坚硬顶板定向高压水力致裂防冲护巷技术应用

定向高压水力致裂是一项防治坚硬顶板型冲击地压的新技术,基于张双楼煤矿93604工作面地质条件,研究了定向水力致裂防冲与护巷机理,通过现场试验,得到了张双楼煤矿定向水力致裂的技术参数。现场试验表明,定向水力致裂割缝时间小于10 min,致裂半径不小于10 m,裂纹扩展5 m所需时间不超过3 min,扩展10 m所需时间小于10 min。该技术在93604工作面应用后,有效减小了悬顶长度,实现了迎采巷道防冲与巷道保护的目的。     

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。     

坚硬顶板下综采面回采初期水力致裂控制技术应用

为防止回采初期坚硬顶板诱发的动力灾害,以米山煤矿15112综采面顶板赋存K2石灰岩坚硬顶板为工程背景,提出采用坚硬顶板水力致裂技术控制顶板岩层,介绍了坚硬顶板水力致裂技术基本原理,设计坚硬顶板水力致裂技术与参数。现场应用后,定向钻孔水力致裂效果明显,工作面来压步距和强度明显降低,表明了坚硬顶板下综采面回采初期水力致裂控制技术的优越性和合理性。     

煤岩体水力致裂理论及其工艺技术框架

煤岩体结构改造是解决煤矿许多技术难题的共性核心科学问题,水力致裂是实现煤岩体结构改造的有效途径.深入分析了煤岩体的结构与物理力学特性,煤岩体水力致裂的水压裂缝扩展及物理化学作用,在此基础上,提出了相应的水力致裂控制技术,并将其在煤矿中的应用进行了分析介绍.煤层的内部结构由裂缝-割理与层理-微裂隙-孔隙四级空间结构体系组成.煤层质软、瓦斯的吸附解吸效应、天然裂缝发育等因素导致煤岩体水力致裂变得复杂.煤岩体水力致裂通过水压主裂缝扩展、翼型分支裂纹扩展和吸水湿润作用,达到结构改造、强度弱化和增透等工程需要,针对不同工程3种作用的侧重点有所不同.提出了预先水力割缝定向致裂技术.提出了水力爆破致裂弱化与增透方法,在水压控制爆破后进行水力致裂,实验证明是一种增加水压裂缝数目和范围的有效方法.煤岩体水力致裂在煤矿中可以应用于坚硬顶板控制、坚硬顶煤的弱化、应力定向转移、局部集中应力解除、强度弱化减冲、含瓦斯煤层增透、煤与瓦斯突出的防治等,在实践中已取得显著功效.     

坚硬顶板工作面初次放顶水力致裂控制技术

为了使坚硬顶板能够及时垮落,采用定向水力致裂技术,得出定向水力致裂的水压裂缝扩展半径为10 m以上,最大扩展达到30 m,可成功致裂坚硬老顶;采用定向水力致裂技术后,工作面推进40 m位置,工作面垮落面积达到70%;工作面推进至45 m位置,工作面完全垮落。水力致裂前后工作面初次垮落步距由原先的68 m减小至45 m,有效改善了坚硬顶板的初次垮落,效果良好。     

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。     

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。     

砂岩顶板水力致裂技术及应用

南阳坡煤矿8704工作面顶板为粗砂岩,在回采过程中易出现悬板面积超标现象,通过增设孔底楔形槽在钻孔中注入高压水改变岩石局部的应力状态,使岩石定向断裂,同时确定水力致裂的钻孔参数。该矿运用高压水力致裂技术对顺槽顶板超前预裂,减小了端头三角区悬板面积、周期来压步距和来压强度。     

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.     

济三煤矿深孔定向水力致裂防冲技术

煤矿坚硬顶板是诱发冲击矿压的重要因素,在系统分析了济三煤矿两起典型冲击矿压发生特点的基础上,指出了济三煤矿矿压特点为坚硬顶板型冲击矿压.针对目前治理坚硬顶板技术还存在明显不足的情况,在引进波兰定向水力装备的基础上,开发了适合济三煤矿条件下的深孔定向水力致裂防冲技术.通过改进供液与送管工艺,实现了此技术的自动化与孔深限制,极大地拓展了技术的效率与安全性.在63下05与53下 07工作面进行了垂直分层与倾斜切断顶板应用,最大孔深达到了20 m,致裂半径10m以上.钻屑法监测结果显示,致裂顶板区域,钻屑量较致裂前明显减少,并均低于临界值.     

东沟煤矿143工作面端头悬顶水压预裂试验

针对新疆东沟煤矿低渗透高瓦斯B4-2煤层143综采面端头悬顶坚硬难垮、悬顶面积过大、上隅角瓦斯涌出异常等问题,开展了工作面端头悬顶水压预裂技术现场试验研究。试验表明:端头悬顶走向长度从27～30 m降为5～8 m,倾向宽度从10～15 m降为2～5 m;工作面上隅角瓦斯控制在0. 3%左右,达到安全管理要求。应用RFPA2D-Flow数值计算软件,建立了钻孔水压预裂模型,数值模拟表明:当注水压力达到24 MPa时,岩层开始起裂,随后压裂裂隙向岩体深部呈“十字”型扩展,在压裂结束后,裂隙延伸扩展长度可达到7～10 m左右;水压预裂影响范围半径可达10 m。     

