刀柱式采空区下坚硬顶板控制技术研究

针对刀柱式采空区下坚硬稳定顶板初次垮落步距大、顶板突发大面积垮落容易引起安全生产事故的问题,采用理论分析和数值计算的方式分析了工作面初采期间顶板难以垮落的原因,得出顶板自稳性高、工作面倾斜长度小、盖山厚度小、刀柱式采空下不均匀应力等是影响刀柱式采空下工作面初采顶板难以垮落的主要原因。提出采用水力压裂对顶板进行弱化,压裂过程中采用后退式多分段压裂技术,压裂钻孔采用高位孔和低位孔交叉布置方式。现场应用结果表明,工作面初采期间顶板能够及时垮落,取得了良好的效果。     

千米深井厚层坚硬顶板水力压裂卸压技术研究

针对千米深井工作面坚硬基本顶难垮落的问题,以邢东煤矿2129千米"孤岛"工作面厚层坚硬基本顶为工程背景,探析了其基本顶在深部应力环境和工况条件下难垮落的原因,提出了在深井工作面采用水力压裂切顶卸压的顶板控制技术,并结合工作面实际采动影响得出了水力压裂的设计方案及施工工艺,实现了工作面"卸压-推进"连续配合作业;同时,运用数值模拟及现场矿压实时监测对卸压效果进行了分析与评价。研究发现,在千米深井厚层坚硬顶板的工作面实施水力压裂进行切顶卸压技术效果明显,有效实现了厚层基本顶分层分次逐渐垮落,降低了工作面顶板的周期来压显现强度。现场试验发现,在此环境下出现钻孔施工困难,需采用单孔多次压裂、增加注水量、强力封孔等措施使每个压裂钻孔充分发挥作用。实践证明,采用该技术后,千米深井厚层坚硬顶板难垮落问题得以有效解决。     

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。     

工作面坚硬顶板水力压裂对采动应力影响的数值模拟研究

水力压裂技术已经广泛在煤矿应用于处理工作面坚硬顶板问题,但其卸压机理并不十分明确.采用ELFEN数值模拟方法研究工作面坚硬顶板水力压裂处理对采动应力的影响,探讨卸压机理.数值模拟结果显示:对工作面顶板的水力压裂处理,主要是弱化顶板的完整性,使其在工作面推进后能够及时垮落,这种局部垮落,虽然不会显著影响支承压力分布特征,...     

定向水力压裂工作面煤体应力监测及其演化规律

为研究水力压裂的机理和评价压裂效果,采用空心包体应变计,对水力压裂前后钻孔附近煤层应力的变化,及水力压裂实施后,随着工作面推进,前方煤层应力的变化进行了监测。通过分析监测数据,得到以下应力演化规律与结论：① 水力压裂前后,在压裂钻孔附近煤层中的主应力增量值、倾角和方位角均会出现突变。突变程度与至压裂孔的距离、水压、裂缝扩展方式及煤层力学性质等多种因素有关;压裂后主应力增量得到恢复,但比压裂前均有所降低,水力压裂可改变煤层的应力状态。②顶板压裂后,再受到工作面采动影响,煤层垂直应力增加,水平应力有降低的趋势,但采动引起的主应力增量变化幅度远小于压裂引起的变化,而且采动对主应力增量的倾角和方位角的影响不大;水力压裂可使顶板来压强度降低,工作面超前支承压力的影响减弱。③ 晋城王台铺煤矿坚硬顶板综采工作面进行水力压裂后,顶板的整体性和强度得到弱化,工作面采动影响减弱,顶板能够紧随工作面推进及时垮落,说明水力压裂效果良好。     

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。     

成庄矿15号煤层坚硬难垮顶板定向水力压裂技术研究

为了有效解决成庄矿15号煤首采面坚硬顶板垮落困难的问题,提出定向水力压裂弱化顶板的施工方案。通过现场生产地质条件调研,确定最优的压裂钻孔布置参数。后期钻孔窥视结果表明:通过定向水力压裂施工有效弱化15号煤上覆坚硬顶板,正常情况下能保证岩层的稳定下,随着工作面回采煤层上覆坚硬岩层可实现分层垮落,保证工作面的安全回采。     

富家凹煤业坚硬顶板巷道水力压裂技术研究

富家凹煤矿11^#煤层回采巷道受相邻工作面采动影响严重，巷道易出现变形，影响矿井安全生产。为确保富家凹煤矿11207工作面的安全顺利回采和相邻工作面11205工作面巷道的顺利掘进，采用水力压裂技术在11207回风巷道进行顶板切顶卸压，弱化11207回风巷道顶板坚硬岩层，缩短悬顶距离，优化相邻工作面应力分布，降低对相邻巷道的影响。通过现场调研及钻孔窥视仪观测，发现11207回风巷道顶板存在多段完整岩层与复合顶板，故设计采用后退式分段压裂弱化顶板中完整岩层，并确定了具体的钻孔及压裂参数。基于该工作面垮落情况、钻孔窥视情况及相邻工作面巷道成型情况，综合分析11207工作面水力压裂效果。结果表明：采用水力压裂区段回采工作面垮落步距控制在8 m左右，钻孔裂隙发育明显，相邻巷道未受明显影响，实现了对坚硬顶板的控制。     

