坚硬顶板的水力致裂防冲技术研究.pdf

分类号分类号 TD767 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 坚硬顶板的水力致裂防冲技术研究坚硬顶板的水力致裂防冲技术研究 张辉张辉 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名辛辛 嵩嵩 职职 称称教教 授授 副副指导教师姓名指导教师姓名陈陈 勇勇 职职 称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六二零一六年五月年五月 万方数据 论文题目论文题目 坚硬顶板的水力致裂防冲技术研究坚硬顶板的水力致裂防冲技术研究 作者姓名作者姓名张张 辉辉 入学时间入学时间 2013 年年 9 月月 专业名称专业名称矿业工程矿业工程 研究方向研究方向 灾害灾害预测与防治预测与防治 指导教师指导教师辛辛 嵩嵩 职职 称称 教教 授授 副副指导教师指导教师陈陈 勇勇 职职 称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2016 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 The Study of Hydraulic Fracture Hard Top-Coal for Rock-Burst Prevention A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhang Hui Supervisor Professor Xin Song College of Mining and Safety Engineering May 2016 万方数据 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 煤体注水弱化技术是防治坚硬煤层冲击地压的有效技术途径。通过向坚硬干燥岩体 或煤体注水，在水压力和毛细力的切割作用下，使岩体或煤体裂隙大量扩张。裂隙中的 水在粘滞作用及吸附力的作用下，块体间的刚度降低、形变增大。此技术是一项煤矿高 效开采的保障技术，具有安全、环保、高效、经济等优点。 本文主要采用理论分析、 数值模拟和现场试验等方法对济宁三号煤矿 63下05 工作面 和 53下07 工作面辅顺进行坚硬顶板定向水力致裂工业性试验， 通过理论分析得出了定向 水力致裂的裂纹扩展形式及扩展模型，数值模拟分析了初始裂缝参数、围岩环境、注水 压力等因素对定向水力致裂的影响。 通过数值分析得到，注水改变了尖端应力尖端应力集中类型，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。 顶板的悬顶长度和顶板的厚度是坚硬顶板诱发冲击矿压发生的两个因素。控制顶板 对冲击矿压的影响，就需要针对这两个因素对顶板处理，采用致裂坚硬顶板的方式降低 这两个影响因素。 坚硬顶板经过致裂处理后，系统的动能和系统释放的能量都降低了。致裂后坚硬顶 板震动加速度与没致裂的顶板相比增加，验证了顶板致裂改变顶板完整性。从系统的能 量和顶板震动剧烈程度， 都得出切顶致裂顶板和分层致裂顶板能够降低顶板的悬顶长度、 厚度以及顶板的来压强度， 通过坚硬顶板致裂处理可以达到防治顶板型冲击矿压的目的。 坚硬顶板是冲击矿压发生的重要影响因素，坚硬顶板导致冲击矿压发生频繁，严重 影响煤矿安全， 为避免冲击矿压的发生， 基于此进行坚硬顶板定向水力致裂工业性试验。 在济三煤矿实现了顶板岩石的致裂，并且取得了致裂范围为 5～15m 的效果。 关键词关键词坚硬煤层；冲击地压；水力致裂机理；数值模拟；现场试验 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 Abstract Coal sean water infusion is an effective way to prevent and control rock-burst .It is a technology to hard dry coal, in under the action of water pressure and capillary force of the cutting, crack extending, a lot of making original approximate rigid coal composed of fractures intersected block, The viscous effect of fissure water and water molecules adsorption force make the combination block between viscosity,lower stiffness, stiffness degradation, deation increase. This technology is an efficient mining of coal mine safety techniques,having Safe, environmentally friendly, efficient and economic advantages. This article mainly uses theoretical analysis,numerical simulation and field test s of Jining 63 under 05 53 under 07 working face and carried along the auxiliary working face hard roof directional hydraulic fracturing industrial test, the main work and results are as followsObtained by theoretical analysis of crack propagation in the of directional hydraulic fracturing and extended model,by numerical simulation ways to analyse the the initial fracture parameters, the environment surrounding rock, and water pressure have effects on directional hydraulic fracturing. Water changed the stresses tip tip stress concentration type, tensile stress by the stress before injection into the water after centralized, initial crack tip stress concentration is the more likely rock initiation and expansion, and depth, there is a nonlinear relationship between the diameter of the initial cracks, and rock strength, injection pressure and initial crack angle