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Mechanism and control technology of strong ground pressure behaviour induced by high-position hard roofs in extra-thick coal seam mining

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International Journal of Mining Science and Technology 2022年第3期32卷 499-511页

作者： Chao Pan Binwei Xia Yujun Zuo Bin Yu Changnan Ou Mining College Guizhou UniversityGuiyang 550025China National&Local Joint Engineering Laboratory of Gas Drainage in Complex Coal Seam Chongqing UniversityChongqing 400044China State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control Chongqing UniversityChongqing 400044China

This work aimed at revealing the mechanism of strong ground pressure behaviour(SGPB)induced by high-position hard roof(HHR).Based on the supporting structures model of HHR,a modified voussoir beam mechanical model for HHR was established by considering the gangue support coefficient,through which the modified expressions of limit breaking span and breaking energy of HHR were deduced.Combined with the relationship between the dynamic-static loading stress of supporting body(hydraulic support and coal wall)and its comprehensive supporting strength,the criteria of ground pressure behaviour(GPB)induced by HHR were discussed.The types of Ⅰ_(1),Ⅰ_(2),Ⅱ_(1),andⅡ_(2) of GPB were interpreted.Results showed that types Ⅰ_(1) and Ⅰ_(2) were the main forms of SGPB in extra-thick coal seam mining.The main manifestation of SGPB was static stress,which was mainly derived from the instability of HHR rather than fracture.Accordingly,an innovative control technology was proposed,which can weaken static load by vertical-well separated fracturing HHR.The research results have been successfully applied to the 8101 working face in Tashan coal mine,Shanxi Province,China.The results of a digital borehole camera observation and stress monitoring proved the rationality of the GPB criteria.The control technology was successful,paving the way for new possibilities to HHR control for safety mining.

关键词： Extra thick coal seam High-position hard roof Strong ground pressure behaviour Supporting structures Criteria of ground pressure behaviour Controlling effects

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Analysis and Numerical Simulation of Hydrofracture Crack Propagation in Coal-Rock Bed

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Computer Modeling in Engineering & Sciences 2015年第5期105卷 69-86页

作者： Yiyu Lu Chenpeng Song Yunzhong Jia Binwei Xia Zhaolong Ge Jiren Tang Qian Li State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control Chongqing UniversityChongqing 400030China

In underground coal mines,hydrofracture can cause the increase of breathability in the fractured coal bed.When the hydrofracture crack propagates to the interface between the coal bed and the roof-floor stratum,the crack may enter roof-floor lithology,thus posing a limit on the scope of breathability increase and making it difficult to support the roof and floor board for subsequent coal mining.In this work,a two-dimensional model of coal rock bed that contains hydrofracture crack was constructed.Then an investigation that combines the fracture mechanics and the system of flow and solid in rock failure process analysis(RFPA2D-Flow)were carried out to study the failure mechanism at the interface between rocks and coals,and critical water pressure that hydrofracture crack propagates.The results indicated that the main factors that affect the direction of hydrofracture crack propagation are the angle of intersection between coal-rock interface and horizontal section,horizontal crustal stress difference,tension-shear mixed crack fracture toughness in coal-rock interface and differences in elasticity modulus of coal-rock bed.The possibility of crack directly entering coal-rock interface would increase with the increase in angle of intersection or horizontal crustal stress difference.The trend that crack propagates along the coal-rock interface will become stronger with the decrease of the fracture toughness at the coal-rock interface and the increase of the elasticity modulus difference between the coal bed and the roof strata.The results of this study was to put forward a method of controlling hydrofracture crack,optimize the fracturing well location provides a certain theoretical basis.

