坚硬顶板孔内磨砂射流轴向切缝及压裂试验研究

为了提高坚硬顶板的预裂卸压效果,开发了孔内磨砂射流轴线切顶压裂防冲新技术,即施工完顶板钻孔后,在预设位置操作钻杆匀速前进/后退,同时,采用磨砂射流系统对钻孔孔壁进行定向切割,使孔壁形成一定深度的轴线裂缝,再采用封隔器封孔后压裂,在高压水的作用下,人造裂缝沿着预设方向定向扩展,从而达到精准切顶卸压的目的。现场切缝试验表明,在射流压力为50 MPa,切缝速度为0.1 m/min的条件下,孔内切缝半径可达300～500 mm。通过切缝后压裂试验表明,预制裂缝具有较好的导向作用,裂缝扩展主要沿着预制裂缝深度方向,试验泵压为40 MPa,压裂时间为20 min,裂缝扩展距离可达22 m以上。该技术可提高水力压裂裂缝方向的可控性,使裂缝沿着最佳切顶方向扩展,从而提高卸压效果。     

水压裂技术在某“三硬”结构煤层顶板治理中的应用

针对煤矿坚硬顶板断裂引起的顶板动力灾害越来越多的现象，在巴彦高勒煤矿1103工作面的顶板中应用了水压裂技术，并利用现场观测、钻孔窥视和微震监测等手段，对水压裂的效果进行了检验，同时与爆破断顶效果进行了对比。结果表明：当注水压力超过30 MPa，压裂时间大于30 min 时，有效压裂范围超过15 m；工作面在水压裂区推采时，微震事件的总能量、平均能量大幅下降，发生大能量微震事件的危险性显著降低，并且下降幅度高于工作面在断顶爆破区域推采时。     

深孔爆破在小煤柱巷道顶板控制中的应用

为保证深埋坚硬顶板厚煤层开采条件下小煤柱巷道稳定性，采用深孔爆破的方法对巷道顶板进行预卸压。通过小煤柱巷道顶板弧形三角块结构分析，确定顶板预断裂位置，在此基础上，根据现场地质及施工条件，首先分析确定深孔爆破单孔施工参数及装药参数，然后通过理论计算和现场爆破试验的方法，综合确定爆破孔间距为10 m,进而指导现场爆破方案设计。工程实践表明：工作面微震事件大多集中在回风巷一侧，未采取深孔爆破预卸压措施时，能量大于10⁴ J的微震事件释放能量占总能量的69%,采取措施后，工作面回采区域尤其是回风巷一侧顶板能量以小能量微震事件的形式有效释放，大能量微震事件明显减少；微震层析成像分析表明，断顶爆破作用致使煤岩体中高应力区域向深部转移，避免了对巷道及煤柱的直接影响；支架工作阻力监测得出，回风巷侧顶板来压周期较短且较稳定，来压步距平均为19.1 m,约为爆破孔间距的2倍，说明断顶爆破对顶板来压活动起到了一定的控制作用；由现场巷道变形观测得出，采取断顶爆破预卸压措施后，巷道两帮变形量及顶板下沉量较未采取措施时减少了78%和80%,未出现严重帮鼓和支护失效现象，巷道变形控制效果明显。     

孟村煤矿坚硬顶板工作面冲击地压防治技术应用

为获取强冲击危险工作面的防冲关键数据,针对孟村煤矿401101首采工作面具有的坚硬顶板、大断层、大向斜等地质构造特点,在回采期间对工作面回风巷开展水力压裂弱化坚硬顶板技术试验,同时布设微震监测系统对试验期间的冲击地压能量事件进行监测,以考察压裂的实际效果。试验结果表明,工作面推采至压裂区域后,日均总能量及频次都降低了17%;回顺范围内的每日微震事件总能量和频次普遍比运顺低,尤其在受F1断层影响的区域更为明显;进入压裂区后,回顺侧大能量事件随即有所降低,运顺侧较为滞后,且发生在工作面前方的微震事件占比逐渐增大,微震事件逐渐由工作面后方向工作面前方转移,同时,微震事件位置在工作面前方范围内基本呈均匀分布。     