is linear. through numerical analysis. Top roof overhang length and the thickness of the roof are two factors induce hard roof rock burst occurred. Control on top of the rock burst, the need for these two factors on the Roof, the use of fracturing hard roof ways to reduce these two factors. After a hard roof fracturing process, the kinetic energy of the system and release of the system are reduced. After fracturing hard roof shock accelerations increase compared to the fracturing of the roof did not verify the integrity of the roof fracturing change the roof. From the energy roof systems and vibration severity, have come to the top and toppers fracturing fracturing layered roof roof overhang can be reduced length, thickness, and compressive strength of the roof to the ceiling by hard roof fracturing treatment may prevent and cure Roof 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 Rock Bumping purposes. Hard roof is an important factor of rock burst occurred, resulting in hard roof rock burst occurs frequently, seriously affecting the coal mine safety, in order to avoid the occurrence of rock burst, based on this conduct hard roof directional hydraulic fracturing industrial test. Jisan coal mine in the roof to achieve a rock fracturing, and fracturing has made the range of 5 15m effects. Keywords Hard coal seam; Ground pressure; Hydraulic fracturing mechanism; Numerical simulation; Field test 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 8 目录目录 1 绪绪 论论 ........................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义 ........................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................... 2 1.3 课题研究内容与研究方法 ................................................................................... 4 1.4 技术路线 ............................................................................................................... 4 2 坚硬顶板定向水力致裂机理及影响因素坚硬顶板定向水力致裂机理及影响因素 ..............................................6 2.1 坚硬顶板定向水力致裂的机理 ........................................................................... 6 2.2 预成裂缝数值模型的建立 ................................................................................... 8 2.3 初始裂缝参数对水力致裂的影响 ....................................................................... 9 2.4 围岩环境对水力致裂的影响 ............................................................................. 11 2.5 注水压力对水力致裂的影响 ............................................................................. 14 2.6 小结 ..................................................................................................................... 15 3 坚硬坚硬顶板致裂防冲机理研究顶板致裂防冲机理研究 ............................................................... 17 3.1 坚硬顶板致裂防冲原理 ..................................................................................... 17 3.2 坚硬顶板致裂数值模型的建立 ......................................................................... 19 3.3 坚硬顶板切顶处理的效果分析 ......................................................................... 24 3.4 坚硬顶板分层处理的效果分析 ......................................................................... 27 3.5 坚硬顶板致裂防冲效果分析 ............................................................................. 