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。     

水力压裂控制综放工作面初次垮顶试验研究

为了解决综放工作面基本顶初次垮落步距较大的问题,理论分析了综放工作面基本顶初次垮顶步距影响因素,并在漳村煤矿2306工作面采用水力压裂技术进行初采预裂现场试验,通过监测煤体钻孔应力、超前支撑段巷道变形、工作面支架活柱压力及工作阻力及对比分析压裂前后钻孔围岩结构,得出以下结论:压裂后,顶板围岩破碎度及裂隙发育明显扩大,压裂破坏了顶板围岩的完整性,有效弱化了顶板岩层;钻孔应力计监测得出,水压预裂效果良好,能够有效减小工作面超前支承应力;表面围岩监测发现巷道变形量很小,两帮及顶底板移近量无变化;支架活柱压力及支架工作阻力连续监测得出压裂后工作面基本顶初次垮落步距为15.6 m,比类似条件工作面爆破预裂效果提前6 m。水力压裂控制综放工作面初次垮顶技术具有工程量小,安全性高,施工速度快,控顶效果好等特点,能有效解决坚硬顶板综放工作面基本顶初次垮落步距较大、支架压力大的问题。     

厚层坚硬顶板定向水力压裂强制放顶技术研究*

针对厚层坚硬顶板工作面初采期间顶板大面积悬空,初次来压步距大,矿压显现强烈,易诱发冲击地压等动力灾害的问题,依据定向水力压裂技术原理,研发了定向水力压裂成套装备,制定了顶板定向压裂施工工艺;结合西部矿区厚层坚硬顶板条件,分析注水压力、压裂层位、钻孔间距等关键参数,开展了3104工作面初采期间定向水力压裂工程实践,并通过实测顶板垮落情况和分析支架阻力,检测了实施效果。结果表明,直接顶初次垮落步距约11 m,初次来压步距平均值为31.8 m,与未处理顶板相比,初次来压步距减少了62.6%,初次来压时,矿压显现较类似工作面大幅减弱,避免了厚层坚硬顶板的大面积悬空,保证了工作面安全回采。     

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。     

煤矿井下定向钻孔水力压裂岩层控制技术及应用

水力压裂技术在煤矿坚硬、完整顶板岩层弱化及高应力巷道卸压方面得到越来越广泛的应用。以陕西曹家滩煤矿特厚煤层综放开采工作面、特厚稳定顶板岩层为工程背景，开展了顶板岩层地质力学测试、可压性试验，水力裂缝扩展理论分析及三维数值模拟，提出井下工作面定向钻孔区域水力压裂顶板层位、压裂钻孔布置与参数确定方法及压裂工艺。在井下进行了工业性试验和系统的地面微震实时监测，获得了顶板水力压裂裂缝空间展布特征。同时，进行了液压支架工作阻力，工作面周期来压步距及持续距离，来压动载系数及顶板岩层破断能量监测与分析，综合评价了水力压裂效果。初步建立了集压裂层位确定与参数设计，井下定向钻孔压裂工艺与装备，水力裂缝空间展布监测与压裂效果综合评价为一体的煤矿井下定向钻孔水力压裂成套技术。井下试验结果表明：在曹家滩煤矿井下地应力状态下（最小主应力为垂直应力），水力裂缝以水平裂缝为主，沿钻孔两侧扩展平均距离为80 m左右，有效弱化了工作面范围内上覆坚硬、完整顶板，实现了区域顶板改造。压裂区域工作面强矿压显现显著减弱，确保了工作面安全生产。最后，分析了水力压裂存在的问题，展望了技术发展方向。     

游仙山煤矿工作面端头悬顶水力压裂技术及应用

针对游仙山煤矿顶板较坚硬,工作面端头悬顶难以垮落的问题,提出采用水力压裂技术对坚硬悬顶进行预裂切顶,保证工作面上下隅角及时垮落。研究表明：该技术通过对工作面端头坚硬顶板进行定向分段水力压裂,使悬顶岩层内裂隙发育程度增加,在工作面采动应力的作用下能够及时垮落。井下试验及矿压分析结果表明,采用该水力压裂技术后,工作面端头悬顶面积均保持在5 m²以下;另外,工作面端头的矿压显现也明显缓和,端头支架的工作阻力最大降低了26.6%,周期来压步距平均降低了28.4%,取得了良好的应用效果。     

