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煤层顶板分段水力压裂应力及裂缝演化试验研究

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中国矿业大学学报 2023年第6期52卷 1084-1095,1202页

作者：胡千庭刘继川李全贵张跃兵宋明洋孙万杰宋继斌重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044 成都大学应急管理学院四川成都610106

煤层顶板分段水力压裂是碎软低渗煤层煤层气高效开发的有效技术,该技术应用的关键在于水力裂缝能否顺利从顶板穿层扩展至煤层并为煤层气运移提供通道.通过对煤岩组合体相似材料进行两段封孔开展了顶板分段水力压裂物理模拟试验.在试件... 详细信息

煤层顶板分段水力压裂是碎软低渗煤层煤层气高效开发的有效技术,该技术应用的关键在于水力裂缝能否顺利从顶板穿层扩展至煤层并为煤层气运移提供通道.通过对煤岩组合体相似材料进行两段封孔开展了顶板分段水力压裂物理模拟试验.在试件中布置应变砖来监测两段压裂的应力时空演化全过程,获得了水力压裂裂缝附近诱导应力场特征,应用声发射技术监测水力裂缝的动态扩展过程,研究了在诱导应力影响下不同排量、不同顶板岩性、不同煤岩界面强度和不同地应力条件下的裂缝延伸形态.最后针对不同储层条件探讨了工艺参数优化方案.研究结果表明:起裂压力受岩石物理力学性质和应力环境的影响.起裂压力随着垂向地应力、泵注水压、岩体抗拉强度的增大出现上升的趋势.当裂缝扩展方向垂直于压裂钻孔时,第一段压裂产生的诱导应力会增加钻孔方向压应力从而导致第二段压裂起裂困难;当裂缝平行于钻孔方向扩展,第一段压裂裂缝会削弱第二段压裂孔附近岩体强度并降低起裂压力.3个影响因素对水力裂缝穿层扩展的影响机制不同.较大的垂向应力差能引导裂缝垂向扩展;较高的煤岩界面强度使得裂缝能够扩展穿过煤岩界面;提高泵注排量主要是增大了岩体的整体破坏范围,从而增加了裂缝扩展到煤层中的程度;压裂产生的诱导应力改变了原始地应力场,使裂缝扩展偏离垂直方向,并降低裂缝扩展程度从而减弱裂缝穿层扩展能力.对顶板分段水力压裂进行了工程探讨,较高的垂向地应力差和较强的煤岩界面强度是裂缝穿层扩展的最有利储层条件,较高的泵注排量和较低的诱导应力是控制裂缝穿层扩展最有利的施工工艺.

关键词：煤层顶板分段水力压裂诱导应力裂缝扩展

煤层顶板分段压裂水平井地质适应性分析与施工参数优化

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煤田地质与勘探 2022年第3期50卷 183-192页

作者：姜在炳李浩哲许耀波张群李贵红范耀降文萍舒建生庞涛程斌中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077

煤层顶板分段压裂水平井是实现碎软低渗煤层煤层气高效抽采的有效技术。依托“十三五”国家科技重大专项课题,围绕煤层顶板分段压裂水平井煤层气高效抽采技术,采用理论分析、数值模拟等手段,对比不同地应力状态下裂缝的穿层扩展形态,研... 详细信息

煤层顶板分段压裂水平井是实现碎软低渗煤层煤层气高效抽采的有效技术。依托“十三五”国家科技重大专项课题,围绕煤层顶板分段压裂水平井煤层气高效抽采技术,采用理论分析、数值模拟等手段,对比不同地应力状态下裂缝的穿层扩展形态,研究水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角对裂缝转向扩展的影响,分析多簇射孔条件下裂缝的竞争扩展现象。结果表明:(1)煤层顶板分段压裂水平井技术应用于碎软低渗煤层煤层气开发具有避免钻井液污染储层、提高水平井钻井施工安全性、提高固井质量、提高压裂改造效果、控制煤粉产出等优势。(2)地应力是裂缝穿层扩展的关键控制因素。为保证裂缝穿层扩展,垂向应力需大于最小水平主应力,顶板最小水平主应力需大于煤层,并且层间应力差为1~3 MPa时,既能够保证裂缝的穿层扩展效果,也能避免裂缝的起裂和延伸压力过高;“上覆岩层–顶板–煤层”应力剖面为“低–高–中”型时,水平井与煤层顶面的距离对于裂缝的穿层扩展效果影响较大;推荐水平井水平段与煤层顶面距离小于2.0 m。(3)水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角越大,裂缝转向半径和转向距离越大,在压裂段间距相同的条件下,夹角为45°时缝间干扰程度比夹角为0°时强,不利于后续压裂段裂缝扩展,建议水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角±15°以内。(4)对于分段多簇压裂,缝间应力干扰、压裂液流动摩阻、射孔孔眼摩阻共同导致各射孔簇裂缝非均匀扩展,可通过限流压裂、裂缝暂堵等手段促进裂缝均匀扩展。(5)工程试验取得了良好的产气效果,裂缝延伸特征与理论研究吻合度高。研究成果可为煤层顶板水平井的施工参数优化设计和推广应用提供借鉴。