定向长钻孔分段水力压裂技术在冲击地压防治中的应用

为了提高冲击地压矿井防冲工程的卸压效果与效率,针对现有防冲手段无法对工作面进行大面积超前区域治理的现状,提出利用定向长钻孔分段水力压裂技术对工作面坚硬顶板进行超前区域弱化的治理思路。运用能量理论分析了分段水力压裂的卸压原理及防冲可行性,建立了水力压裂层位判识方法。利用判识方法确定了工作面上方覆岩硬层位置,覆岩中能量积聚的重点层位及能量释放的集中层位。通过建立多物理场数值计算模型探究了水力压裂形成的孔隙水压力场与钻孔距离的关系,最终确定了压裂钻孔布置层位为煤层顶板以上33 m及73 m,同一层位钻孔间距为75 m。基于上述结果在现场开展了工程应用,并采用煤体应力监测与微震监测对防冲效果进行了验证。结果表明,经过定向长钻孔分段水力压裂后与其他工作面相同区域相比,浅孔应力波动降低65.7%,深孔煤体应力波动降低69.6%;微震事件在空间中的发育范围超前工作面距离减少28.0%,侧向发育距离减少34.9%,最大发育高度减少42.4%;微震事件总能量、事件频次及单刀能量分别降低73%、66%及72%,验证了定向长钻孔分段水力压裂技术在冲击地压防治领域中应用效果显著。     

坚硬厚顶板煤柱型冲击地压防治技术研究#br# #br#

为了对坚硬厚顶板这种特定地质条件下的冲击地压防治技术进一步细化研究,分析了宽沟煤矿I010203工作面开采过程中上覆坚硬厚顶板冲击地压过程,提出了相应的防冲技术措施,并基于工作面卸压防冲前后微震事件时空变化规律对防治技术进行了效果检验,研究结果表明：B2煤层开采后上覆坚硬厚顶板易在I010203工作面采空区及相邻I010201采空区之间的煤柱区域产生悬顶,不但会造成煤体静载应力集中,而且造成能量积聚,从而产生大量动载,悬顶长度过长时会发生垮落、破断等强动载扰动,当动载荷和静载荷叠加超过临界值时便会造成冲击显现,煤柱集中静载和坚硬顶板破断动载是冲击地压主控因素。根据上述冲击地压分析结果,设计了顶板断顶预裂和煤体超前爆破两种卸压技术措施,并选取卸压前后稳定生产期间的微震事件进行卸压效果对比分析,卸压后微震日总能量和日总频次明显降低,103～104J以上微震事件明显减少且微震的空间分布较为分散,顶板附近微震事件明显减少,说明采取的卸压措施效果明显,可有效降低冲击危险性。     

坚硬顶板复合爆破定向造缝技术及工程应用

造缝切顶是改变坚硬岩层破断运移规律，进而控制采场强矿压的有效手段。为了实现定向、弱扰动、大间距的造缝切顶，开发了一种坚硬顶板复合爆破定向造缝技术。在系统性的介绍该技术关键设备——高能射孔枪的结构组成的基础上，分析了复合爆破定向造缝切顶的工艺流程；基于AUTODYN数值计算软件，阐明了基于聚能射流和高压劈裂的复合爆破定向成缝机制；采用LS-DYNA软件构建了聚能射流及高压劈裂数值模型，优化了射孔弹尺寸及助推剂用量；开展了坚硬顶板复合爆破定向造缝地面实验，揭示了相邻孔间裂缝扩展延伸特征，验证了射孔弹尺寸和助推剂用量的合理性；在塔山煤矿8311工作面进行了坚硬顶板复合爆破造缝切顶工业实验，监测了8311工作面推进过程中2312临空巷道煤柱不同深度的垂直应力峰值，得出如下结论：(1)复合爆破技术定向造缝机制是聚能射流冲击岩石侵彻面上形成的压力远大于岩石的强度，造成岩石发生破碎，形成定向孔道；二次爆燃产生的高压气体进入射孔孔道内，在“气楔”作用下沿着孔道形成连续平整的裂隙面。(2)在射孔弹口径为40 mm、助推剂为4片时，复合爆破定向造缝技术可以实现1.5 m钻孔间距下中粒砂岩层劈裂。(3)现场...     

