双排水力割缝钻孔参数优化研究与应用

为了实现工作面快速消突,提出布置双排瓦斯抽采钻孔,并实施水力割缝。通过数值模拟,研究不同割缝深度、孔间距、布孔方式对抽采效果的影响。结果表明：单孔有效抽采半径随割缝深度的增加而增加,但增速逐渐放缓,根据数据拟合结果,确定割缝深度为1.5 m;双孔抽采时,钻孔间距越小,瓦斯压力越低,最终确定钻孔间距为7 m;正方形布孔和菱形布孔均可以实现消突目的,正方形布孔覆盖面积大,选择该方式。现场试验表明,水力割缝正方形双排钻孔抽采效果良好,可以达到消突的目的。     

顺层钻孔瓦斯抽采半径的关键影响因素数值模拟研究

为考察顺层钻孔设计参数的差异对瓦斯抽采半径的影响,采用COMSOL数值模拟研究瓦斯抽采半径在不同钻孔布置方式和设计参数下的影响规律。研究发现,消突区域随着抽采钻孔间距的增大而增大,不同钻孔间隔下的布置方式对抽采效果有较大影响。另外,消突区域直径随着钻孔直径的增大也逐渐增大,相比单个顺层钻孔,钻孔耦合时,钻孔直径的变化对瓦斯抽采效果影响不大,因此在顺层多孔耦合的条件下,通过增大钻孔直径的方法来扩大消突区域是不可行的。随着抽采时间的延长,顺层、多孔耦合钻孔的消突区域逐渐增大,其消突区域有一个阈值,一段时间后,再继续抽采瓦斯已经没有效果。随着抽采负压的增大,钻孔抽采影响半径有小范围增大,但增大的幅度远远小于抽采负压的增大幅度,直到稳定在某个定值上。随着抽采时间的增加,顺层钻孔单孔的抽采瓦斯流量逐渐降低,且降低的幅度逐渐减弱,最终逐渐靠近于某一个定值。单孔瓦斯流量与抽采时间之间呈现指数关系,并对此结论进行现场验证,研究结果对煤矿顺层瓦斯抽采钻孔设计具有一定指导意义。     

基于煤层原始瓦斯含量和压力的割缝钻孔有效抽采半径测定

为了准确测定割缝钻孔的有效抽采半径,基于煤层原始瓦斯含量和压力,通过将预抽率30%与残余瓦斯含量8 m3/t这2个消突指标相结合,提出了新的割缝钻孔有效抽采半径判定指标:当煤层原始瓦斯含量11.3 m3/t时,将压降大于煤层原始瓦斯压力的50%作为确定有效抽采半径的指标;当煤层原始瓦斯含量11.3 m3/t时,将压降64/q2作为确定有效抽采半径的指标。在杨柳煤矿进行了现场试验,最终确定割缝钻孔的有效影响半径为5 m。通过对抽采指标及残余瓦斯含量的考察,验证了上述指标的有效性和可靠性。     

基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术及应用

针对我国高瓦斯煤层赋存特点及目前煤矿区域瓦斯治理过程中存在的问题,采用理论研究、数学建模和现场测试相结合的方式,研究了基于区域瓦斯治理的高瓦斯低透气性煤层卸压增透技术及改善瓦斯流动与解吸方式,建立了高压射流割缝卸压范围内瓦斯流动毛细管模型,并且通过对割缝主体影响区、边界影响区消突时间的对比分析,得出了割缝影响区内任一点消突的判据和割缝卸压范围内整体消突时间。最后,结合笔者多年从事瓦斯抽采的研究和科研成果,提出了基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术,开发了相应的配套设备和材料,在国内有关矿井进行了应用。应用结果表明,该技术可显著提高抽放钻孔的单孔有效影响范围,减少区域瓦斯治理需要的钻孔数量,缩短区域抽采时间,提高区域抽采效率。     