关键词：煤层顶板水平井地质适应性裂缝扩展分段多簇压裂煤层气

煤层顶板致灾水体井上下双磁源瞬变电磁响应及应用

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煤炭学报 2019年第8期44卷 2356-2360页

作者：于景邨苏本玉薛国强常江浩中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 中国科学院地质与地球物理研究所北京100089 河北地质大学勘技学院河北石家庄050031

煤层顶板隐蔽致灾水体是矿井水害之一,矿井瞬变电磁法是探测矿井灾害水源的主要方法之一。由于矿井瞬变电磁法采用多匝小回线装置,发射磁距小,其探测深度不能满足大深度矿井对煤层顶板探测的要求。基于此,提出了井上下双磁源对煤层顶板... 详细信息

煤层顶板隐蔽致灾水体是矿井水害之一,矿井瞬变电磁法是探测矿井灾害水源的主要方法之一。由于矿井瞬变电磁法采用多匝小回线装置,发射磁距小,其探测深度不能满足大深度矿井对煤层顶板探测的要求。基于此,提出了井上下双磁源对煤层顶板进行立体探测的新方法。利用有限差分数值模拟技术,对井上(地面)激发,井下巷道接收和井上下双磁源激发,井下接收2种装置瞬变电磁响应进行了对比,结果表明:当顶板含有富水体和不含有富水体时,瞬变电磁响应特征均有明显的差异,主要表现为:在感应电位衰减曲线交叉点左侧,顶板存在含水体时曲线幅值相对较小,而在交叉点右侧幅值相对较大,表明该曲线特征与顶板富水性密切相关。分别采用井上下双磁源激发、巷道接收和井下磁源激发、巷道内接收2种工作方式在某矿进行煤层顶板含水体实际探测,探测结果表明:当煤层顶板富水性较强时,井上下双磁源激发、井下接收与井下激发、井下接收的瞬变电磁响应特征与数值模拟结果一致,交叉点左侧井下单磁源激发的视电阻率值明显低于井上下双磁源激发视电阻率值,而在交叉点右侧情况正好相反;当顶板富水性较弱时,2种情况所测的视电阻率曲线趋势基本一致,实际探测结果与钻孔资料吻合良好,对大深度矿井顶板隐蔽致灾水体的探测提供了一种新的有效探测方法。

关键词：磁源煤层顶板隐蔽致灾水体瞬变电磁

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煤层顶板离层水体分布规律及防治技术探讨

采矿与安全工程学报 2009年第2期26卷 239-243页

作者：李凤荣陈真富王和志中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 淮北矿业集团安徽淮北235006

基于淮北某煤矿注水井中测流、钻孔电视成像的勘查和测试成果,总结了顶板厚层砂岩中离层水体的分布规律及水文地质特征,并对离层水体突水危险性进行了分析预测.为确保后续工作面的安全生产,采用向工作面外施工疏水孔的探放水方案,使得... 详细信息

基于淮北某煤矿注水井中测流、钻孔电视成像的勘查和测试成果,总结了顶板厚层砂岩中离层水体的分布规律及水文地质特征,并对离层水体突水危险性进行了分析预测.为确保后续工作面的安全生产,采用向工作面外施工疏水孔的探放水方案,使得疏放水孔能超前、全过程的疏放砂岩水,达到切断离层积水水源的目的,从而阻截顶板离层水体的形成.经放水试验和工作面回采验证,表明疏放水效果显著,达到预期目标.