陕蒙地区厚硬砂岩顶板定向水力压裂预割缝倾角优化及防冲实践

预割缝倾角是深孔顶板定向水压致裂重要施工技术参数之一。通过半圆盘试件3点弯(SCB)断裂力学试验以及水压致裂力学模型解析分析,研究预割缝倾角影响坚硬顶板在定向切槽诱导下水压致裂过程中的断裂特性。结果表明:水压裂纹的起裂方向明显受到预设裂纹倾角影响,但最大主应力对裂纹扩展方向起到控制作用。在地应力一定条件下,随着预割缝倾角增加,临界注水压力减小,Ⅰ型应力强度因子K_Ⅰ逐渐增加,Ⅱ型应力强度因子K_Ⅱ先增加后减小。为保证水压裂纹既受到较大的张拉作用,又能利用地应力的作用发生剪切扩展,K_Ⅱ达到最大值时的预割缝倾角被选为施工水力压裂参数取值。该参数设计被应用到巴彦高勒煤矿厚层砂岩顶板水压致裂工况,对比压裂过程中顶板的煤炮强度和频次以及压裂前后辅回撤通道附近的微震、应力变化,证明了设计参数下水压致裂裂隙范围有效的起到了防冲效果。     

临空巷道煤柱割缝爆破切顶联合卸压技术研究

坚硬顶板下临空巷道存在着高应力集中、大变形、难支护等问题,以葫芦素煤矿21105工作面为工程背景,分析了坚硬顶板下工作面回采期间上覆顶板破断规律,研究了临空巷道围岩变形机理,提出了临空巷道“顶板爆破+煤柱割缝”联合卸压巷道变形控制方法,采用FLAC^3D软件模拟了卸压前后临空巷道围岩应力分布规律。在葫芦素煤矿21105工作面回风巷采取“顶板爆破+煤柱割缝”联合卸压措施后,临空煤柱深基点应力峰值降低36.1%,浅基点应力峰值降低19.1%,试验区域微震日均能量降低67.0%,日均微震总能量降低35.7%,采取卸压措施后临空巷道顶底板移近量减小60.1%,两帮移近量减小41.6%,巷道变形得到有效控制。试验结果表明临空巷道“顶板爆破+煤柱割缝”联合卸压技术可有效降低煤柱应力,减少巷道变形,为坚硬顶板下临空巷道变形控制提供了一种新的治理手段。     

顶板多层位定向割缝高压致裂防冲技术

为了实现坚硬顶板型冲击地压防治的安全高效可控,研究了多层位定向割缝高压致裂技术。采用UDEC数值模拟研究了顶板定向致裂前后的运动与能量释放规律。结果表明:坚硬顶板经倾斜与分层定向致裂后,来压步距分别降低了7.7%与17%;系统动能释放降低了47.8%与50%,系统总能量释放降低了28%与41%,从而减弱了对煤体的冲击效应。顶板分层以及多层位定向致裂防冲效果优于倾斜切顶。通过改进供液与送管工艺,实现此技术的自动化与孔深限制,拓展了技术的效率与安全性,最大孔深达到20 m,致裂半径10 m以上。现场钻屑法与微震监测结果表明,致裂顶板区域,钻屑量较致裂前明显减少,并均低于临界值,致裂期间与区域内震动频次与震动能量降低,尤其是大能量震动信号显著减少,表明冲击危险性显著降低,证明此技术防治顶板冲击地压的有效性。     

顶板条带弱化法防治中央大巷冲击地压机制及实践

坚硬顶板是良好的储能体，破断时释放大量弹性能极易诱发冲击地压灾害。以陕西省孟村煤矿中央大巷为研究对象，通过对中央大巷的地质赋存特征、煤层物性力学特征、巷道空间关系和地应力赋存特征进行综合分析，认为高地应力赋存、强冲击倾向性、多巷布置造成的应力集中和上覆易“储能”的坚硬顶板是导致中央大巷冲击地压频发的主要因素。基于此，提出顶板条带弱化法来对巷道上覆坚硬顶板进行致裂弱化，达到防治巷道冲击地压的目的。顶板条带弱化就是指在巷道正上方一定范围的坚硬顶板内通过人工措施沿顶板顺层方向制造平行于巷道轴向的条带状弱化范围，其主要作用是降低能量存储、增加能量耗散和局部结构调整，并对这3个作用机制分别进行了力学建模和分析。最后，在孟村中央大巷采用超长孔水力压裂技术在坚硬顶板内构筑顶板条带弱化范围，借助SOS微震监测系统对比措施前后一定区域内微震事件的能级和显现特征，结果显示措施后监测区域内再无能量大于10⁴ J的微震事件出现，其他等级的能量均出现明显的下降，且能量的集聚区域也发生了一定的改变，也就是说措施范围内坚硬顶板的完整性和储能能力降低，表明顶板条带弱化法取得了良好的防冲效果，同时...     

