井下水力压裂煤层顶板应力监测及其演化规律

针对井下水力压裂过程中未考虑水头压力对煤层顶板地应力的影响,导致煤层顶底板容易被破坏的问题,以松藻矿区同华煤矿水力压裂为例,采用空心包体应力计监测压裂过程中顶板应变变化规律,根据岩石应力-应变关系及检测结果计算出压裂前后煤层顶板地应力增量的大小和方向,分析水力压裂水头压力对煤层顶板地应力的影响规律.结果表明:(1)煤岩体起裂时,顶板主应力增量达到最大值且与煤层起裂压力在数值上基本相等,以煤层起裂方向为基准,主应力的方位角与倾角均发生了相应的旋转;(2)煤层起裂后顶板主应力增量急剧减小,主应力方位角和倾角逐渐恢复至初始状态;(3)停止压裂后,顶板主应力较初始状态均有所增大,主应力方位角和倾角与初始状态基本一致,说明水力压裂能够改变煤层顶板应力状态.     

煤层水力压裂应力应变演化规律探究与实践

为了探究煤层水力压裂过程中应力应变演化规律,采用理论分析和现场监测的研究方法,利用空心包体应变计监测煤层水力压裂前后应力应变的变化规律。结果表明:煤层水力压裂开始2 h后高压水影响范围扩散到29 m处的监测孔,且对应力监测点的影响达到最大,后期应变趋于稳定状态,压裂后6 d,应变恢复到稳定状态不再变化,但仍大于压裂前状态;煤层水力压裂时主应力增量均增大,但幅度不同,压裂主要影响的是竖直方向的应力增量,与应力监测点和压裂孔的空间位置有关;煤层水力压裂后由于压裂液滤失逐渐卸压,应力增量逐渐减小且有恢复到原始稳定状态的趋势,但仍大于未进行水力压裂时的状态;煤层水力压裂对煤岩体方位角和倾角影响不大。该煤层水力压裂应力应变演化规律可以为煤层水力压裂增透机理的探究提供借鉴和参考。     

顶板穿层钻孔水力压裂现场数值模拟研究

以水力压裂增透机理为理论基础,以河南能源化工集团焦作煤业集团二1煤层的现场实测数据为参数,对演马庄矿22111运输巷顶板抽采巷打顶板穿层钻孔对煤体进行水力压裂,并运用RFPA2D-Flow软件进行水力压裂现场模拟。通过分析水力压裂过程中煤层裂隙的产生和贯通,以及压裂后钻孔周围主应力和渗透系数的变化,可知压裂后钻孔周围煤层主应力得到明显降低和渗透系数得到显著增加。并通过现场水力压裂抽采数据分析得出:压裂孔影响区域单孔日均抽放纯瓦斯流量是压裂孔未影响区域组抽采孔日均瓦斯抽采纯流量的35.35倍,抽采孔瓦斯浓度平均要提高1.34倍。水力压裂能显著增加抽采效果。     

近距离煤层水力压裂切顶卸压护巷技术研究

针对近距离煤层底抽巷在上部工作面采动后处于高应力状态而难以维护的问题,开展了水力压裂切顶卸压护巷技术研究,得出:工作面采动后坚硬厚顶板易形成较长时间跨度的悬顶效应是底抽巷压力显现的关键因素;水力压裂消除或减弱了坚硬顶板形成的悬顶效应,提高了采空区上覆岩层冒落性,改变了煤柱中应力分配比例,改善了底抽巷应力状态;现场采用同孔多段分次后退式水力压裂技术,结合跨式钻孔封隔器,在顶板坚硬岩层中形成明显的人工裂缝,缓解了底抽巷围岩应力集中,降低了底抽巷的维护难度,取得了良好的效果。     

基于煤层应力的水力致裂防冲机理与试验研究

为了从煤层应力角度研究水力致裂的防冲机理,首先进行了理论分析并提出了空间应力梯度概念来表征冲击地压危险性,随后进行了煤层顶板水力致裂现场试验,利用应力在线监测系统,监测得到了致裂前后及工作面推进过程中煤层应力的变化。水力致裂前后,煤层应力变小。采动影响下,煤层应力不断增加,直至达到应力峰值,随后迅速减小。水力致裂后,煤层应力峰值位置向深部移动,峰值处煤层应力增值下降,开采过程中煤层应力的空间应力梯度最大值也得到降低。结果表明:煤层顶板水力致裂可以降低煤层应力,达到卸压效果;可以减小开采过程中煤层应力的局部集中,降低煤层应力的空间应力梯度。     

