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。     

特厚煤层地面L型水平井分段压裂技术应用研究北大核心

特厚煤层开采过程中,煤层上方坚硬顶板强度高、破断步距大、难垮落,特别是开采扰动范围广,大面积坚硬顶板岩层破断失稳,造成采场冲击动力显现更加强烈;井下大孔径卸压、煤层爆破卸压以及井下长钻孔水力压裂技术仅限于局部卸压和小范围顶板弱化,不能有效对煤层上方高位大面积坚硬岩层进行弱化改性。提出了地面L型水平井分段压裂技术,通过对岩层破断方向进行理论分析并综合岩层特性给出了压裂关键层位范围,结合井上下微震一体化联合监测技术,形成了地面水平井分段压裂控制技术体系,并进行了地面压裂工程实践。井下微震-地音联合监测表明:压裂期间微震监测总能量达到16.93×10^(4)J,地音监测总能量达到1.36×10^(8)J,压裂过程可对井下围岩的宏观破裂具有明显的诱发作用;地面压裂裂缝扩展范围广,2口压裂井裂缝扩展长度分别达到790、851 m,裂缝宽度最大达到380~390 m,裂缝高程达到375~450、390~410 m,裂缝扩展均可覆盖工作面及两巷道,并穿透目标层位。井下采场矿压监测表明:工作面周期来压期间,支架阻力降低32%,煤壁片帮率降低34%,工作面超前支护范围无底鼓、帮部收敛等现象,微震监测总频次及总能量均降低达到90%以上。因此,地面水平井分段压裂可有效减小采场上覆岩层的强矿压,进而降低工作面回采期间的冲击地压灾害。     

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。     

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。     

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。     

煤矿水力压裂装备研发及应用

为了有效弱化煤矿难冒落坚硬顶板,基于水力压裂原理,研发了煤矿坚硬顶板水力压裂装备,该装备主要包括高压水泵、切槽钻头以及其他辅助装置。对水力压裂装备进行了工业性试验,试验结果表明:水力压裂形成的裂缝主要受水压、地应力场、岩层物理力学特征及钻孔方位的影响,水力压裂可以在岩层中形成有效裂隙,使岩层裂隙带贯通,从而降低了顶板强度,使顶板分次垮落,有效减小了顶板对支架的冲击作用。     

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。     

富家凹煤业坚硬顶板巷道水力压裂技术研究

富家凹煤矿11^#煤层回采巷道受相邻工作面采动影响严重，巷道易出现变形，影响矿井安全生产。为确保富家凹煤矿11207工作面的安全顺利回采和相邻工作面11205工作面巷道的顺利掘进，采用水力压裂技术在11207回风巷道进行顶板切顶卸压，弱化11207回风巷道顶板坚硬岩层，缩短悬顶距离，优化相邻工作面应力分布，降低对相邻巷道的影响。通过现场调研及钻孔窥视仪观测，发现11207回风巷道顶板存在多段完整岩层与复合顶板，故设计采用后退式分段压裂弱化顶板中完整岩层，并确定了具体的钻孔及压裂参数。基于该工作面垮落情况、钻孔窥视情况及相邻工作面巷道成型情况，综合分析11207工作面水力压裂效果。结果表明：采用水力压裂区段回采工作面垮落步距控制在8 m左右，钻孔裂隙发育明显，相邻巷道未受明显影响，实现了对坚硬顶板的控制。     

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。     

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。     

凤凰山煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术应用研究

针对超前深孔预裂爆破弱化方式处理煤矿坚硬难垮顶板存在的问题,采用定向水力压裂技术在凤凰山煤矿XV4306和XV5302两个工作面进行井下试验。根据现场围岩地质力学特征,确定工作面两次压裂方案;通过现场施工,优化施工工艺;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26~27m之间,水力压裂控制顶板效果良好,为该技术的推广应用提供了依据。     

厚硬顶板下工作面定向水力压裂顶板弱化技术试验

为防止坚硬顶板诱发的灾害事故,以煤峪口矿81020工作面赋存坚硬顶板岩层总厚度超过30 m为工程背景,提出采用定向水力压裂顶板弱化技术。通过高压水致裂人为和主动的在坚硬顶板内部构造结构弱面,从而实现坚硬顶板弱化,降低工作面来压。基于此,设计了定向水力压裂顶板弱化技术参数,并在81020工作面进行了现场试验,试验效果良好。     

水力压裂技术在煤矿坚硬顶板控制中的应用

本文开展水力压裂控制坚硬顶板的现场应用研究,通过监测支架工作阻力、顶板来压步距检验压裂效果,并与爆破控顶进行对比,得到以下结论:压裂过程显示,压裂孔两侧的钻孔中有水流出,裂缝已扩展至该处,说明压裂能够使裂缝在顶板中大范围扩展,从而有效弱化顶板岩层,破坏顶板的完整性;压裂后,支架工作面阻力得到明显改善,水力压裂可使顶板及时垮落,减小顶板来压对工作面支架的冲击;与爆破控顶相比,水力压裂控顶具有工程量小,安全性高,施工速度快、控顶效果好等特点。     