深井特厚煤层水力压裂防冲参数与监测分析

基于水力压裂防冲机理,以新巨龙煤矿1302N综放工作面为工程背景,运用RFPA数值模拟软件,得出压裂所需的的注水压力,同时根据冲击地压在线监测预警系统,得出压裂参数之间的关系,并由此确定水力压裂的具体参数。采用钻屑法、微震法监测防冲效果,监测结果显示:水力压裂后,煤粉钻屑量远低于发生冲击危险的极限煤粉量,微震事件显著减少、频次较低且波动相对较小;表明水力压裂技术起到了较好的防冲效果。     

大采高工作面矿压显现规律及顶板控制技术研究

针对厚煤层坚硬顶板不易垮落,随工作面的推进空区顶板形成大规模悬顶,造成工作面矿压显现强烈的问题,以三道沟煤矿85201工作面开采为研究对象,运用实验室试验、数值计算、现场观测等方法开展相关研究。研究表明,随工作面推进,直接顶上方表覆岩破坏区持续发展;超前支承压力最大值为14.5MPa,出现在距离切眼约6m处,最大影响范围约250m,明显影响范围为65m;工作面初次来压步距约为75m,来压周期约为22.5m,来压后压力下降最高达到27.94MPa,矿压显现在切眼两帮更加显著;实施坚硬顶板预裂爆破技术,可实现坚硬顶板围岩的有效控制。     

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。     

基于微震数据评价的顶板深孔爆破卸压效果分析

针对红庆河煤矿宽煤柱弱胶结厚层顶板破断引起大能量矿震频发的现象,采用理论分析、微震监测及现场试验的方法确定了大能量矿震发生及顶板深孔爆破卸压的层位,提出了卸压爆破孔装药量为2.5 kg/m的走向扇形布置和装药量为4 kg/m的倾向扇形布置2种方案。运用井下现场与地面微震系统相结合的监测方式,准确定位了顶板深孔爆破震动诱发的微震信号,并通过微震系统所监测的指标对2种方案顶板爆破卸压效果进行了对比分析。结果表明:走向扇形布置顶板爆破主要诱发能量在1.0×10~3～1.0×10~4J的微震事件,倾向扇形布置主要诱发能量1.0×10~4J以上的微震事件。从每公斤炸药诱发能量指标可以发现:在走向扇形布置方案中,工作面超前支承压力影响范围内的爆破诱发能量有所升高,但上升幅度不大;在倾向扇形布置方案中,工作面侧顶板爆破诱发能量相较于煤柱侧有所提高,增幅约为6.3%;倾向扇形布置方案顶板深孔爆破每公斤炸药诱发能量约为走向扇形布置的3倍。结合红庆河煤矿402工作面现场实际情况,确定了超前工作面450 m以外的倾向扇形布置方案的有效性和可行性,验证了采用倾向扇形布置能取得更好的爆破卸压效果。工作面回采期间的微震定位结果进一步表明:无论采用走向扇形布置还是倾向扇形布置实施顶板深孔卸压爆破,均能起到很好的顶板爆破卸压效果。     

回采工作面坚硬顶板初次垮落冲击风暴的防治

72204工作面顶板坚硬,存在基本顶初次垮落冲击伤害的危险。通过对工作面的支架阻力观测、顶板动态监测、微震系统监测,预测了工作面初次来压,并实施了顶板预裂爆破,降低了顶板来压强度,消除了工作面坚硬顶板初次垮落产生冲击风暴伤害的隐患。     