定向水力压裂技术弱化坚硬顶板效果分析

凤凰山矿XV5302综采工作面直接顶为K2石灰岩,其厚度达8 m,属于坚硬难垮顶板。为了保障工作面初采期间,采空区顶板能够呈现分层分次垮落,避免顶板大面积垮落对工作面设备造成损坏及对人员造成伤害。在切眼安装设备前,在切眼内回采帮向推进方向进行顶板打钻,采用定向水力压裂技术对工作面坚硬难垮顶板进行定向压裂,来削弱顶板强度和整体稳定性。并在初采期间,在工作面内安装矿压监测仪器来监测顶板的压力状况,通过监测的顶板压力曲线分析定向水力压裂技术的应用效果。     

综采工作面水力压裂初次放顶技术研究

针对柠条塔煤综采工作面顶板稳定难以垮落,工作面大面积悬顶带来的安全隐患问题,在综采工作面开切眼实施水力压裂初次放顶技术,通过监测水力裂缝扩展、水压变化及顶板垮落效果,分析水力压裂技术在初采期间的控顶效果。结果表明:针对厚而稳定的砂岩顶板,在开切眼处沿工作面推进方向实施水力压裂钻孔,可有效弱化顶板岩层,有利于综采工作面初采期间顶板岩层顺利、安全垮落。根据柠条塔煤矿顶板岩层条件,确定了合理的压裂参数,包括钻孔间距、长度、倾角以及压裂所需压裂,可保证工作面顶板在初采期间分层、分次逐步垮落,未形成强烈冲击,确保了工作面安全初采。     

坚硬顶板高压水力切顶技术的切顶角度力学机制分析

为探究顶板的垮落倾角与水力钻孔角度对切顶卸压作用的力学机制,根据“砌体梁”关键块理论对切顶破断结构进行了力学分析,提出了基于关键块结构的“砌体梁”径向力模型与轴向力模型并进行了理论解析。运用COMSOL数值模拟软件,分析了不同角度下水力切顶钻孔的最大主应力分布特征。结果表明：切落顶板所受径向力会随垮落倾角的增加而上升,导致切顶后难以充分卸压。切落顶板所受轴向力随倾角的增加而逐渐降低,致使顶板更容易发生垮落。当水力切顶的角度小于45°时,垂直地应力对钻孔中部的压缩作用明显,对水力压裂起抑制作用。当切顶钻孔角度大于60°时,钻孔整体承受拉应力,有利于水力裂缝的扩展。     

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。     

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。     

深埋坚硬复合顶板定向水力压裂卸压技术研究

针对赵庄煤矿深埋坚硬复合顶板难垮落的问题,以1311工作面为研究对象,通过对围岩应力影响因素进行综合分析研究,提出了定向水力压裂卸压技术弱化围岩,并进行现场应用。现场应用结果显示,定向水力压裂卸压技术能有效弱化坚硬复合顶板,降低了巷道围岩应力集中程度,卸压效果良好。     

水力压裂在酸刺沟煤矿初次放顶中的应用

针对酸刺沟煤矿4号煤与6号煤顶板岩层与工作面初采特点,分析顶板岩层水力压裂的分层弱化与初次垮落特点。通过观察顶板岩层结构和监测水力裂缝扩展、水压变化以及顶板垮落情况,确定钻孔与压裂参数。研究结果表明:采用单孔多次压裂方法可有效弱化、分层顶板,顶板分层、分区域、分次及时垮落,保证工作面初采安全;对于4号煤顶板,压裂钻孔间距为10m,水压为10~20MPa;对于6号煤顶板,压裂钻孔间距为8~10m,水压为13~30.8MPa。与爆破强制放顶方法相比,水力压裂初次放顶法更为安全、合理。     

回采工作面上隅角水力压裂切顶技术及其应用

针对部分回采工作面上隅角难以及时垮落的难题,提出一种控制上隅角及时垮落的新方法即定向水力压裂法对上隅角顶板进行预裂切顶,使上隅角能够及时垮落。研究表明,该方法通过在工作面上隅角上部岩层中分段定向多次水力压裂使顶板产生多组裂隙,在工作面回采动压及煤柱支承应力的双重作用下上隅角顶板发生破裂从而实现及时切落。试验结果表明,采用定向水力压裂切顶后上隅角顶板能够及时垮落,最大悬顶面积均小于10m~2;同时,周期来压时机头支架工作阻力最大可降低27.6%,周期来压步距平均降低24.8%,有效降低了工作面上隅角的管理难度。     

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。     

定向水力压裂技术在7806切眼的应用

中厚煤层多采用综采放顶煤开采方式。在初采过程中,随着回采工作面的不断推进,老空区的悬顶面积不断增大,初次来压前,容易出现压架现象。潞安五阳煤矿7806工作面老顶为细粒石英砂岩,难以冒落,采用定向水力压裂技术应用在该工作面。实施压裂后工作面推进大约9 m时,观测到直接顶开始垮落;推进12 m时,部分老顶垮落;推进16 m时,老顶全部垮落。通过定向水力压裂顶板预裂试验,缩小了顶板初次垮落步距,有效防止了大面积顶板垮落带来的隐患,实现了工作面初采期间安全、高效生产。     

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。     

水力压裂技术在野川煤矿初次放顶中的应用

针对野川煤矿3^#煤顶板岩层与工作面初采特点,分析顶板岩层水力压裂的分层弱化与初次垮落特点。通过观察基本顶及老顶岩层结构和强度,确定水力压裂钻孔长度和单孔压裂次数。研究结果表明:采用S孔和L孔分别多次压裂方法可有效弱化、分层顶板,顶板分层、分区域、分次及时垮落,保证工作面初采安全;压裂钻孔间距10 m,水压10~20 MPa。与爆破强制放顶方法相比,水力压裂初次放顶法更为安全、环保、健康、友好。