Field experiment of destress hydraulic fracturing for controlling the large deformation of the dynamic pressure entry heading adjacent to the advancing longwall face

• Autorzy: Huang Bingxiang , Zhao Xinglong , Ma Jian , Sun Tianyuan

Identyfikatory

DOI

10.24425/ams.2019.131069

Warianty tytułu

PL

Badania terenowe nad procesem odprężania przy szczelinowaniu hydraulicznym w celu zapobiegania powstawaniu odkształceń pod wpływem ciśnienia eksploatacyjnego w chodnikach sąsiadujących z wyrobiskiem ścianowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Influenced by the dynamic pressure of the front abutment pressure and the lateral abutment pressure, large deformation of surrounding rock occurs advancing working face in the entry heading adjacent to the active longwall mining face. Based on the cause analysis of entry large deformation, a new technology was put forward to solve the problem, and the designing method of drilling hole parameters for directional hydraulic fracturing was formed. Holes are drilled in the entry or in the high drainage entry to a certain rock layer over the adjacent working face, hydraulic cutting or slotting at the bottom of a borehole were also applied in advance to guide the hydraulic fractures extend in expected direction, through which the hard roof above the coal pillar can be cut off directionally. As a result, the stress concentration around the entry was transferred, and the entry was located in a destressing area. The field test at Majialiang coal mine indicates that the propagation length of cracks in single borehole is more than 15 m. After hydraulic fracturing, the large deformation range of the entry is reduced by 45 m, the average floor heave is reduced by 70%, and the average convergence of the entry’s two sides is reduced by 65%. Directional hydraulic fracturing has a better performance to control the large deformation of the dynamic pressure of the entry heading adjacent to the advancing coal face. Besides, it can improve the performance of the safety production.

PL

Gwałtowne zmiany ciśnienia eksploatacyjnego prowadzić mogą do znacznych odkształceń skał otaczających ścianę wydobywczą oraz pobliskich odcinków chodników. W oparciu o analizę przyczyn powstawania tego typu odkształceń, opracowano nową technologię w celu rozwiązania problemu i zaproponowano metodę odpowiedniego projektowania otworów wiertniczych dla kierunkowego prowadzenia operacji szczelinowania hydraulicznego. Otwory wiercone są w chodniku głównym i w chodniku odprowadzającym docierając na głębokość aż do warstwy skalnej bezpośrednio sąsiadującej z eksploatowanym wyrobiskiem. Proponuje się również wykonanie nacięć lub żłobień w dolnej części otworu tak, by skutecznie kontrolować proces powstawania i propagacji szczelin i nadać im pożądany przebieg, w ten sposób umożliwiając kierunkowe wrębienie stropu. W rezultacie punkt koncentracji naprężeń wokół chodnika zostaje przemieszczony, zaś sam chodnik znajdzie się w strefie odprężania. Badania terenowe prowadzone w kopalni węgla Majialiang wykazały, że długość propagujących szczelin w pojedynczym otworze wyniosła 15 m. Po zakończeniu szczelinowania hydraulicznego, zakres odkształceń chodnika zredukowano o 45 m, zaś średnie pęcznienie spągu zmniejszyło się o 70%; średnia konwergencja warstw skalnych z dwóch stron chodnika zmniejszyła się o 65%. Szczelinowanie kierunkowe umożliwia skuteczniejsze zapobieganie powstawaniu odkształceń pod wpływem ciśnienia dynamicznego w chodniku sąsiadującym bezpośrednio z eksploatowanym wyrobiskiem ścianowym . Ponadto, metoda ta przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa pracy.

Słowa kluczowe

EN

entry heading adjacent advancing coal face; dynamic pressure entry; large deformation; directional hydraulic fracturing; stress transfer

PL

chodnik sąsiadujący z wyrobiskiem ścianowym; ciśnienie dynamiczne w chodniku; odkształcenia; szczelinowanie kierunkowe; przemieszczenie oddziaływania naprężeń

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 64, no. 4
• Strony: 829--848
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Huang Bingxiang

• China University of Mining and Technology, No 1,Daxue Road, 221116, Xuzhou, China

autor

Zhao Xinglong

• China University of Mining and Technology, No 1,Daxue Road, 221116, Xuzhou, China

autor

Ma Jian

• China University of Mining and Technology, No 1,Daxue Road, 221116, Xuzhou, China

autor

Sun Tianyuan

• China University of Mining and Technology, No 1,Daxue Road, 221116, Xuzhou, China