基于钻孔瓦斯流量和压力测定有效抽采半径

为了准确的测定有效抽采半径,提出基于钻孔瓦斯流量和压力的测定方法。以抽采钻孔影响范围内残余瓦斯压力小于0.74 MPa且预抽率大于30%为指标,基于钻孔瓦斯流量的负指数衰减规律,推导出有效抽采半径计算公式,并结合瓦斯压力变化共同确定有效抽采半径。该方法应用于区域预抽消突钻孔布置中,分析了不同预抽时间下的钻孔有效抽采半径和极限抽采时间,并依据预抽90 d有效抽采半径为2.5 m,布置消突钻孔。残余瓦斯压力和预抽率的检验以及煤巷掘进期间的区域验证,均证明按该方法布置的预抽钻孔,消突效果有效。     

高压水射流割缝钻孔抽采影响半径研究

钻孔抽采影响半径是确定钻孔布置的基础参数,但关于高压水射流割缝缝槽形态及缝槽形态与钻孔抽采影响半径的影响关系目前尚无系统研究。根据缝槽形态实验结果将缝槽形态简化为圆盘,基于淹没射流结构理论分析缝槽圆盘尺寸,采用COMSOL软件研究不同条件煤层的割缝钻孔抽采影响半径,并进行现场测试试验。结果表明:割缝钻孔抽采影响半径与缝槽圆盘、渗透率、抽采时间、瓦斯压力等因素均呈幂函数关系,因素影响显著程度依次为渗透率、抽采时间、瓦斯压力、缝槽圆盘;高压水射流割缝缝槽体积与理论分析确定的缝槽圆盘体积的相对差值为8.33%,在抽采时间130 d时的实测钻孔抽采影响半径与数值模拟的相对差值为6.20%。     

顺层钻孔超高压水力割缝技术在强化瓦斯抽采中的应用

介绍了超高压水力割缝技术及装备、防突原理和工艺方法。现场试验结果表明:超高压水力割缝技术运用后,钻孔瓦斯抽采浓度提升1.75倍,钻孔瓦斯抽采量提高2.3倍,抽采有效半径较对比钻孔提高2.1倍,超高压水力割缝技术卸压增透效果显著。     

基于煤体各向异性的煤层瓦斯有效抽采区域研究

为了探究影响射流割缝钻孔周围有效抽采区域变化的因素,基于煤体的各向异性考虑了瓦斯抽采过程煤体应变场和瓦斯渗流场的耦合作用,探讨了不同垂直地应力、初始瓦斯压力以及初始渗透率等参数对射流割缝钻孔有效抽采区域的影响规律。结果表明:垂直地应力越大,煤体的渗透率越低,有效抽采区域逐渐减小;初始瓦斯压力越大,抽采相同时间后瓦斯压力越难降至0.74 MPa以下,有效抽采区域逐渐减小;初始渗透率越大,煤体裂隙瓦斯流动速度越快,导致在相同抽采负压下有效抽采区域逐渐增大。各向异性煤体的模拟结果与现场测试结果基本相符,证明了各向异性煤层垂直层理方向有效抽采半径是现场布孔的合理指标。     

结构异性煤层顺层钻孔方位对有效抽采半径的影响

为了提高煤层顺层钻孔瓦斯抽采效率,有效抽采半径的确定是关键。基于各向异性煤层瓦斯渗透率测试结果,建立了煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了不同钻孔方位时瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了钻孔方位对抽采效果的影响。研究结果表明：煤层面割理和端割理方向渗透率均大于垂直层理方向渗透率;钻孔有效抽采半径随抽采时间增加呈幂指数增大;煤层有效抽采区域是以抽采钻孔为中心,最大抽采距离(平行层理方向)为长轴,最小抽采距离(垂直层理方向)为短轴的椭圆。平行层理沿端割理方向抽采孔的瓦斯抽采效果优于平行层理沿面割理方向的抽采孔。     

碎软煤层超高压水力割缝增渗技术及应用

为了解决矿井高构造应力区域瓦斯抽采效果差、钻孔垮孔严重、瓦斯抽采浓度低等问题,以赵家寨煤矿14201工作面为研究对象,在预抽煤层瓦斯时采用水力割缝增渗技术,分析了该技术的增透原理,并在14201工作面回风巷进行了对比试验。结果表明：水力割缝增渗技术明显比未割缝抽采技术的渗透性好,增渗区域瓦斯含量明显降低,提高了瓦斯抽采浓度和抽采效果。采用水力割缝工艺后,瓦斯抽采日纯量平均为130 m³/min,是未割缝区域钻孔的瓦斯抽采纯量51.42 m³/min的2.5倍,同时割缝抽采28 d后,瓦斯含量由8.91 m³/t降低到5.74 m³/t,达到了突出煤层消突的目的。     

