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硬厚难垮顶板工作面矿压显现特征及顶板灾害防治技术
1
作者 徐刚 张震 +6 位作者 李正杰 冯彦军 张春会 薛吉胜 刘前进 蔺星宇 马镕山 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第8期27-42,共16页
硬厚难垮顶板工作面开采期间矿压显现异常强烈,该类型顶板灾害的防控一直是困扰我国工作面安全高效生产的难题。基于顶板灾害案例分析,梳理了我国硬厚难垮顶板类型及致灾特点,开展了硬厚难垮顶板工作面强动载矿压发生机理及影响因素研究... 硬厚难垮顶板工作面开采期间矿压显现异常强烈,该类型顶板灾害的防控一直是困扰我国工作面安全高效生产的难题。基于顶板灾害案例分析,梳理了我国硬厚难垮顶板类型及致灾特点,开展了硬厚难垮顶板工作面强动载矿压发生机理及影响因素研究,从预先设计、采前弱化和采中监测预警3个阶段提出了针对性的防控手段,并进行了实践应用。研究表明:硬厚难垮顶板具有强度高、厚度大、整体性强的特点,可分为抗压强度高的厚顶板、整体性较好的厚顶板及基本顶直覆顶板3类;硬厚难垮顶板大面积瞬时垮落多伴随工作面强来压、飓风等现象,易造成设备损坏、瓦斯超限或爆炸,危及人身安全;硬厚难垮顶板存在2种诱发工作面强矿压的顶板破断形式,一是顶板长悬顶状态下弯曲下沉,发生架后断裂,二是长悬顶顶板在煤壁前方超前断裂产生快速回转;硬厚难垮顶板采场矿压符合Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ分区支承模型运动形式,顶板厚度大、抗拉强度高、周期垮落步距长,断裂时更易引起煤壁处下沉量增大,支架显著增阻,此即为硬厚难垮顶板工作面矿压显现强烈的原因。基于以上分析,提出顶板弱化与矿压监测相结合的顶板灾害防治方法,在预先探明覆岩赋存特征、合理支架选型条件下,采用微震监测确定压裂目标层,基于矿压监测评价工作面支护-卸压效果,该方法在曹家滩煤矿10 m超大采高工作面得以成功应用,开采期间工作面初次来压步距由100m以上减小至49.35m,4次方以上微震大能量事件占比仅1.2%,取得了较好的防控效果。 展开更多
关键词 硬厚难垮顶板 顶板灾害防治 强矿压发生机理 分区支承模型 区域压裂
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深部矿井厚硬顶板地面水力压裂目标岩层确定方法与应用
2
作者 徐刚 张震 +2 位作者 蔺星宇 陆闯 张春会 《煤炭工程》 北大核心 2025年第10期1-10,共10页
地面水力压裂是蒙陕矿区深部硬厚顶板矿井冲击地压防治新技术,如何确定地面压裂目标岩层是该技术的关键。根据工作面硬厚顶板岩层与垮落带的位置关系,提出两种承载结构,并构建相应的承载力学模型,进而给出硬厚顶板破断步距、破断释放能... 地面水力压裂是蒙陕矿区深部硬厚顶板矿井冲击地压防治新技术,如何确定地面压裂目标岩层是该技术的关键。根据工作面硬厚顶板岩层与垮落带的位置关系,提出两种承载结构,并构建相应的承载力学模型,进而给出硬厚顶板破断步距、破断释放能量及能量传递的计算方法;同时给出顶板断裂引起煤巷冲击的力学判据;结合彬长矿区、大海则矿区等地面水力压裂防冲工程实践,从目标岩层可压裂性、能量传递致灾性以及岩层层位三个角度提出地面水力压裂防冲目标的岩层判别方法。采用该方法确定孟村煤矿401102工作面地面压裂卸压的目标岩层,结果表明:401102工作面地面压裂目标岩层为距煤层65.95 m和99.31 m的粗砂岩岩层。运用地面压裂技术对401102工作面目标岩层实施压裂后,工作面及煤巷压裂区域的周期来压步距、来压持续时间、来压强度、微震总频次以及释放总能量均大幅下降,地面压裂防冲效果明显,这表明所提出的地面压裂目标岩层确定方法具备合理性,为深井厚硬顶板工作面地面压裂防冲目标岩层的确定提供了理论计算方法。 展开更多