29 3.6 小结 ..................................................................................................................... 31 4 定向水力致裂关键工艺参数及设备定向水力致裂关键工艺参数及设备 ................................................... 33 4.1 定向水力致裂钻孔深度 ..................................................................................... 33 4.2 主要施工设备及其工艺参数 ............................................................................. 33 4.3 致裂及致裂效果评价 ......................................................................................... 39 4.4 小结 ..................................................................................................................... 41 5 济三煤矿坚硬顶板定向水力致裂济三煤矿坚硬顶板定向水力致裂 ....................................................... 43 5.1 63下05 工作面辅顺第一阶段水力致裂 ............................................................ 43 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 9 5.2 63下05 工作面辅顺第二阶段水力致裂 ............................................................ 44 5.3 53下07 工作面辅顺水力致裂 ............................................................................ 48 5.4 小结 ..................................................................................................................... 51 6 主要结论主要结论 ............................................................................................... 52 致谢致谢 ............................................................................................................. 54 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ............................................................................. 55 主要参考文献主要参考文献 ......................................................................................... 56 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction1 1.1 Research background and significance1 1.2 Research status of At home and Abroad2 1.3 Research contents and s4 1.4 Technology Roadmap 4 2 Hard roof directional hydraulic fracturing mechanism and influencing factor6 2.1 Hydraulic fracturing mechanism of hard roof orientation6 2.2 To establish a pre-crack numerical model8 2.3 The Effect of initial fracture parameters on hydraulic fracturing9 2.4 Environmental impact on surrounding rock of hydraulic fracturing11 2.5 Influence of injection pressure of the hydraulic fracturing 14 2.6 Summary 15 3 Punch mechanism induced crack prevention study hard roof17 3.1 Hard roof fracturing and scour protection principles17 3.2 Hard roof caused by the establishment of a numerical model of crack19 3.3 Hard roof toppers treatment effect analysis24 3.4 Hard roof slicing effect analysis27 3.5 Hard roof fracturing and erosion control effect analysis29 3.6 Summary 31 4 Directional hydraulic fracturing critical process parameters and equipment33 4.1 Directional hydraulic fracturing drilling depth 33 4.2 Main Construction equipment and process parameters33 4.3 Fracturing and fracturing effect uation39 4.3 Summary41 5 Jisan coal mine hard roof directional hydraulic fracturing43 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 5.1 63 Under 05 Face Fushun first stage hydraulic fracturing43 5.2 The second stage 63 under 05 Face Fushun hydraulic fracturing43 5.3 53 Under 07 Face auxiliary sailing fracturing force48 5.4 Summary 51 6 The main conclusions52 Thanks54 Main Work Achievement of the Author during Working on Master Paper55 Main Reference Documents56 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪绪 论论 1.1 选题背景及研究意义选题背景及研究意义 1.1.1 课题研究背景课题研究背景 近年来，随着我国采矿事业的逐步发展，煤层开采的矿山压力显现及其控制上已经 取得了诸多理论以及技术上的成就。