文摘
的运动和破坏坚硬顶板采场中是一个重要的原因强烈地压灾害的发生在工作面。考虑侗煤矿为工程背景,围岩的应力分布规律和覆岩破坏特征的large-mining-height工作面坚硬的屋檐下。努力解决问题,采场的屋顶是很难崩溃,屋顶的硬摇滚关键层是采用水力压裂法削弱顶板岩层的力学性能。此外,微震监测技术是用于监控的开裂影响岩石地层。理论计算和数值模拟结果表明,水力压裂后裂缝和更一致的趋势形成在坚硬的岩石地层和岩石地层的大面积受损。根据采场应力的监测结果水力压裂后,法律管理发生的主要支承压力的影响。相比之下,影响范围和峰值强度的主要支承压力大大减少在水力压裂后的工作面。进行水力压裂后的屋顶上工作面,工作面支承压力可以更好地满足生产要求。最后,通过本研究结果可以作为参考确定类似开采条件下的煤柱宽度。
1。介绍
在中国,煤炭是主要能源来源。已探明煤炭储量达1.34万亿吨,其中44%是埋在6 20米特厚煤层。每年,输出从地下厚煤层占中国总煤炭产量的45% (1,2]。驱动技术的研究和应用large-mining-height完全机械化屈服,特厚煤层的年产量已达到1000万吨(3- - - - - -5]。然而,随着开采高度的增加,上覆岩层运动和应力集中效应引起的煤层开采越来越明显,伴随着几起交通事故,如屋顶坍塌,煤层气爆发,和岩石破裂6- - - - - -8),对采矿安全构成严重威胁。
识别规则的强烈地压在特厚煤层开采行为,许多学者进行了广泛的研究,通过理论分析,实地测量,相似性建模和数值模拟,取得丰硕成果(9- - - - - -11]。通过调查的屋顶运动规则large-mining-height机械化放顶煤的5 #煤层在新疆Aiweiergou煤矿,吴et al。12]发现我工作面临的压力有不同的大小,他们引入了相似模拟实验验证和转化,探讨了支承压力变化规律的工作面临着和屋顶的力学机理,并分析了导致支承压力变化之间的相关性规则和屋顶的重量。王(13,14)进行了力学分析和实验研究对“两个硬盘”large-mining-height煤层的出现,建立了弹性薄板力学模型第一次冒顶,探索顶板岩层的分段加权的特点在不同的区域面长度,分析了引起顶板岩层的重量转移,而我的压力特性和不同区域之间的差异在工作的脸,屋顶的重量差异的原因和确定强度在不同的区域。专注于支承压力分布强的煤矿特厚冲积层岩石破裂,朱et al。15)探讨了支承压力荷载传递机制基于关键层理论,调查了Xinjulong使用压力和微地震监测、煤矿和验证模型的合理性。为了解决大规模问题的扰动压裂和强烈的地层厚煤层开采造成的行为,杨et al。16,17大型实验室)进行了理论分析和仿真实验调查的影响large-mining-height切片上的厚煤层在厚煤层上覆岩层运动和我的压力。
上述大部分研究集中在屋顶岩石结构及其迁移法和调查屋顶迁移在large-mining-height煤层的力学机制。在先前的研究中,分析导致支承压力的变化之间的相关性和屋顶运动和适当的技术措施的建议large-mining-height煤层压力的特点是戏剧性的和影响范围大18- - - - - -22]。然而,先前的研究未能积极探讨规律屋顶层结构和支承压力的行为或提出有针对性的措施修改屋顶层属性。
本研究认为侗煤矿为研究背景,因为它有一个典型的屋顶和large-mining-height煤层。用数值模拟方法研究围岩的应力分布规律在采场坚硬顶板条件下。此外,分布规律和采场围岩应力特性的测定。水力压裂法被用来削弱顶板岩层积极控制岩层破坏和减少采场围岩的压力。有效地评价水力压裂的影响,压裂过程的实时监控与微地震监测技术相结合。本文提出一种方法防止强大的矿山压力灾害发生在采场坚硬顶板。本研究获得的结果可能是有用的作为参考压裂在水力压裂技术的发展和硬摇滚阶层的弱化。
2。困难的关键层对矿山压力的影响
2.1。数值模拟建模