Bibliografia

• [1] Bai J.B., Shen W.L., Guo G.L., 2015. Roof deformation, failure characteristics, and preventive techniques of gob-side entry driving heading adjacent to the advancing working face. Rock Mech. Rock Eng. 48, 2447-2458.
• [2] Bousbia N., Messast S., 2015. Numerical modelling of two parallel tunnels interaction using three dimensional Finite Elements Method. Geomech. Eng. 9, 6, 775-791.
• [3] Chemov O.I., Barsukov I.I., Posokhov G.E., 1997. Oriented hydraulic fracturing of a mass of rocks enclosing the “international” diamond pipe. J. Min. Sci. 33, 6, 582-586.
• [4] Chen R.P., Meng F.Y., Li Z.C., Ye Y.H., Ye J.N., 2016. Investigation of response of metro tunnels due to adjacent large excavation and protective measures in soft soils. Tunn. Undergr. Space. Technol. 58, 224-235.
• [5] Dong C.Y., Pater C.J., 2002. Numerical modelling of crack reorientation and link-up. Adv. Eng. Softw. 33, 577-587.
• [6] Hou C.J., Li X.H., 2001. Stability principle of big and small structures of rock surrounding roadway driven along goaf in fully mechanized top coal caving face. J. Chin. Coal. Soc. 26, 1, 1-7.
• [7] Han C.L., Zhang N., Li B.Y., Si G.Y., Zheng X.G., 2015. Pressure relief and structure stability mechanism of hard roof for gob-side entry retaining. J. Cent. South Univ. 22, 4445-4455.
• [8] Huang B.X., Cheng Q.Y., Liu C.Y., Wei M.T., Fu J.F., 2011. Hydraulic fracturing theory of coal-rock mass and its technical framework. J. Min. Saf. Eng. 28, 2, 167-173.
• [9] Huang B.X., Cheng Q.Y., Zhao X.L, Xue W.C., Malcolm S., 2018. Using hydraulic fracturing to control caving of the hanging roof during the initial mining stages in a longwall coal mine: a case study. Arab. J. Geosci. 11, 20, 603.
• [10] Huang B.X., Chen S.L., Zhao X.L., 2017. Hydraulic fracturing stress transfer methods to control the strong strata behaviours in gob-side gateroads of longwall mines. Arab. J. Geosci. 10, 11, 236.
• [11] 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. J. S. Afr. Inst. Min. Metall. 112, 6, 485-495.
• [12] Huang B.X., Wang Y.Z., 2015. Field investigation on crack propagation of directional hydraulic fracturing in hard roof. J. Chin. Coal Soc. 40, 9, 2002-2008.
• [13] 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. J. Coal Sci. Eng. 19, 2, 153-159.
• [14] Hubbert M.K., Willis D.G., 1957. Mechanics of Hydraulic Fracturing. Transactions SPE AIME. 210, 153-168.
• [15] Huang X., Schweiger H.F., Huang H., 2011. Influence of deep excavations on nearby existing tunnels. Int. J. Geomech. 13, 170-180.
• [16] Jeffrey R.G., Chen Z., Zhang X. Bunger A.P., Mills K.W., 2014. Measurement and analysis of full-scale hydraulic fracture initiation and fracture reorientation. Presented at the 48th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium, ARMA, Minneapolis, pp. 1-11.
• [17] Jeffrey R.G., Mills K.W., 2000. Hydraulic fracturing applied to inducing longwall coal mine goaf falls. In: 4th North American rock mechanics symposium. Seattle, 423-430.
• [18] Konopko W., Kabiesz J., Merta G., 1997. Directional hydraulic fracturing and the possibilities of its utilization. Prace Naukowe GIG. 824, 1-33.
• [19] Li X.B., Cao W.Z., Tao M., Zhou Z.L., Chen Z.H., 2016. Influence of unloading disturbance on adjacent tunnels. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 84, 10-24.
• [20] Liang R.Z., Xia T.D., Huang M.S., Lin C.G., 2017. Simplified analytical method for evaluating the effects of adjacent excavation on shield tunnel considering the shearing effect. Comput. Geotech. 81, 167-187.
• [21] Liang R.Z., Xia T.D., Hong Y., Yu F., 2016. Effects of above-crossing tunnelling on the existing shield tunnels. Tunn. Undergr. Space Technol. 58, 159-176.
• [22] Liu G.B., Huang P., Shi J.W., Ng C.W.W., 2016. Performance of a deep excavation and its effect on adjacent tunnels in shanghai soft clay. J. Perform Constr. Facil. 30, 6, 04016041.
• [23] Matsui K., Shimada H., Anzwar H.Z., 1999. Acceleration of massive roof caving in a longwall gob using a hydraulic fracturing. In: 4th international symposium on mining science and technology. Beijing, 43-46.
• [24] Qian M.G., Shi P.W., Xu J.L., 2010. Mine stress and strata control, Xuzhou: China University of Mining and Technology Press.
• [25] Van A.A., Jeffrey R.G., 2000. Hydraulic fracturing as a cave inducement technique at Northparkes mines. In: Proceedings of MASSMIN 2000 conference. Brisbane, 165-172.
• [26] Yarushina V.M., Bercovici D., Oristaglio M.L., 2013. Rock deformation models and fluid leak-off in hydraulic fracturing. Geophys. J. Int. 194, 1514-1526.
• [27] Zhang H.B., Chen J.J., ASCE A.M. Fan F., Wang J.H., 2017. Deformation monitoring and performance analysis on the shield tunnel influenced by adjacent deep excavations. J. Aerosp. Eng. 30, 2, B4015002.
• [28] Zhang J.F., Chen J.J., Wang J.H. Wang J.H., Zhu Y.F., 2013. Prediction of tunnel displacement induced by adjacent excavation in soft soil. Tunn. Undergr. Space. Technol. 36, 24-33.
• [29] Zhang N., Li X.H., Gao M.S., 2004. Pretensioned support of roadway driven along next gob and heading adajacent advancing coal face and its application. Chin. J. Rock Mech. Eng. 23, 12, 2100-2105.
• [30] Zhang Z.G., Huang M.S., Wang W.D., 2013. Evaluation of deformation response for adjacent tunnels due to soil unloading in excavation engineering. Tunn. Undergr. Space Technol. 38, 244-253.
• [31] Zheng G., Du Y.M., Cheng X.S., Wang F.J., 2017. Characteristics and prediction methods for tunnel deformations induced by excavations. Geomech. Eng. 12, 3, 361-397.
• [32] Zhao X.L., Huang B.X., Wang Z., 2018. Experimental Investigation on the Basic Law of Directional Hydraulic Fracturing Controlled by the Dense Linear Multi-Drilling Holes. Rock Mech. Rock Eng. 51, 6, 1739-1754.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020)