大空间坚硬顶板地面压裂技术与应用

坚硬顶板强度高、破断步距大,矿压作用强烈,是煤矿顶板控制的一大难题,特别是特厚煤层开采条件时,因开采扰动范围广,大空间坚硬顶板破断失稳,造成采场矿压显现更加复杂、强烈。研究表明,坚硬顶板特厚煤层开采,高位厚硬岩层的破断失稳是造成采场强矿压的主要因素,但现有井下预裂技术无法控制。为此,提出了煤矿坚硬顶板地面压裂控制采场矿压的方法,开展了大型真三轴原位试件(2060 mm×1200 mm×1200 mm)水力压裂试验研究,揭示了水压裂缝扩展形态及压裂全过程试件应力应变演化规律;给出了地面压裂关键层位范围,综合工作面采位、压裂层位、覆岩应力及裂隙发育特征,建立了压裂位置确定的理论模型及选取准则;给出了压裂面积-流量-时间的关系模型,得到压裂面积随压裂时间、流量的变化关系;研发了水压裂缝井上下微震一体化联合监测技术,综合前述研究,形成了大空间坚硬顶板地面压裂控制技术体系,并进行了垂直井、水平井压裂工程实践。结果表明,地面压裂裂缝扩展范围大,垂直井分级压裂裂缝扩展长度达250,218 m,裂缝宽度30~120 m,水平井分段压裂裂缝扩展长度196~216 m,裂缝高度43~50 m,裂缝扩展均覆盖了工作面范围,穿透了压裂目标层。井下采场矿压监测表明,工作面开采至压裂裂缝扩展区内,支架阻力降低21%,煤壁片帮率减少23%,超前单体无任何弯曲折损现象,巷道围岩稳定,压裂控制效果好。可见,坚硬顶板地面压裂技术,可从源头杜绝采场强矿压的发生,探索了煤矿领域坚硬顶板控制的新途径,为解决类似由高位岩层、高位结构失稳引起的矿压灾害控制提供借鉴。     

井上下煤层顶板区域压裂防治冲击地压系统及应用

针对冲击地压局部卸压范围小，连续性低，作业风险高等问题，开展煤层厚硬顶板井上下千米顺层钻孔区域压裂防冲系统与工程应用研究。结果表明，从加载条件来分，顶板主导型冲击地压可分为动静载荷叠加型、高静载荷加载型、高静载荷卸荷型3种类型；厚硬顶板是采掘围岩冲击地压启动区域性静载荷、动载荷供给主体，以提供冲击启动动静载荷源的厚硬顶板为靶点，提出建立煤层顶板地面、井下千米水平孔分段致裂卸压系统，开展顶板千米顺层钻孔区域压裂。通过井上下提前破坏冲击危险区域上覆顶板的完整性，使得载荷向更完整顶板区域迁移，从而为井下掘进、回采提供低应力作业大环境，也使得冲击地压丧失启动的重要载荷条件。分别进行了工作面开采前地面水平井顶板区域压裂防冲技术试验，工作面开采过程中井下巷道水平孔顶板区域压裂防冲技术试验，实践效果显著，形成了冲击地压建设矿井“先压后建”，生产矿井“先压后掘、先压后采”新的灾害防治模式。     

深部临空巨厚坚硬顶板断裂矿震规律及成因研究

为研究特厚煤层临空巨厚坚硬顶板断裂的矿震规律,以250105工作面实际工程地质及开采特征为研究背景,采用微震监测技术对矿震事件进行了定位和统计分析,得到了矿震事件多集中在工作面采空区侧及工作面前方0~100 m。同时,采用数值模拟,分析了不同开挖阶段工作面围岩的应力分布状态,得到了工作面前方20~90 m及靠近回风巷侧顶板岩层0~40 m均为应力高度集中区域。研究结果表明,250105工作面回采期间矿震事件主要集中分布在工作面前方及工作面临空侧,厚硬顶板的破断对矿震事件的诱发起主要控制作用。     