确定坚硬顶板的应力分布的影响在采场围岩,数值模拟被用来研究围岩的应力分布。使用有限差分软件FLAC3D软件模拟采矿,从而为下一步奠定了基础。
建立了数值模拟模型根据8309工作面实际情况,如图1。模型是600×400×300(长×宽×高)的大小,和所有的边界(顶部边界除外)都受到正常的约束。由于大强度的基本屋顶和上覆岩层运动的决定性作用,顶板岩层基本被简化的地层与岩性相同。同样,地板下的岩体泥岩岩性相同的简化。根据埋深和表土密度、等效竖向荷载为7.6 MPa应用。在数值模拟模型中,不同地层的物理力学参数选择基于实验室数据。看到各种地层的物理力学参数和煤炭质量表1。
初始应力场平衡后,摄入和回风巷道首先根据实际巷道挖掘大小,然后模拟煤层。距离煤层开挖步骤是设置为10米。整个高度煤层直接挖掘在每一步模拟放顶煤开采过程后形成的巨大的空白区域开采。下一步开挖后,煤矸石回填前立即进行开挖模拟。有30个整个煤层开挖步骤,沿走向和发展方向是300米。
2.2。支承压力分布的煤层
受脸推进距离,导致支承压力的影响范围和强度峰值不断变化。图2显示了支承压力分布在脸矿业在不同推进距离,即。100米、150米、200米和300米。
(一)
(b)
(c)
(d)
从图可以看出2的推进工作面采场岩体打破了平衡,并在采空区上覆岩层的重力转移到外围煤炭质量,导致应力集中。采场附近的一定范围内,煤炭质量的垂直应力显著增加,生产一个支承压力;然而,垂直应力的增加并不是无限的,,达到一定程度后,原岩应力逐渐降低。在工作面前,支承压力先增加然后减少,形成三个区域,即。,原岩应力区,增加压力,和减少压力区。因为大的上覆岩层强度和阻止厚度,稳定后仍能保持工作面先进一定距离。随着开挖距离增加,支承压力的影响范围和峰值强度逐渐增加。
2.3。导致支承压力分布规律
因为前方支承压力的分布和侧支承压力相似,选择前支承压力为研究对象。确定导致支承压力变化规律的煤炭质量,支承压力在煤壁表面推进距离50米,150米,250米选择进行调查。图3(一个)显示了导致支承压力变化曲线。
(一)
(b)
从图可以看出3(一个)、铅支承压力可分为三个地区:减少应力区(AB段:清廉米),增加应力区(BC段:10 - 73 m),和原岩应力区(CD段:73以上)。在段AB、铅支承压力与煤壁距离增加逐渐增加,,当煤壁的距离增加到10 m,支承压力集中系数达到了顶峰。在BC、铅支承压力拒绝与煤壁距离增加,曲线逐渐趋于温和。段内的CD,导致桥台曲线压力温和,,特别是,当工作面先进到50米,支承压力集中系数稳定在1.0;然而,在面对前进150米和250米的距离,支承压力集中系数曲线仍然逐渐下降,接近1.0。
从图可以看出3 (b)随着推进距离,面对前方支承压力集中系数工作面开始增加但没有施加任何影响导致支承压力峰值位置。采取引导支承压力峰值系数作为一个例子,当工作面先进到50米,集中应力峰值为1.41,位于10.1工作面前方。当距离增加到150米和250米,集中应力峰值增加到1.7和1.81,分别前,仍位于10.1工作面。
2.4。影响导致支承压力的范围
每次开挖达到平衡后,工作面前方支承压力集中系数决定,和该地区的支承压力系数大于1.2的定义是支承压力的影响范围。见到其相关性与推进距离图4。
从图可以看出4支承压力的变化影响范围可分为增长和稳定阶段。当面临推进距离从10米增加到210米,前方支承压力的影响范围煤壁不断增加,达到了68.1辆的峰值的脸推进距离210米。当面临推进距离超过210米,支承压力的影响范围稳定在大约65米。
2.5。打破顶板岩层的脸
数值模拟模型可以令人满意地呈现在开采上覆岩层破坏过程。定量分析上覆岩层破坏工作面进步,FLAC3D软件的内置鱼语言用于持续监测元素为每个开挖步骤失败。当一个地层经历整形失败,可以认为这种地层断裂;地层经历完整的塑性区连接时,可以认为这层已经完全坏了。图5云的地图显示了不同开挖阶段的塑性区。图6显示了每个开挖步骤的最大失败表土高度(烟煤煤层底部级别设置为0米高程)。