但是，对于坚硬顶板下冲击低压危险的岩煤开采理 论上的研究相对较少，随着煤层之间的距离减小，上下煤层之间的开采影响较大，导致 下部煤层开采区域的顶板结构和应力环境发生变化，从而使煤矿开采出现许多新的矿山 压力现象。 济三煤矿位于山东省济宁市东部，隶属于兖州煤业股份有限公司。矿井于 1993 年 12 月正式开工建设， 2000 年 12 月 28 日建成投产， 矿井井田面积 110km2， 可采储量 5.26 亿吨，设计井型 500 万吨。到 2003 年，矿井年产量已达到 1000 万吨。矿井采用立井分 水平上下山开拓方式，井下采用倾斜大巷条带式回采布置，分区域沿煤层倾斜方向平行 布置三条大巷，在大巷两侧直接布置走向长壁工作面，开采方式为采区前进，区内后退 式。采煤方法为综采放顶煤采煤法，采空区处理方式为全部垮落法。 济三煤矿在开采西部六采区 6303 工作面期间，曾发生多起严重的压力异常显现现 象。在该工作面辅顺沿空掘进期间，就先后三次发生较严重的压力异常显现，造成巷道 变形严重，部分地段巷道失稳，影响了巷道正常掘进。自 2003 年 12 月以来，济宁三号 煤矿在巷道掘进期间多次发生强烈的矿压显现、 矿震、 冲击矿压等动力现象， 特别是 2004 年 11 月 30 日 63 下 03 辅助顺槽发生的强烈冲击矿压掀翻 7 个车盘、堵塞 30 多米巷道、 迫使工作面停产近 1 个月，造成了巨大的经济损失。因此，对于济三煤矿而言，有必要 进行坚硬顶板的定向水力致裂技术的研究工作。 1.1.2 研究意义研究意义 长期以来，我国在采矿矿山压力显现和控制方面取得了诸多成就。但对于坚硬煤层 出现的冲击地压的控制领域相对较少。因此，深入研究系统的研究坚硬煤层冲击地压显 现规律，确定防治措施，探索出适用于坚硬顶板下冲击地压危险的围岩控制理论，对煤 矿安全开采具有重大意义。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 水力致裂理论及其技术最初是应用于石油和天然气的开采，之后这一技术被应用于 其他行业。最初的水力致裂技术机理是单纯把水作为压裂介质，岩体在水的高压作用下 破裂，岩体裂隙的方向一般垂直于最小主应力方向的径向裂隙，近年来随着水力致裂技 术的发展，控制裂隙数目是此工艺技术的关键 [1]。 目前，对于坚硬顶煤开采的机理是对顶煤进行预先弱化处理，采用的技术主要包括 深孔爆破技术和煤层水力致裂技术。近年来随着石油和天然气的开采而逐渐被国内行业 所重视， 1997 年邓广哲教授首次将将坚硬煤层水力致裂技术和煤矿放顶煤开采结合在一 起，并在兖州矿业集团、陕西焦坪矿区以及乌鲁木齐等不同矿区进行了长期的水力致裂 试验研究，形成了系统的研究理论[2-7]，2002 年被注册确定为陕西省优秀科技成果，在 实践中不断推广应用。 煤层注水技术的产生和发展已经有很长的历史。1890 年，德国首次在萨尔煤田进行 了煤层注水实验[8]，随着煤层注水这一技术的发展，后来逐渐被其他国家所采用。1940 年左右，苏联对煤层进行动压注水，使煤层的含水量增大[9-11]。波兰于 20 世纪 50 年代 开始使用煤层注水，1960 年前后，75的采煤工作面应用了这一技术，同时还在水中加 入硫酸铜溶液来提高注水效果。 1957 年 M.K 休伯特[12]对水压致裂产生的应力场进行了研究。其后 A.E 夏德格、B.C 海姆森等人对水力致裂测试原理进行了进一步的研究和探讨，并对水力致裂模型进行了 简化，采用弹塑性力学的原理，对水力致裂进行了分析 [13-16]。李自强等经过研究认为以 上水力致裂仅适用于 500m 以内的地应力测量，超过这个深度后就会遭到剪切破坏，基 于此，李自强等提出了压裂和周向应力理论曲线。Daneshy [17]运用岩体和流体相互作用 的原理，对节理方向和主应力方向斜交的情况进行了研究，预测结果和经典水力致裂理 论相符。当节理方向和主应力方向的夹角是 30 度时，对其进行注水压裂，出现两种不同 的破碎。2000 年，邓广哲教授将水压致裂技术和 Grififith 理论相结合，对地应力裂隙扩 展理论进行了分析研究 [3]，研究了水压裂隙破坏的力学机制，为煤岩力学控制提供了科 学依据 [7]。 Chugh [18]、康红普等针对沉积岩的抗拉强度进行了大量的实验，得出岩石的物理性 质、初始状态、含水率以及应力状态对水的弱化程度影响很大。朱珍德 [19]等从断裂力 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 学的角度对岩体强度进行了分析，并对其初始开裂强度公式进行了推导。 美国学者 Bruno 利用实验的手段对水力致裂技术进行了验证，在一块岩板上钻了三 个呈三角形分布的圆孔，对其中的一个圆孔进行加压并使其他孔处于饱和状态，对另一 个孔施加不断增大的油压，这种状态下岩扳产生宏观破坏[20]。 蒋承林利用球壳理论对煤层注水在防突中的应用做了分析，指出了煤层注水对于煤 层作用的机理，提出煤层注水防突并不是封堵了岩层中的瓦斯，而是增加了煤层分层的 塑性，由此导致整个煤层软化。因此，注水钻孔应布置在硬煤分层内，并使煤层内的注 水均匀渗透，这样才能获得较好的防突效果 [21]。 潘一山、章梦涛从水对煤物理力学性质的角度，对煤层注水防治的冲击地压的机理 进行了分析和探讨，认为煤层注水过程实际上是水驱气的驱替过程，是一种渗流力学问 题，研究的结果以及数据为防治冲击地压危险提供了新的手段个方向 [22]。 闫少宏 [23]等提出了人工注高压水的手段对岩体力学特性进行了分析，这种方法通 过人为的手段将顶板分层，从而来控制顶板来压，这种方法较符合实际情况。 王国鸿等采[24-29]用理论分析和现实试验的手段对煤层水力压裂防突技术进行了分 析，通过增加煤层透气性降低煤层突出危险。倪冠华、林柏泉[30]从电磁学的角度对脉动 水力压裂技术进行了分析，并从瓦斯吸附方面对此技术进行了深入研究。柳贡慧等[31]通 过相似理论对水力压裂控制方程进行无因次化处理，并导出了相似比例系数。王国庆、 谢兴华、速宝玉等[32-33]利用应力耦合试验对水泥相似材料进行了三轴水力劈裂实验，分 析了水力劈裂的机理。程远方等[34]利用真三轴模拟实验，研究水力压裂条件下的水平裂 缝、垂直裂缝以及复杂裂缝之间的相互转换关系。Zifeng Ma[35]对岩石的水力压裂裂缝的 扩展规律进行了分析研究。 在研究水力裂缝形态方面，最常用的数值建模为 PKN、GDK 为代表的二维裂缝模 型，以及以 Van Eekelen[36]、Advani、Cleary 与 Settar[37-38]、Palmer[39-41]为代表的拟三维 裂缝延伸模型，以 Clifton[42]、Abou-Sayed[43-44]、Cleary[45-46]为代表的全三维缝延伸模型。 Lei Zhou 和 Michanel Z.Hou[47]将水力耦合和 FLAC3D软件结合起来对水力压裂过程进行 了数值模拟。唐书恒、朱宝存等[48]对晋城煤矿西部煤层进行了数值模拟，分析了地应力 对水力压裂位置的影响。陈小奎[49]利用 REPA