水力压裂切顶技术在巷道超前支护中的应用研究

为了解决干河煤矿2-2092回采巷道在临近采空区影响下巷道变形严重,超前维护量大的问题,采用水力压裂切顶技术削弱岩层的整体性和稳定性,降低集中应力,以达到使巷道处于低应力区域的目的。分析临空动压对超前段巷道的作用机理及水力压裂切顶机理,并根据2-209工作面实际条件,对水力压裂有关参数进行设计,并开展工业性试验,监测数据结果对比分析表明,水力压裂后2-2092巷的底鼓量、顶板下沉量和两帮移近量降低,减小了巷道变形对掘进和回采的影响,节约了支护成本。     

基于RFPA~(2D)的不同角度穿层钻孔水力压裂技术模拟研究

为了提高水力压裂技术在一些高瓦斯低透气性煤层的压裂效果,通过理论分析与现场实测,利用RFPA~(2D)数值模拟软件,构建与煤层夹角为30°,45°,60°和90°的底板穿层钻孔的水力压裂模型,并利用RFPA~(2D)数值模拟软件对4种角度穿层钻孔水力压裂技术模拟的压裂效果进行对比研究。结果表明:未改变压裂钻孔的角度前,钻孔壁周围会有未压裂部分,钻孔角度改变后,钻孔的影响半径扩大,煤体破裂半径增大,进而增大了煤层透气性,提高了瓦斯钻孔抽采率;在本模型条件下,最佳常规钻孔压裂角度参数为45°～60°,钻孔角度在45°～60°范围之间的压裂效果较好,而且45°钻孔的卸压带最宽,影响范围较大。     

经坊煤业3-边角07工作面运输巷道水力压裂切顶卸压技术实践

针对经坊煤业3-边角07工作面巷道回采期间顶板悬而难垮,造成围岩变形量巨大、矿压显现明显的问题,采用水力压裂切顶卸压技术进行巷道顶板控制。对比工作面单侧水力压裂钻孔布置和工作面、煤柱双侧水力压裂钻孔布置对巷道围岩变形量的影响,得出双侧钻孔布置效果更优,可以更好地减少巷道变形量,降低巷道维护成本。     

不同角度穿层钻孔高压水力压裂影响范围研究

为了分析不同角度穿层钻孔高压水力压裂影响范围及压裂效果,通过理论分析及现场实测,利用RFPA2D-Flow数值模拟软件,构建与煤层夹角为17°、20°、21°和26°的底板穿层钻孔的水力压裂模型,并利用RFPA2D-Flow数值模拟软件对4种角度穿层钻孔水力模拟的压裂效果进行对比.对比结果表明:不同角度水力压裂对压裂影...     

五阳矿8006工作面分层分段水力压裂瓦斯增透试验研究

为有效提升五阳矿8006工作面瓦斯的抽采量及效率,根据该工作面瓦斯及地质赋存的具体条件,展开顶板分层分段水力压裂增透技术试验,通过具体分析分层分段水力压裂增透技术的原理及工艺流程,结合工作面的具体条件进行压裂增透方案各项参数的设计,并对压裂段钻孔段瓦斯抽采量及效率进行监测。结果表明,水力压裂区域的瓦斯抽采浓度为65%～87%,平均单孔瓦斯抽采纯量为0.10～0.14 m3/min,较未进行压裂的预抽钻孔抽采量提升2倍以上,浓度提升30%以上,能够有效的提高瓦斯的抽采量及抽采效率。     

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。     

采动影响下邻空定向钻孔整体水力压裂瓦斯抽采技术北大核心

针对采动影响下邻空定向钻孔所面临的顺煤层成孔难度大,常规措施无法实施水力压裂的难题,以黄陵二号煤矿2号煤层邻空水力压裂钻孔为研究对象,提出了“先入顶板后进煤层”钻孔布置思路,以及开孔点与见煤点距离的综合确定方法,得出开孔点与见煤点距离的最小值为71.6 m;并确定了配套的封隔器类型和孔内压裂工具组合。在209工作面回采影响区域开展了工程实践,成功实施3个“先入顶板后进煤层”钻孔的定向钻进和整体水力压裂施工:定向钻孔长度240~270 m,岩孔段开孔点与见煤点距离为105~117 m,单孔压裂段长度126~165 m,泵注压力15.2~19.0 MPa,压裂液用量248~315 m^(3)。实测水力压裂影响半径达36~54 m,压裂钻孔平均瓦斯抽采体积分数与瓦斯抽采量较压裂前提升了4~16倍和3~8倍,压裂区域内瓦斯预抽钻孔百米瓦斯抽采量是未压裂区域的2倍,且抽采体积分数大于60%的钻孔数量是未压裂区域的5.1倍。     