关键词 地面压裂 目标岩层 硬厚顶板 防冲效果 承载结构
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厚硬顶板井下超长水平孔分段压裂防冲技术研究
3
作者 赵乾 周金龙 +5 位作者 马平 夏永学 高敬勇 杜涛涛 付强 邬建宏 《煤炭工程》 北大核心 2025年第10期60-67,共8页
厚硬顶板是煤矿开采中诱发冲击地压的关键因素,采用井下超长水平孔分段压裂技术对厚硬顶板进行卸压处理已成为一种行之有效的冲击地压防治手段。为分析超长水平孔分段压裂技术对厚硬顶板型冲击地压的防治效果,以鄂尔多斯某矿11-3107工... 厚硬顶板是煤矿开采中诱发冲击地压的关键因素,采用井下超长水平孔分段压裂技术对厚硬顶板进行卸压处理已成为一种行之有效的冲击地压防治手段。为分析超长水平孔分段压裂技术对厚硬顶板型冲击地压的防治效果,以鄂尔多斯某矿11-3107工作面为研究对象,综合运用微震监测、支架工作阻力监测和地表沉降监测方法进行全面分析。结果表明:超长水平孔分段压裂具有显著的卸压释能和弱化降载作用,厚硬顶板实施超长水平孔分段压裂后工作面微震能量、频次及工作面支架压力均大幅降低,地表沉降量呈增大趋势。微震日均能量、频次分别降低1.1×10^(5) J、27个,分别降低约67.50%、33.75%,工作面支架压力降低约21.5%,地表沉降量增大约87.59%。厚硬顶板实施超长水平孔分段压裂后顶板完整性被弱化,强度降低,工作面采后能及时破断、垮落,顶板内不易积聚能量,悬顶面积减小,降低了回采期间动载荷,继而降低厚硬顶板破断诱发冲击地压风险。井下超长水平孔分段压裂对降低厚硬顶板型冲击地压风险具有积极作用,研究结果可为厚硬顶板型冲击地压防治提供借鉴。 展开更多
关键词 厚硬顶板 冲击地压 超长水平孔分段压裂 微震监测 卸压效果评价
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沿空工作面厚硬顶板水力化卸压技术体系构建及应用
4
作者 秦子晗 李福宏 +1 位作者 张磊 高家明 《煤炭工程》 北大核心 2025年第10期21-28,共8页
针对核桃峪煤矿在千米埋深、特厚煤层以及厚硬顶板条件下沿空工作面的高冲击地压风险,开展了针对煤层上方低、中、高位顶板的水力化卸压技术体系构建及应用研究。研究表明,沿空巷道冲击地压受侧向采空区悬顶、本工作面采动应力及双工作... 针对核桃峪煤矿在千米埋深、特厚煤层以及厚硬顶板条件下沿空工作面的高冲击地压风险,开展了针对煤层上方低、中、高位顶板的水力化卸压技术体系构建及应用研究。研究表明,沿空巷道冲击地压受侧向采空区悬顶、本工作面采动应力及双工作面开采引发的上覆高位顶板断裂动载叠加作用的影响;提出构建“局部+区域”的水力化顶板卸压技术体系,采用磨砂射流侧向切顶、井下长孔分段水力压裂和高位顶板地面区域压裂措施,实现沿空工作面侧向切顶、走向断顶及高位顶板区域弱化的目标。结合2803工作面实际情况,开展了水力化顶板卸压技术工程实践,并通过钻孔窥视、瞬变电磁探测以及微震监测手段,对压裂及防冲效果进行了系统分析。实践结果显示:与邻近未采取水力化卸压措施的实体煤工作面相比,2803工作面的微震释放能量及现场动力现象均明显降低,防冲效果显著,最终形成了核桃峪煤矿沿空工作面厚硬顶板水力化卸压技术体系。 展开更多
关键词 冲击地压 水力化卸压技术 区域卸压 磨砂射流切顶 瞬变电磁 水力压裂
