浅埋近距离上覆遗留煤柱应力集中灾害压裂治理技术研究

针对浅埋近距离上覆遗留煤柱造成的动力灾害问题,基于"垮落填充体+上覆煤柱"支撑理念,结合定向长钻孔精准成孔技术,提出了顶板分段压裂超前弱化治理技术。综合采用理论分析、技术开发、工程实践等方法,研究了顶板分段压裂超前弱化治理机理,并在典型矿井开展了工程应用。结果表明:分段压裂施工过程最高注水压力为21.20 MPa,最大破裂压降为7.60 MPa,出现3.00 MPa以上压力降50余次;压裂后顶板来压步距、动载系数、最高压力较未压裂段分别降低了13.58%、13.77%、25.49%,验证了压裂技术的有效性。该治理技术可有效控制由上覆遗留煤柱引起的动力灾害。     

基于分区弱化的复合坚硬顶板冲击地压分段压裂区域防治研究

针对复合坚硬顶板联动效应引发的冲击地压灾害,基于复合坚硬顶板的赋存特征,结合弹性力学理论,分析了高-低位坚硬顶板矿压显现特征,建立复合坚硬顶板破断形态和断块铰接形态判识的力学模型,分析了复合坚硬顶板岩层破断形态,研究了复合坚硬顶板协同破断机制,揭示了协同破断易释放巨大的冲击动能,形成冲击灾害的原理。依托坚硬顶板分区降能的弱化防治理念,提出了煤矿井下定向长钻孔裸眼分段水力压裂“高-低”位协同超前区域防治冲击地压灾害技术模式,并设计了错步式分段压裂段工程布置。工程试验得出：复合坚硬顶板高、低位定向钻裸眼分段压裂协同弱化后,顶板微震事件频次、总能量、顶板来压步距及来压范围分别降低42.17%、31.07%、 33.69%、57.14%,合理有效防治了复合坚硬顶板冲击地压灾害。通过顶板分段水力压裂实施,顶板岩体被压裂成若干小块时,大幅降低了蓄积能量,并伴随压裂成缝过程的能量损耗,实现了复合坚硬顶板的分区分段可控破断距的垮落,实现顶板应力的转移、消散及动力灾害有效控制,为同类地质条件下冲击地压灾害区域弱化治理提供技术借鉴。     

急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,揭示了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采夹持冲击型冲击矿压机理。工作面液压支架工作阻力监测表明工作面中部至顶板侧动载系数最大达到3.25,表明覆岩形成了悬空式结构失稳;矿震监测结果表明工作面中部至靠近顶板侧底煤容易积聚弹性变形能,底板侧容易释放能量,顶板活动易形成动载扰动。研究结果得到了监测验证。     

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。     

综放工作面顶板灾害类型和发生机制及防治技术

综放工作面采出煤层厚度大，上覆岩层活动空间大，易发生顶板事故。为理解综放工作面顶板灾害发生机制，统计分析了部分煤矿综放工作面顶板灾害案例，按顶板条件及灾害特征将综放工作面顶板灾害分为松软顶板大面积切顶压架和坚硬顶板大面积垮落及压架2类。分别以崔木煤矿和曹家滩煤矿综放工作面为例，分析了2类顶板灾害发生特点，提出了相应顶板灾害发生机制：松软顶板工作面顶板胶结性弱，支架实际刚度不足致使顶板在煤壁处断裂，破断后易失稳，同时支架支护强度不足，最终导致切顶压架灾害；坚硬顶板工作面顶板整体性好，不易破断，悬顶到一定极限突然破断，对支架造成冲击，若断裂线在煤壁处则极易导致工作面切顶压架。结合工程实践，提出了2类顶板灾害防治技术措施：对于松软顶板综放工作面采取合理提高支架刚度、支护效率以及工作面推进速度，加强预警等手段预防大面积切顶压架灾害；对于坚硬顶板工作面除加强支架管理、合理开采设计等，还需从顶板改性入手，如采用井下区域水力压裂技术弱化顶板，防治顶板大面积垮落和压架灾害。     

煤层坚硬顶板定向长孔水力压裂技术研究及应用

针对煤层顶板坚硬采空区大面积悬顶后突然垮落易引发强矿压动力灾害等问题，采用定向长钻孔分段水力压裂技术弱化煤层顶板，并在布尔台煤矿42108工作面进行现场应用，分别从压裂层位选择、压裂钻孔布置、定向钻孔施工、分段水力压力施工等方面论述了定向长钻孔水力压裂技术，现场结果表明，超前治理工作面中部坚硬顶板面积230.1万m²,压裂后顶板来压步距降低了20.83%～27.27%,动载系数较未压裂段降低了5.03%～10.32%,同时利用音频电透视方法对压裂效果检测，判识单个压裂段的弱化影响范围30 m左右，单个压裂钻场弱化影响范围为走向300 m,倾向230 m,实现了对整个工作面坚硬顶板区域性有效弱化治理。     

