水力割缝空间分布模式对煤层卸压增透的作用规律

水力割缝技术是实现煤层卸压增透的有效手段,目前由水力割缝技术形成的致裂裂缝空间分布模式对煤层卸压增透的作用规律尚不明确。本文采用颗粒流模拟方法(PFC2D)对内含不同角度单缝及不同空间排布方式多缝的煤体开展了单轴压缩数值模拟试验,针对水力割缝周围微裂缝大量发育与连通促使煤层卸压增透的物理机制,提出了评价煤层割缝卸压增透效果的2个指标:加载过程中微裂缝显著产生时的单轴应力门限(σγ)与多条割缝的连通性。其中,σγ越低、多条割缝的连通性越强,割缝间的微裂缝越容易在低应力条件下形成并相互连通,割缝的卸压增透效果越好。模拟结果表明,单条割缝与煤体边界最大主应力方向夹角(α)呈90°时γ最小(3.2MPa);2条割缝(α为90°)排布方向与煤体边界最大主应力方向(割缝排布角β)呈45°时,水力割缝间具有最高的连通性与较低的应力门限(σγ为2.4 MPa);3条割缝(α为90°且β为45°)呈折线型交错排布模式时,割缝间的连通程度最高,且σγ较双割缝进一步降低了16.7%。通过上述模拟结果,确定了有利于煤层卸压增透的割缝最优空间分布模式,即α为90°的多条割缝以45°的排布角(β)交错分布。     

水力冲孔钻孔周围煤层透气性变化规律

为了研究水力冲孔钻孔周围煤层透气性变化及分布规律,基于煤层实际赋存条件,采用压力法和含量法对水力冲孔卸压范围进行了现场试验考察。采用RFPA2D-Flow软件模拟分析了水力冲孔钻孔周围煤体应力及透气性变化规律。结果表明：受水力冲孔的影响,孔洞周围形成了半径为5.0~6.0 m的卸压范围,卸压范围内应力在0.038~6.545 MPa之间,在距被考察孔6.8 m处,出现应力集中现象,最大主应力为15.85 MPa,与现场考察结果基本一致。孔洞周围煤层透气性的分布规律与主应力变化趋势相一致。距卸压区域距离不同,煤体最大主应力不同,越靠近孔洞的区域,应力和瓦斯压力下降幅度越大,煤层透气性系数也就越大。     

主应力对弱胶结软岩马头门围岩稳定性影响

以弱胶结围岩条件下马头门为工程背景,采用岩石力学实验、理论分析和数值模拟等技术手段,研究了主应力大小和方向对马头门顶板、底板和两帮围岩变形规律的影响及最大主应力区的分布特征。研究结果表明:随?和H的增加,马头门围岩的最大位移值和应力扰动区深度呈线性增加,围岩变形受侧压力系数影响程度表现为两帮底板顶板;马头门布置最危险的走向并非与最大水平主应力垂直,而夹角?在20°与60°时马头门顶板围岩应力集中系数最大,夹角?=0°时,马头门围岩相对最稳定,围岩变形量受夹角变化影响程度表现为顶板底板两帮;马头门围岩变形、应力分布及应力集中程度受马头门断面形状的影响显著,夹角?与应力集中系数呈非线性关系。根据研究结果对马头门的支护结构进行设计优化。     

下保护层开采上覆煤岩体采动效应及卸压范围扩界研究

基于FLAC3D数值模拟方法,研究了下保护层开采上覆煤岩体的采动效应,得出下保护层开采上覆煤岩体的应力分布特征、位移变化规律和被保护层的卸压范围。研究结果表明,上覆煤岩体卸压程度、应力集中程度和卸压范围均与层间距有关,层间距越大,卸压程度和应力集中程度均越小,最大应力集中位置越倾向于采空区,相应的卸压范围也越小。从应力应变和瓦斯流动角度,将被保护层进行了划分,并对上覆煤岩体的水平移动规律进行了总结。工程实践表明,在非充分卸压区施工密集钻孔,经较长时间的强化抽采,可消除非充分卸压区的突出危险性,达到被保护层扩界的目的。     