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。     

煤岩体定向圆形孔楔形切槽水力压裂起裂分析研究

为了研究煤矿井下水力压裂初始裂纹起裂条件和起裂方向,在线弹性断裂力学的基础上,建立了圆形孔楔形切槽水力压裂断裂力学模型,模型切槽长度与钻孔直径接近,综合计算分析了水力压裂裂纹尖端应力强度因子。根据切槽尖端应力强度因子,运用复合型裂纹脆性断裂的最大环向拉应力理论,分析了裂纹在地应力场以及高压水下的起裂条件和起裂方向,给出了相应的计算方法。结合古书院矿15号煤的岩石力学参数和地应力场数据,计算出裂纹起裂压力17.6MPa,起裂角度12.8°。并且在古书院矿153303工作面进行了现场工业性实验,现场实际起裂压力与理论计算结果比较接近,从而验证了理论分析的可行性。     

CO_2爆破致裂技术在煤层注水工程中的应用

针对蒋庄煤矿坚硬煤层注水难的问题,为了提高注水渗透效率,引进CO2爆破致裂技术,利用瞬间释放高压气体,迫使煤层内部封闭裂隙相互沟通,形成可使水渗透到煤体内部相互关联的孔隙-裂隙网,从而起到提高煤层注水效率和软化煤层的效果。试验结果表明:采用CO2爆破致裂技术后,钻孔周边有效松动致裂范围明显增大,爆破致裂半径增加3~5m,注水后煤层含水率提高了2%,有效解决了坚硬煤层注水难的问题,从而提高了采煤效率、降低了开采过程中的粉尘率和煤机截齿的消耗量。     

坚硬顶板综放工作面水力压裂初次放顶技术研究

针对磁窑沟煤矿13102工作面顶板坚硬难以垮落的问题,设计利用水压致裂方法对切眼进行切顶卸压,并且对压裂过程中压力变化进行了监测与分析。通过分析工作面顶板垮落情况,窥视顶板裂隙发育特征,对定向水压致裂效果进行了分析评价,结果表明采用水力压裂技术治理石灰岩坚硬顶板依然有效。     

煤层定向分段水力压裂增透装置应用试验研究

煤层定向分段水力压裂技术是增加煤层透气性的有效方法,通过介绍定向分段水力压裂增透技术的基本原理,在实验室内试验了考察所研制的分段水力压裂关键装置的特性,并在淮南潘四东煤矿进行了现场工业试验,结果表明:高压封孔胶囊具有良好的膨胀性和抗收缩性,封孔效果良好,注水器的端堵扭矩在现场应用中应设定在3 N·m以上,13-1煤层的起裂压力在28～30 MPa,单段压裂10 m距离所用的时间为1 h,耗水量10～13 t,压裂时间和耗水量均远小于全孔段水力压裂工艺;实施定向分段水力压裂增透措施后,煤层的平均瓦斯体积分数提高了1.72～3.04倍,平均混合流量提高了2.00～4.04倍,平均日抽采量提高了2.94～10.87倍,能够有效增加煤层透气性。     

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。     

硬岩金属矿水压致裂矿岩预处理现场试验研究

水压致裂矿岩预处理在自然崩落法矿山中是一项非常重要的辅助崩落技术,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。本文基于在国内某铁矿山开展的水压致裂矿岩预处理工业试验,对岩石起裂压力及水力裂缝扩展范围等进行了分析。结果表明:区域岩石物理力学参数测试、地应力测试等基础工作可为水压致裂矿岩预处理试验成功开展提供支撑;岩石起裂压力随压裂深度增加呈线性增大趋势,主要受深部围岩地应力影响;该区域岩石起裂压力最大值约为31. 64MPa;基于微震定位分析得出水力裂缝近乎水平展开,当泵送流量为150L/min时的最大扩展半径可达34m。     

急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术研究

由于急倾斜煤层地质条件与开采工艺的特殊性,在采用水平分层开采方式时下部卸压煤体释放的大量瓦斯流向回采工作面造成安全问题。为了治理急倾斜煤层综采工作面底部煤体瓦斯的威胁,降低急倾斜煤层底部煤体瓦斯流向回采工作面的浓度,提出了将水射流割缝与高压水力压裂相结合,形成切槽定向致裂增透急倾斜煤层底部区域煤体的瓦斯高效抽采技术。在神新集团乌东煤矿北区+500 m水平45号煤层东翼南巷40—400 m至上分层+525 m水平进行了工程试验研究。讨论与分析了急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术的增透原理与工艺流程,制定了详细的现场工程试验方案,优选出了适用于急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术的整套工艺技术装备。研究结果表明:采用切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术增透急倾斜煤层回采工作面底部煤体瓦斯富集区域后,切槽定向致裂钻孔在注水压力为20 MPa条件下的瓦斯抽采纯量较普通瓦斯抽采钻孔提升了6.7倍,割缝钻孔瓦斯抽采纯量较普通瓦斯抽采钻孔提升了3.0倍;增透直接扰动半径约为6 m,70 d的抽采时间内影响半径已达到8 m以上。研究结果表明应用此技术治理急倾斜煤层回采工作面底部煤体瓦斯效果明显,有效保障了上分层回采工作面的安全生产。