坚硬顶板强矿压动力灾害演化机理与超前区域防治技术

工作面上覆坚硬顶板往往不易垮落,破断后易形成动压灾害。以神东矿区布尔台煤矿为背景,针对典型坚硬顶板造成的强矿压动力灾害问题,采用数值模拟、理论分析的方法分析并揭示坚硬顶板弱化前后的应力演化特征及顶板破断机理,提出超前区域防治技术并应用于现场实践。结果表明:坚硬顶板破断演化特征分为3个阶段,即“长悬臂梁”阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段,其中“长悬臂梁”阶段支架上方顶板应力显著增大至6.8 MPa,破断前支架上方顶板应力为破断后的2倍,其临界破断产生的应力释放是引起强矿压的根本原因,这也是弱化改造控制的主要阶段。基于坚硬顶板灾害发生机理,提出“广域大空间”超前区域防治技术,阐述了绿色、精准、广域的防治优势,以及钻孔轨迹控制、封孔质量控制、多孔联动效应的关键技术及治理评价体系。结合数值模拟进一步验证防治技术的可靠性,当“长悬臂梁”结构弱化后,其破断前支架上方顶板应力为4.6 MPa,降幅32.4%,顶板破断演化特征3个阶段演变为来压前阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段,弱化后顶板各阶段支架上方顶板应力降幅达到32.4%~79.4%,表明预成裂隙弱面和降低坚硬层完整性能够有效改变顶板破断结构,显著降低来压强度。实践表明:压裂过程产生多次压降,降幅均达到3 MPa以上,探测裂缝发育长度达到30 m以上,压裂前后工作面周期来压步距降幅44.9%,支架来压载荷降幅18.1%,治理效果良好。研究结果可为类似矿区动力灾害治理提供借鉴。      

随钻测量定向钻进技术在矿井顶板水患治理中的应用研究

西北侏罗系顶板裂隙水害是我国煤矿水害主要类型之一,严重影响了矿井的正常生产,并构成了安全隐患。提出采用随钻测量定向钻进技术施工定向长钻孔进行顶板水探放的治理方案,并对钻进成孔工艺和钻探装备进行了选配。选择红柳煤层3121工作面进行了现场应用,施工的定向长钻孔终孔平均出水量是相邻工作面常规钻孔的269倍,相同疏放周期时放水量是常规钻孔的415倍,成功对2个顶板含水层进行探放并达到安全开采要求,起到超前长距离区域探放顶板水的效果,同时可节约78%工期。现场应用情况表明,随钻测量定向钻进技术在顶板水害防治中具有广阔的应用前景,可为类似矿井提供参考。     

煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

“十三五”以来,围绕“我国煤矿井下煤层区域增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板岩层弱化区域治理”两大难题,将定向长钻孔与分段压裂技术结合,通过技术攻关与装备研发及工程试验,在煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术和装备研发及工程示范应用等方面均取得了明显进展。主要表现在如下4个方面:(1)开发了适合于煤矿井下煤岩层裸眼定向长钻孔不动管柱和动管柱两种分段水力压裂工艺技术与工具,不动管柱分段压裂工程应用钻孔长度突破了500 m,单孔压裂实现了5段;动管柱分段压裂钻孔长度工程应用突破了800 m,单孔压裂实现了17段。(2)研发了煤矿井下低压端加砂压裂泵组和高压端加砂压裂装置,低压端加砂泵组压力达到了70 MPa,排量达到90 m3/h,携砂比达到20%;高压端加砂压裂装备耐压能力达到55 MPa,一次连续加砂压裂的砂量达到750 kg;低压端和高压端加砂装备均在现场进行了工程应用,应用结果表明装备均具有较好携砂压裂能力。(3)建立了碎软煤层围岩分段压裂和硬煤顺层钻孔分段压裂区域增透瓦斯高效抽采技术模式,前者在山西阳泉矿区和陕西韩城矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量均值分别达到了2 811 m3/d和1 559 m3/d,后者在陕西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了2 491 m3/d。(4)探索出了坚硬顶板强矿压煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂主动超前区域弱化治理的新模式,工程应用钻孔长度突破了800 m,坚硬顶板分段水力压裂治理后,顶板来压步距、动载系数和最高压力值较未压裂区分别下降了18.9%~70.6%,5.8%~7.9%,13.7%~19.4%,有效治理了工作面坚硬顶板引起的强矿压灾害。随着煤矿井下分段水力压裂技术改进和煤矿智能开采发展的实际需要,提出了煤矿井下大排量高压力智能压裂泵组、井下长钻孔裸眼分段压裂智能工具等装备和煤矿井?地联合分段水力压裂技术研发方向,以更好地推动煤矿井下水力压裂技术与装备发展,为煤矿安全高效绿色智能开采提供技术和装备支撑。      