急倾斜巨厚煤层群难采资源开采的覆岩破断与能量释放规律

针对急倾斜巨厚煤层群难采资源的安全开采问题，采用物理模拟实验与理论分析方法，对急倾斜巨厚煤层群不同开采工艺产生的覆岩变化、破断高度、微震能量等特征进行了分析与对比，推导了急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量的理论计算公式，并由不同开采工艺的对比分析结果为急倾斜巨厚煤层群向深开采的方案设计提供思路。研究结果表明：急倾斜巨厚煤层群水平分段综放开采的中间岩柱集中破断形成岩柱与上部煤层顶板的联动效应，容易引发冲击地压等的动力灾害事故；走向长壁开采中区段煤柱的强支撑作用，使得急倾斜巨厚煤层群向深开采过程中覆岩破断高度与范围的增幅较小。通过构建急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断力学模型，推导得出急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量计算公式。急倾斜巨厚煤层群采用走向长壁的累计微震能量24.28×10⁵ J,较水平分段开采的累计能量小15.67%。水平分段综放开采过程中，单次开采的平均能量比走向长壁开采较低，且避免了煤柱留设时煤炭资源的浪费。顶板破断的能量不充分释放，容易造成其下次破断能量释放的峰值效应，且中间岩柱大范围集中破断容易对矿井的安全生产带来挑战。基于节约矿井资源的同时又能避免大范...     

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...     

综放工作面水力预裂初次放顶技术及应用

针对综放工作面初采期间存在的问题,分析后退式单孔多次压裂技术在综放工作面煤岩体弱化中的作用。通过监测压裂和顶板垮落过程,在潞安五阳煤矿7602综放工作面进行煤岩体水力压裂弱化试验研究。结果表明,针对五阳煤矿7602顶板条件,水压最高可达48.36 MPa,单孔压裂约8次,水力裂缝扩展半径约10 m。压裂后,顶煤冒放性提高、煤层瓦斯得以提前释放、注入水量降低放煤过程中的煤层量。顶板垮落过程未产生冲击,保证初采安全。     

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。     

坚硬顶板首采工作面初采阶段水力压裂综合治理技术研究

针对坚硬顶板条件下首采工作面初采期间顶板难以垮落问题，以巴拉素煤矿2102工作面为研究背景，采用理论分析及现场试验等方法，建立了工作面初次垮落力学结构模型，提出了“定向长钻孔+常规短钻孔”水力压裂综合弱化治理技术，揭示了基于“长钻+短钻”水力压裂技术的顶板弱化机理，综合评价了压裂后顶板弱化效果。研究表明：未进行压裂治理时，力学模型得到初次垮落步距为77 m,工作面合理水力压裂范围为垂直方向12.26～23.43 m,水平方向0～30.8 m。压裂施工过程中长钻孔最高压力达到26 MPa以上，短钻孔压裂最高压力达到52 MPa以上，均出现明显压降，降幅最大达到26 MPa。治理后工作面呈现“频繁小来压”矿压显现特征，水力压裂治理效果显著。通过“定向长钻孔+常规短钻孔”水力压裂综合弱化治理技术，保障了2102工作面初采期间安全回采，为类似条件工作面初采阶段强矿压灾害治理提供了可借鉴治理方法。     

坚硬顶板综放工作面超前弱化模拟研究

利用相似材料模拟和RFPA2D数值模拟方法研究了坚硬顶板超前预爆破顶板弱化技术,分析了不同顶板特性条件下综放开采引起覆岩结构变化过程,得出覆岩冒落特征并总结了综采工作面矿压显现规律、工作面超前支撑压力的分布形态及其发展变化趋势.在此基础上,得到超前预爆破顶板弱化技术能有效地解决坚硬顶板冲击矿压危害,有助于综放安全、高效开采和提高煤炭资源的回收率.     

大倾角厚煤层放顶煤开采覆岩活动特征

为了分析13102工作面放顶煤开采后的覆岩活动特征,本文采用UDEC数值模拟的方法对仰斜开采放顶煤开采后的覆岩活动特征进行研究。模拟结果显示,随综放工作面的不断向前推进,工作面直接顶随采随冒,基本顶也将不断的破断和垮落,但基本顶回转量较大,破断顶板相互间未能铰接形成"砌体梁"结构,致使综放工作面矿压显现较为剧烈,从而导致综放工作面液压支架的工作阻力呈现较大值,尤其是液压支架的尾部受到顶板压力较大。     

大采高开采高位关键层运动致灾机理研究

大采高工作面采场强矿压灾害与上覆高位关键层的赋存状态及破断运动密切相关。研究与实践表明：特厚煤层综放开采或特大采高综采工作面顶板高位关键层横“O-X”破断、竖“O-X”破断以及悬而未断都将显著影响采场矿压,导致工作面易出现强矿压灾害或冲击地压灾害等动力现象。结合部分工程案例,阐述了大采高开采高位关键层在不同破断形式或悬而未断条件下的致灾机制,并提出了高位关键层致灾防控技术,为西部类似大采高开采条件下的工作面安全高效开采提供借鉴。     