关键词： Hydrofracture crack propagation coal-rock interface coal mine

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A new method of combined rock drilling

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International Journal of Mining Science and Technology 2014年第1期24卷 1-6页

作者： Tang Jiren Lu Yiyu Ge Zhaolong xia binwei Sun Huijuan Du Peng State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control Chongqing University National & Local Joint Engineering Laboratory of Gas Drainage in Complex Coal Seam Chongqing University Mechanical Engineering College Chongqing Industry Polytechnic College

Based on the technologies of traditionally mechanical drilling and water jet,we propose a new method of abrasive water jet in combination with rock drilling,and establish a combined rock drilling system for the gas pre-drainage.This study chose the common sandstone and silicon limestone as the rock sample.A series of experiments were completed in the case of dry drilling,existing technology drilling,combined drilling with high pressure water jet and combined drilling with abrasive water jet,respectively.The drilling efficiency and performance were contrasted and analyzed in detail.The results indicate that it is better to choose the method of combined drilling with the high-pressure water jet for soft rocks.The method of combined drilling with abrasive water jet is feasible for the hard rock drilling and has higher drilling efficiency and performance.In this paper,compared with the existing technology,the drilling depth has increased by about 65%,the axial force and torque have reduced by about 14%and 17%,respectively,and the drill wear reduces obviously in the same conditions.

关键词：凿岩系统水射流技术磨料水射流高压水射流机械钻孔瓦斯预抽岩石样品干式钻孔

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特厚煤层综放开采坚硬顶板破断对瓦斯涌出影响

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煤炭学报 2018年第8期43卷 2243-2249页

作者：于斌夏彬伟喻鹏大同煤矿集团有限责任公司山西大同037003 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030

针对具有坚硬顶板的特厚煤层综放工作面周期来压期间瓦斯异常涌出问题,基于坚硬顶板"O-X"破断机理,从能量的角度分析了坚硬顶板破断回转对采空区的冲击过程,得到破断块体轴向作用力与采空区垮落煤岩碎胀系数之间的关系。同时研究了顶煤... 详细信息

针对具有坚硬顶板的特厚煤层综放工作面周期来压期间瓦斯异常涌出问题,基于坚硬顶板"O-X"破断机理,从能量的角度分析了坚硬顶板破断回转对采空区的冲击过程,得到破断块体轴向作用力与采空区垮落煤岩碎胀系数之间的关系。同时研究了顶煤放出率及垮落煤岩碎胀系数对坚硬顶板破断回转前后采空区体积变化的影响规律,建立了周期来压期间采空区瓦斯涌出增加量计算模型,并与现场实测进行对比。结果表明:特厚煤层综放工作面坚硬顶板破断回转压缩了采空区体积,使采空区高浓度瓦斯涌向工作面,导致周期来压期间瓦斯异常涌出现象。塔山煤矿8214工作面周期来压期间采空区瓦斯涌出增加量理论计算值为14.5 m^3/min,与现场实测增加量相比误差在1.79%～8.83%,两者结果较为相符,验证了模型的正确性。

关键词：瓦斯涌出坚硬顶板综放开采破断回转采空区

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含径向水力割缝钻孔导向压裂裂缝形态及影响要素

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煤炭学报 2022年第4期47卷 1559-1570页

作者：周雷李立夏彬伟于斌重庆大学煤炭灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源与安全学院重庆400030

随着煤矿开采深度向千米级发展以及大采高特大采高技术的研发应用,大空间远场坚硬顶板问题突出,其结构失稳显著影响工作面矿压以及工作面临空侧巷道变形。地面钻井水力压裂是治理远场坚硬顶板的防治措施之一,但是水压裂缝形貌受地应力... 详细信息

