Roof weakening of hydraulic fracturing for control of hanging roof in the face end of high gassy coal longwall mining: a case study

• Autorzy: Huang B. , Wang Y.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2016-0043

Warianty tytułu

PL

Osłabienie stropu poprzez szczelinowanie hydrauliczne przy kierowaniu stropem w rejonie przodka w kopalni gazowej, przy wydobyciu ścianowym – studium przypadku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The occurence of hanging roof commonly arises in the face end of longwall coal mining under hard roof conditions. The sudden break and subsequent caving of a hanging roof could result in the extrusion of gas in the gob to the face, causing gas concentrations to rise sharply and to increase to over a safety-limited value. A series of linear fracturing-holes of 32 mm diameter were drilled into the roof of the entries with an anchor rig. According to the theory that the gob should be fully filled with the fragmentized falling roof rock, the drilling depth is determined as being 3~5 times the mining height if the broken expansion coefficient takes an empirical value. Considering the general extension range of cracks and the supporting form of the entryway, the spacing distance between two drilling holes is determined as being 1~2 times the crack’s range of extension. Using a mounting pipe, a high pressure resistant sealing device of a small diameter-size was sent to the designated location for the high-pressure hydraulic fracturing of the roof rock. The hydraulic fracturing created the main hydro-fracturing crack and airfoil branch cracks in the interior of the roof-rock, transforming the roof structure and weakening the strength of the roof to form a weak plane which accelerated roof caving, and eventually induced the full caving in of the roof in time with the help of ground pressure. For holes deeper than 4 m, retreating hydraulic fracturing could ensure the uniformity of crack extension. Tested and applied at several mines in Shengdong Mining District, the highest ruptured water pressure was found to be 55 MPa, and the hanging roof at the face end was reduced in length from 12 m to less than 1~2 m. This technology has eliminated the risk of the extrusion of gas which has accumulated in the gob.

PL

Stropy wiszące spotykane są powszechnie w rejonie przodka przy wybieraniu ścianowym, w warunkach dużych obciążeń stropu. Nagłe zarwanie stropu i powstały zawał mogą doprowadzić do wypływu gazu ze zrobów do strefy przodka, wskutek czego stężenia gazu gwałtownie wzrosną, przekraczając bezpieczne wartości. W stropie wywiercono serię liniowych otworów szczelinowych o średnicy 32 mm. Zgodnie z teorią, że zroby winny zostać całkowicie wypełnione rozdrobnionymi fragmentami skał ze stropu, głębokość wiercenia oblicza się jako 3-5 krotność wysokości wybierania, a wartość współczynnika rozszerzania szczelin otrzymuje się empirycznie. Uwzględniając zakres rozszerzalności szczelin i obecność obudowy chodnika, obliczono rozstęp pomiędzy kolejnymi otworami wierconymi jako 1-2 krotność zakresu rozprzestrzeniania się szczeliny. Przy pomocy rury, do wyznaczonego punktu przesłano szczeliwo odporne na wysokie ciśnienia, dla potrzeb szczelinowania hydraulicznego skał stropowych. Szczelinowanie hydrauliczne spowodowało powstanie szczeliny w skale stropowej, zmieniając tym samym strukturę stropu i powodując jego osłabienie poprzez powstanie płaszczyzny o zmniejszonej wytrzymałości, co przyspieszy zapadanie stropu, a w końcu wywoła pełny zawał, czemu sprzyjać będą także naciski powierzchniowe. W przypadku otworów o głębokości powyżej 4 m cofanie szczelinowania hydraulicznego zapewni równomierność rozprzestrzeniania się szczeliny. Metoda ta została przetestowana i zastosowana w kilku kopalniach w zagłębia Shengdond, najwyższe zastosowane ciśnienia wody wyniosły 55 MPa, zaś długość wiszącego stropu w rejonie przodka zmniejszono z 12 do poniżej 1-2 m. Zastosowanie tej technologii pozwala na wyeliminowanie ryzyka wypływu gazu nagromadzonego w wyrobisku.

Słowa kluczowe

EN

high gassy; longwall mining face; hard roof; hanging roof; hydraulic fracturing

PL

kopalnia gazowa; przodek ściany; strop; strop wiszący; szczelinowanie hydrauliczne

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 61, no. 3
• Strony: 601--615
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Huang B.

• State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining; China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China

autor

Wang Y.

• State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining; China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China

Bibliografia

• [1] Alekseenko O.P., Vaisman A.M., Zazovsky A.F., 1997. A new approach to fracturing test interpretation using the PKN model. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 34, No. 3-4, p. 356-368.
• [2] Altounyan P., Taljaard D., 2001. Developments in controlling the roof in South African coal mines – a smarter approach. Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy, p. 33-40.
• [3] Banerjee G., Ray A.K., Singh G.S.P., 2003. Hard roof management - a key for high productivity in longwall coal mines. Journal of Mines, Metals & Fuels, Vol. 51, No. 7&8, p. 238-244.
• [4] Cheng Q.Y., Huang B.X., Li Z.H., 2012. Evolution law of the structure and permeability for coal under solid-liquid coupling. Journal of Mining and Safety Engineering, Vol. 29, No. 3, p. 400-406.
• [5] Huang B.X., Cheng Q.Y., Liu C.Y, Wei M.T., Fu J.H., 2011. Hydraulic fracturing theory of coal-rock mass and its technical framework. Journal of Mining and Safety Engineering, Vol. 28, No. 2, p. 167-173.
• [6] Huang B.X., Huang C.M., Cheng Q.Y., Huang C.H., Xue W.C., 2012. Hydraulic fracturing technology for improving permeability in gas-bearing coal seams in underground coal mines. Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy, Vol. 112, No. 6, p. 485-495.
• [7] Huang B.X., Yu B., Feng F., Li Z., Wang Y.Z., Liu J.R., 2013. Field experimental investigation on directional hydraulic fracturing for hard roof in Tashan coal mine. Journal of Coal Science and Engineering (China), Vol. 19, No. 2, p. 153-159.
• [8] Huang B.X., Li P.F., Ma J., Chen S.L., 2014. Experimental investigation on the basic law of hydraulic fracturing after water pressure control blasting. Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 47, No. 4, p. 1321-1334.
• [9] Jin Z.M., Xu L.S., 1994. Hard Roof Control in Coal Mine. China Coal Industry Publishing House, Beijing.
• [10] Niu X.Z., 1988. The control of hard and difficult to cave roof in coal mine. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, Vol. 7, No. 2, p. 137-146.
• [11] Qian M.G., Shi P.W., 2003. Ground Pressure and Strata Control. China University of Mining and Technology Press, Xuzhou, p. 74-81.
• [12] Takatoshi I., 2008. Effect of pore pressure gradient on fracture initiation in fluid saturated porous media: Rock. Engineering Fracture Mechanics, Vol. 75, p. 1753-1762.
• [13] Zhu D.R, Qian M.G., Xu L.S., 1991. Discussion on control of hard roof weighting. Journal of China Coal Society, Vol. 16, No. 2, p. 11-20.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę