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。     

锦界煤矿综采工作面水力压裂初次放顶矿压显现规律

为消除锦界煤矿综采工作面初采期间需采取强制放顶措施而产生大面积悬顶等一系列安全问题,分析了爆破强制放顶技术的矿压特点,并通过监测水力压裂初次放顶的水压和流量,统计顶板初次垮落特点和工作面支架工作阻力变化,分析了锦界煤矿31111工作面水力压裂初次放顶矿压显现规律。研究表明:水力压裂初次放顶呈现出分层、分次、逐步垮落特点,消除了初采期间顶板大面积一次垮落给工作面造成的危害。初采期间工作面支架来压动载系数降低,有效缓解初次来压对支架造成的冲击载荷。矿压规律及顶板垮落效果显示,水力压裂是一项安全可靠的工作面初次放顶技术。     

潞宁煤矿综采工作面厚硬顶板水力压裂技术研究

为解决潞宁煤矿24102工作面厚硬基本顶难以垮落的问题,采用数值模拟手段分析工作面初采阶段顶板运移规律,通过对基本顶预裂可减小基本顶初次来压步距和强度,根据工作面实际条件设计水力压裂钻孔布置参数,对切槽、封孔工艺进行设计优化。应用后工作面回采初期,基本顶初次来压步距为25～28 m,支架载荷小于额定工作阻力,巷道变形在合理范围内,保障了初采阶段的安全生产。     

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。     

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。     

巨厚煤层爆破切顶初采初放技术应用研究

为确保胡家河矿401106工作面在初采初放及正常回采期间顶板及时垮落，依据工作面具体的工程地质条件设计松动爆破方案，通过现场调研、微震监测、液压支架载荷监测等手段研究矿压显现规律。结果表明：工作面初采步距为46.4 m，初次来压持续距离16.2 m，液压支架工作状态良好，除上下隅角顶煤未冒落外顶煤全部垮落，应用效果较好。     

游仙山煤矿工作面端头悬顶水力压裂技术及应用

针对游仙山煤矿顶板较坚硬,工作面端头悬顶难以垮落的问题,提出采用水力压裂技术对坚硬悬顶进行预裂切顶,保证工作面上下隅角及时垮落。研究表明：该技术通过对工作面端头坚硬顶板进行定向分段水力压裂,使悬顶岩层内裂隙发育程度增加,在工作面采动应力的作用下能够及时垮落。井下试验及矿压分析结果表明,采用该水力压裂技术后,工作面端头悬顶面积均保持在5 m²以下;另外,工作面端头的矿压显现也明显缓和,端头支架的工作阻力最大降低了26.6%,周期来压步距平均降低了28.4%,取得了良好的应用效果。     

保护层开采覆岩移动规律相似模拟试验研究

以祁东煤矿高瓦斯突出煤层群开采为工程背景,利用相似模拟试验研究了保护层开采对上覆岩层移动规律的影响,试验结果表明:工作面存在大小周期来压现象,大周期来压步距为18.0~25.0 m,小周期垮落步距约为15.0~17.5 m;分析得出工作面回采后的支承压力分布规律以及来压时动载系数的大小;垮落带最大发育高度为8.0~10.0 m,覆岩离层最大发育高度为23 m。该研究成果为指导采空区高位钻孔及地面井瓦斯抽采参数设计提供了重要的理论依据。     

木瓜煤矿中厚煤层采场覆岩破断规律研究

木瓜煤矿10-201工作面主采9号煤层厚度较大,为了解采场覆岩破断规律,借助UDEC数值模拟软件进行研究,结果表明工作面回采20 m时,直接顶岩层全部垮落充填采空区,初次来压步距为35 m,周期来压步距为20 m,裂隙带发育高度为45 m。通过现场监测工作面液压支架工作阻力变化情况及采场“两带”高度观测,得出结论:工作面推进20 m后,直接顶岩层全部垮落充填采空区,初次来压步距为38 m,周期来压步距为20 m,裂隙带发育高度为47 m,与数值模拟结果基本吻合。     

水力压裂技术在综采工作面初次放顶中的应用

针对寸草塔煤矿22104综采工作面顶板岩层的特点,结合工作面实际情况,从工作面水力压裂钻孔布置设计、与强放效果对比、预裂效果分析等几个方面进行了分析。完成了对顶板岩层的弱化,实现了初采期间直接顶能顺利垮落,减小了工作面老顶初次来压步距,达到了降低初采期间工作面来压强度的目的,为今后综采工作面顺利实施水力压裂初次放顶技术提供了宝贵的经验数据。     

近浅埋大采高综采矿压显现规律研究

根据杭来湾煤矿30101首采工作面开采条件,进行了室内物理相似模拟试验研究,并对工作面进行了矿压实测分析。确定了杭来湾煤矿工作面初次来压步距和周期来压步距;给出了工作面支架所需额定工作阻力;研究了工作面大小周期来压显现规律及上覆岩层垮落特征。     