赵庄矿冲孔钻孔优化布置与研究

为确保赵庄矿冲孔钻孔合理布置，采用COMSOL数值模拟软件内嵌流固耦合方程，对不同冲孔出煤量的有效抽采半径进行了模拟。结果表明，冲孔出煤量的增加可有效提高钻孔有效抽采半径，瓦斯抽采180 d时，冲孔钻孔每米出煤量为0.50，0.75，1.00 t的有效抽采半径分别为5.3，5.6，6.0 m。不同出煤量钻孔瓦斯抽采效果的差异性随着抽采时间的延长显著增强；钻孔冲出煤量与瓦斯有效抽采半径之间的演变规律呈线性关系。现场冲孔钻孔影响半径考察试验结果表明:现场冲孔出煤困难时，钻孔每米极限出煤量0.75 t的影响半径为5 m。     

松软煤层深孔预裂爆破合理布孔参数的确定

基于松软煤层瓦斯含量高、抽采难度大、瓦斯治理周期长等因素,提出利用环境污染程度低、块煤保留率高的深孔预裂爆破增透措施。围绕影响增透效果的布孔参数合理性进行分析,采用数值模拟得出单孔和多孔爆破形成半径1.5、3.0、6.0 m的“三级影响圈”应力波传播特征。工程实践以应力波最强的“一级1.5 m半径影响圈”为施工效果目标,以3.0 m孔间距、15孔联爆方式进行布孔,1个月内平均抽采浓度提高95%,平均单孔瓦斯抽采流量提高115%,防突参数K₁值、炮后瓦斯浓度、抽采流量和浓度等指标未出现超标现象。     

顺层瓦斯预抽钻孔布置参数及抽采效果分析

为了对顺层瓦斯预抽钻孔布置参数及抽采效果进行分析,采用理论分析和现场测试,分析了顺层钻孔布置间距、钻孔极限抽采时间,研究了顺层钻孔预抽瓦斯效果检验和瓦斯效果。研究表明,多钻孔抽采瓦斯时,钻孔间距可大于2倍的有效抽采半径,得出了布孔间距和单钻孔抽采半径的关系计算式,极限抽采时间约为95 d;在工作面回采期间,回风巷风排瓦斯量和顺层钻孔抽采瓦斯量呈相反的趋势;经过钻孔瓦斯预抽后,工作面预抽率达到了40%,达到了工作面消突的目的。     

车集煤矿底抽巷穿层钻孔有效抽采半径研究

钻孔抽采瓦斯是有效防治矿井瓦斯、消除突出危险的重要措施,钻孔有效抽采半径是抽采的重要参数.为了合理确定车集煤矿穿层预抽钻孔的布孔间距,通过现场实测,采用瓦斯流量法和瓦斯含量法对26采区的普通孔、水力冲孔的有效抽采半径进行考察,并根据车集煤矿二2煤层实际赋存情况,采用Comsol数值模拟软件对普通孔、水力冲孔的有效抽采半...     

复杂地质条件下高突煤层群立井揭煤技术

针对渝阳煤矿水井湾回风立井揭煤面积大、地质条件复杂、透气性低、高突煤层群连续揭露的特点，采用优化抽采钻孔设计、穿层钻孔联合抽采、抽采数据监控抽采过程、水力压裂增透等联合防突措施，实现对立井揭煤区域突出危险性有效防控。同时，采用“五步法”预测揭煤对各煤层进行渐进式检验，确保井筒8层煤其中5层煤为突出煤层的安全、高效揭煤。为复杂地质条件下高突煤层群揭煤工作起到良好的示范作用。     