岩巷机掘工作面水力压裂参数优化模拟分析

为研究不同水力压裂孔布置形式对机掘工作面岩体水力压裂效果的影响,以余吾煤矿N1100-1高抽巷为背景,设计了菱形四孔式、矩形四孔式、三孔式以及两孔式4种水力压裂孔布置形式,采用FLAC^3D对这4种方案下机掘工作面岩体水力压裂前后的应力、位移以及损伤情况展开了数值模拟研究分析。结果表明：水力压裂后,机掘工作面水力压裂孔包围圈所在区域内的岩体位移最大,约为25 mm,而往周边则逐渐减小为0;水力压裂后,机掘工作面水力压裂孔附近0.1 m范围内损伤最大,而在压裂孔包围圈内损伤值都约为45%,由压裂孔包围圈往外侧,掘进面岩体损伤量则逐渐减小为0;机掘工作面上水力压裂孔呈菱形四孔布置时,水力压裂效果最好,但从钻孔数量以及最终的压裂效果考虑,压裂孔呈三角布置性价比最高。     

水力压裂试验中煤体扰动应力变化规律研究北大核心

为探究煤层钻孔在水力压裂过程中,压裂钻孔周边煤层内的扰动应力变化规律;以筠连县金钟煤矿有限公司1703采煤工作面为试验地点,在确定相关水力压裂参数的基础之上,利用KSE-2-1型矿用本安数显钻孔应力计监测压裂过程中压裂钻孔周边不同距离煤层内的扰动应力变化情况。试验结果表明:水力压裂过程中出现煤体开裂现象时,其注水压力将会出现明显的下降,相应的其单位注水量将会出现一定的上升;水力压裂过程中,由压裂液所形成的扰动应力在煤层内的传递主要以衰减为主;同时,在水力压裂影响范围内,煤层内部的扰动应力变化主要包括3个阶段:原始应力阶段、应力响应阶段和应力趋稳阶段,并且处于应力响应阶段的煤层内部扰动应力值变化呈波浪式上升。     

木瓜煤矿10-102工作面切顶护巷技术应用研究

为解决木瓜煤矿采煤工作面停采后相应区段的回风大巷变形严重的问题,通过数值模拟、理论分析等方法,确定10-102工作面合理的停采线煤柱留设宽度为70 m,采用水力压裂切顶卸压技术能够有效的减小工作面回采对大巷围岩的扰动,依据10-102工作面具体的开采技术条件设计水力压裂钻孔的参数,现场应用过程中进行工作面液压支架工作阻力和回风大巷围岩位移观测,工作面两侧的回采巷道内布置水力压裂钻孔切顶效果良好,工作面停采后,回风大巷围岩变形量有效的控制在合理的范围内,取得了很好的应用效果。     

煤矿井下大直径定向钻进技术在水力压裂中的应用

为了解决碎软、低透气性煤层水力压裂非定向顺层钻孔成孔率低、成孔后易塌孔导致钻孔堵塞和非定向穿层钻孔有效孔段短的问题,提出了将煤矿井下底板穿层梳状定向钻进技术与水力射流冲孔技术相结合的增透方案,形成一套适应煤矿井下水力压裂的大直径定向钻进技术。现场应用结果表明：该技术既解决了成孔率低和成孔后塌孔导致的钻孔堵塞的问题,又解决了钻孔有效距离短、压裂后影响范围小造成的瓦斯抽采效果差问题|抽采最大浓度平均为5.22%,抽采流量平均为4.60m3/min,日均瓦斯抽采量平均值334.81m3/d,与普通穿层钻孔抽采数据对比,压裂增透后钻孔瓦斯抽采流量提高约5.23倍。对该矿区碎软煤层条件下的瓦斯强化抽采具有较强的指导意义。     