随着煤矿开采深度向千米级发展以及大采高特大采高技术的研发应用,大空间远场坚硬顶板问题突出,其结构失稳显著影响工作面矿压以及工作面临空侧巷道变形。地面钻井水力压裂是治理远场坚硬顶板的防治措施之一,但是水压裂缝形貌受地应力控制、形态单一,难以达到顶板“横切纵断”目标,限制了其弱化远场坚硬顶板的效能。因此,基于试验和理论分析开展了含径向水力割缝钻孔导向压裂形成“横切纵断”裂缝的研究,揭示了水力压裂裂缝和导向裂缝的竞争扩展规律,建立了基于Iwrin等效模型的割缝导向起裂扩展模型、钻孔裸眼起裂扩展模型以及钻孔割缝压裂裂缝起裂模式判定准则,探究了塑性区临界特征长度、割缝半径、钻孔半径、埋深对于裂缝起裂模式的影响。研究结果表明:含径向水力割缝钻孔导向压裂存在3种裂缝形貌:“横切”型单一主裂缝、“纵断”型单一主裂缝、“横切纵断”复合型裂缝网络;割缝塑性区特征长度和钻孔塑性区特征长度与流体压力均呈正相关关系,形成“横切纵断”复合型裂缝网络对应的塑性区临界特征长度随割缝半径的增大而增大,但是随钻孔半径的增大而减小;储层埋深对含径向水力割缝钻孔导向压裂裂缝形貌存在显著影响,随着埋深增加,裂缝形貌逐渐由“横切”型单一主裂缝向“横切纵断”复合型裂缝网络和“纵断”型单一主裂缝演变。特定埋深下,可以通过设计调整钻孔半径和割缝半径以使得钻孔塑性区长度和割缝塑性区长度同时达到塑性区临界长度,形成“横切纵断”复合型裂缝模式。

关键词：远场坚硬顶板水力割缝水力压裂裂缝扩展规律裂缝起裂模式

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基于物质点法的深部煤层气水力割缝卸压解吸增透规律数值模拟研究

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煤炭学报 2022年第9期47卷 3298-3309页

作者：周雷彭雨卢义玉夏彬伟重庆大学煤炭灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源与安全学院重庆400030

深部煤层气储层具有渗透率低、储层压力大和地应力高等特点,导致煤层气解吸、运移困难,开采效率低。定向井+水力割缝是一种强化深部煤层气开采的新思路,但有必要对其卸压解吸增渗效果开展量化研究。数值仿真是研究该问题的主要手段,但... 详细信息

深部煤层气储层具有渗透率低、储层压力大和地应力高等特点,导致煤层气解吸、运移困难,开采效率低。定向井+水力割缝是一种强化深部煤层气开采的新思路,但有必要对其卸压解吸增渗效果开展量化研究。数值仿真是研究该问题的主要手段,但传统有限元、离散元等数值方法无法有效解决煤岩割缝引起的大变形、大位移、内边界持续变化和接触的复杂问题。为克服上述难题,基于物质点法建立了弹塑性损伤数值模型,模拟了水力割缝缝槽对临兴深部煤层气卸压解吸和增透的影响,得到:(1)基于物质点法建立的弹塑性损伤数值模型能有效计算水力割缝缝槽引起煤层大变形、大位移和内边界接触问题;(2)垂直于割缝方向呈现大范围应力下降,应力骤降区的范围和塑性区域的范围重合,应力缓慢下降区则对应弹性小变形区域;(3)卸压解吸气和增渗区域分布特征与应力下降区分布特征一致,在弹性区和塑性区渗透率分别为原始渗透率的1~5倍和10~20倍,单个割缝促使煤层气解吸气量达数百至上千方;(4)割缝宽度、长度、角度和增透区域面积以及解吸气量基本呈线性相关,割缝宽度影响最大,其次是割缝长度,割缝角度影响最小。通过上述研究成果,在定向井+水力割缝基础之上提出了平行水平井错位多割缝卸压解吸增透技术,为深部煤层气的高效开发提供了新思路和研究手段。

关键词：深部煤层气水力割缝卸压增透物质点法

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基于分形理论的煤岩裂隙网络渗透率模型

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煤田地质与勘探 2023年第8期51卷 107-115页

作者：夏彬伟廖传斌罗亚飞冀凯楠重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

煤储层裂隙是煤层气渗流的主要通道,决定了煤储层的渗透性及煤层气产能,研究裂隙结构特征与煤储层渗透性的关系对准确预测煤层气产能具有重要理论及实践意义。基于经典立方定律渗透率模型,同时考虑分形理论、裂隙网络结构特征及有效应力... 详细信息