基于垮落充填的坚硬顶板分段压裂弱化解危技术

坚硬顶板条件下采煤工作面容易诱发冲击地压、煤与瓦斯突出、矿震及采空区飓风等动力灾害,严重威胁矿井的安全生产。基于裸眼分段压裂超前弱化模式,结合“压裂垮落体+煤柱+承重岩层”协同支撑理念,提出坚硬顶板分段压裂超前弱化解危技术。综合采用理论分析、技术研发、工程应用等方法,探索顶板分段压裂超前弱化解危机理,研究形成稳定协同支撑系统的定量判定公式,并在河东煤田保德煤矿开展工程应用。结果表明:根据判定公式可优选压裂目标层位,顶板分段水力压裂弱化技术实施过程中,最高压力22.43 MPa,破裂压降最大达6.17 MPa,单个钻场3个钻孔累计出现3.0 MPa以上压力降167次;根据压裂前后工作面来压情况可知,压裂后顶板来压步距、动载系数、来压均值分别降低35.02%、14.29%、13.87%,巷道变形得到有效控制,验证分段压裂能够形成人造协同支撑系统,实现坚硬顶板动力灾害的弱化解危。研究实践可为同类地质条件下顶板强矿压灾害防治提供技术借鉴。      

煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术与装备

针对碎软煤层渗透率低、瓦斯抽采衰减快、压裂不均匀、裂缝易闭合、瓦斯抽采效果差、无法实现区域瓦斯超前预抽的问题,提出了煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂强化瓦斯抽采的技术思路,研发适合煤矿井下煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂煤层增透技术,研制了成套的煤矿井下水力加砂压裂泵组装备、定向喷砂射孔装置及工具组合、防砂封隔器及工具组合。水力压裂泵组装备最大排量90 m3/h,最大泵注压力70 MPa,最大携砂能力20%,支撑剂粒径小于等于1 mm;定向喷砂射孔装置通过水压驱动喷射器定向,最大旋转角度180°;防砂封隔器最大承压70 MPa,最大膨胀系数为2。研发的定向长钻孔连续定向喷砂射孔工艺技术和定向长钻孔拖动式水力加砂分段压裂工艺技术,在山西阳泉新景煤矿井下开展工程试验,完成2个压裂钻孔(孔深均为609 m)共计16段水力加砂分段压裂施工,累计实施80次定向喷砂射孔作业,石英砂的体积分数2%~3%,定向喷砂射孔压力22.6~28.6 MPa,共计使用石英砂19.8 t;水力加砂分段压裂单段注入压裂液153.8~235.1 m3、核桃壳砂的体积分数2.02%~2.56%,累计注入压裂液2 808.57 m3,注入核桃壳砂36.47 t;综合评价本次水力加砂分段压裂影响半径为20~38 m,统计分析压裂后2个钻场100 d瓦斯抽采数据,1号钻场、2号钻场日均瓦斯抽采纯量分别为1 025、2 811m3。试验结果表明:压裂装备加砂量大,施工排量大,能够实现连续作业,压裂后煤层透气性显著增加,极大地提高瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量。研究成果对碎软煤层区域瓦斯增透提供新思路,为我国类似矿区区域瓦斯超前治理提供技术借鉴。      

矿井地质保障技术在神东矿区的应用

介绍了矿井地质保障技术在神东矿区的应用情况,并针对该技术在神东矿区应用中存在的问题,提出了进一步发挥矿井地质保障系统作用的建议,以便使矿井地质保障系统真正地为神东公司继续保持高速、健康发展保驾护航.     

