN减小至19 599 k N,周期来压步距则由致裂前的21.0 m减小为致裂后的16.9 m,表明定向钻孔水压致裂覆岩关键层能够较好地控制工作面强矿压显现。     

水压致裂法测试矿井软岩巷道地应力研究

为获取矿井深部地应力信息,揭示地应力特征及其随埋深的变化规律,采用水压致裂法对平煤一矿三水平下延主运输巷进行地应力测试,同时采用应变解除法对不同埋深的7条巷道的地应力进行实测,得出了该矿区地应力的分布特征。结果表明:深部开采后,矿井属于高地应力区,矿区最大主应力为31.70 MPa,最大主应力为近水平方向,主要受构造应力控制;3个主应力均与埋深呈近似线性增大关系,其中最大主应力的增加幅度最为显著,应力梯度为2.75 MPa/hm,据所得地应力分布情况,对巷道采取了科学合理的支护和加固措施,实现了矿井高应力区的灾害控制。     

水压致裂法地应力测试研究

为了对某矿进行支护设计,布置3个测站,采用水压致裂法对地应力进行测试。结果表明:水压致裂法具有测速快、适应性强的优点;3个测站的测试结果显示该矿应力水平不高,最大主应力为水平应力,最大水平应力在7.63~12.52MPa之间,最大主应力方位角在N37.1°W~N46.2°W之间。     

瓦斯在煤体水压致裂过程中的作用试验研究

为分析瓦斯对煤体水压致裂过程的影响,利用自制的含瓦斯煤水压致裂实验系统,开展了恒定流量下含瓦斯煤水压致裂实验,得到了煤体压裂形态及电阻率响应特征,并分析了瓦斯在压裂过程中的作用。结果表明,无瓦斯条件下煤体压裂形成的裂隙少而宽,随着瓦斯压力的增大,新生裂隙数目逐渐减少,而原生裂隙则逐渐被激活;瓦斯压力的增大提高了煤体的起裂压力;含瓦斯条件下电阻率曲线呈现两种形态,即新生裂隙较多时呈现增大型曲线,原生裂隙被大量激活时呈现减小型曲线。基于试验结果分析,瓦斯在水压致裂过程中的作用有两个,一是瓦斯压力增大了水压致裂阻力,提高了起裂压力;二是高压水驱气作用诱导高压水进入、激活了原生裂隙。     

燕子山矿水压致裂强制放顶技术应用

针对燕子山矿坚硬顶板初采难垮落的问题,通过理论分析计算出8403工作面初次来压步距为47.62 m,需要采取强制放顶措施。对8403工作面首次采用新型水压致裂技术实施强制放顶。通过实践表明,采取水压致裂措施后,初次来压步距缩小为35.25 m,减少了16.12 m,取得了良好的应用效果。     

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。     

水力致裂弱化坚硬顶板现场试验研究

针对济三煤矿6305工作面坚硬厚层砂岩顶板难以断裂跨落,采用波兰水力致裂技术进行顶板的致裂。通过对不同孔深的致裂钻孔进行注水致裂,然后观测布置在周围的观测钻孔是否有水流出,以确定最大的致裂半径,根据现场试验验证,最大致裂半径可达6～10 m。同时对比致裂过程前后钻孔的煤粉量,验证了致裂后煤岩体的应力明显降低,从而能有效防止冲击矿压的发生。最后分析微震监测系统SOS接收到的致裂过程矿震波形特点与频谱分布图,得出在致裂过程中会诱发小矿震,震动频率相对较大,能量主要集中在高频部分。     

水压致裂法测量地应力

水压致裂法在地质工程中应用广泛,传统的水压致裂法理论是建立在弹性力学平面应变理论的基础之上的[1-10],但只能测量地质条件简单的情况下的二维地应力,一些学者为解决传统水压致裂法的不足,提出了三维地应力测量理论,采用最小主应力破坏准则进行水压致裂法三维地应力测量,对地质条件比较复杂的地区可以用该方法进行测量,但是还需要进一步的改进.传统的水压致裂法理论和三维地应力测量理论各有优缺点.     

坚硬顶板水压致裂弱化技术研究

为探究水压致裂技术对坚硬顶板的弱化效果,以潞宁煤矿31101工作面为研究对象,通过现场观测、工程类比的方法对水力压裂控制顶板效果进行了研究,确定水压致裂弱化技术的具体参数。结果表明:坚硬顶板通过水力压裂后被软化,实现回采期间顶板随采随冒,围岩应力降低19%,保证了工作面的安全生产。     

水压致裂预防冲击地压的机理与试验

通过对水压致裂试验前后煤粉钻屑量、微震事件和煤体电磁辐射对比,发现水压致裂后,接近水压致裂段煤体的煤粉钻屑量减小非常明显,煤体电磁强度和脉冲数均明显下降,水压致裂过程中微震事件显著增多。结果表明：水力压裂能够有效降低煤岩冲击倾向性和煤岩体的强度,改变能量释放速度、形式以及支承压力的分布状态。     

