综采工作面厚硬顶板预裂爆破技术研究

厚硬顶板工作面高强度来压致灾事故频发,为保证该类工作面的安全回采,以九里山煤矿为工程背景,分析了切顶卸压对厚硬顶板来压特征造成的影响。14141工作面受大落差断层的影响,厚硬顶板的高强度来压极易造成断层活化,导通底板灰岩含水层和回采工作面造成断层突水事故;从能量角度解释了预裂爆破切顶措施造成工作面来压步距减小的内在机理,爆破裂隙的产生减小了基本顶破断时所需的内力耗散功率,导致基本顶极限跨距减小,来压期间的支架阻力同来压步距成正比,切顶卸压可有效降低工作面来压强度;14141工作面采用在开切眼沿工作面倾斜方向布置爆破钻孔,在运输巷沿走向布置钻孔的预裂爆破措施,现场检测表明:爆破后可在开切眼和运输巷顶板分别形成沿倾向和走向的垂直破坏面,同相邻工作面相比,14141工作面来压步距减小、来压强度明显降低,保证了该工作面的安全回采。     

特厚煤层卸压综放开采顶煤破碎及运移规律实验研究

为了实现20m以上特厚煤层的安全高效开采,提出特厚煤层卸压综放开采技术。采用60∶1的大比例相似模拟实验方法,研究20m以上特厚煤层卸压综放开采顶煤垮落破碎及运移特征、顶煤位移场和矢量场演化特征、支架阻力的影响等。研究结果表明:卸压开采阶段,顶煤顶板垮落空间形态呈近似梯形,支架上方台阶状顶煤悬臂梁结构的破断和失稳具有周期效应,上位顶煤位移中位顶煤位移下位顶煤位移,基本顶初次来压后出现切顶压架事故。综放开采阶段,短悬臂梁结构最终破碎成散体结构,且中位顶煤的总位移大于上位顶煤。由于支架的支撑作用,下位顶煤中产生明显的竖直裂隙,受支架影响的顶煤厚度约为10cm。顶煤位移场、矢量场演化特征和实验结果一致。为我国20 m以上特厚煤层开采技术开发奠定了理论基础,具有重大科学意义与应用价值。     

大采高采场覆岩破断演化过程及支架阻力的确定

基于煤岩体"强度参数-应力环境-节理弱面"破坏控制条件研究了大采高采场覆岩变形破断特征,并通过室内试验再现采动引起覆岩破断后运动演化过程,最后根据顶板结构形态对支架工作阻力确定方法进行了理论分析。研究表明:覆岩薄弱岩层冒落取决于层间离层裂隙的发育范围,基本顶表现出固支梁变形破坏特征,断裂线位置则取决于剪切错动裂隙的发育范围;软弱岩层中受拉应力区贯通分布,坚硬岩层中呈孤岛式分布,分布形态同离层和剪切错动裂隙的发育范围相关;层间拉伸张开型裂缝则呈小范围正梯形滞后工作面发育,剪切闭合型裂缝呈大范围倒梯形超前工作面发育;大采高采场下位基本顶破断后形成单关键块结构,更高位基本顶可形成静定三铰拱结构,采场顶板控制关键为前者的稳定性;以单关键块结构形成条件为基础给出直接顶范围确定方法,基于能量守恒原理、直接顶性质提出顶板压力确定公式,直接顶力学参数对其影响程度依次为:黏聚力塑性模量内摩擦角。     

水泥环厚度及力学参数对其应力的影响

固井水泥环厚度是否合理关系到注水泥施工效率和固井质量,同时后期水泥环的力学性能也将会影响到层间的长期有效封隔,因此有必要研究水泥环厚度及力学参数对其应力的影响规律,分析水泥环的厚度敏感性,优化水泥环力学参数。借助弹性力学理论,对水泥环的应力状态进行了分析研究。研究结果表明,内壁处周向应力最大,是其危险应力;最大周向应力随水泥环厚度增大将减小,但其梯度在水泥环厚度小于25.4mm时较大,之后随水泥环厚度增大,最大周向应力梯度逐渐减小直至几乎不变。对于厚度一定的水泥环,其弹性模量越大,周向应力越大;泊松比越大,周向应力越小。该研究结果对水泥环厚度及水泥浆配方的优选有一定的指导意义。     

遇油气膨胀封隔器在智能完井系统中的应用

遇油气膨胀套管外封隔器可辅助、增强水泥环对地层的封隔或直接代替水泥环对套管与地层之间的环空进行封隔。这种封隔器的橡胶具有自愈合能力,可将智能完井系统中的控制线、传输线预先埋入封隔器胶筒中而不需要切割、拼接,这样既节省时间又增加系统的稳定性。沙特阿拉伯-美国石油公司用EasyWell遇油气膨胀封隔器代替固井,地层中的油气流出后封隔器即可膨胀密封各分支井,实现一趟完井管柱完井,既保证控制线和传输线直达地面,又简化了完井程序、节约了资金,并且大大提高系统的稳定性。阿曼石油公司采用膨胀式封隔器与开、关控制阀相结合来进行流体剖面控制,结果表明,这种遇油气膨胀封隔器的密封性能比普通生产封隔器更优良。     