顶板高位定向钻孔在青龙煤矿瓦斯治理中的应用

顶板高位定向钻孔是进行上隅角瓦斯治理的关键技术措施。针对青龙煤矿顶板裂隙瓦斯治理需要及复杂顶板高位定向钻孔成孔难题,阐述了顶板高位定向钻孔的技术原理和技术优势;基于“三带”理论综合确定了高位定向钻孔的层位,并优化钻具组合和钻进工艺参数。在青龙煤矿11615工作面完成5个顶板高位定向钻孔的施工,最大孔深达到612 m,单孔最大瓦斯纯流量达到2.79 m3/min,瓦斯浓度达到23.4%,有效地保证了工作面的安全回采。     

碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障,针对碎软煤层区域瓦斯高效抽采难题,以陕西韩城矿区3号煤层为研究对象,提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法,验证模式适用性,阐明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征,进而建立适用于500 m孔深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系,实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层5 m左右、多段均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础,在韩城桑树坪二号井开展2孔次的工程实践：压裂主孔深度588 m、距3号煤层2 m左右,单孔压裂6段,压裂范围探查深度381 m、压裂影响半径20 m以上;压裂后,钻孔抽采瓦斯平均体积分数40%以上、瓦斯抽采量1 m3/min以上,抽采效果是常规钻孔的4倍,120 d瓦斯抽采有效半径可达9 m,实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化应用技术思路。     

煤矿井下硬煤层顺层长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采技术及应用

针对硬煤层瓦斯抽采衰减快,抽采周期长、效率低等问题,提出了中硬煤层顺层长钻孔分段压裂增加煤层透气性瓦斯强化抽采技术。以陕西彬长矿区4号煤层为研究对象,在实验室采用SEM高分辨率电子显微镜对比分析了水力压裂前后煤体微观孔隙结构变化特征;利用Abaqus软件模拟了封隔器受力特征及钻孔的稳定性;在彬长矿区大佛寺煤矿井下4号煤层进行水力压裂工业性试验。结果表明：煤层在加载压力15 MPa,保压48 h,煤体的孔隙、裂隙数量增多,孔径尺寸增大,且连通性增强,裂隙间的连通性明显提升。压裂过程中,封隔器同时受到内压和外压载荷产生膨胀变形,内压15 MPa、外压10 MPa时,可保持硬煤钻孔结构完整同时,产生最大的封隔摩擦力。工程试验完成3个顺煤层定向长钻孔分段压裂施工,孔深540～568 m,每孔分8段压裂,单孔注液量910～1 154 m³,累计注液量3 011 m3;压裂后,利用孔内瞬变电磁测试确定压裂影响半径34～46 m。压裂钻孔平均瓦斯抽采纯量0.72～1.73 m³/min,平均抽采瓦斯体积分数42.60%～67.48%;对比试验区常规钻孔,瓦...     

射孔及压裂技术在煤矿地面注浆孔的应用

为了提高地面注浆孔的吸浆量，可采用多种形式的孔内爆破措施。在谢桥东风井注浆孔内成功地采用了石油勘探部门已成熟的聚能射孔及高能气体压裂技术进行孔内爆破，明显增大了钻孔单位吸水量，提高了注浆效果。但综合分析认为，该技术应用于地面注浆孔，因受适用条件限制，在工艺和材料上存在一些问题，必须加以研究和解决。     

坚硬顶板薄煤层条带开采技术在杨庄煤矿中的应用

杨庄煤矿村庄下压煤具有典型的坚硬顶板薄煤层特点，具有控制地面沉降，保护地面设施的有利条件，在矿井地质与水文地质条件较为复杂的情况下，对村庄下压煤选择了条带开采技术，成功地解决了村庄下大量压煤和村庄下不搬迁开采问题，为该村庄下压煤开采积累了经验。     