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榆横矿区深井厚硬顶板地面水力压裂防冲机理与工程应用
5
作者 王春刚 王文忠 +3 位作者 白俊杰 卢建平 周浩 陆闯 《煤炭工程》 北大核心 2025年第10期53-59,共7页
针对蒙陕深部矿区煤层上方坚硬顶板大面积破断失稳,引发采场强矿压显现,严重时诱发冲击地压的问题,以巴拉素煤矿2202工作面为工程背景,采用理论分析、现场实测等方法,开展蒙陕深井厚硬顶板地面水力压裂弱化防冲机理与应用研究。结论如下... 针对蒙陕深部矿区煤层上方坚硬顶板大面积破断失稳,引发采场强矿压显现,严重时诱发冲击地压的问题,以巴拉素煤矿2202工作面为工程背景,采用理论分析、现场实测等方法,开展蒙陕深井厚硬顶板地面水力压裂弱化防冲机理与应用研究。结论如下:①水力压裂使厚硬岩层内部形成裂缝网,弱化其物理力学性质并减小断裂块体尺寸,进而削弱厚硬岩层的能量积聚能力,降低破断时的动载;同时通过增加能量耗散,减轻压裂层上方动载对下方煤体应力的影响。②在不破坏原有巷道支护结构、且能弱化厚硬岩层能量积聚能力的基础上,综合确定了压裂目标层位与关键参数。③水力压裂过程中压力-时间、流量-时间变化曲线,及井下疏水孔出水情况表明,地面压裂可使厚硬岩层产生裂缝,压裂效果良好;压裂后,微震事件总能量、总频次,能量高于5000 J微震事件频次,平均来压步距及平均动载系数均明显降低。研究结果表明,水力压裂能显著减弱工作面矿压显现,可为该矿区相似地质条件矿井的冲击地压防治提供借鉴。 展开更多
关键词 厚硬顶板 冲击地压 地面压裂 防冲效果 区域卸压 微震监测
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鄂尔多斯矿区厚硬顶板地面压裂弱化技术体系及应用
6
作者 高家明 秦续峰 +4 位作者 朱彦飞 杨光宇 程世忠 陈学慧 李岩 《煤炭工程》 北大核心 2025年第10期11-20,共10页
针对地面水力压裂技术在煤矿顶板弱化领域应用时所面临的浅埋深、地层应力复杂、构造发育、煤层起伏以及邻近采空区等诸多难题,展开地面压裂弱化煤层厚硬顶板的关键技术与工程应用研究。研究结果显示:从岩层结构改造层面来看,借助预制... 针对地面水力压裂技术在煤矿顶板弱化领域应用时所面临的浅埋深、地层应力复杂、构造发育、煤层起伏以及邻近采空区等诸多难题,展开地面压裂弱化煤层厚硬顶板的关键技术与工程应用研究。研究结果显示:从岩层结构改造层面来看,借助预制缝网破坏局部岩层,以此降低其结构承载力;从岩层物性改性角度而言,通过压裂注入压力的辐射作用消除岩层局部应力集中区域,促使岩层朝着应力均质状态发展。研究提出了基于理论计算与裸眼测井实测相结合的压裂目标层位判别方法;结合地层描绘以及漂浮接箍工具的应用,对钻井轨迹高精度控制及大水垂比套管下放技术予以改进;采用定向射孔、缝网高效暂堵与转向技术,达成近井筒区缝网方向及规模的控制;同时构建缝网动态监测与回采期间井地数据融合分析方法。在工程实践过程中,分别开展多目标层垂直井、浅埋深大水垂比水平井压裂弱化应用,成功达成多目标层位动态优化、缝网单侧暂堵转向、煤层间钻孔轨迹精准控制、2.82大水垂比套管完井以及缝网方向与规模控制等技术目标,最终构建起煤矿厚硬顶板地面压裂弱化技术体系。 展开更多
关键词 煤层顶板 厚硬岩层 地面压裂 压裂缝网 水垂比 岩层弱化 定向射孔
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厚硬顶板区域顺层水平钻孔水力压裂布置方法研究
7
作者 高福全 韩凌晨 +2 位作者 高全武 谢非 孙如达 《煤炭工程》 北大核心 2025年第10期37-45,共9页