煤储层裂隙是煤层气渗流的主要通道,决定了煤储层的渗透性及煤层气产能,研究裂隙结构特征与煤储层渗透性的关系对准确预测煤层气产能具有重要理论及实践意义。基于经典立方定律渗透率模型,同时考虑分形理论、裂隙网络结构特征及有效应力,构建包含复杂弯曲裂隙特征的分形渗透率模型,将分形渗透率模型与S&D(Shi-Durucan)模型相结合,建立真三轴应力作用下的裂隙煤渗透率模型。开展真三轴应力条件下的气体渗流实验,将构建的渗透率模型与试验结果及S&D模型拟合数据对比,该渗透率模型与实验结果具有良好的一致性,能够体现出三向应力加载条件下应力对渗透率变化的影响趋势,与S&D模型相比更能反映煤岩渗透率的各向异性特征。基于该渗透率模型,定量分析了煤岩裂隙结构参数对其渗透率的影响。结果表明,煤岩渗透率与孔隙率φ(0.05~0.41)、分形维数D_(f)(2.37~2.81)、最大裂隙长度l_(max)(3.5~8.0 cm)、比例系数β(0.010~0.065)呈正幂律关系;与迂曲度分形维数D_(Tf)(2.005~2.275),裂隙倾角θ(10°~80°)呈负幂律关系。研究成果对准确预测煤岩储层渗透率,揭示煤储层中煤层气的流动机理具有重要作用。

关键词：煤层气渗透率迂曲度分形维数真三轴应力

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坚硬顶板影响下应力拱力学特征及相似模型试验方案设计

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矿业研究与开发 2019年第12期39卷 51-56页

作者：夏彬伟付远浩重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400030

为了研究坚硬顶板运动破断对采动应力拱演化特征的影响,基于应力拱理论,推导了坚硬顶板下采动应力拱合理拱轴线方程,采用相似模型实验获得了坚硬顶板影响下采动应力拱演化与冒落拱扩展的动态关系。结果表明:煤层采动后,覆岩在破坏区内... 详细信息

为了研究坚硬顶板运动破断对采动应力拱演化特征的影响,基于应力拱理论,推导了坚硬顶板下采动应力拱合理拱轴线方程,采用相似模型实验获得了坚硬顶板影响下采动应力拱演化与冒落拱扩展的动态关系。结果表明:煤层采动后,覆岩在破坏区内形成冒落拱,在破坏区外形成应力拱;冒落拱位于应力拱下卸压区内,其运动扩展受应力拱控制,二者均受到坚硬顶板的影响。坚硬顶板破断前,应力拱和冒落拱为"⌒型"。坚硬顶板破断后,在冒落拱内坚硬顶板形成"砌体梁"或"悬臂梁"结构承担卸压区内岩层载荷,在破坏区外,坚硬顶板改变应力拱形态,应力拱形态为"葫芦型",应力拱与坚硬顶板共同承担上覆岩层载荷。

关键词：应力拱坚硬顶板演化特征冒落拱

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大空间坚硬顶板地面压裂技术与应用

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煤炭学报 2021年第3期46卷 800-811页

作者：于斌高瑞夏彬伟匡铁军重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 晋能控股集团山西大同037000

坚硬顶板强度高、破断步距大,矿压作用强烈,是煤矿顶板控制的一大难题,特别是特厚煤层开采条件时,因开采扰动范围广,大空间坚硬顶板破断失稳,造成采场矿压显现更加复杂、强烈。研究表明,坚硬顶板特厚煤层开采,高位厚硬岩层的破断失稳是... 详细信息