(一)
(b)
(c)
从数据可以看出5和6,当面对推进距离30米,立即屋顶遭受了第一次拉伸断裂,开始洞穴,和最大表土失败高度18米。当面临推进距离70米(图5(一个)),立即屋顶由于拉伸断裂经历了第一次屈服在这种情况下,上部泥岩经历plastic-slip剪切破坏由于立即冒顶。因为屈服的降低直接顶和泥岩的严重失败,当地一个小规模的失败发生在主要的屋顶,和最大表土失败高度增加到43.7米。后,立即屋顶和上覆泥岩开始体验稳定性失败,失败和最大覆盖层高度开始慢慢增加。屋顶主要失败的步伐显著增加,直到工作面先进210(图5 (b))在这种情况下,主要由于穿透屋顶爆发剪切破坏和最大表土失败高度增加到86.2米。之后,主要的屋顶开始定期失败,失败和最大表土高度也往往是稳定的(图5 (c))。
从上面的分析可以看出,因为屋顶屈服不足的直接和主要的屋顶,屋顶有一个大的挂在第一次屈服区域,这也进一步导致了高支承压力,影响范围广,造成桥台困难,和其他问题。结合支承压力变化规律,就可以知道,当采场直接顶和基本顶的,领先的采场支承压力进入稳定状态。因此,采取适当的措施来削弱和加速破坏的直接顶板岩层的屋顶,屋顶主要采矿是有利于减少铅的强度支承压力的行为。
3所示。水力压裂试验的屋顶
根据先前的研究,原因我童心强大的矿山压力灾害的发生是煤层# 3 - 5的屋顶覆盖着厚和高强度的砂岩层。当采空区顶板的断裂区域并不大,主要支承压力很明显,采场的集中系数很大,对矿业生产的安全构成了严重威胁。为了解决这个问题,地面水力压裂进行了测试。坚硬顶板的完整性是干扰导致全面崩溃的压力强度,减少工作面和道路。
一个水力压裂现场试验是由大山在大同矿区煤矿。测试工作面8202工作面和号码是TXZL-01破解好。8202工作面位于面板2。工作面上方,有侏罗纪煤层采空区的地区,和下部位于105 - 185米的距离从14号煤层。
地面钻井和压裂技术可以削弱岩体的整体实力。反映的主要功能有两个方面,如下:首先,通过岩石的化学溶解酸降低岩石的力学性能;其次,通过水力裂缝的生成和扩展,即岩体的宏观和中观结构转换降低岩体的力学性能。这两个方面共同努力,削弱岩体的力学性能,减少顶板岩石的整体实力。随着时间的推移,这可以促进屋顶的崩溃并防止屋顶坍塌和集中的方式释放能量。
3.1。水力压裂方案
水力压裂产生的裂缝通常集中在钻孔。长主应力方向的裂缝,而裂缝垂直主应力方向的短。因此,水力压裂井部署中间的脸。测试工作的脸的宽度251米。第一个水力压裂井约125 m远离道路两边的工作面,和大约58米离开设置条目。表面井压裂的影响范围大约是100 - 150。因此,孔距是200 - 300。TXZL-01和8202年工作的相对位置关系面临破裂油井如图7。
附近的钻孔测试面钻孔# 1601,# 1602,# 1704,# 1508,# 1703,等等。根据钻井数据,只有钻孔取心# 1508积分,而其他的孔不空心。因此,破解目标层的设计仅仅是基于直方图# 1508(图8)。
通过比较和分析岩石地层的范围0 - 80米煤层# 3 - 5,压裂目标层确定如下:(1)介质颗粒状砂岩的厚度13.7米的距离78.5米从煤层# 3 - 5。(2)Microconglomerate厚度为12米的距离66.5米从煤层# 3 - 5。(3)小卵石,厚度8.53米的距离50.2米的煤层# 3 - 5。
3.2。轴的结构
钻井工作分为三次,压裂井的整体结构如图9。
3.2.1之上。第一个钻
D4 25毫米钻头用于钻通过黄土形成和充气层表面上,最后达到10米以下基底复杂。表层套管外径较低的377.7毫米的距离0.5米从底部的洞。如果水泥与常规密度是用来加强水泥返回到表面。
3.2.2。第二个钻
首先,使用311.15毫米钻头钻的地板上侏罗纪采空区22米。一个244.5毫米套管插入。底部的出口套管与水泥、钢筋和水泥返回到采空区楼。