水压致裂煤层煤壁稳定性的研究

本文通过对水压致裂煤层煤壁片帮产生机理及主要影响因素进行分析,并通过数值计算软件FLAC3D对其进行数值模拟计算,计算结果表明,随着煤体弹性模量的增大,黏聚力和内摩擦角的减小,煤壁塑性区域面积不断增大,说明煤壁的稳定性越高,同时通过对煤体压裂前后支架支护强度与顶板下沉量关系对比发现,煤体发生压裂后,顶板位移量和支架支护阻力明显增大,超前支承压力峰值的位置没有改变,但峰值的大小会明显减小,从而降低煤壁片帮发生概率,研究结果为水压致裂煤层煤壁片帮稳定性的控制提供指导。     

基于水压致裂的煤层气开采研究

煤层气开采方法很多,但水压致裂法逐渐成为主要开采方法。水压致裂法已经成功运用于石油开采,在煤层气开采问题上属于初级阶段。主要围绕水压致裂机理在煤层气开采中的应用,并结合理论分析、相似实验及数值模拟,进一步研究井孔水压致裂的基本问题。     

液态二氧化碳相变致裂掏槽破岩试验研究

为研究液态二氧化碳相变致裂技术在掏槽破岩作业中的适用性问题,分析了应力波与高压二氧化碳准静态荷载共同作用下的二氧化碳相变致裂破岩规律,并通过搭建压力测试平台,实际测得二氧化碳致裂器峰值泄放压力可达185 MPa,致裂作用全部过程持续约200 ms,致裂关键参数有利于破断岩石,结合岩巷掘进的工程实际,试验了2种致裂方式的掏槽破岩方案,并对试验过程的爆破振动进行监测。结果表明:相较于方案一中每个孔安放单根致裂器,方案二采用了二氧化碳致裂器多管联爆的方式,结合合理的致裂孔与空孔参数布置,可取得更好的掏槽效果,掏槽区域布置6个掏槽致裂孔、2个中心空孔,每个致裂孔安放2根首尾相接的二氧化碳致裂器,致裂后形成的掏槽槽洞深度可达1.6 m,落岩体积约4.2 m3,形成的掏槽空间能够满足掘进需求,作业效率更高,并且在损伤累积效应作用下,槽洞底部的扩展裂隙可为下一循环的掏槽作业创造有利条件;此外,致裂过程最大振动速度为0.376 cm/s,振动、噪声、扬尘都较小,不会影响周边环境,证明该技术适用于掏槽破岩作业,为岩巷掘进、城市地下隧洞开挖等工程提供了新的作业手段和技术参考。     

同忻矿8106工作面坚硬顶板水压致裂技术研究实践

针对同忻矿8106工作面开采过程中坚硬顶板来压剧烈问题,提出了通过水压致裂对顶板强度进行弱化的方案。本文对水压致裂施工工艺流程进行了介绍,确定了水压致裂弱化顶板关键参数,在5106巷内进行了工业性试验,施工后顶板周期来压步距和强度都得到减小,巷道超前支护段内顶板基本无下沉,巷道变形量较小,支护效果良好,实现了工作面安全生产,该项研究对同等地质情况下坚硬顶板矿压控制有一定的参考借鉴意义。     

定向水力致裂坚硬顶板的现场试验研究

依据断裂力学理论,建立了裂纹尖端扩展力学模型,获得了尖端起裂的临界应力及其影响因素,包括垂直应力、水平应力、岩石的断裂韧度、初始裂缝的倾角与直径、注水压力等.研究结果表明:应力达到裂缝尖端起裂的临界应力时,尖端开始起裂扩展.通过坚硬顶板定向水力致裂工业性试验,获得了初始裂缝和注水压力是决定定向水力致裂坚硬顶板效果的关键因素.     

坚硬顶板高压定向水力致裂现场试验研究

为了削弱宽沟煤矿B_(4-1)煤上方坚硬岩石的整体结构,降低岩石强度,实现减弱可能发生或潜在的冲击危险的目的,通过理论分析确定了高压水力致裂的主要参数,包括B4-1煤上方坚硬岩层致裂的层位、致裂位置及致裂压力,开展了现场高压定向水力致裂技术试验研究。研究表明,宽沟煤矿B_(4-1)煤上方粉砂岩的致裂压力为28.3~29.6 MPa,试验实现了致裂半径5~7m以上;煤层上方细砂岩、中砂岩的致裂压力为42.7~43 MPa,致裂半径为2~5 m,现场试验表明高压定向水力致裂能够有效降低坚硬顶板的强度和整体性厚度。     

煤层水压致裂封隔器的研制

介绍了煤层水压致裂封隔器的结构、工作原理和设计要点。封隔器采用水压式双回路双栓塞止水压裂技术,测量数据可靠。止水元件选用钢丝膨胀胶管,承压能力高,使用寿命长。试验结果表明:封隔器设计合理,止水效果好,并且体积小,质量小,操作简便;适用于煤矿井下任意方向的钻孔,尤其是深钻孔中进行水压致裂试验,并可实现终孔后连续试验。