坚硬顶板强度高、破断步距大,矿压作用强烈,是煤矿顶板控制的一大难题,特别是特厚煤层开采条件时,因开采扰动范围广,大空间坚硬顶板破断失稳,造成采场矿压显现更加复杂、强烈。研究表明,坚硬顶板特厚煤层开采,高位厚硬岩层的破断失稳是造成采场强矿压的主要因素,但现有井下预裂技术无法控制。为此,提出了煤矿坚硬顶板地面压裂控制采场矿压的方法,开展了大型真三轴原位试件(2060 mm×1200 mm×1200 mm)水力压裂试验研究,揭示了水压裂缝扩展形态及压裂全过程试件应力应变演化规律;给出了地面压裂关键层位范围,综合工作面采位、压裂层位、覆岩应力及裂隙发育特征,建立了压裂位置确定的理论模型及选取准则;给出了压裂面积-流量-时间的关系模型,得到压裂面积随压裂时间、流量的变化关系;研发了水压裂缝井上下微震一体化联合监测技术,综合前述研究,形成了大空间坚硬顶板地面压裂控制技术体系,并进行了垂直井、水平井压裂工程实践。结果表明,地面压裂裂缝扩展范围大,垂直井分级压裂裂缝扩展长度达250,218 m,裂缝宽度30~120 m,水平井分段压裂裂缝扩展长度196~216 m,裂缝高度43~50 m,裂缝扩展均覆盖了工作面范围,穿透了压裂目标层。井下采场矿压监测表明,工作面开采至压裂裂缝扩展区内,支架阻力降低21%,煤壁片帮率减少23%,超前单体无任何弯曲折损现象,巷道围岩稳定,压裂控制效果好。可见,坚硬顶板地面压裂技术,可从源头杜绝采场强矿压的发生,探索了煤矿领域坚硬顶板控制的新途径,为解决类似由高位岩层、高位结构失稳引起的矿压灾害控制提供借鉴。

关键词：坚硬顶板地面压裂压裂参数水平井垂直井

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综放采动应力路径下单裂隙砂岩力学特性试验研究

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煤炭科学技术 2022年第2期50卷 95-105页

作者：夏彬伟刘仕威欧昌楠高玉刚重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

综放开采会形成有别于常规三轴压缩的应力路径,为研究综放采动状态下顶板岩体的力学特性,针对特定长度和角度的单裂隙砂岩,进行恒定卸围压同时变速率加轴压的加卸载三轴试验,以模拟综放开采过程中的应力路径,分析单裂隙砂岩的破坏形式,... 详细信息

综放开采会形成有别于常规三轴压缩的应力路径,为研究综放采动状态下顶板岩体的力学特性,针对特定长度和角度的单裂隙砂岩,进行恒定卸围压同时变速率加轴压的加卸载三轴试验,以模拟综放开采过程中的应力路径,分析单裂隙砂岩的破坏形式,并用超声波实时测试,探究超声波特性和应力应变的关系以及裂纹演化规律。试验结果表明:①常规三轴应力路径下,不同长度单裂隙砂岩试件的破坏形式基本为拉-剪复合型破坏,不同角度单裂隙砂岩试件破坏形式包含纯剪切破坏、拉伸破坏、拉-剪复合破坏和X型共轭剪切破坏。加卸载三轴应力路径下,随着裂隙长度增加,破坏形式表现为拉-剪复合型破坏—“X”型非共面剪切破坏—“X”型共面剪切破坏,拉伸裂纹会被次生共面裂纹所替代;裂隙角度是裂隙起裂的诱因,不同角度裂隙砂岩试件破坏形式包含拉-剪复合型破坏、单剪切破坏、“X”型非共面剪切破坏;②P波波速能有效反映试件应力水平和细观结构。相较于常规三轴应力路径下整体上P波速度随轴向应变的增大先增大后减少,在加卸载三轴应力路径下,整体上P波速度随轴向应变的增大而增大,但增速随着应力水平的增加而减小;在试件达到屈服点时,试件密度达到最大值,表现为P波波速达到最大值;在试件达到峰值强度附近时,试件内部裂纹交叉和相互联合的现象加剧,表现为P波波速出现明显波动;裂隙长度增大,波速稳定段逐渐减小,裂隙角度增大,波速稳定段先增大后减小;③根据波速反映的裂纹宽度变化,常规三轴应力路径下裂纹演化阶段可分为裂纹压密阶段、裂纹发展阶段、裂纹稳定阶段和破坏后失稳阶段4个阶段,加卸载三轴应力路径下则分为裂纹压密阶段、裂纹稳定阶段和裂纹扩展阶段3个阶段,裂纹稳定阶段随裂隙长度增加整体上呈现减小趋势,裂隙角度对裂纹稳定阶段基本没有影响。

关键词：综放开采砂岩单裂隙岩石力学裂纹演化

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