《煤矿坚硬顶板定向高压水力致裂技术》

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主要技术要点 《煤矿坚硬顶板定向高压水力致裂技术》项目由兖州煤业股份有限公司济三煤矿与中国矿业大学共同承担完成.该项目综合采用理论分析、实验室实验、数值计算及现场实测等手段,系统研究了坚硬顶板定向高压水力致裂防治冲击矿压新技术.(1)实验室测定了济三煤矿六采区坚硬顶板物理力学性质.对济三煤矿六采区坚硬中砂岩进行了单轴抗压、抗剪、抗拉试验.平均抗压强度为96MPa,抗拉强度5.7MPa,内聚力4.5MPa,内摩擦角25°34,顶板弯曲能量指数66KJ;(2)定向裂纹扩展机理研究.基于断裂力学建立了岩层中定向裂纹扩展的力学模型.将裂纹在原岩应力与高压水作用下的开裂与扩展看做Ⅰ、Ⅱ复合型断裂,求解了裂纹的开裂判据与开裂角;(3)FLAC模拟裂纹尖端应力分布与扩展的影响因素.利用FLAC5.0建立了定向致裂数值计算模型.通过数值分析得到,注水改变了尖端应力集中类型,由注水前的压应力变为注水后的拉应力集中,初始裂缝的尖端应力集中程度越大,岩石越容易起裂和扩展,与埋深,初始裂缝直径存在非线性关系,与岩石强度、注水压力及初始裂缝角度呈线性关系;(4)UDEC模拟分析了定向致裂顶板的防冲机理.建立了采场顶板定向致裂的UDEC模型.倾斜定向致裂后顶板的初次来压步距减少了7.7%,断裂释放动能减少了50%;分层致裂后初次来压步距减少了17%,断裂释放动能减少了51%.同时,致裂后顶板的震动速度与加速度也显著降低;(5)定向高压水力致裂工艺技术优化.通过改进工艺流程,发明了无缝钢管供液、钻机输送管路、高压密封技术,突破了钻孔深度的限制,极大的减轻了劳动强度,从而提高了该技术的效率与安全性,为该技术的推广奠定了基础.技术性能指标:(1)实验室全面测试了济三煤矿六采区坚硬中砂岩物理力学性质,绘制了中砂岩破坏的莫尔圆;(2)通过63下05、53下07工作面的试验,致裂坚硬中砂岩顶板所需压力为25MPa,使用乳化液泵站供液可以实现致裂预期参数要求;(3)通过无缝钢管供液、钻机输送管路,致裂深度不再受到限制并可扩大致裂范围,现场最深达到21m,致裂半径最大达到13m;(4)对于20m深钻孔,割槽时间不超过10min即可完成,高压管路输送小于30min,致裂半径达到5m所需时间不超过3min,整个致裂过程在10min内可以完成;(5)特殊加工的密封圈可以承受钻机接管过程中的磨损以及30MPa高压液体的冲击,现场应用证明,一个密封圈可以重复使用多次,并保证密封质量;(6)同一钻孔中,可以实现不同层位多次致裂,从而提高了钻孔利用率与致裂效果,实现厚岩层垮落厚度的可控技术,63下05实现了同一钻孔中的两次致裂;(7)53下07辅顺实现了坚硬大厚度中砂岩直孔及倾斜钻孔致裂,为沿空巷道、采空区悬顶的定向切落提供了技术途径;(8)顶板致裂过程中会多次诱发微震事件,表明致裂过程耗散了顶板中的弹性能.从频率分布图可以看出,震动信号的频带较宽,主要在0~200 Hz之间,主频不明显,整个震动频率较以往典型矿震频率整体增大,这说明水力致裂诱发的微震动波形中具有声发射信号,致裂过程中伴随着声发射.在这现场试验中在试验过程中,也可以听到煤岩体破裂的声音.

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