三维地震在铁法矿区的应用

以铁法矿区采区三维地震工程实践为例,论述了三维高分辨率地震勘探技术在采矿工作面合理布置等方面的作用。采掘实践证明,三维地震勘探成果的应用消除了地质风险,已回采的几个综采工作面,未发生意外及重大地质变化。     

煤炭充填开采技术在济宁煤矿的应用

济宁市煤炭企业为安全高效开采煤炭资源,开展了煤炭充填开采技术研究,该技术的实施既释放了地下煤炭资源,提高资源回收率;又控制了土地塌陷,减少矸石占压,保护矿区生态环境,提高矿井开采安全保障程度,具有良好的经济效益和社会效益。但该技术还存在生产效率低、厚层煤充填效果不理想、不能满足大面积实施等一些问题,需要进一步完善提高。     

东滩矿断层活化对3煤顶板突水的影响

兖州矿区东滩煤矿二叠纪3(3上)煤层与其顶部侏罗纪红层的间距约60～220m。回采过程中多数工作面未发生红层突水，或水量较小；4308和14301工作面却发生了红层突水，且水量较大。分析认为：采动影响使工作面内断层活化，增大了冒裂带高度，从而导通红层含水层所致，最后提出了防治红层突水的建议。     

东滩煤矿3煤顶板突水因素分析

3煤顶板突水是影响东滩煤矿安全生产的关键因素,通过理论分析和现场实践,归纳出了3煤顶板突水的因素,最后提出了有效的解决办法.     

神东煤炭基地1:50 000活鸡兔幅矿区水文地质图数据集

本数据集在1：50 000活鸡兔图幅内综合应用了遥感、地面调查、物探、钻探,以及水化学同位素等多种方法进行数据采集,共完成2期遥感数据解译800 km²,地面调查点377个,丰水期、枯水期地下水水位统测240点次,抽水试验10组,水体样品采集共计127组,水文地质钻探累计进尺600 m。本数据集细化了工作区内第四系孔隙含水层、白垩系洛河组孔隙-裂隙含水层富水等级,填补了侏罗系安定组、直罗组水文地质信息的空白;同时,加入了与采煤相关的次生环境地质要素,并首次将浅层含水层疏干区较为准确地勾画出来,还建立了采煤影响下的地下水的循环模式,突出了矿区水文地质调查的特色。本数据集为矿区水文地质调查工作的规划、部署与总结提供常态化支持,对保障国家能源安全、生态安全具有重要的现实意义。     

洼里煤矿综合防治水技术研究

主要介绍龙口矿业集团洼里煤矿的主要含水层及其赋存条件,根据不同的矿井充水特点采取的防治水措施及所取得的效果.这一综合防治水技术经验,对胶东地区同类型煤矿防治水工作具有借鉴作用.     

双河煤矿采动巷道顶板裂隙的分形研究

巷道顶板的变形量是评价巷道顶板稳定性的一个重要指标,巷道顶板裂隙的间距分形维是综合反映顶板裂隙发育、分布特征的一个重要参数,尝试建立二者之间的数学关系。利用多基点位移计对双河煤矿采动巷道顶板的变形量进行了监测,利用钻孔电视成像仪对顶板内裂隙的发育和分布状况进行了监测,并且计算出顶板内裂隙间距的分形维。结果表明,顶板0~2 m内裂隙最为发育,在此范围内,裂隙线密度与裂隙间距分形维具有相同的变化趋势,二者具有线性关系;顶板的变形量与相应的裂隙间距分形维具有相同的变化趋势,顶板裂隙的间距分形维增大,相应的围岩变形量增大,二者之间存在线性关系。研究结果表明,顶板裂隙的间距分形维是综合反映巷道顶板稳定性的一个指标,可以作为巷道顶板稳定性的指标,对巷道顶板稳定性进行评价,为支护设计提供可靠依据。