关键词：离层水体煤层顶板疏放水防治技术

基于遗传-支持向量机法的煤层顶板导水断裂带高度的分析

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煤炭学报 2009年第12期34卷 1610-1615页

作者：孙云普王云飞郑晓娟河南理工大学土木工程学院河南焦作454000 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 焦作师范高等专科学校河南焦作454000

利用遗传算法以全局并行搜索方式来搜索优化群体中的最优个体的特点,获得了支持向量机参数的最佳值,建立了遗传-支持向量机模型(GA-SVR).有效反映了采空区长度、抗压强度和采厚等因素与煤层顶板导水断裂带高度的非线性关系.经具体工程... 详细信息

利用遗传算法以全局并行搜索方式来搜索优化群体中的最优个体的特点,获得了支持向量机参数的最佳值,建立了遗传-支持向量机模型(GA-SVR).有效反映了采空区长度、抗压强度和采厚等因素与煤层顶板导水断裂带高度的非线性关系.经具体工程应用验证了遗传-支持向量机法研究导水断裂带高度的有效性.并对影响断裂带高度的因素进行了权重分析,指出埋深、采空区长度、抗压强度和采厚是主导影响因素,同时指出从地质条件、岩体力学性质和开采条件3个方面选取指标的科学性.

关键词：遗传算法支持向量机煤层顶板导水断裂带

碎软煤层顶板水平井空间位置对压裂裂缝扩展的影响

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煤炭学报 2022年第S01期47卷 196-203页

作者：庞涛姜在炳李浩哲杨建超煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

煤层顶板岩层水平井分段压裂技术是碎软低渗煤层发育区开发煤层气的一种新方法。为探究水平井空间位置对压裂裂缝扩展的影响规律,采用弹性力学和断裂力学理论建立考虑地层倾角、井眼轨迹的裂缝扩展应力分析模型,理论分析裂缝扩展过程和... 详细信息

煤层顶板岩层水平井分段压裂技术是碎软低渗煤层发育区开发煤层气的一种新方法。为探究水平井空间位置对压裂裂缝扩展的影响规律,采用弹性力学和断裂力学理论建立考虑地层倾角、井眼轨迹的裂缝扩展应力分析模型,理论分析裂缝扩展过程和影响因素,推导裂缝起裂、转向和穿层扩展的临界水压,采用扩展有限元方法,揭示水平井井眼空间位置对压裂裂缝扩展的影响规律。结果表明:(1)水平井筒和煤层空间相对位置影响着压裂裂缝的起裂、扩展和形态,主要影响因素包括:垂直应力、顶板岩层水平应力、煤层水平应力、射孔角度、射孔深度、地层倾角、井筒距煤距离、煤岩界面性质、煤和顶板岩石力学性质等因素。(2)射孔孔眼与地层夹角越小,压裂裂缝转向角和转向距离就越大,压裂起裂压力就越高,裂缝高度不易控制,裂缝向顶板上部延伸长度大;井筒距离煤层越近越有利于裂缝穿层扩展,裂缝起裂压力就越低,距离越远裂缝延伸压力越大;射孔孔眼长度越大,裂缝起裂压力越低;煤层倾角增大至45°时,裂缝主要在煤层顶板内扩展,裂缝延伸压力高、波动大。(3)研究结果对一口水平井的射孔位置进行了优化,现场应用效果表明水平井眼空间位置对压裂裂缝扩展影响的分析有助于煤层顶板岩层水平井分段压裂煤层气抽采模式的推广和应用。

关键词：煤层顶板水平井空间位置水力压裂裂缝扩展

应用地震属性预测煤层顶板泥岩百分比含量分布

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中国矿业大学学报 2009年第2期38卷 274-279页

作者：孟召平郭彦省马辉三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002 中国矿业大学资源与安全工程学院北京100083

从地震属性分析入手,提出了用于煤层顶板泥岩百分比含量预测的地震属性分析方法和BP人工神经网络岩性预测方法.以淮南矿区潘东西四采区三维地震勘探区为依托,优选出平均瞬时相位、主频序列1,能量半衰时和主频斜率等4种地震属性作为13-1... 详细信息

从地震属性分析入手,提出了用于煤层顶板泥岩百分比含量预测的地震属性分析方法和BP人工神经网络岩性预测方法.以淮南矿区潘东西四采区三维地震勘探区为依托,优选出平均瞬时相位、主频序列1,能量半衰时和主频斜率等4种地震属性作为13-1煤层顶板岩性预测分析的基本参数,结合已知钻孔资料,建立了煤层顶板泥岩百分比含量BP人工神经网络预测模型,运用训练好的网络对研究区13-1煤层顶板泥岩百分比含量进行了预测分析.结果表明,BP神经网络模型具有极强的非线性逼近能力,能真实反映煤层顶板岩性与地震属性之间的非线性关系,预测结果与实测值之间误差小,相对误差一般小于10%,地震属性可以用于煤层顶板岩性分布预测.