水力压裂技术在综采工作面初放顶板控制中的应用

结合大柳塔煤矿12316综采工作面初采期间使用水力压裂控制顶板的技术研究和应用实践,通过井下试验、现场写实、实践验证相结合的方法,研究了水力压裂对顶板岩层的弱化及初次垮落的作用。结果表明,采用水力压裂控制采空区顶板期间,工作面老顶初次来压步距为36 m,要比强制放顶缩短5 m。更重要的是,采空区顶板初次垮落期间未形成冲击,未对工作面产生影响,实现了工作面初采安全,达到了预期的控顶效果,为今后在大柳塔煤矿其他综采工作面的推广应用提供了实践基础。     

石港煤业15203综放面坚硬顶板水力压裂技术研究

针对石港煤业15203工作面顶板较坚硬、难以垮落的问题,通过采用水力压裂技术弱化煤层顶板,结果表明:弱化后顶板初次垮落步距缩短近9 m,周期来压步距缩短近5 m,有效降低了工作面大面积悬顶造成冒顶事故的风险,保障了工作面安全开采。     

定向组合水力压裂卸压技术在宋新庄煤矿的应用

针对宋新庄煤矿110301工作面坚硬顶板难垮落、周期来压显现剧烈的现象，通过对水力压裂裂缝扩展、贯通机理分析，结合工作面特征与岩层特性优化了钻孔布置方式，提出定向组合分段水力压裂技术研究。现场效果表明，110301工作面实施定向组合分段压裂技术后，预裂区支架来压时工作载荷由38～45 MPa降低为25～35 MPa，应力呈现碎片化，缓解了应力集中现象。周期来压步距由20～30 m缩减到10～15 m，来压步距普遍减小，矿压显现得到缓解。支架动载系数由1.5～1.7降低到1.2～1.3，压架危险性降低。证实了针对来压剧烈顶板采用定向组合分段压裂方式可明显提高压裂效果，使顶板得到及时垮落，进而支承起高位岩层。该研究在现场取得良好的应用效果，为宋新庄煤矿后续工作面开采提供了宝贵的生产经验。     

厚基岩浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律分析

为掌握厚基岩浅埋煤层大采高工作面的矿压显现规律,以乌兰木伦煤矿61203工作面为原型,通过相似模拟试验,得出了厚基岩浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律,工作面初次来压步距为42 m,周期来压可分为大周期和小周期来压.初次来压时是厚关键层的一部分岩层垮落,小周期来压是厚关键层的一部分岩层参与,大周期来压有上位岩层的参与.工作面上覆岩层出现了与一般开采条件下相同的"三带"划分.工作面支架运行不平稳,最大工作阻力9 882 kN,为额定工作阻力的1.15倍.研究表明现在使用的支架已不能满足要求,建议选用更大工作阻力的液压支架.     

8.5 m大采高工作面矿压显现规律相似模拟研究

为了确定特厚煤层覆岩的矿压规律和支架工作阻力变化,根据煤层所处地质条件,基于相似三定理,在实验室采用平面相似模拟的方法,研究了浅埋特厚煤层大采高综采条件下的工作面上覆岩层破断、来压步距和支架阻力及周期来压规律。结果表明:当正常割煤时,直接顶初次垮落步距为23m,基本顶初次垮落步距为38 m,周期垮落步距为17 m;当工作面矿压显现强烈时,支架最大工作阻力为24 000 kN左右,覆岩垮落会形成宽度12～20 m岩柱;支架最大阻力出现在关键层失稳时,最大来压出现在第4、5次周期来压期间,同时工作面的停滞导致支架阻力明显增加。研究为特厚煤层工作面支护工艺技术水平的提高提供了技术参考。     

特厚石灰岩坚硬难垮落顶板定向水力压裂试验

针对寺河煤矿二号井特厚石灰岩坚硬难垮落顶板影响工作面生产的问题,结合围岩强度测试结果设计合理的水力压裂方案,进行坚硬顶板水力压裂试验。现场实践证明:老顶初次来压步距32 m,周期来压步距平均13 m;顺槽在回采期间变形值不大;说明水力压裂技术在解决工作面坚硬顶板垮落的同时也削弱了煤体侧向支承压力朝向顺槽方向的传递,减小了巷道底鼓的发生的概率,水力压裂取得了良好的生产效益。     

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。     

布尔洞矿浅埋煤层开采方案模型实验研究

为了确定布尔洞煤矿浅埋煤层开采的初次来压步距和周期来压步距,确定合理的开采方案,进行了四架次的相似材料模型实验。实验结果表明,初次来压步距达48 m,矿压显现剧烈,顶板垮落时动载效应明显,工作面支架有被压垮危险。工作面在推进过程中留设条带散体煤柱可降低初次来压和周期来压强度。分别模拟了采21 m留12 m煤柱、采12 m留4 m煤柱、采20m留8 m煤柱等3种留设条带散体煤柱的开采方案,在综合考虑回采率与工作面安全的情况下,采20 m留8 m煤柱为方案较好。