3.2.3。第三个钻
使用215.9毫米钻头钻通过煤层的屋顶# 3 - 5。套管的直径139.7毫米插入。常规密度水泥被用来加强,和水泥回到200米的距离目标层。
3.3。氮气钻井技术
在钻井过程中,TXZL-01必须通过侏罗纪煤采空区。与常规钻井相比,最重要的建设困难通过采空区钻井钻井液的损失,而不能建立正常循环。克服钻井液损失的影响,空气作为循环介质在第二次钻探,确保钻井施工的成功率。
使用空气钻井中有许多优点。使用空气作为介质可以大幅提高钻井速度。然而,密度和井口压力很低。在钻井过程中,没有钻井液漏;因此,复杂地层钻井的泄漏问题有效解决,大大减少了损失和加快钻井进度。此外,空气钻井有重要缺陷,让空气进入采空区的现象是观察在施工期间。
为了避免安全问题通过采空区钻井过程中,氮气作为钻井介质,防止煤炭自燃的面积和消除瓦斯爆炸的风险。
3.4。水力喷砂射孔和压裂
根据施工要求,酸处理的复合压裂方法,采用砂压裂。水力压裂砂技术的原理需要使用5月高压prefluid穿透套管、水泥环,并形成和执行压裂或酸化。这种方法的优点是,不需要单独的穿孔和直接喷砂完成射孔压裂裂缝的操作。相反,只有一个管柱执行多层射孔和压裂操作所需,射孔和压裂同时完成。
工作面关键层的砂岩;因此,大量的液体酸添加到前面。酸主要由盐酸(HCL)和氢氟酸(HF)。盐酸反应水泥的砂岩,砂岩中的高频与硅酸盐反应。因此,实现关键层的化学削弱。土酸注入后,泵停止,一段时间后,大量的压裂液注入水力压裂的关键层。水力压裂产生的骨折打破关键层,减少关键层的应力集中,并通过物理伤害防止岩石破裂。提高压裂效果,导致裂缝扩展,细沙添加的支撑剂压裂施工。一方面,细沙的使用可以减少液体的过滤,提高流动效率。另一方面,细沙可以磨裂墙,减少弯曲裂缝的产生,有利于生产的长裂缝。 To improve the effect of compound fracturing, the well is fully shut in without blowout after fracturing to provide sufficient time for the acid–rock reaction and full weakening of the key stratum.
4所示。微震的地面监测
4.1。地震裂缝监测技术
测试压裂效果,微震的监测进行了压裂过程。自1970年代(23,24),微震监测技术进行了广泛的研究和应用在国内和国外。这项技术取得了许多实际成果在生产中,可以用来监测裂缝的形状空间,有效裂缝长度、裂缝高度、和压裂的原位应力分布。此外,它有助于理想压裂过程中,评价压裂效果,执行postfracturing生产率分析压裂井,并提供一个令人满意的布局模式和强大的基础。人工微震的实时监控也是基于这个技术和使用产生的微地震压裂期间,现场监控系统,计算机和相应的专家解释系统解释和分析现场实时监测数据。
微地震监测是目前最准确、及时和信息监测水力压裂的方法。实时微震的成像可以指导压裂项目随着时间的推移和及时调整压裂参数。压裂参数和源参数的综合分析可以跟踪和定位的范围压裂裂缝的方向和大小发展和客观地评价压裂效果的项目。
4.2。监控程序
每个压裂层的压裂结束点计算根据断裂设计方案,通过专注于其地面投影和安排检波器接收基于周围的地形(井口为中心)。微震的测试站和设备如图10。TXZL-01的相对位置进行# 1 - 6地震检波器测试图所示11。
(一)
(b)
(c)
(d)
检波器定位和嵌入需求如下:(1)探测器必须准确定位使用高精度全球定位系统(GPS;精度不大于1.0米)。(2)检波器的埋深不小于0.2米。
4.3。微震监测结果
每个岩层的微震的标本是在水力压裂过程中,监控和微震事件分布结果如图12和表2。在压裂阶段,201微震的地震检波器接收事件,其中125被发现在发现了最初的岩层和38在第二和第三层。
(一)
(b)