定向水力致裂对煤层顶板三向应力的影响研究

煤层顶板水力致裂是处理坚硬顶板和防治冲击地压的重要技术手段之一,为了研究水力致裂技术对煤层顶板三向应力的影响,通过现场开展煤层顶板定向水力致裂试验,采用光纤光栅三向应力传感器得到了致裂前后顶板岩层的三向应力。结果表明：水力致裂之后,监测断面处顶板岩层三个主应力均有所降低,最大降幅约为20%,而主应力方向变化很小|在工作面坐标系下,致裂部位处各应力分量的降幅受致裂面方位的影响。顶板水力致裂能够显著降低或者转移顶板岩层三向应力,对致裂部位具有良好的卸压效果。研究成果可为现场水力致裂钻孔布置提供参考,并可用于冲击地压防治研究。     

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。     

掘进工作面顶板水力压裂防灾技术应用研究

高瓦斯、高地应力掘进工作面顶板围岩动力现象频繁出现，严重制约了矿井安全生产。为防止煤岩动力灾害事故发生，五阳煤矿采用水力压裂技术开展掘进工作面顶板围岩卸压增透试验，以减小巷道上方应力效应、预先释放顶板瓦斯。利用瞬变电磁仪检测煤层裂隙电阻率变化以表征顶板水力压裂试验开展情况，通过对比顶板水力压裂前后工作面瓦斯浓度、煤炮响应次数及微震事件，研究顶板水力压裂技术的防灾效果。研究表明，煤层电阻率受顶板水力压裂效果影响巨大，同时压裂防灾效果明显，施工前后各项指标均有明显降低，瓦斯浓度降低40%，煤炮响应次数减小85%，微震事件减小76%。     

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。     

煤柱留巷定向水力压裂卸压机理及试验

针对煤柱留巷支护问题,提出一种控制坚硬厚顶板煤柱留巷变形的新方法——定向水力压裂留巷卸压技术,旨在转移护巷煤柱上的高采动应力,改善留巷的应力状态,并提出定向水力压裂煤柱留巷卸压机理。以余吾煤业公司S1206煤柱留巷瓦排巷为研究对象,确定了定向水力压裂钻孔方案、钻孔布置参数及施工工艺。压裂结果显示,横向切槽机械钻头可以在预定位置预制开槽;21~28 m分段压裂时间占总压裂时间48%,是整个钻孔的压裂关键位置;采用间接方法判断裂隙的扩展范围20 m左右。对压裂段和非压裂段进行了表面位移、煤柱垂直应力、工作面超前支承压力、压裂段煤柱上方三向应力等监测。监测结果表明:压裂段两帮收缩量降低30.5%,顶底板移近量降低50.2%;超前压力的影响距离不超过50 m,距离工作面超过15 m左右时,出现应力峰值;超前工作面10 m左右范围内出现塑性破坏;采动影响最显著的作用来自垂直应力;采空区造成应力扰动方向与最大相对主应力方向一致。监测与评估表明卸压效果明显。压裂及卸压结果表明,采用定向水力压裂留巷卸压技术可以消除或减弱坚硬顶板形成的悬顶效应,达到留巷的目的。     

顶板钻孔割缝导向水压裂缝扩展的现场试验

在坚硬顶板定向水力致裂原理性试验成功的基础上,在综采工作面端头超前支护段内进行了坚硬顶板钻孔预割缝定向水力致裂的半工业性试验,分析钻孔割缝对引导水压裂缝扩展的作用。大同塔山煤矿8102工作面试验结果表明,钻孔孔壁水压裂缝沿预割缝槽优先起裂,预开槽对坚硬顶板水力致裂的起裂起到了定向作用。水压裂缝定向起裂后,受地应力场等综合影响,水压裂缝会出现空间转向。采动影响会改变致裂钻孔周围的应力分布,进而影响裂缝的定向扩展效果;因此,坚硬顶板定向水力致裂应考虑采动应力影响,注意与采动的协调配合。定向水压裂缝可穿岩层间层面扩展。钻孔预割缝定向水力致裂的实质是通过预割缝来控制裂缝的定向起裂,引导裂缝的扩展方向;并配合地应力、采动应力、致裂工艺等使导向裂缝尽量满足工程要求。     

