远场坚硬岩层破断失稳的矿压作用机理及地面压裂控制研究

发布时间：2020-05-30 14:07

【摘要】：坚硬顶板特厚煤层开采条件下,因煤层开采厚度大,覆岩运移破断范围广,不同层位坚硬顶板破断规律及其矿压作用特征差异较大,造成大空间覆岩应力分布及采场矿压显现复杂。当覆岩高位赋存厚硬岩层时,厚硬岩层的破断失稳易造成工作面的强矿压显现,对于远场高位厚硬岩层的矿压作用机制及控制技术急需进一步深入研究。论文以我国大同坚硬顶板矿区石炭系14~20m特厚煤层放顶煤开采为工程背景,综合采用现场实测、物理模拟、数值模拟、理论分析及实验室测试的研究手段,对远场坚硬岩层的破断特征、采场支承应力及其矿压作用机制进行研究,并创新性采用地面压裂远场坚硬岩层控制强矿压的技术,对压裂时空参数选取、压裂效果进行了分析。论文研究成果主要体现在:(1)现场原位实测研究给出了大空间坚硬岩层破断发育高度、破断步距的变化规律,据此定义了大空间远场、近场的概念,揭示了远场高位坚硬岩层破断失稳的强矿压显现特征;(2)建立了远场坚硬岩层破断的矿压作用力学模型,模拟研究给出了远场坚硬岩层赋存下的覆岩结构破断失稳及其矿压作用,揭示了强矿压作用机制,同时明确了对采场矿压作用强烈的远场坚硬岩层关键范围;(3)实验获得了水力压裂裂缝扩展规律,分析了垂直裂缝面和水平裂缝面弱化效果,揭示了基于地面压裂坚硬岩层的强矿压控制机理;构建了地面压裂合理位置选取的理论计算模型,为地面压裂提供了理论依据;(4)构建了远场坚硬顶板地面压裂控制技术体系,现场成功进行了工程应用,实现了坚硬顶板压裂层位、压裂时机和裂缝扩展的高效控制,成功解决了远场坚硬岩层破断的强矿压显现难题。论文研究成果揭示了远场坚硬岩层破断失稳的强矿压作用机制,地面压裂技术的成功应用实施为远场坚硬岩层的高效控制提供了理论支撑和技术借鉴,开辟了煤矿领域坚硬顶板控制的新途径,对于实现由高位岩层、高位结构失稳引起的矿压灾害的控制具有重要意义。
【图文】：

压裂井

（a）压裂井筒布置立体图（b）压裂井筒布置侧向剖面图图 5-2 压裂井筒布置示意Figure 5-2 The arrangement of fracturing well沿着试件最长轴 2060 mm 方向加载最大水平主应力 σH6.5MPa，另一水平方向加载最小水平主应力 σh3.6MPa，加载垂直应力 σv5.7MPa。采用 XHZ-420 型电阻式压力盒监测压裂过程中试件应力场变化规律。压力盒传感器具体布置如图5-3 所示，共布置 32 个传感器。同时在压裂液中掺入黄色示踪剂，跟踪裂缝扩展方向。

示意图,压力盒,示意图,泵压

向加载最小水平主应力 σh3.6MPa，加载垂直应力 σv5.7MPa。采用 XHZ-420 型电阻式压力盒监测压裂过程中试件应力场变化规律。压力盒传感器具体布置如图5-3 所示，共布置 32 个传感器。同时在压裂液中掺入黄色示踪剂，跟踪裂缝扩展方向。图 5-3 压力盒布置示意图Figure 5-3 The layout of pressure capsule（2）试验结果分析① 泵压-时间曲线得到压裂过程中泵压时间关系曲线如图 5-4 所示。由图可知，，压裂泵初始施加水压后，泵压快速增加，近似成线性增加达到破裂压力 17.93MPa，继续注入压裂液，泵压略有降低，并随之出现第二个高压力点，并随后发生降低，表明试件再次发生破裂，破裂压力发生降低。其后泵压曲线成锯齿状发展，直到试样沿层理面完全开裂，压裂液漏失量快速增加，泵压也随之快速降低，通过观察真三轴加载室，发现有少量压裂液漏出，压裂结束。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD32

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