我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害分类、预测与防控

针对我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害频发的现状,采用现场调查、理论分析、现场监测等方法,对顶板运动型矿震及诱发灾害发生机制、预测和工程分类技术进行了研究,得到以下主要结论:①基于关键层运动模式将顶板运动型矿震分为关键层断裂型、关键层回转型和关键层滑移型3类矿震,建立了基于"关键层运动状态"的顶板运动型矿震的能量预测模型...     

煤层巨厚砂岩顶板定向长钻孔水力压裂矿震防治技术研究

针对东滩矿工作面采掘期间易造成煤层巨厚砂岩顶板应力失稳产生矿震等灾害现象,以63上03工作面巷道及上覆岩层为施工区域,通过岩性分析、关键层判断及现场实际综合比较,确定关键层位施工顶板定向长钻孔,并进行水力压裂,为东滩矿煤层巨厚砂岩顶板定向长钻孔分段水力压裂矿震防治提供技术支撑。结果表明：选定二叠系山西组上段中砂岩层（30.9 m）、侏罗系三台组下段细砂岩层（163.70 m）为钻孔施工关键层位;完成4个顶板定向长钻孔钻探施工,形成了顶板连续滑动钻进工艺,单孔孔深为519~800 m,总进尺2517 m;通过4个钻孔的分段压裂工程施工形成了东滩矿煤层顶板双封单卡后退式分段压裂工艺,分段压裂施工累计25段,总注水量1286 m3,施工压力17.1～32.8 MPa,压力曲线明显反映了破裂点,最大压力降超过10 MPa;水力压裂施工大幅度降低了震级大于2 级和1~2级微震事件的发生频次,同时压裂后工作面支架循环末阻力平均值降低了1.2 MPa,周期来压步距降低了7.3 m,起到了治理矿震的效果。     

倾斜厚煤层综放工作面煤柱-关键层结构失稳型矿震机理

采空区遗留煤柱支撑顶板导致厚硬关键层悬顶面积大幅增大,形成的“煤柱-关键层”结构失稳是诱发矿震和冲击地压灾害的主要原因。以新疆硫磺沟煤矿(4-5)06矿震频发工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、微震监测和现场调研等方法,研究了“采空区遗留煤柱-关键层”组成的覆岩空间结构特征,分析了采空区遗留煤柱应力演化规律和关键层力学结构特性,建立了非对称覆岩空间结构下采空区遗留煤柱应力分布估算模型和倾斜关键层极限跨度计算力学模型,揭示了倾斜厚煤层综放工作面“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生机理：采空区遗留煤柱支撑顶板形成“煤柱-关键层”结构,随着工作面开采范围增大,煤柱应力集中程度不断增加,当煤柱集中应力超过其极限承载能力发生失稳时,悬露关键层长度超过其极限跨度,发生破断失稳并诱发矿震和冲击地压灾害。据此建立了包含遗留煤柱整体失稳冲击倾向性指数和关键层极限跨距的“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生判别准则,并采用数值模拟和微震监测进行了验证。按照“有震无灾”的防治原则,提出了“煤柱-关键层”结构下工作面“减震-防冲”的技术措施,分析了工作面推采速度与大能量微震事件的关系,确立了降低工作面矿震能量...     

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。     

厚煤层综放开采覆岩动力灾害原理及防治技术

随着我国煤炭开采深度的不断增加,冲击地压等煤岩动力灾害日益加剧,严重影响到煤矿安全生产。综合采用理论分析、装备研发,技术开发、工程实践等方法,研究了厚煤层综放开采的覆岩运动特征、动静叠加载荷作用下冲击动力灾害发生原理,提出了坚硬顶板多点拖动式分段水力压裂冲击防治方法,并在神东布尔台煤矿开展了工程应用。结果表明:综放开采中-低位关键层破断方式逐渐由悬臂梁式过渡为砌体梁式,控制采掘扰动形成的动载荷,改造覆岩破断形式是解决冲击动力灾害的关键。通过顶板分段水力压裂弱化技术实施,压裂最高压力30.7 MPa,破裂压降最大达10.0 MPa,出现3.0 MPa以上压力降200余次。单个压裂钻场弱化影响范围达走向300m,倾向230m;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20.00%～69.70%、5.79%～7.90%、13.44%～18.37%,验证了顶板弱化的有效性。     