顶板“人造解放层”防治冲击地压方法、机理及应用

冲击地压矿井开展解放层(保护层)开采，能够根本性的改造采掘工作面应力集中程度，从而大范围降低采掘活动空间冲击危险性。针对无解放层可采的单一煤层矿井，为了实现冲击地压煤层区域性卸压目标，提出了煤层上覆主导致灾层位厚硬顶板区域水力压裂“人造解放层”卸压防治冲击地压方法，并建立了工程力学模型，综合采用理论分析、工程验证等方法进行区域性卸压机理及工程试验研究。结果表明，在冲击地压发生载荷供给历程中，通过区域性改造煤层上覆岩层结构与载荷，可以改变冲击地压发生必须的基础静载荷集聚；针对顶板控制型冲击地压矿井，在开拓、准备、回采不同阶段，针对影响冲击地压发生的厚硬顶板开展区域性水力压裂改造覆岩结构与载荷分布，使得巷道掘进及工作面回采期间均处于压裂覆盖范围下的低应力区，实现冲击地压单一煤层顶板产生“人造解放层”效应；顶板区域水力压裂人造解放层卸压防治冲击地压机理为：与压裂前相比，煤层上覆厚硬顶板人为区域性致裂，在走向上使其长梁变短梁，大块变小块，从而不具备大面积悬臂功能，降低由悬空面积增大的顶板断裂带来的动载荷；在倾向方向上也使得其上覆载荷由硬传递变为软传递，降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平；在陕...     

特厚煤层地面L型水平井分段压裂技术应用研究北大核心

特厚煤层开采过程中,煤层上方坚硬顶板强度高、破断步距大、难垮落,特别是开采扰动范围广,大面积坚硬顶板岩层破断失稳,造成采场冲击动力显现更加强烈;井下大孔径卸压、煤层爆破卸压以及井下长钻孔水力压裂技术仅限于局部卸压和小范围顶板弱化,不能有效对煤层上方高位大面积坚硬岩层进行弱化改性。提出了地面L型水平井分段压裂技术,通过对岩层破断方向进行理论分析并综合岩层特性给出了压裂关键层位范围,结合井上下微震一体化联合监测技术,形成了地面水平井分段压裂控制技术体系,并进行了地面压裂工程实践。井下微震-地音联合监测表明:压裂期间微震监测总能量达到16.93×10^(4)J,地音监测总能量达到1.36×10^(8)J,压裂过程可对井下围岩的宏观破裂具有明显的诱发作用;地面压裂裂缝扩展范围广,2口压裂井裂缝扩展长度分别达到790、851 m,裂缝宽度最大达到380~390 m,裂缝高程达到375~450、390~410 m,裂缝扩展均可覆盖工作面及两巷道,并穿透目标层位。井下采场矿压监测表明:工作面周期来压期间,支架阻力降低32%,煤壁片帮率降低34%,工作面超前支护范围无底鼓、帮部收敛等现象,微震监测总频次及总能量均降低达到90%以上。因此,地面水平井分段压裂可有效减小采场上覆岩层的强矿压,进而降低工作面回采期间的冲击地压灾害。     

厚硬砂岩直覆顶板卸压技术研究

直覆厚硬顶板进行预裂切顶成功与否是工作面安全开采的关键，以顾北矿13121上工作面为研究背景，结合理论分析直覆厚硬顶板初次破断及周期破断步距，提出顶板预裂切顶方案，利用FLAC3D软件对厚硬顶板切顶效果进行验证，对比切顶前后厚硬顶板位移规律及工作面超前支承应力的变化特征。结果显示：预裂切顶可以有效改善硬厚顶板直覆工作面工作环境，切顶后，工作面超前支承应力峰值降低28.39%，超前影响范围缩减了37%，顶板垮落压实步距缩短了43.53%，超前支承应力峰值位置向深部转移，预裂切顶对厚硬顶板直覆工作面矿压控制起到了积极作用，对工作面超前支护设计具有借鉴意义。     

榆横北区中深埋煤层开采水力压裂技术实践

陕北侏罗纪煤田榆横北区内的矿井大多数处于初期开发阶段,且区内的煤层赋存条件差异较大,在其西侧中深埋矿井的矿山压力规律、顶板管理手段等方面的经验不足。为了探索该区域首采的2号煤层开采后,其坚硬顶板卸压、围岩释压等技术问题,以巴拉素煤矿为例,结合长距离定向钻和短距离常规钻的水力压裂技术,通过分析压裂数据曲线、相邻钻孔及锚索的出水情况及孔内窥视结果,对2102首采工作面切眼顶板水力压裂工程进行研究。结果表明,区内2号煤层顶板坚硬,煤层回采后自然垮落难度较大,采用长短钻结合的水力压裂技术,可有效释放煤层顶板的压力,解决矿压集中及悬顶的隐患威胁,确保工作面的安全开采。该水力压裂技术实践可为后期矿井相关矿压管理工作提供依据和借鉴。     