(c)
以下结论来自监测结果:第一次压裂形成的裂缝是最理想的。发现最多的微震事件,相对密度分布和断裂趋势基本上是相同的。第二个纹理形成的裂缝是理想。裂缝形成的规模低于第一层。获得微震事件的数量非常不同于第一层,分布相对稀疏。
根据监测结果,第三层的监测效果差,裂缝形成的规模最小,获得微震事件的数量相对较小,裂纹趋势是第一和第二层次的影响。
5。在采场围岩压力监测
水力压裂后,顶板岩体强度下降由于裂缝的发展,进一步减少导致支承压力的影响范围和峰值强度。进行了实地测量来验证水力压裂的影响顶板岩体的主要支承压力的影响范围和峰值强度,如图13。
站都安排在测试工作面巷道以西,和两个井眼压力米安装前cut-hole监控在开采支承压力的变化。1 #井是130远离cut-hole 10米的深度,和2 #钻孔是150远离cut-hole 10米的深度。
5.1。开裂后主要支承压力的分布规律
考虑的重要数据波动从井眼压力米由于采矿活动干扰的影响,所有的监控数据的平均值压力采用米从一个工作日的压力对于一个给定的一天;结合工作面推进距离和井眼压力仪表的安装位置在那一天,井眼压力仪表的压力之间的关系和工作面推进距离。图(14日)和14(b)显示了钻孔应力值监测曲线站1 #和2 #站。
(一)
(b)
在最初的监测阶段,从铅支承压力没有影响,所以压力保持稳定。当工作面平均先进到80米距离的水井,水井开始变形由于支承压力和井眼压力米开始记录。随着工作面先进,支承压力提出了波浪般的缓慢上升。当工作面先进的47.8米的距离1 #钻孔和50.5米的距离2 #钻孔,钻孔应力米显示重大压力增加,这表明站了铅支承压力的影响范围在这种情况下,他们远离工作面平均49.15米。工作面时分别为15.9米和11.7米的距离1 #和2 #站,支承压力达到峰值,峰值压力为17.85 MPa和19.32 MPa,分别在这种情况下,工作面平均是13.8米离开车站。
5.2。破解之前主要支承压力的分布规律
评价水力压裂的影响导致支承压力,8201工作面地质条件类似的测试工作的脸,被选为调查。同时,几个强大的地面压力事件发生在相邻工作面的矿区25]。图15显示铅8201工作面支承压力监测结果。
(一)
(b)
从图可以看出15没有屋顶进行了水力压裂时,铅的重大影响距离8201工作面支承压力分别为61.1米和62.3米(平均61.7米),分别和铅支承压力峰值21 MPa和21.4 MPa(平均21.2 MPa),分别。在这种情况下,导致支承压力的影响范围和峰强度明显大于水力压裂时使用。
从铅支承压力分布规律,在水力压裂cut-hole屋顶层,导致支承压力的影响范围减少到49.15米,15.85米不到的没有水力压裂数值模拟和12.55不到。与此同时,铅支承压力峰值小于理论计算和数值模拟和平均只有18.58 MPa, 2.62 MPa不到没有水力压裂。被明显低于原始支承压力,它保留足够的保证金采矿段。
6。结论
本研究的结果如下:(1)理论计算和数值分析的应力分布规律进行探讨煤层采场围岩。结果表明,围岩受到困难的屋顶。围岩应力集中的影响有一个大范围,这很容易造成强大的矿山压力的发生灾害。(2)表面压裂井技术可以有效地破解坚硬顶板的煤层,结合压裂微地震监测的技术,它可以有效地评估和指导压裂工作。根据监测结果,水力压裂形成的裂缝和更一致的趋势在坚硬的岩石地层,对屋顶压裂具有更好的效果。(3)现场监测结果表明,水力压裂后,支承压力的影响范围是49.15米的峰值推进支持压力降低到18.58 MPa。相比之下,国家在矿区的压裂措施之前,大量减少。研究结果表明,屋顶的水力压裂法有效地降低采场围岩压力的影响在生产。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
没有利益冲突。
确认
支持的研究是大同基础研究项目(2019122)和科技创新项目在山西高等教育机构(2019年l0754)。