定向水力压裂在煤矿坚硬顶板弱化中的应用

以古书院煤矿153303工作面坚硬顶板为工程背景,分析了坚硬顶板的地质力学参数,并以此为依据,进行了定向水力压裂设计,通过监测工作面推进过程中顶板来压步距和液压支架工作阻力评价压裂效果,且与深孔爆破预裂技术进行了对比。研究表明:采用定向水力压裂技术弱化坚硬顶板岩层,顶板及时垮落,来压时支架工作阻力小,控顶效果好;与爆破控顶法相比,定向水力压裂更能削弱坚硬顶板岩层的完整性和强度,来压步距和工作面支架工作阻力更小,控顶效果更好,还具有安全性高、成本低、施工速度快和适应性强等优点,有较好的推广价值。     

坚硬顶板首采工作面初采阶段水力压裂综合治理技术研究

针对坚硬顶板条件下首采工作面初采期间顶板难以垮落问题，以巴拉素煤矿2102工作面为研究背景，采用理论分析及现场试验等方法，建立了工作面初次垮落力学结构模型，提出了“定向长钻孔+常规短钻孔”水力压裂综合弱化治理技术，揭示了基于“长钻+短钻”水力压裂技术的顶板弱化机理，综合评价了压裂后顶板弱化效果。研究表明：未进行压裂治理时，力学模型得到初次垮落步距为77 m,工作面合理水力压裂范围为垂直方向12.26～23.43 m,水平方向0～30.8 m。压裂施工过程中长钻孔最高压力达到26 MPa以上，短钻孔压裂最高压力达到52 MPa以上，均出现明显压降，降幅最大达到26 MPa。治理后工作面呈现“频繁小来压”矿压显现特征，水力压裂治理效果显著。通过“定向长钻孔+常规短钻孔”水力压裂综合弱化治理技术，保障了2102工作面初采期间安全回采，为类似条件工作面初采阶段强矿压灾害治理提供了可借鉴治理方法。     

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。     

定向组合水力压裂卸压技术在宋新庄煤矿的应用

针对宋新庄煤矿110301工作面坚硬顶板难垮落、周期来压显现剧烈的现象，通过对水力压裂裂缝扩展、贯通机理分析，结合工作面特征与岩层特性优化了钻孔布置方式，提出定向组合分段水力压裂技术研究。现场效果表明，110301工作面实施定向组合分段压裂技术后，预裂区支架来压时工作载荷由38～45 MPa降低为25～35 MPa，应力呈现碎片化，缓解了应力集中现象。周期来压步距由20～30 m缩减到10～15 m，来压步距普遍减小，矿压显现得到缓解。支架动载系数由1.5～1.7降低到1.2～1.3，压架危险性降低。证实了针对来压剧烈顶板采用定向组合分段压裂方式可明显提高压裂效果，使顶板得到及时垮落，进而支承起高位岩层。该研究在现场取得良好的应用效果，为宋新庄煤矿后续工作面开采提供了宝贵的生产经验。     

基于分区弱化的复合坚硬顶板冲击地压分段压裂区域防治研究

针对复合坚硬顶板联动效应引发的冲击地压灾害,基于复合坚硬顶板的赋存特征,结合弹性力学理论,分析了高-低位坚硬顶板矿压显现特征,建立复合坚硬顶板破断形态和断块铰接形态判识的力学模型,分析了复合坚硬顶板岩层破断形态,研究了复合坚硬顶板协同破断机制,揭示了协同破断易释放巨大的冲击动能,形成冲击灾害的原理。依托坚硬顶板分区降能的弱化防治理念,提出了煤矿井下定向长钻孔裸眼分段水力压裂“高-低”位协同超前区域防治冲击地压灾害技术模式,并设计了错步式分段压裂段工程布置。工程试验得出：复合坚硬顶板高、低位定向钻裸眼分段压裂协同弱化后,顶板微震事件频次、总能量、顶板来压步距及来压范围分别降低42.17%、31.07%、 33.69%、57.14%,合理有效防治了复合坚硬顶板冲击地压灾害。通过顶板分段水力压裂实施,顶板岩体被压裂成若干小块时,大幅降低了蓄积能量,并伴随压裂成缝过程的能量损耗,实现了复合坚硬顶板的分区分段可控破断距的垮落,实现顶板应力的转移、消散及动力灾害有效控制,为同类地质条件下冲击地压灾害区域弱化治理提供技术借鉴。     

坚硬顶板水力压裂弱化技术应用

为有效改善坚硬顶板工作面来压强度,本文以寺河二号井煤矿1309工作面地质条件为基础,采用现场试验与监测等方法,对坚硬顶板水力压裂技术进行了应用,设计了切眼及顺槽巷道水力压裂钻孔参数,并在现场进行了实践。根据水力压裂后巷道顶板窥视结果与矿压显现结果,采用水力压裂技术后顶板压裂效果较好,初次来压步距减小21%,周期来压步距减小17%,水力压裂技术能实现弱化顶板的效果。     

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。