胡家河地面水平井压裂防治冲击地压管理实践

胡家河矿为解决回采工作面高位坚硬顶板难以及时垮落的问题，引进地面“L”型水平井分段压裂技术，采取井上和井下联合监测压裂施工的方法，对压裂效果进行分析。胡家河矿在施工开展期间为规范压裂技术实施、合理分配人员和及时解决现场问题，构建了以“地面水平井分段压裂”为中心，“五+”协作统筹推进工作，做到六项反馈与确认，七大环节优化，最终形成了“156677”地面水力压裂管理体系。为推动同类矿井冲击地压防治技术研究工作提供新思路。     

高位巨厚覆岩运移规律及矿震触发机制研究

矿震是由矿山开采引起的非天然地震活动，鄂尔多斯矿区侏罗纪煤层上方常见白垩系巨厚层状砂岩组，巨厚砂岩组破断、滑移容易诱发巨厚覆岩型矿震，研究揭示高位巨厚覆岩的内部活动演化规律与动力响应特征是巨厚覆岩型矿震灾害防控的基础。笔者基于符拉索夫厚板理论，结合地面探测孔、地表沉降以及微震监测技术，研究了鄂尔多斯某矿综放开采巨厚覆岩结构演化规律及覆岩内部活动特征，揭示了高位覆岩运动诱发矿震机制。结果表明，综放实体煤回采阶段，采空区面积较小，低位顶板垮落较为迅速，顶板破断角64°～72°，高位巨厚覆岩结构无明显裂隙产生，地表下沉量较小；邻空回采阶段，顶板破断高度向巨厚覆岩层扩展，巨厚覆岩层产生裂隙，巨厚覆岩下顶板破裂角有所增加，并且地表沉降量快速增加呈台阶式下沉。白垩系巨厚砂岩层厚较大、强度较高，推导得出邻空回采阶段工作面推进约324.3 m时，巨厚覆岩结构具备发生初次破断的条件，开始出现强矿震事件；并且其周期破断步距为83.7 m。巨厚覆岩结构破断触发矿震机制为：随采空区面积增加，顶板破裂高度逐渐扩展至高位巨厚砂岩层，该巨厚砂岩层发生竖“O-X”型初次破断、滑移以及周期性破断易诱发强矿震事件。研究结...     

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。     

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。     

侏罗系采空区煤柱上下坚硬岩层协同压裂控制技术

同忻煤矿难垮落坚硬顶板具有层数多、厚度大、层位高,在开采特厚煤层时,采场空间大,覆岩运移范围广,矿压显现强烈。本文提出了地面水力压裂坚硬顶板控制矿压的方法,改造了高位坚硬顶板完整性和连续性。研究成果在同忻煤矿得到成功应用,消除了强矿压显现,经济社会效益显著。     

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。     

深部厚硬岩层压裂控制冲击弱化机理及可压裂性评价

为了探究深部厚硬岩层对冲击地压的影响以及分析岩层的可压裂性,提出了采用地面水平井压裂技术对采场上覆厚硬岩层进行压裂控制,通过改变厚硬岩层的破断特征,达到降低厚硬岩层的破断步距和能量释放强度,并通过试验分析,得到上覆厚硬岩层的脆性系数、脆性矿物含量、黏土矿物含量、成岩作用等参数,综合定量评价厚硬岩层的可压裂性大小.研究结...     

鹤岗矿区矿震发生类型、原因及诱冲机制

矿震主要发生在井下,具有突发性、连锁反应的特点,给井下安全生产带来很大危害,也对地面设施构成破坏和威胁。冲击地压是矿震的一种形式,每一次冲击地压的发生都与岩体震动有关。矿震诱发的冲击地压灾害是鹤岗矿区主要灾害之一,统计分析鹤岗矿区权属矿井发生的数十起冲击地压及伴随的矿震,可分为煤体应力型矿震、煤柱失稳型矿震、构造诱发型矿震和厚硬顶板断裂型矿震,不同类型矿震产生的原因及其诱发冲击地压机制各不相同。矿震形成的动载是冲击地压发生的重要力源,动载扰动对煤岩体的致裂、闭锁作用以及与煤岩体自身的静载共同作用诱发煤岩系统发生冲击破坏。     