采空区覆岩结构演化规律及其矿震致灾机理研究

以兖矿集团鲍店煤矿地质条件及开采现状为背景,依据关键层理论以及覆岩运动规律揭示矿震致灾机理,本文分别演示了沿煤层走向和倾斜方向上,工作面回采期间上覆岩层运动过程,分析了103上03（2）工作面矿震震源发生的原因,最后根据研究结果给出了矿震灾害防治措施。     

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。     

厚硬顶板潜在矿震风险地面压裂预控技术

具有厚硬顶板的矿井在采掘期间将面临矿震、矿压显现强烈的风险，易导致矿井发生动力灾害事故。为对此类风险隐患进行预控和防范，需要对矿井的厚硬顶板进行预控处理。采用现场调研、工程类比、理论分析、实验室试验和数值模拟的方法，对矿井岩层赋存特征、潜在矿震风险、厚硬顶板可压裂性和地面压裂预控矿震风险机理进行研究。理论分析得到具有厚硬顶板的矿井不仅存在单一工作面低位、高位厚硬顶板初次破断诱发矿震风险，也存在随矿井开采空间增大加剧高位厚硬顶板诱发矿震的风险性；蒙陕地区类似条件工程案例类比表明，具有厚硬顶板赋存条件、开采条件的矿井，自第2个工作面开采始具有发生较高的矿震风险的可能；通过厚硬顶板可压裂性试验研究得到岩石脆性系数为59%～143%，平均脆性矿物含量约68%，综合表明所研究矿井的厚硬顶板可压裂特性较好；模拟对比分析得到在厚硬顶板预裂后，工作面超前支承压力集中程度和超前影响距离均明显降低。基于厚硬顶板的研究结果，提出了矿井地面压裂区域卸压矿震风险预控技术，即通过地面实施“L”型钻孔至厚硬顶板进行压裂，以降低厚硬顶板完整性和致密性。工程应用表明，在实施地面压裂区段中，井下压裂区域微震事件的最高频次...     

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。     

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。     

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.     

高压水力压裂技术在综放工作面初采放顶中的应用

针对12204工作面初采期间老顶来压不及时,采空区出现大面积悬顶,经常出现瓦斯积聚超限且给顶板管理带来极大安全隐患等问题,提出利用高压水力压裂技术方案处理坚硬顶板不及时垮落问题。12204工作面采用高压水力对切眼顶板岩层逐层进行分割、压裂后,破坏了岩层的整体稳定性,使其强度大大降低。采用高压水力压裂技术处理顶板后,工作面初次来压步距比原工作面老顶初次来压步距缩短了36.6m,工作面回采过程中顶板能够实现随采随落。通过理论计算分析和现场实践结果表明,达到了预期效果。     

坚硬顶板定向水力压裂技术在王台铺煤矿的应用

王台铺煤矿XV#煤顶板属于坚硬难垮顶板,由于条件限制和存在问题不宜采用传统的超前深孔预裂爆破弱化方式处理顶板问题,采用定向水力压裂技术在井下工作面进行现场试验,通过现场围岩地质力学特征测试确定定向水力压裂方案。工作面回采后通过监测支架受力,得出预压裂工作面顶板初次来压步距在26~27 m之间,水力压裂控制顶板效果良好,并且克服了深孔预裂爆破中存在的不足,为该技术的推广应用提供了依据。     