下保护层开采上覆煤岩体采动效应及卸压范围扩界研究

基于FLAC3D数值模拟方法,研究了下保护层开采上覆煤岩体的采动效应,得出下保护层开采上覆煤岩体的应力分布特征、位移变化规律和被保护层的卸压范围。研究结果表明,上覆煤岩体卸压程度、应力集中程度和卸压范围均与层间距有关,层间距越大,卸压程度和应力集中程度均越小,最大应力集中位置越倾向于采空区,相应的卸压范围也越小。从应力应变和瓦斯流动角度,将被保护层进行了划分,并对上覆煤岩体的水平移动规律进行了总结。工程实践表明,在非充分卸压区施工密集钻孔,经较长时间的强化抽采,可消除非充分卸压区的突出危险性,达到被保护层扩界的目的。     

不同卸压孔劈裂角度的硬岩岩爆局部解危效应

针对岩爆局部解危,分别开展了基于室内试验和现场尺度的不同卸压孔劈裂角度和无劈裂情况下的FLAC~(3D)数值模拟,结果表明,同条件下,在卸压孔及劈裂缝的周围,0°劈裂缝的围岩变形不均匀性最大,最易通过局部损伤破裂耗散能量,90°劈裂缝和无劈裂缝情况的围岩变形不均匀性最小,几乎接近均匀,难于通过局部损伤破裂来耗散能量;劈裂角度为0°～45°时,塑性区从劈裂缝尖端部开始萌生,并沿最大主应力方向扩展发育,在形态上呈共轭状分布,在沿卸压孔轴线方向(y轴方向)上,塑性区从临空面向孔底部呈近似锥状收缩,即从孔底到围岩临空面,塑性区范围不断增大,随着劈裂角度的增加,围岩塑性区范围随之减小;垂直于最大主应力方向的卸压孔劈裂缝解危效果最好,现场施工与最大主应力方向相垂直的卸压孔劈裂缝,根据现场围岩表面的破裂演化情况来综合确定临空面完整性系数,根据现场施工的卸压孔深度,可大致确定卸压孔劈裂解危深度。     

长壁开采三顺槽矿压特征数值模拟研究

采用数值模拟方法,研究长壁开采条件下三顺槽在不同开采阶段围岩的应力场分布和帮部支承压力分布特征.研究结果表明:三顺槽掘成后,所有顺槽帮部越靠近中间顺槽,破坏区域越大,应力集中系数也越高;上区段工作面回采后,所有顺槽帮部越靠近上区段工作面,破坏区域越大,应力集中程度越高;下区段工作面回采后,越靠近中间顺槽,破坏区域越小,相应的应力集中程度也越小.     

王庄煤矿740水平地应力测试研究

针对王庄煤矿地质构造情况,采用小孔径水压致裂地应力测量装置,对740水平进行地应力测试。结合矿井区域地质构造和煤岩层赋存条件,分析了该水平地应力的特点。研究表明,该研究区域的地应力基本上是由自重应力和水平构造应力构成,构造应力在地应力中所占比重大于自重应力;最大主应力在近水平方向,最大水平主应力方向主要集中在N42.0°W～N59.2°W之间,最大水平主应力与巷道的夹角近似超过45°。     

巷帮爆破卸压效果数值模拟研究

以华丰煤矿为工程背景,运用数值模拟,建立了数值模型,研究了深部岩石巷道帮爆破卸压效果,分析了巷道埋深、炮孔长度对爆破卸压效果的影响。研究结果表明,爆破卸压改变了围岩应力分布特征,使围岩应力集中程度降低,达到了爆破的目的;埋深越大,爆源附近产生的裂隙越大,损伤范围越大,能量损失越多,卸压效果越明显;炮孔长度越小,巷旁围岩损伤越明显。     

深部高应力巷道开挖方向对稳定性影响分析研究

在阿舍勒铜矿深部不同中段选取3个测试点,采用套孔应力解除法进行了现场地应力测试分析,准确确认深部岩体处于较高地应力状态。采用数值模拟计算方法,计算得出最大主应力与巷道轴线夹角分别为0°、30°、60°、90°时的巷道围岩位移场、应力场和塑性区云图,分析了深部高应力巷道开挖方向对其稳定性的影响,得出了高应力巷道开挖时,巷道布置方向与最大主应力方向夹角在30°以内时,高地应力对巷道稳定性影响较小的结论。     