坚硬顶板水力压裂技术及效果检验

为了揭示坚硬顶板水力压裂超前弱化治理效果，采用理论分析、数据监测、孔内瞬变电磁现场实测等多种方法，对压裂效果进行了综合分析评价。依据压裂前区域电阻率分布特征，运用差值分析方法，以压裂后区域电阻变化值为基础，绘制了压裂纯电阻异常区域，展示了压裂裂隙空间展布特征。并在保德煤矿开展了工程应用，结果表明：压裂后测试区域电阻率明显增大，单次压裂后，工作面切眼0～150m范围压裂效果明显，探测分析结果与工作面初采期间顶板垮落及矿压显现情况基本吻合，取得了良好的应用效果。     

顾北煤矿13521工作面顶板水力压裂保护采动大巷技术现场试验研究

顾北煤矿1煤层顶板中存在多层关键厚硬岩层，厚硬岩层传递远场采动应力，致使采区大巷围岩控制困难，为此在顾北煤矿13521工作面开展了顶板水力压裂应力转移保护采区大巷技术现场试验。试验结果表明：水压力监测数据良好地反映了水力裂缝在目标岩层中的扩展发育过程，典型的水压力变化过程可以分为系统充水阶段、系统增压阶段、初始起裂扩展阶段、裂缝稳定扩展阶段、系统泄压阶段、关泵停水阶段六大阶段；压裂过程中的本孔-邻孔-围岩出水现象反映了压裂效果的好坏，现场施工现象反映出单孔裂缝扩展范围至少为20 m;通过进行顶板高-低位坚硬岩层组合致裂，有效切断了采动应力向采区大巷的传播路径，工作面附近采区大巷变形量均小于5 cm,采区大巷变形得到了有效控制，试验结果可为具有类似问题的矿井提供参考。     

特厚煤层综放工作面冲击地压防治实践

以彬长矿区孟村煤矿为背景,针对煤层上覆坚硬难垮顶板瞬间破断诱发冲击灾害的风险,创新应用井上下立体联合卸压技术。通过地面L型水平井分段压裂对高位关键层坚硬顶板实施压裂改性,以及井下顶板定向长钻孔水力压裂及深孔预裂爆破对中、低位关键层坚硬顶板进行等距破断弱化,破坏岩层的整体性并降低破断强度。结合煤层大孔径钻孔卸压,阻断静载荷积聚及动载荷传递通道,从源头上消除(减小)冲击危险,开辟了冲击地压科学防控的新途径。实践表明,实施立体联合卸压方法消除了工作面上覆坚硬顶板岩层难跨悬顶积聚载荷,微震频次显著下降且杜绝了1×10⁴J以上微震事件,为具有坚硬顶板破断诱发冲击地压风险的类似矿井提供了参考。     

特厚煤层开采坚硬顶板覆岩结构及其演化特征分析

特厚煤层开采形成了大空间采场，坚硬顶板断裂扰动波及范围广，工作面来压具有强矿压特征，尤其当煤层顶板“见方”开采期间，采场矿压作用更加强烈。据此，采用现场实测和物理三维相似模拟方法，探讨了特厚煤层开采覆岩扰动高度及坚硬顶板断裂特征。首先基于现场实测研究分析了覆岩破断失稳规律，实测结果表明，特厚煤层开采过程中，煤层顶板存在超前断裂现象。伴随工作面的推进，顶板初始运动主要是围绕断裂线近区基点旋转下沉，滞后工作面一定距离；地表岩移观测结果表明，特厚煤层顶板分层构成顶板群组并产生组合运动，具有层位运动特点，且伴随工作面推进，层位顶板运动存在阶跃现象。基于地表裂缝形态及钻孔多点岩移观测反演，揭示了特厚煤层开采过程中的顶板断裂及运动特征，认为特厚煤层开采覆岩扰动高度大，坚硬顶板断裂具有转向特征，伴随煤层开采推进，由低位顶板层位的横向“O-X”断裂逐渐向高位硬岩的纵向“O-X”断裂转向；特厚煤层坚硬顶板开始发生断裂转向的临界位置即所谓的煤层开采“见方”区，合理解释了工作面开采的“见方”来压现象；高位顶板纵向断裂尺寸大，扰动影响范围广，是诱发采场强矿压的主要因素，确定了特厚煤层采后覆岩“低-中-高”层位...     

矿井坚硬顶板水力预裂技术

文章以某矿井为实例,根据其综采工作面地质概况和开采情况,对工作面的顶板类型和垮落性进行研究分析,提出水力压裂顶板技术方案,使得综采工作面顶板垮落得到有效控制,效果显著.