水力压裂纵向切槽钻头的研制与试验

为解决采用常规水力压裂进行强烈动压巷道切顶卸压效果难以控制的问题,研发了一种钻孔内纵向切槽钻头,进行了一系列实验室试验和井下试验。研究结果表明,纵向切槽钻头可有效实现孔内纵向切槽,引导水力压裂主导裂缝沿切槽方向起裂和扩展,满足强烈动压巷道水力压裂切顶卸压要求,切槽效率比传统的横向切槽钻头效率提高30%~50%;何家塔煤矿井下试验表明,纵向切槽水力压裂主导裂缝沿巷道轴向起裂和扩展,扩散范围达20～30 m,起裂压力明显小于常规水力压裂的起裂压力;受工作面回采影响后纵向切槽水力压裂段煤柱应力增量相对普通水力压裂段和未压裂段明显较小,切顶卸压效果明显好于普通压裂段和未压裂段;纵向切槽水力压裂切顶卸压段工作面端头三角区悬顶长度平均3.7 m,明显小于常规压裂段和未压裂段平均悬顶长度6.2 m和8.0 m,且顶板断裂较为整齐。     

Field investigation into directional hydraulic fracturing for hard roof in Tashan Coal Mine

Research and development of safe and effective control technology of hard roof is an inevitable trend at present. Directional hydraulic fracturing technology is expected to become a safe and effective way to control and manage hard roof. In order to make hard roof fracture in a directional way, a hydraulic fracture field test has been conducted in the third panel district of Tashan Coal Mine in Datong. First, two hydraulic fracturing drilling holes and four observing drilling holes were arranged in the roof, followed by a wedge-shaped ring slot in each hydraulic fracturing drilling hole. The hydraulic fracturing holes were then sealed and, hydraulic fracturing was conducted. The results show that the hard roof is fractured directionally by the hydraulic fracturing function of the two fracturing drilling holes; the sudden drop, or the overall downward trend of hydraulic pressure from hydraulic monitoring is the proof that the rock in the hard roof has been fractured. The required hydraulic pressure to fracture the hard roof in Tashan coal mine, consisting of carboniferous sandstone layer, is 50.09 MPa, and the fracturing radius of a single drilling hole is not less than 10.5 m. The wedge-shaped ring slot made in the bottom of the hydraulic fracturing drilling hole plays a guiding role for crack propagation. After the hydraulic fracturing drill hole is cracked, the propagation of the resulting hydraulic crack, affected mainly by the regional stress field, will turn to other directions.     

WFSD-2孔二开孔斜分析及纠斜施工

汶川地震断裂带科学钻探工程WFSD-2孔钻探工程技术质量要求高,其中,孔斜及取心率尤为重要。但其上部(≤600 m)花岗岩、花岗闪长岩、变质火山岩坚硬致密,局部裂隙发育,裂隙面、小断层多且断层倾角大,易造斜,造成岩心堵塞。钻孔结构较复杂,采用大口径牙轮钻进孔斜难以控制,纠斜钻进难度大。二开(47.8～638.01 m)施工,从80～311.39 m顶角/方位角由0.7°/202.9°到5.8°/222.7°。其后,采用5LZ120×7.0L-5(0.5°、0.75°弯外管)螺杆马达纠斜。从317.43～456.12 m顶角/方位角由6.0°/228.3°纠正到0.9°/103.7°,取得了理想的效果。就孔斜及纠斜施工进行总结、分析和归纳。     

赵固二矿本煤层定向长钻孔水力压裂增透技术研究

为了提高井下低透气性煤层瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采效果,开发了适合中等偏硬低透煤层裸眼钻孔高压稳定封孔装备,采用了本煤层定向长钻孔整体水力压裂增透技术,分析了本煤层定向长钻孔水力压裂增透机理,并进行了水力压裂强化增透试验。根据压裂施工过程中压裂参数变化规律,利用压裂前后煤层全水分和钻孔瓦斯参数变化对比,综合考察和评价了水力压裂增透效果和影响范围。研究表明：压裂过程中最大注水压力24.6MPa,发生多次明显压降,最大压降5.2MPa。水力压裂增透后,煤层瓦斯日抽采纯量提高了12.70倍,百米钻孔瓦斯抽采量提高了2.67倍,压裂最大影响半径达到了 38m,平均超过30m,提高了瓦斯抽采效率。     