特厚煤层顶板超长钻孔水力压裂技术应用分析

针对特厚煤层开采过程中坚硬难垮落顶板,采用超长钻孔水力压裂技术对煤层上方坚硬岩层进行压裂,有效减低了上覆岩层顶板的整体强度,将厚度大、完整性强的顶板通过高压水的切割,最终达到大面积顶板弱化的目的。结果表明：①顶板超长钻孔水力压裂工程的实施对40205工作面煤层上方55～59m处的含砾粗砂岩和68m处有含砾粗砂岩进行了切割弱化,有效降低了煤层上方坚硬顶板的冲击势能;②通过ARAMIS M/E微震监测和ARES-5/E地音监测联合监测数据分析,在顶板水力压裂过程中,能量事件主要以“高频低能”状态存在,最高能量事件达到6.2×103J,未出现高能积聚顶板断裂现象;③高压水力压裂施工后,在工作面回采期间,单日总能量降低达到71.7%,岩体内部裂隙呈现出“网格状”分布结构。超长钻孔水力压裂技术的实施,有效减低了工作面开采过程中煤层上方顶板的冲击势能,为工作面推采提供了安全保障。     

宏景塔矿切顶留巷预裂切缝参数优化研究

为保证切顶留巷采空区侧顶板顺利冒落,结合宏景塔矿实际开采技术条件,通过理论分析、现场试验及以往工程经验,对浅埋深薄煤层坚硬顶板切顶留巷的双向聚能爆破预裂切缝参数进行了优化。结果表明:采用切缝角度15°、切缝高度5 m、切缝间距500 mm、装药量3+2的切缝参数,裂缝率达到92%,贯通率达到85%,且顶板沿切缝线及时并充分垮落,应用效果良好。     

断顶爆破防治冲击矿压技术体系及效果评价研究

断顶爆破在坚硬顶板条件下的冲击矿压灾害防治中应用广泛。基于动静载叠加原理,理论分析了断顶爆破防治冲击矿压的作用机制,在对冲击危险预评估和冲击危险动态演化特点分析的基础上,揭示了冲击危险具有分时、分区和分级的"三分"特征,建立了分时、分区、分级断顶爆破防治冲击矿压技术体系,应用于坚硬顶板型冲击矿压防治工程实践,并通过采取理论计算、钻屑监测和微震监测手段进行断顶爆破效果评价。结果表明:爆破后形成的裂隙区贯通为连续的弱面是控制冲击矿压最重要的区域,断顶爆破能够减弱由于顶板瞬间破断或垮落释放的动载强度,降低上覆悬顶施加在煤体内的静载强度并促使煤体峰值应力向工作面前方转移,达到降低冲击矿压危险的目的;依据揭示的冲击危险分时、分区、分级的"三分"特征,建立了"开切眼倾向断顶爆破、临空煤柱侧走向断顶爆破、工作面内超前预裂爆破和及时解危断顶爆破"的分时分区分级断顶爆破防治冲击矿压技术体系,相应进行了断顶效果评价,其中开切眼倾向断顶爆破后工作面初次来压和周期来压阶段顶板聚集的能量分别降低72%和76%;临空煤柱侧断顶爆破后煤柱内钻屑值下降0.55 kg/m;工作面内预裂爆破区域在回采期间出现微震总能量、单日最大能量均明显降低,微震频次显著增加的整体规律,验证了分时分区分级断顶爆破技术体系对防治冲击矿压的有效性。     

坚硬煤岩体“钻-切-压”一体化释能减冲技术研究

为解决葫芦素煤矿坚硬煤岩体的冲击地压问题,结合21103工作面冲击地压显现特征,详细分析了工作面冲击危险的全局影响因素与局部影响因素,得出了坚硬煤岩体的冲击地压发生机理。分析表明:坚硬煤层是21103工作面冲击启动的主要内部条件,坚硬顶板是21103工作面冲击启动的主要外部条件,通过降低煤岩体系统内弹性能、增大系统破坏时所消耗的能量的方式,可破坏系统内外的蓄能条件,达到释能减冲的目的。设计了坚硬顶板水力压裂、顶板深孔预裂爆破、顶板水力切缝与坚硬煤体大直径钻孔卸压、煤体卸压爆破相结合的"钻-切-压"一体化释能减冲方案,采用水力压裂作为坚硬顶板的基础卸压措施,采用煤层大直径钻孔作为坚硬煤体的基础卸压措施,煤层卸压孔直径设为150 mm,钻孔间距设为1 m,采用煤体卸压爆破作为补充卸压措施,其实施原则包括:小孔径、高钻孔密度、小炸药线密度等。实践结果表明:该技术方案能够减弱强矿震的破坏力,有效减少冲击地压事故的发生,起到"释能减冲"的效果,具有一定的推广价值。