基于利兹法的煤壁破坏机理分析及三维相似模拟试验研究

针对严重影响大采高工作面生产和安全的煤壁片帮问题,提出了采用能量原理中基于位移变分原理的利兹法分析煤壁破坏机理,并利用煤壁稳定性三维相似模拟实验平台研究"顶板-支架-煤壁"系统的协调变形规律。结果表明:基于利兹法的煤壁破坏机理模拟出了煤壁上部片帮、上下部同时片帮、整体片帮3种现场常见的煤壁片帮形态,煤壁稳定性的重要影响因素确定为煤体黏聚力、煤壁集中力、煤壁弯矩、顶板载荷等;在煤壁集中力和煤壁弯矩的作用下,顶板下沉近似呈直线增长,顶板下沉速率和煤壁水平变形速率大,煤壁在短时间内发生整体片帮,并具有突发性;在支架的支护作用下,顶板呈现阶梯式下沉规律,顶板下沉速率和煤壁水平变形速率显著减小,煤壁表面仅出现局部破碎,煤壁在较长时间内保持了一定的稳定性。     

综放开采顶煤冒放性预测模型的构建与应用

为实现综放开采顶煤冒放性的定量分析,提高资源采出率,采用室内实验、理论分析、数值计算和现场实测等研究手段,测试单轴抗压条件下型煤和原煤中超声波速的全程动态演化特征,构建超声波速预测模型并将其应用于综放开采顶煤冒放性预测。煤体弹性变形阶段,超声波传播速度保持不变,后继屈服阶段,裂隙的萌生和扩展导致超声波速呈现单调降低趋势,残余变形阶段,超声波速降低至残余值并保持稳定;将工作面前方顶煤超声波速分布划分为单阶段(I)、双阶段(I–II)和三阶段(I–III)三种类型,对于I型分布采场,顶煤不具备冒放性,I–II型分布采场,顶煤冒放性差,采出率为50%～70%,I–III型分布采场,顶煤冒放性良好,采出率大于70%;采用累积塑性应变表征煤中裂隙发育程度,构建超声波速预测模型,将预测模型与本构模型耦合实现承载煤体变形破坏过程和超声波速演化特征的准确模拟,采用实验数据验证了模型的可靠性;将超声波速预测模型应用于新柳煤矿顶煤冒放性评价,预测结果表明,该矿综放工作面前方顶煤超声波速分布属于I,II,III三阶段类型,顶煤冒放性良好,实测顶煤采出率为83.3%,煤层垂直应力和顶煤超声波速实测数据与预测结果具有较好的一致性,表明所构建的超声波速预测模型可用于不同开采条件下顶煤冒放性评价。     

HW9801水平井复杂情况的处理及分析

HW9801水平井是我国第一口用直井钻机钻成的超浅层稠油试验井，该井在下完井尾管（筛管）串时，在技术套管内出现了遇阻问题，而在上提套管准备采取进一步措施时又出现了遇卡的情况。在处理阻卡问题时又磨穿了技术套管，为了避免出现更复杂的井下情况，最后下入2根中139．7mm尾（筛）管完井。详细介绍了该井尾管阻卡问题的处理过程，分析了尾管阻卡的原因，并给出了处理类似水平井井下复杂情况或事故的注意事项，对国内外类似水平井施工具有较好的参考价值。     

浅埋高强度采场回撤阶段围岩破断机理及控制

针对神东矿区浅埋高强度开采工作面回撤过程中支架压死频繁发生的现象,采用理论和数值分析手段,对回撤阶段支架压死现象发生的机理进行了研究。结果表明:回撤巷道同老顶断裂线处于合理的时空位置关系是工作面实现低压力回撤的关键;解释了荷载传递具有时效性的原因,工作面长时间停滞导致老顶和荷载层破坏出现宏观滑移面后其荷载有足够的时间传递至工作面支架之上,使其由"给定变形"转变为"给定荷载"工作状态是造成回撤过程中工作面支架压死的主要原因;根据预测的老顶断裂线所处区域的不同,提出了改变采高、工作面推进速度、局部充填的顶板控制措施,并应用于乌兰木伦煤矿,实现了工作面的安全、快速回撤。     

液压式双级箍的研制及应用

普通型双级箍为重力塞开孔型，需要时只有从国外定购，液压式双级箍则采用液压开孔，一级碰压后，憋压即可开孔进行二级注水泥，扩大了双级箍的使用范围，比普通双级箍更安全有效，操作简单。经室内试验和３口水平井的现场实验，证明其结合合理，是能够满足现场需要的固井、完井工具，该工具的费用仅为国外同类产品的３０％－４０％。目前，已研制了开发了φ139．７和φ１７７．８液压双级箍。