水力压裂影响范围数值模拟研究

为了对水力压裂措施压裂煤层裂缝的起裂效果在直观上有一个感性的认识,采用RF-PA2D-Flow软件对平煤集团十矿己15-31010工作面进行数值模拟。模拟软件清晰地展现了水力压裂时裂缝的起裂、扩展和延伸的过程,并且通过对抽采孔和压裂孔孔间距分别为5、6、7 m时进行数值模拟,模拟结果表明:煤体经水力压裂后,透气性发生了明显的变化,透气系数增大到4～6倍左右,最高能增大到近10倍,增透效果明显,另外还表明:在煤体硬度、水压、钻孔直径等因素一定的条件下,水力压裂的影响范围是一定的。     

碎软低渗高突煤层井下长钻孔整体水力压裂增透工程实践

针对阳泉矿区碎软低渗高突煤层开展了井下长钻孔整体水力压裂增透技术的工程试验研究,工程实现了井下一次性整体压裂煤孔段长度达307 m,单孔注入水量达1 510 m3,最大注水压力达26.09 MPa。效果检测表明钻孔压裂影响半径最大达58 m,压裂后煤层透气性系数提高了2.67倍,百米钻孔瓦斯流量衰减系数降低了55%,230 d内钻孔日抽采纯甲烷1 395~2 810 m~3,平均2 173 m~3,钻孔累计抽采纯甲烷50.86×10~4m~3,抽采瓦斯浓度为49.38%~83.70%,平均64.31%。分析认为:水力压裂能改善煤层裂隙和孔隙的连通性、降低煤层有效应力、提高煤层渗透率,注水能促进煤层瓦斯从吸附态向游离态转化,是煤层压裂后钻孔高效抽采瓦斯的关键,依据填砂堵缝压裂技术原理提出了碎软低渗煤层长钻孔整体水力压裂煤层裂隙开启、扩展和延伸机制。工程试验成果及认识可为井下长钻孔整体水力压裂增透高效抽采瓦斯提供借鉴。     

水力压裂技术在矿井瓦斯抽采中的应用研究

为了研究水力压裂技术在矿井瓦斯抽采中的应用,以41011工作面为例,根据矿井实际地应力参数信息,设计了压裂孔和导向孔钻孔布置,介绍了组合式封孔工艺,分析了水力压裂的主要设备为管路系统、辅助系统、控制装置和动力装置。研究得出,当采取水力压裂技术后,钻屑瓦斯解吸指标K₁明显下降,降低了工作面的危险性,压裂孔的平均瓦斯抽采纯量和平均抽采浓度分别提高了2.2倍和2.6倍。研究为后期瓦斯治理提供了技术支持。     

顶煤预制裂隙定向水力压裂研究

为改善厚硬顶煤冒放性和工作面作业环境,提出顶煤预制定向裂隙水力压裂技术。利用理论分析研究了定向压裂基本原理,分析了钻孔和裂隙的受力模型,得到裂隙的起裂条件、扩展过程及其形态。利用RFPA2D-Flow渗流软件研究顶煤定向压裂规律:在压裂起始阶段,定向裂隙尖端出现高应力集中现象,在钻孔和定向裂隙两面形成卸压区,且随着注水压力的增大逐渐扩大;钻孔和定向裂隙周围形成高水压区,且随着注水压力的增大逐渐扩大。压裂初期煤体发生剪切破坏,压裂后期出现大量拉伸破坏。定向裂隙倾角α介于0°~60°时,裂隙尖端首先起裂、扩展,然后发生转向;当倾角α=75°和α=90°时,裂隙沿最大水平主应力方向扩展。     

Experimental test of directional hydraulic fracturing technique

The article reports the data of a lab test of directional hydraulic fracturing carried out on a block made of organic glass. A fracture across a hole is created by means of additional shearing stress applied to the hole walls within the interval of the fracture. It is found that seismic emission under hydraulic fracturing appears after the fracture completion.