单一煤层钻孔割缝卸压增透的非连续变形分析（DDA）模拟

为了进一步研究“钻-割-抽”一体化技术的卸压效果,以非连续变形分析为手段,并引入大变形理论对DDA源程序进行了二次开发,建立煤层钻孔割缝的数值模型,对煤层钻孔割缝的卸压效果进行分析,进一步解释了工程中的“瓶塞效应”机理;考察了缝槽的高度、宽度以及构造应力对卸压效果的影响,指出相对于缝槽高度,缝槽宽度的变化对卸压效果的影响可以忽略;构造应力的增加,使卸压效率降低,应增加割缝的高度。此外,还给出了多个缝槽切割后煤层应力释放情况。     

高压水射流割缝及其对煤体透气性的影响

基于高压水射流割缝卸压增透技术,对割缝后瓦斯抽采和煤体透气性的变化进行了研究;分析了地应力和瓦斯压力对煤体透气性的影响;根据现场实际割缝工艺建立模型,采用FLAC软件模拟计算了割缝煤体卸压影响范围的变化特性;采用相似物理模拟实验的方法建立相似模型,测定煤体在割缝卸压变化过程中透气性的变化规律;并进行了现场试验验证与应用。研究表明：高压水射流割缝后煤体周围会产生卸压,煤体透气性随割缝卸压影响而增大;现场试验结果显示,割缝后煤体透气性增大至原来的113倍,抽采有效影响半径扩大1倍。     

水力割缝增强掘进工作面煤体卸压效果研究

为能提高低渗透煤层的透气性,减少瓦斯突出灾害,采用高压水力割缝技术,对掘进工作面的煤体进行水力割缝,通过割缝增大煤层的卸压范围;采用FLAC3D对选取模型进行数值模拟计算和多种割缝高度的方案分析,最终确定掘进工作面及两帮煤体很好卸压时所需切割的有效割缝高度.     

地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气探讨

为了提高深部煤层气储层压降效果,针对深部煤层储层压力大,地应力高,渗透率低等特点,基于切割卸压提高储层渗透率原理,综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的方法。地面定向井+水力割缝卸压方法主要包括地面定向钻井和分段水力割缝2个过程。该方法增渗增产原理为:定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统,高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙,增加导流通道数量与连通性;水力切割产生的多组缝槽形成卸压空间,利用地应力变化增加裂隙张开度,促进储层压力释放。相比常规水力压裂而言,该方法更有利于形成网格化流体运移通道,扩大煤层卸压范围和卸压程度,强化煤层气解吸扩散。而且,能够避免水力压裂过程中地应力向煤层深部传递以及压裂液注入造成的储层伤害,因而适用深部煤层气储层复杂地质条件下的增产改造。鉴于地面工况条件与矿井下工况条件的差异,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法开发深部煤层气需要解决的关键技术问题,包括水力缝槽参数控制,固相颗粒的返排,定向井完井与水力割缝匹配性,以及高压流体传输动力损失。地面定向井+水力割缝卸压方法在非常规天然气开发以及深部煤炭...     

基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术及应用

针对我国高瓦斯煤层赋存特点及目前煤矿区域瓦斯治理过程中存在的问题,采用理论研究、数学建模和现场测试相结合的方式,研究了基于区域瓦斯治理的高瓦斯低透气性煤层卸压增透技术及改善瓦斯流动与解吸方式,建立了高压射流割缝卸压范围内瓦斯流动毛细管模型,并且通过对割缝主体影响区、边界影响区消突时间的对比分析,得出了割缝影响区内任一点消突的判据和割缝卸压范围内整体消突时间。最后,结合笔者多年从事瓦斯抽采的研究和科研成果,提出了基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术,开发了相应的配套设备和材料,在国内有关矿井进行了应用。应用结果表明,该技术可显著提高抽放钻孔的单孔有效影响范围,减少区域瓦斯治理需要的钻孔数量,缩短区域抽采时间,提高区域抽采效率。     