关键词：地震属性煤层顶板泥岩百分比含量人工神经网络预测方法

西南地区煤层顶板岩溶含水层富水性评价指标体系构建及突水危险性评价

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煤炭学报 2022年第S01期47卷 152-159页

作者：李博韦韬刘子捷贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室贵州贵阳550025 贵州省喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室贵州贵阳550025 贵州大学土木工程学院贵州贵阳550025 贵州大学资源与环境工程学院贵州贵阳550025

西南地区是世界上最大的连片裸露碳酸盐岩分布区,在长期的岩溶作用下,该地区二叠系煤层顶板的吴家坪组、长兴组、夜郎组玉龙山段等碳酸盐岩地层广泛分布溶洞、洼地、落水洞、地下暗河等岩溶形态,煤层顶板岩溶含水层富水性强弱具有明显... 详细信息

西南地区是世界上最大的连片裸露碳酸盐岩分布区,在长期的岩溶作用下,该地区二叠系煤层顶板的吴家坪组、长兴组、夜郎组玉龙山段等碳酸盐岩地层广泛分布溶洞、洼地、落水洞、地下暗河等岩溶形态,煤层顶板岩溶含水层富水性强弱具有明显的空间分布不均一性、各向异性。煤层开采过程中,一旦顶板导水裂隙带发育高度到达强富水区域,极易造成矿井突水灾害。根据西南地区岩溶地下水赋存特征,在考虑因素对含水层富水性影响程度的基础上,从岩溶发育程度、含水层岩性组合、地质构造、含水层水文地质参数和地形地貌5个方面,确定了12项评价指标,构建了较全面的西南地区煤层顶板岩溶含水层富水性评价指标体系。在此基础上,基于GIS和网络层次分析法(ANP)建立了煤层顶板岩溶含水层富水性评价模型,实现了典型煤矿煤层顶板岩溶含水层富水性分区。同时进一步根据开采厚度、开采深度和岩性组合的空间分布差异,制作了导水裂隙带高度分区计算图,对不同地质条件下的煤层开采过程进行了数值模拟计算,得到典型煤矿导水裂隙带发育高度分区计算结果。利用导水裂隙带高度与目标含水层底板标高进行比较判断突水发生的可能性,当导水裂隙带到达含水层,则根据含水层富水性的强弱判断突水危险性的大小,以此为原则,对典型煤矿煤层顶板突水危险性进行了分区评价,并结合以往突水案例,对评价结果的准确性进行了验证。提出的西南地区煤层顶板岩溶含水层富水性和突水危险性评价方法可以为相关领域的研究提供一定的参考。

关键词：西南地区煤层顶板岩溶含水层富水性指标体系

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煤层顶板沉积环境对其稳定性影响研究

煤炭科学技术 2017年第2期45卷 178-184页

作者：王海军中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077

为了对煤层顶板稳定性做出合理的评价,以保障矿井安全高效开采,采用岩心描述、地层划分对比、系统采样、测试分析和测井技术以及顶板稳定性评价技术等综合方法,研究了麟游县LYL井田2号煤层顶板沉积环境及其对煤层顶板稳定性的影响。结... 详细信息

为了对煤层顶板稳定性做出合理的评价,以保障矿井安全高效开采,采用岩心描述、地层划分对比、系统采样、测试分析和测井技术以及顶板稳定性评价技术等综合方法,研究了麟游县LYL井田2号煤层顶板沉积环境及其对煤层顶板稳定性的影响。结果表明:煤层顶板经历了成煤前的河床沉积成煤过程中的河漫沼泽沉和成煤后的泛滥平原沉积环境的演化过程,主要发育泛滥平原微相,零星见决口扇、点砂坝。沉积环境影响煤层顶板稳定性,表现为泛滥平原顶板岩石稳定性差、点砂坝、决口扇稳定性中等。因此,在未来矿井生产过程加强对泛滥平原沉积环境顶板的维护和管理,选择合理有效的支护方式将是预防顶板离层水害的关键,同时注意点砂坝、决口扇形成的局部砂岩透镜体顶板的突水问题。

关键词：煤层顶板沉积环境顶板稳定性顶板水害