急倾斜厚煤层水平分段综放覆岩破坏模式实验研究

急倾斜厚煤层水平分段综放开采覆岩破断形式不同于近水平煤层开采,以青海江仓矿为工程背景,并借助改进的相似模拟实验台和FLAC3D数值模拟软件,系统的分析了大段高(采放比1∶8)水平分段开采顶煤与采场上覆岩层的运移规律和破坏模式。研究表明:急倾斜厚煤层水平分段综放开采过程中顶板发生"倾倒-滑塌"式破坏,呈现台阶状破坏断面,底板也会产生滑移现象;随着开采分段的逐步向下延伸,覆岩破坏后向下的位移增大,对顶煤及采空区残留的矸石形成明显冲击,成为采场围岩控制的重点。     

特厚煤层综放开采大空间采场覆岩结构及作用机制

针对大同矿区石炭系3-5号特厚煤层坚硬顶板综放开采时工作面易出现压架、临空巷道超前区域变形、破坏严重等强矿压显现问题,采用理论分析、物理模拟及现场实测等方法,建立了特厚煤层开采大空间采场岩层结构演化模型。结果表明：特厚煤层综放开采覆岩远、近场关键层运动都可能会对采场矿压产生影响,近场关键层为“竖O-X”破断的“悬臂梁+砌体梁”结构,远场关键层为“横O-X”破断的“砌体梁”结构模型。近场关键层结构主要影响工作面支架压力及其稳定性,近场关键层结构中,以“悬臂梁”结构破断运动的关键层层数越多,对支架安全越不利;远场关键层结构则主要对工作面临空侧巷道变形产生影响,其破断块体的回转运动对临空侧巷道围岩产生径向挤压作用,是造成巷道超前底臌的主要原因。据此开发了基于地面钻孔压裂与井下顶板预裂相结合的远、近场协同弱化的坚硬顶板预控技术,将有效降低岩层破断的能量释放和关键层结构失稳的压力传递,减轻特厚煤层综放开采采场矿压的显现强度。     

公乌素矿1604工作面覆岩关键层的判定及分析

综放工作面上覆岩层中的关键层位置及破断距的确定对控制工作面的矿山压力有重要的作用。以公乌素1604超长综放工作面的上覆岩层为研究对象,采用钱鸣高院士的关键层理论,对工作面上覆岩层的载荷量与破断距进行计算研究。研究结果表明,1604工作面上覆岩层中的C2、C7、C11～13、C16～18为单一或组合硬岩层,其中距煤层顶板20.75 m厚为12.65 m、破断距为31.2 m的复合岩层C11～13为亚关键层,距煤层顶板40.59 m厚为13.2 m、破断距为36.7 m以细粒砂岩为主的复合岩层C16～18为主关键层。关键层及破断距的确定将对1604综放工作面顶板的管理有着一定的指导意义。     

工作面坚硬顶板破断特征与覆岩运移规律

针对坚硬顶板综放工作面顶板破断特征与覆岩运移规律不清,在实际生产中严重影响工作面安全生产这一问题;以某矿8201工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟以及现场实测的方法对坚硬顶板综放工作面的顶板破断特征以及覆岩运移规律进行研究分析。研究结果表明:对顶板煌斑岩进行岩石力学实验得知煌斑岩在节理面单轴抗压强度为45 MPa左右,无节理为90.99MPa、单轴抗拉强度7.3～9.4 MPa;通过建立深梁结构破断过程中顶板受力模型,得到基本顶初次来压步距为47.57 m;数值模拟得到8201基本顶的初次来压步距约为45 m,周期来压的距离为20 m左右。在现场实测中基本顶初次来压平均46 m,周期来压步距为18.7～20.8 m,来压影响范围1.7～5.6 m。现场实测与理论分析所得结果和数值模拟所得结果相差不大。     

布尔台矿水力压裂对矿压显现影响分析

针对布尔台煤矿42106综放工作面回采期间发生多次动力灾害显现,为了分析水力压裂对强矿压显现的影响,采用了现场实测及理论分析方法,依据水力压裂卸压机理及矿压岩层控制理论,对该工作面回风巷上覆岩层实施水力压裂卸压。结合现场监测矿压显现变化情况对卸压机理及效果进行深入分析,其结果揭示了在强动压影响下的巷道顶板岩层中采取水力压裂可有效减弱顶板岩层中赋存的高应力,释放顶板储存的弹性能;弱化基本顶,避免采空区后方悬顶,降低超前支撑压力的影响;减小相邻采空区侧对工作面回采巷道的影响,有效缓解巷道围岩变形。     

厚煤层综放工作面覆岩运移规律研究

针对厚煤层综放工作面覆岩突然性断裂垮落导致动力灾害的问题,根据煤岩层赋存条件和开采布局,考虑工作面顶板裂隙分布规律和开采扰动影响,采用现场勘察、岩石力学实验、数值计算等分析方法,综合分析厚煤层综放工作面覆岩运移活动规律。结果表明:受重力作用,覆岩垮落自采空区中心向四周均匀发展,岩层在拉伸应力作用下拉伸应力区呈U形破坏分布;随着掘进深度与层位的延伸,工作面顶板破坏区相互铰接形成稳定结构,阻碍了顶板运动;工作面来压步距较大,覆岩垮落冲击矿压载荷量级较大,工作面中上部区域覆岩运移量大于下部区域。