针对厚硬顶板开采过程中破断易引发动力灾害的问题,以门克庆煤矿11-3107工作面为工程背景,综合运用理论分析、数值模拟与现场实践等研究手段,深入探究厚硬顶板区域压裂顺层水平钻孔的布置方法。首先,通过顶板岩性分析、关键层判别、能... 针对厚硬顶板开采过程中破断易引发动力灾害的问题,以门克庆煤矿11-3107工作面为工程背景,综合运用理论分析、数值模拟与现场实践等研究手段,深入探究厚硬顶板区域压裂顺层水平钻孔的布置方法。首先,通过顶板岩性分析、关键层判别、能量传递研究及微震监测等多维度手段,明确该工作面上覆岩层存在关键层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,其破断向煤体传递的能量较高,综合判定煤层上方15~30 m(中低位)、45~60 m(中高位)为优选压裂层位,且回采阶段需根据岩层柱状图变化动态调整。其次,结合数值模拟与现场注水漏失量分析,明确不同采动破坏范围内的岩层特性,确定水平方向钻孔布置参数,同时完成顶板爆破预裂影响范围评估。基于上述研究,针对性提出3107工作面区域压裂方案,为该工作面后续安全高效开采提供可靠的技术支撑。 展开更多
关键词 冲击地压 水力压裂 顺层钻孔 钻孔布置 关键层
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曹家滩煤矿10 m超大采高工作面矿压显现规律及强矿压防治技术
8
作者 徐刚 张震 +7 位作者 冯彦军 黄志增 曾明胜 刘前进 刘晓刚 蔺星宇 马镕山 李正杰 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第5期88-103,共16页
以曹家滩煤矿122104工作面为背景,基于矿压、位移、微震等多源监测数据,系统揭示了10 m超大采高工作面矿压显现规律与强矿压发生机理,建立了超大采高采场“叠合拱–梁”结构模型,提出了“主动支撑防护+区域卸压弱化+全方位监测预警”三... 以曹家滩煤矿122104工作面为背景,基于矿压、位移、微震等多源监测数据,系统揭示了10 m超大采高工作面矿压显现规律与强矿压发生机理,建立了超大采高采场“叠合拱–梁”结构模型,提出了“主动支撑防护+区域卸压弱化+全方位监测预警”三位一体围岩控制策略。研究结果表明:(1)10 m超大采高工作面覆岩周期破断具有动载强来压、顶板下沉速度快、来压持续距离长、支架安全阀开启率高的强矿压显现特征,工作面顶板周期破断步距10~25 m,周期来压动载系数平均值1.42,支架最大下缩量平.均0.63 m,来压期间液压支架安全阀开启率大于50%的占比达48.1%;来压沿倾向方向呈现区域性聚集特征,分布于距机头75~250 m范围,走向方向呈“大小周期”交替来压特征,大周期来压平均间隔137.5 m;超大采高工作面开采上覆岩层呈叠合“拱–梁”结构,中上部厚硬顶板在采空区后方长距悬顶,导致顶板在工作面前方断裂或在支架后方弯曲下沉,引发工作面强矿压显现。(2)减小周期来压步距和持续距离、降低来压支架动载系数、预防煤壁片帮以及避免液压支架压架,为控制10 m超大采高工作面围岩稳定性的核心要素。(3)液压支架高初撑力特征有效控制了顶板早期下沉,高工作阻力特性缓解了煤壁处承载力,对煤壁大面积片帮及来压期间顶板急速下沉进行了有效抑制,“双层伸缩梁结构配合三级联动护帮装置”,实现了对支架前方顶板无支护区域及超高煤壁防护作业的协调调控,有效克服了原有分体式护帮装置煤壁防护覆盖不足的缺陷。(4)采用5 m^(3)/min大流量水力压裂技术,通过“一场一策”分区参数设计,有效弱化了厚硬顶板,显著降低来压步距与动载系数。(5)利用KJ21矿压实时预警系统,实现了支架工况与顶板破断动态监测。 展开更多