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。     

近距离煤层工作面坚硬顶板水力压裂应用研究

针对石圪台煤矿31306工作面3-1煤层上覆采空区厚坚硬顶板不能及时垮落,致使工作面矿压显现剧烈等问题,本文在31306工作面应用水力压裂方法,并通过理论计算,合理地设计了钻孔的施工参数和布设方案,确定最优钻孔布设位置为基本顶细粒砂岩中部即煤层顶板上20m处,钻孔参数为1#钻场共2个孔径96mm且单孔长度为260m~510m的钻孔。现场监测结果表明：第一段钻孔总压裂时间为64min,总注水量为34立方,共出现3次明显的破裂点,在实施水力压裂后,工作面顶板来压明显破降33次,单段孔形成多组大规模的联通裂隙,顶板整体性大幅度降低,工作面可顺利进入采空区,水力压裂有效地解决了31306工作面上覆采空区坚硬顶板悬顶、矿压显现剧烈等问题。     

动压影响巷道水力压裂切顶卸压技术研究

针对沿空留巷煤柱靠采空区侧悬顶造成保留巷道变量大、控制困难问题,提出水力压裂切顶卸压技术。以长平煤矿Ⅲ4321工作面为研究背景,模拟了动压影响巷道水力压裂切顶卸压全过程,获得了水力压裂和工作面回采中煤岩层的弹性模量、损伤场和应力场分布规律,揭示了水力压裂的切顶卸压规律。并进行了动压巷道水力压裂切顶卸压现场应用,结果表明：采取水力压裂切顶卸压措施后,受动压影响的Ⅲ43212巷两帮最大移近量和顶底板移近量分别降低了60.01%、63.32%,有效控制了动压影响巷道围岩变形,为类似条件下动压影响巷道围岩变形控制提供了借鉴。     

综采工作面过上覆房采区顶板管理措施研究

针对柳塔煤矿22煤层开采过程中受上覆近距离房采区遗留集中煤柱应力影响发生强矿压显现、支架压死等问题，综合采用现场实测、理论分析、数值模拟的方法对工作面来压异常原因及矿压规律进行了研究，提出定向长钻孔分段水力压裂技术，并对实施效果进行了分析。结果表明：工作面来压强烈主要是由于上覆煤柱应力集中且受采动影响煤柱发生失稳导致多重应力叠加，通过实施水力压裂提前弱化顶板的方式能够有效解决来压强烈的问题，保证回采作业安全，为后续工作面安全生产提供指导。     

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。     

水力压裂切顶技术在巷道超前支护中的应用研究

为了解决干河煤矿2-2092回采巷道在临近采空区影响下巷道变形严重,超前维护量大的问题,采用水力压裂切顶技术削弱岩层的整体性和稳定性,降低集中应力,以达到使巷道处于低应力区域的目的。分析临空动压对超前段巷道的作用机理及水力压裂切顶机理,并根据2-209工作面实际条件,对水力压裂有关参数进行设计,并开展工业性试验,监测数据结果对比分析表明,水力压裂后2-2092巷的底鼓量、顶板下沉量和两帮移近量降低,减小了巷道变形对掘进和回采的影响,节约了支护成本。     

基于应变软化模型的煤柱采动应力分布精细化数值模拟

以山西经坊煤业08综放工作面工程地质条件为背景,开展了工作面护巷煤柱采动应力的现场钻孔应力实测;同时,分别建立了基于摩尔-库伦(MC)本构模型以及应变软化(SS)本构模型的数值计算模型,精细研究了综放工作面煤柱采动应力空间分布及演化规律。现场钻孔应力监测及数值模拟结果表明：与传统的MC模型相比,基于SS模型的精细化数值模拟能够准确地获得综放工作面煤柱采动应力空时分布规律,其结果更接近于现场钻孔应力监测结果;基于SS模型的煤柱上的支承压力峰值位置滞后工作面40-50m,而基于MC模型煤柱采动应力峰值位置始终处于采空区中部,不能反映采空区顶板垮落破断对采动应力分布规律的影响;基于SS模型的煤柱上的侧向支承压力与工作面前方的超前支承压力分别相比基于MC模型的结果小43.3%与26.2%。研究成果对于指导综放工作面护巷煤柱尺寸留设以及巷道布置与支护设计具有一定的理论与工程指导意义。