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。     

坚硬顶板回采工作面水力压裂控顶技术研究

为了解决坚硬顶板回采工作面开采时面临的顶板垮落困难、垮落步距大、矿压显现明显等问题,根据6508回采工作面地质、开采条件采用水力压裂技术对顶板进行压裂,并对压裂后的顶板垮落、来压情况以及初次来压步距等进行分析。结果表明:水力压裂后的采面初次来压步距平均在44.5m,较采用预裂爆破技术来压步距缩短8m,同时避免预裂爆破带来的安全隐患大、爆破动压明显等问题,具有施工安全、工作量小、施工速度快、顶板控制效果显著等优点,可以有效解决坚硬顶板工作面顶板难垮落问题,为矿井实现高效开采创造良好条件。     

水力压裂技术在综采工作面初放顶板控制中的应用

结合大柳塔煤矿12316综采工作面初采期间使用水力压裂控制顶板的技术研究和应用实践,通过井下试验、现场写实、实践验证相结合的方法,研究了水力压裂对顶板岩层的弱化及初次垮落的作用。结果表明,采用水力压裂控制采空区顶板期间,工作面老顶初次来压步距为36 m,要比强制放顶缩短5 m。更重要的是,采空区顶板初次垮落期间未形成冲击,未对工作面产生影响,实现了工作面初采安全,达到了预期的控顶效果,为今后在大柳塔煤矿其他综采工作面的推广应用提供了实践基础。     

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。     

榆神矿区工作面稳定难垮岩层水力预裂控制技术及应用

基于水力压裂裂缝计算力学模型与矿井水力压裂煤岩体改性技术工艺,开展稳定难垮岩层水力预裂弱化治理技术研究,并在榆神矿区进行应用。分析榆神矿区稳定难垮岩层特点,通过工作面回采前预先压裂弱化顶板岩层,减小工作面初次和周期来压步距,降低工作面采空区顶板来压显现程度,有助于防止工作面煤体片帮、减小支架工作阻力和巷道变形。井下实践表明,水力预裂是工作面稳定难垮顶板弱化安全、绿色的技术手段,采空区顶板能够分层次逐步、及时垮落,解决了综采面采空区顶板控制问题,提升矿井工作面顶板管理水平。     

高压水力压裂技术在综放工作面初采放顶中的应用

针对12204工作面初采期间老顶来压不及时,采空区出现大面积悬顶,经常出现瓦斯积聚超限且给顶板管理带来极大安全隐患等问题,提出利用高压水力压裂技术方案处理坚硬顶板不及时垮落问题。12204工作面采用高压水力对切眼顶板岩层逐层进行分割、压裂后,破坏了岩层的整体稳定性,使其强度大大降低。采用高压水力压裂技术处理顶板后,工作面初次来压步距比原工作面老顶初次来压步距缩短了36.6m,工作面回采过程中顶板能够实现随采随落。通过理论计算分析和现场实践结果表明,达到了预期效果。     

深孔预裂爆破与水力压裂技术的工业性对比试验

为解决坚硬难垮顶板的技术难题,采用深孔预裂爆破与水力压裂技术分别进行工作面初次放顶的工业性对比试验。试验结果表明:深孔预裂爆破技术通过强制放顶的爆落煤岩块基本可以充满支架后的采空区,有效减弱顶板初次来压时的动载冲击作用,避免飓风的形成,但安全性较差,易产生大量有毒有害气体;定向水力压裂技术通过优化施工设计可有效弱化工作面顶板岩层,破坏顶板完整性,使得顶板能够在工作面推进过程中分层分次及时垮落,有效减弱顶板来压对工作面支架的冲击。     

水力压裂在张家峁煤矿初次放顶中的应用

针对张家峁煤矿顶板坚硬、初次来压步距大、来压强度大的特点,设计实施了水力压裂弱化顶板方案。压裂效果表明:经过水力压裂后,有效的弱化了顶板,使坚硬顶板分次、分层及时逐步垮落,初次来压强度小,来压步距30 m,有效的保障了工作面设备以及人员安全。通过电子窥视仪观测表明,水力压裂可有效的促使岩层中的裂隙发育,起到了较好的压裂效果。     