关键词 10 m超大采高 矿压显现 强矿压机理 “支–卸”防治技术 围岩控制
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门克庆煤矿水力压裂切顶卸压裂隙时空演化规律研究
9
作者 武少国 王元杰 +3 位作者 苏士杰 赵乾 刘宁 李岩 《煤炭工程》 北大核心 2025年第10期68-77,共10页
为明确煤矿水力压裂切顶卸压过程中岩石水力裂隙的时空演化规律,研究采用离散元方法构建水力压裂裂隙扩展与颗粒运移耦合模型,系统分析裂隙数量及形态、颗粒运移特征、损伤区面积对水压、内聚力、孔隙率及杨氏模量的响应规律。结果表明... 为明确煤矿水力压裂切顶卸压过程中岩石水力裂隙的时空演化规律,研究采用离散元方法构建水力压裂裂隙扩展与颗粒运移耦合模型,系统分析裂隙数量及形态、颗粒运移特征、损伤区面积对水压、内聚力、孔隙率及杨氏模量的响应规律。结果表明:①水压增大促使裂隙从线性扩展向复杂网状或分支形态转变,为颗粒运移提供更多通道,进而扩大损伤区面积;但过高水压会引发压实效应,降低裂隙通道有效性并抑制损伤区扩展。②内聚力提升使裂隙扩展更趋规则,颗粒位移模式由无序转为有序;孔隙率影响裂隙扩展复杂性与颗粒位移幅度,中等孔隙率条件下颗粒位移范围与幅度最优;杨氏模量增大使裂隙扩展路径更集中,颗粒位移的方向性显著增强。③裂隙时间演化过程可划分为起裂阶段(无裂隙增长)、微裂纹扩展阶段(裂隙缓慢增长)及裂纹快速扩展阶段(裂隙稳定快速增长),且不同变量条件下的水力裂隙时间演化曲线均呈指数函数分布。研究成果可为煤矿顶板水力压裂切顶卸压工艺参数优化及卸压效果提升提供理论支撑。 展开更多
关键词 水力压裂 切顶卸压 离散元法 裂隙扩展 损伤区 颗粒运移 厚硬顶板
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沿空工作面地面压裂卸压防冲机制及现场实测研究
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作者 王宾昌 闫耀东 +3 位作者 靳心 郭登 盛鹏飞 白建飞 《煤炭工程》 北大核心 2025年第10期46-52,共7页
为深入探讨地面压裂措施对沿空工作面冲击危险性的影响及其防冲机制,以陕西大海则煤矿20103工作面作为工程背景,采用理论分析与现场探测方法,研究两相邻工作面间实施地面压裂措施对降低上、下工作面回采期间冲击危险性的防冲机制及防治... 为深入探讨地面压裂措施对沿空工作面冲击危险性的影响及其防冲机制,以陕西大海则煤矿20103工作面作为工程背景,采用理论分析与现场探测方法,研究两相邻工作面间实施地面压裂措施对降低上、下工作面回采期间冲击危险性的防冲机制及防治效果,得出如下结论:在两相邻工作面间实施地面压裂措施,可在上工作面回采前弱化岩层的整体力学性能,进而降低压裂区域下方的整体静载水平;在下工作面回采阶段,沿空巷道围岩整体处于相对较低的静载应力环境,且地面压裂后侧向悬臂长度缩短,其断裂产生的动载能量可得到一定程度的削弱,最终降低动静载叠加引发的冲击危险性。现场侧向悬顶探测结果表明,通过对比压裂区域与未压裂区域的侧向悬臂结构可知,地面压裂效果良好,对侧向悬臂的弱化程度显著,有效实现“长臂变短臂”;地面压裂措施对降低沿空工作面冲击危险性具有良好作用,可为同类型矿井沿空工作面冲击地压防治提供参考。 展开更多
关键词 沿空工作面 地面压裂 冲击危险性 侧向悬臂结构 卸压机理
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