云盖山煤矿瓦斯治理钻孔有效抽放半径研究

针对不具备保护层开采条件的煤层,钻孔预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出最有效的措施之一。钻孔有效影响半径是进行抽采方法选择、确定钻孔布置参数以及评价抽采效果的重要依据,钻孔间距过大,抽采范围内容易形成抽采盲区,达不到消突的目的;钻孔间距过小,虽然一定程度上提高抽采率、增大抽采量,但增加了不必要的钻孔布置工程量,容易造成人力和物力的浪费。因此合理有效地施工抽采钻孔对突出煤层进行消突,已成为保安全、促生产过程中不可缺少的重要环节。为避免钻孔设计及施工的盲目性,提高抽采钻孔的利用率及施工速度,对抽采有效影响半径的测试和确定已成为当前的首要工作。     

强突煤层底板穿层钻孔高效成孔技术

底板穿层钻孔施工安全、应用范围广泛,已成为我国煤矿突出煤层瓦斯治理的有效方法之一,但在实施中,由于受到配套设备及工艺的因素制约,很难达到快速、高效的成孔要求。而底板穿层多列钻孔成孔技术借助于新型的多自由度、快速对孔调角钻机及工艺,具有消突、卸压效果好、钻进效率高等优势,采用该技术在淮北芦岭煤矿Ⅱ 883运输巷对8号、9号强突煤层消突,瓦斯压力大于4 MPa,共施工5组60个钻孔,钻进效率提高1.3倍,瓦斯抽采纯流量提高30%,瓦斯抽采浓度超过95%。     

叠加效应影响下钻孔有效抽采半径的数值模拟及布孔间距优化

针对煤层瓦斯预抽钻孔布孔间距存在盲目性和不确定性等问题,以流固耦合原理为基础构建煤层瓦斯抽采流固耦合数学模型,借助FLUENT数值模拟软件对煤层瓦斯预抽钻孔有效抽采半径进行数值模拟研究,在多钻孔数值模拟的基础上对建新煤矿4207工作面煤层瓦斯预抽钻孔布孔参数进行了优化。结果表明:钻孔有效抽采半径随抽采时间的增加呈对数形式增大;多钻孔抽采时孔间相互扰动可产生抽采叠加效应,布孔间距越密集,钻孔之间瓦斯压力下降幅度越显著;在90 d的预抽期内,建新矿单孔抽采的有效半径为2.02 m,多孔抽采的布孔间距为2.86~4.50 m。结合煤层厚度提出了正三角形的布孔方式,经现场应用瓦斯参数达标,布孔方案切实有效。     

顺层定向长钻孔抽采工艺及应用

霍尔辛赫井田内构造发育，地质条件较为复杂，普通钻孔施工精准度不足，随着井田开拓区域往深部延伸，采掘工作面瓦斯含量日益增大，同时掘进工作面采取沿顶掘进，煤层厚度大，单排钻孔抽采半径有限，采用传统的“掘进面+耳状钻场”普通钻孔对巷道煤层抽采效果不佳，造成掘进期间工作面瓦斯浓度高。采用定向钻孔抽采工艺，通过实施顺层定向长钻孔预抽煤层瓦斯治理技术，实现了对煤巷掘进范围煤体的均匀控制，消除了瓦斯不均衡涌出隐患。实践表明，顺层长钻孔抽采技术可以有效解决复杂地质条件下厚煤层掘进工作面的瓦斯治理问题，为煤巷安全掘进提供了保障。     

基于COMSOL钻孔有效抽采半径测定的数值模拟研究

为了准确测定霍尔辛赫煤矿3308工作面煤层钻孔有效抽采半径，合理布置钻孔间距，结合现场实测的煤层瓦斯压力和渗透率等参数，运用COMSOL-Multiphysics仿真软件对3308工作面钻孔的瓦斯涌出规律和有效抽采半径进行了模拟分析，并进行了现场实测验证。结果表明:有效抽采半径随着抽采时间的推进不断增大并最终趋于恒定值，整体呈正指数函数关系；瓦斯预抽率随着与钻孔距离的增加而不断减小并最终趋于恒定值，整体呈负指数函数关系；数值模拟和现场实测结果较为一致，钻孔有效抽采半径略大于1.5 m，现场每间隔3.0 m布置1个钻孔可大大提高煤层瓦斯抽采效果。