定向水力压裂技术在晋城矿区坚硬顶板中的应用

针对晋城矿区15#煤顶板致密坚硬、强度高,不能随工作面回采及时垮落的问题,以15#煤坚硬K2石灰岩顶板为研究对象,运用定向水力压裂技术致裂顶板,通过理论分析、数值模拟与现场实践,结果表明:水力压裂裂纹扩展方向趋向于垂直最小主应力方向;定向水力压裂后,工作面顶板初次垮落步距与周期来压步距有所减小,且来压强度低,与爆破法相比,有明显改善;工作面巷道两帮移近量与顶底板移近量控制在安全使用范围之内,与爆破法相比,变形量有较大幅度减小;工作面上隅角顶板悬顶面积大大减小,解决了瓦斯积聚带来的安全隐患。     

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。     

寺河煤矿薄煤层综采面坚硬顶板控制技术研究

为避免开采初期工作面出现大面积悬顶,威胁井下人员、设备安全,以寺河煤矿94316综采工作面坚硬顶板为工程背景,比较分析深孔预裂爆破和定向水压致裂两种顶板劣化技术的机理和使用条件,确定采用水压致裂对工作面顶板进行劣化,并设计了实施方案和工艺。水压致裂施工完成后,支架工作阻力和顶板来压步距均大幅降低,表明采用定向水压致裂方式对坚硬顶板劣化效果显著。     

青龙寺煤矿5-20109工作面覆岩垮落规律研究

针对青龙寺煤矿顶板岩层与开采工作面特点,分析了水力压裂处理后对工作面覆岩垮落规律的影响。以青龙寺煤矿5-20109工作面砂岩顶板为研究背景,分别建立了初次来压和周期来压力学模型,并在此基础上建立了FLAC^3D数值模型,分析了有无卸压条件下的顶板破断垮落特征。研究结果表明:工作面进行初采水力压裂后,其周期来压步距与未采用卸压基本保持不变,而初采来压步距则可减小将近20%,有利于减小支架的工作阻力;液压支架出现最大位移的时间节点要比无初采水力压裂下提前约4 m,而最大值则可减小35.6%,有效降低了初采段顶板的悬顶长度。     

坚硬直接顶综采工作面矿压显现规律研究

本文以四台矿81204坚硬顶板综采工作面为背景,通过理论分析和现场实测的方法,计算了坚硬顶板综采工作面的初次来压与周期来压步距,监测得到了坚硬顶板综采工作面支架工作阻力变化及来压步距特征,揭示了坚硬顶板综采工作面的矿压显现规律,主要得到如下结论：1）理论计算得到坚硬顶板综采工作面的初次来压与周期来压步距分别为43.7m和17.8m,明显大于非坚硬顶板综采工作面的初次来压与周期来压步距,且实测来压步距与理论计算的来压步距偏差不大;2）工作面中部的初次来压步距明显大于工作面两端。坚硬顶板初次来压期间,坚硬顶板在最大弯矩的作用下率先在两端发生破断;3）工作面中部的周期来压步距明显大于工作面两端。坚硬顶板周期来压期间,坚硬顶板会发生顶板的“O-X”型破断;4）坚硬顶板综采工作面来压期间,支架工作阻力均未超过35.2 MPa,81204坚硬顶板综采工作面顶板控制效果良好。     

综放工作面端头悬顶水力压裂治理技术研究

为解决王家岭煤矿综放工作面端头悬顶难垮问题,依据顶板岩层力学性质和赋存特征,采用数值模拟手段研究综放工作面矿压显现规律,揭示综放工作面端头悬顶机理并提出相应的治理技术。研究结果表明:水力压裂可定向压裂顶板岩层,从而削弱顶板的强度及完整度,使采空区顶板分层分次垮落,缩短初次来压和周期来压步距,端头悬顶面积小于10 m~2,减小甚至消除了坚硬难垮顶板给工作面安全回采带来的威胁。