【摘要】：堅(jiān)硬頂板特厚煤層開采條件下,因煤層開采厚度大,覆巖運(yùn)移破斷范圍廣,不同層位堅(jiān)硬頂板破斷規(guī)律及其礦壓作用特征差異較大,造成大空間覆巖應(yīng)力分布及采場礦壓顯現(xiàn)復(fù)雜。當(dāng)覆巖高位賦存厚硬巖層時(shí),厚硬巖層的破斷失穩(wěn)易造成工作面的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn),對于遠(yuǎn)場高位厚硬巖層的礦壓作用機(jī)制及控制技術(shù)急需進(jìn)一步深入研究。論文以我國大同堅(jiān)硬頂板礦區(qū)石炭系14~20m特厚煤層放頂煤開采為工程背景,綜合采用現(xiàn)場實(shí)測、物理模擬、數(shù)值模擬、理論分析及實(shí)驗(yàn)室測試的研究手段,對遠(yuǎn)場堅(jiān)硬巖層的破斷特征、采場支承應(yīng)力及其礦壓作用機(jī)制進(jìn)行研究,并創(chuàng)新性采用地面壓裂遠(yuǎn)場堅(jiān)硬巖層控制強(qiáng)礦壓的技術(shù),對壓裂時(shí)空參數(shù)選取、壓裂效果進(jìn)行了分析。論文研究成果主要體現(xiàn)在:(1)現(xiàn)場原位實(shí)測研究給出了大空間堅(jiān)硬巖層破斷發(fā)育高度、破斷步距的變化規(guī)律,據(jù)此定義了大空間遠(yuǎn)場、近場的概念,揭示了遠(yuǎn)場高位堅(jiān)硬巖層破斷失穩(wěn)的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征;(2)建立了遠(yuǎn)場堅(jiān)硬巖層破斷的礦壓作用力學(xué)模型,模擬研究給出了遠(yuǎn)場堅(jiān)硬巖層賦存下的覆巖結(jié)構(gòu)破斷失穩(wěn)及其礦壓作用,揭示了強(qiáng)礦壓作用機(jī)制,同時(shí)明確了對采場礦壓作用強(qiáng)烈的遠(yuǎn)場堅(jiān)硬巖層關(guān)鍵范圍;(3)實(shí)驗(yàn)獲得了水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律,分析了垂直裂縫面和水平裂縫面弱化效果,揭示了基于地面壓裂堅(jiān)硬巖層的強(qiáng)礦壓控制機(jī)理;構(gòu)建了地面壓裂合理位置選取的理論計(jì)算模型,為地面壓裂提供了理論依據(jù);(4)構(gòu)建了遠(yuǎn)場堅(jiān)硬頂板地面壓裂控制技術(shù)體系,現(xiàn)場成功進(jìn)行了工程應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)硬頂板壓裂層位、壓裂時(shí)機(jī)和裂縫擴(kuò)展的高效控制,成功解決了遠(yuǎn)場堅(jiān)硬巖層破斷的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)難題。論文研究成果揭示了遠(yuǎn)場堅(jiān)硬巖層破斷失穩(wěn)的強(qiáng)礦壓作用機(jī)制,地面壓裂技術(shù)的成功應(yīng)用實(shí)施為遠(yuǎn)場堅(jiān)硬巖層的高效控制提供了理論支撐和技術(shù)借鑒,開辟了煤礦領(lǐng)域堅(jiān)硬頂板控制的新途徑,對于實(shí)現(xiàn)由高位巖層、高位結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引起的礦壓災(zāi)害的控制具有重要意義。
【圖文】：

（a）壓裂井筒布置立體圖 （b）壓裂井筒布置側(cè)向剖面圖圖 5-2 壓裂井筒布置示意Figure 5-2 The arrangement of fracturing well沿著試件最長軸 2060 mm 方向加載最大水平主應(yīng)力 σH6.5MPa，另一水平方向加載最小水平主應(yīng)力 σh3.6MPa，加載垂直應(yīng)力 σv5.7MPa。采用 XHZ-420 型電阻式壓力盒監(jiān)測壓裂過程中試件應(yīng)力場變化規(guī)律。壓力盒傳感器具體布置如圖5-3 所示，共布置 32 個(gè)傳感器。同時(shí)在壓裂液中摻入黃色示蹤劑，跟蹤裂縫擴(kuò)展方向。

向加載最小水平主應(yīng)力 σh3.6MPa，加載垂直應(yīng)力 σv5.7MPa。采用 XHZ-420 型電阻式壓力盒監(jiān)測壓裂過程中試件應(yīng)力場變化規(guī)律。壓力盒傳感器具體布置如圖5-3 所示，共布置 32 個(gè)傳感器。同時(shí)在壓裂液中摻入黃色示蹤劑，跟蹤裂縫擴(kuò)展方向。圖 5-3 壓力盒布置示意圖Figure 5-3 The layout of pressure capsule（2）試驗(yàn)結(jié)果分析① 泵壓-時(shí)間曲線得到壓裂過程中泵壓時(shí)間關(guān)系曲線如圖 5-4 所示。由圖可知，，壓裂泵初始施加水壓后，泵壓快速增加，近似成線性增加達(dá)到破裂壓力 17.93MPa，繼續(xù)注入壓裂液，泵壓略有降低，并隨之出現(xiàn)第二個(gè)高壓力點(diǎn)，并隨后發(fā)生降低，表明試件再次發(fā)生破裂，破裂壓力發(fā)生降低。其后泵壓曲線成鋸齒狀發(fā)展，直到試樣沿層理面完全開裂，壓裂液漏失量快速增加，泵壓也隨之快速降低，通過觀察真三軸加載室，發(fā)現(xiàn)有少量壓裂液漏出，壓裂結(jié)束。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD32

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本文編號：2688243