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。     

顾桥矿顶板水力压裂控制大巷变形技术研究

顾桥煤矿巷道顶板中具有多层关键坚硬岩层,关键岩层传递远场采动应力,致使盘区大巷围岩控制困难|用水力压裂技术切断顶板中的多层关键岩层时,要求精准可控地实现分层致裂,保障施工的有效性和安全性。为此引入成套专用技术装备,在顾桥煤矿北二采区首采工作面开展了顶板水力压裂应力转移保护盘区大巷技术试验。试验结果表明：实时监测的孔口水压力可以反映水力裂缝贯穿目标砂岩层、在其他不同岩性的顶板中扩展的过程,可作为施工过程中的参考。基于孔口压力监测和定点封孔精准致裂,可以有效分层切断顶板关键岩层。分层致裂坚硬顶板后,监测到试验盘区大巷的顶底板及两帮移近量均小于230mm|采动应力得到有效转移,盘区大巷变形得到了有效控制。试验提供了一种精准可控地分层致裂坚硬顶板、保护盘区大巷的工程实例,可为具有类似问题的矿井提供经验参考。     

水力压裂技术在二次动压巷道卸压中的应用

保德煤矿8号煤层三(上)盘区位于井田南侧,该盘区靠井田南侧边界段受古河流冲刷影响,老顶为较厚的含砾粗砂岩,该区域回采期间工作面矿压显现明显,回采后会导致相邻工作面二次采动巷道变形严重。为减小相邻工作面巷道变形,采取了水力压裂技术,通过“切断”传递力的关键层,降低二次动压巷道变形。实践证明,81307胶带顺槽(对应81308一号回风顺槽13~14联巷段)水力压裂预卸压技术有效解决了81308一号回风顺槽二次动压巷道在相邻81307工作面采动后的留巷难题,同时节约了巷道维护工程量。     

冲击地压矿井水射流联合水力压裂宽煤柱卸压技术研究

针对冲击地压矿井宽煤柱会积聚大量弹性能从而容易引起地压灾害事故的问题，基于理论分析和现场试验，对葫芦素煤矿21103工作面区段煤柱进行了“钻-切-压”一体化卸压技术研究，通过布置钻孔进行射流切缝和压裂对区段煤柱弱化卸压，增大了区段煤柱内塑性区宽度，减少了弹性能量积聚，同时为减少煤柱卸压对巷道支护产生的负面影响，在21103工作面临空回风巷进行了定向水力压裂切顶，减少了侧向采空区悬露顶板向区段煤柱上的应力传递。“钻-切-压”一体化卸压技术与定向水力压裂切顶技术的联合应用，在21103工作面临空回风巷内取得了良好的实践效果，解决了区段煤柱内塑性区宽度增加同时对巷道支护不利这一矛盾。     

李雅庄煤矿水力压裂切顶技术应用研究

针对李雅庄煤矿工作面上隅角悬顶面积过大以及巷道超前段动压显著等技术难题,采用水力压裂切顶技术,使顶板岩层产生裂隙,破坏顶板岩层完整性,工作面回采后上隅角能够及时垮落,减小悬顶面积。工程实践表明,通过在工作面2-6112巷上隅角顶板应用水力压裂切顶试验,实现了上隅角顶板的及时垮落且周期来压步距缩短在10 m内,上隅角的悬顶面积小于10 m²。从而转移了顶板应力,减弱了两巷超前动压,最终实现了顶板卸压,保障了李雅庄煤矿的安全生产。     

煤矿水力压裂切顶卸压技术研究

为了改善留巷的应力状态,降低巷道维护难度,保证矿井安全生产,以煤矿实际巷道工程概况为基础,分析了水力压裂切顶卸压前后的应力分布,研究了试验机具与设备,设计了压裂参数及水力压裂切顶技术施工工艺,并分析了水力压裂切顶技的安全技术措施。研究为类似矿井地质条件的巷道切顶卸压提供了借鉴。     

坚硬顶板定向高压水力致裂防冲护巷技术应用

定向高压水力致裂是一项防治坚硬顶板型冲击地压的新技术,基于张双楼煤矿93604工作面地质条件,研究了定向水力致裂防冲与护巷机理,通过现场试验,得到了张双楼煤矿定向水力致裂的技术参数。现场试验表明,定向水力致裂割缝时间小于10 min,致裂半径不小于10 m,裂纹扩展5 m所需时间不超过3 min,扩展10 m所需时间小于10 min。该技术在93604工作面应用后,有效减小了悬顶长度,实现了迎采巷道防冲与巷道保护的目的。