割缝与压裂协同增透技术参数数值模拟与试验

针对古汉山矿低透气性煤层穿层抽采钻孔卸压不充分的问题,提出了割缝与压裂协同增透技术,基于弹性断裂力学和Biot经典渗流力学理论,采用数值模拟的方法,分析了割缝钻孔与压裂钻孔协同布置时不同条件下压裂裂缝扩展规律,确定割缝钻孔与压裂钻孔水平距离为4 m时压裂效果较好,缝槽相对于水平方向的倾角应避免为45°,割缝钻孔形成的缝槽可以控制压裂裂缝的扩展方向,裂缝影响范围内应力由约8 MPa下降至4 MPa以内。现场试验表明,距割缝钻孔2 m以内的煤体发生了位移,协同割缝钻孔的瓦斯抽采纯量是割缝钻孔的2.3倍,是普通钻孔的7.8倍,协同压裂钻孔的瓦斯抽采纯量是压裂钻孔的2.1倍,普通钻孔的5倍,瓦斯抽采效率显著提高。     

高压水力割缝在快速石门揭煤中的应用研究

针对新维煤矿的地质条件,提出了高压水力割缝提高石门揭煤过程中瓦斯抽放量的方法,设计了水力割缝技术施工方案,并进行了卸压增透效果的跟踪考察。研究结果表明,在新维煤矿设计的水力割缝钻孔位置合理,措施实施后直接扰动煤体直径提高9倍以上,直接扰动煤体体积提高68倍以上,显著减少措施工程量且钻孔的瓦斯总平均单孔纯流量达到13.7 L/min,有效扩大了煤体的卸压区域,提高了煤体中瓦斯的渗流,大大降低了石门揭煤过程中的突出危险性。     

高压水射流割缝参数试验研究

高压水射流割缝是一项能够有效提高煤层透气性的卸压增透技术,卸压增透效果与高压水射流割缝参数密切相关.为了研究适合长平矿的高压水射流割缝参数,本文设计并施工了水射流割缝压力、割缝间距、割缝时间的试验钻孔,通过现场试验数据分析,研究了割缝压力、时间、间距与割缝效率以及瓦斯抽采效果之间的关系.研究结果表明:适合于长平矿的割缝压力为70 MPa^80 MPa较为合理,割缝时间4 min左右,割缝间距为1 m^1.5 m为宜.     

高压水射流环切割缝自卸压机制与应用

为解决深部矿井低透气性煤层瓦斯抽采难题,针对穿层钻孔提出了高压水射流环切割缝煤层自卸压增透技术。通过瓦斯流动理论分析普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动模式,分别建立了普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动微分方程,获得了高压水射流环切割缝自卸压技术改善煤层瓦斯流动机制;采用FLAC3D软件建模分析高压水射流割缝后钻孔周边煤体应力演化规律,基于煤体卸压程度及塑性区分布特征,确定了穿层钻孔合理化割缝参数;通过底板穿层钻孔高压水射流环切割缝技术现场考察,环切割缝后煤层变形量达到0.136%,煤层透气性系数较原始状态提高了42倍,瓦斯抽采纯量相较普通钻孔提高3.44~5.32倍,同等条件下煤层抽采半径提高了1倍以上。理论研究与现场试验均表明,采用高压水射流切割在煤层内部形成环形缝槽,能有效改善钻孔煤体应力状态,增加煤层渗透性,提高瓦斯抽采效率。     

焦作矿区深孔定向预裂割缝技术研究

为了研究工作面切顶卸压工程中深孔定向爆破割缝关键技术,对焦煤集团多个工程地点的切顶卸压工程进行了研究和分析,研究了双向薄壁点状聚能管、双向常规点状聚能管、双向常规线状聚能管及半圆形聚能管的特性,并确定了最优聚能管形式,制作了加工模具。结果表明,聚能管定向预裂爆破,利用切缝管对能量的导向作用进行割缝,是目前比较适应焦煤集团地质情况的深孔爆破定向割缝理论和方法,“双向常规线状聚能管”模具的研制,能够有效解决加工改造聚能管的瓶颈问题,使用方便,操作简单。工作面开切眼实施深孔预裂爆破后,开切眼产生大量裂隙,实现了顶板预裂的目的,有效地降低了综采面基本顶初次来压的强度,在工作面运输巷实施的顶板预裂爆破工程,对采面压力也产生了积极的影响。