基于定向钻进技术的综合立体瓦斯抽采模式

以成庄矿为例,分析了定向钻进技术在顺层钻孔抽采实体煤、高位钻孔抽采采空区、跨破碎带抽采待掘区域等方面的应用,研究了基于定向钻进技术的综合立体瓦斯抽采模式:针对实体煤层采用顺层递进模块式抽采技术,通过长时间、大范围抽采及预抽模块、掘进工作面、回采工作面的循环递进,实现回采煤量和抽采煤量的良性接替;针对"U"型通风上隅角瓦斯集聚区域采用顶板高位定向钻孔抽采技术,高位定向钻孔通过裂隙带与上隅角构成连通系统,采空区内瓦斯通过裂隙被钻孔抽出,从而降低采空区内瓦斯浓度;针对破碎煤层采用煤-岩-煤型顶板梳状定向钻孔技术,主孔布置于顶板中,钻孔跨越破碎煤体后施工梳状分支钻孔进入煤层,从而掩护下一阶段巷道掘进;针对煤层积水情况采用顶抽气-底排水组合式梳状定向钻孔技术,煤层中积水排采钻孔和顶板中瓦斯抽采钻孔在空间上实现水-气流场联通,煤层孔排水降压后利于顶板孔抽采瓦斯。采用该瓦斯抽采模式后,成庄矿瓦斯抽采率达60%以上。     

定向高位长钻孔上隅角瓦斯治理技术

针对常规顶板高位钻孔因钻孔方位及倾角无法控制而难以钻进至设计层位,且有效抽采孔段较短、易出现抽采盲区、抽采不连续等问题,以王家岭煤矿上隅角瓦斯治理为研究背景,在20103综采工作面回风巷布置1组定向高位长钻孔与4组常规高位钻孔进行瓦斯抽采,对比分析了这2种高位钻孔的瓦斯抽采效果,结果表明:定向高位长钻孔有效抽采孔段长,抽采盲区少,能实现连续抽采;定向高位长钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量为2.11m^3/min,最大可达2.9m^3/min,与常规高位钻孔相比平均瓦斯抽采纯量提高了约2.77倍,工作面瓦斯抽采率提高了近2倍,有效抽采时间提高了约3.15倍;仅接抽常规高位钻孔时上隅角瓦斯体积分数为1.0%以上,仅接抽定向高位长钻孔时降至0.6%以下,表明定向高位长钻孔治理工作面上隅角瓦斯具有明显优势。     

基于关键层理论的采空区覆岩断裂带有效抽采层位研究

采空区覆岩断裂带有效抽采层位是布置高位抽采钻孔治理邻近层和采空区瓦斯的基础。基于关键层理论,建立了断裂带有效抽采层位数学模型,确定了有效抽采层位上下边界：有效抽采层位的下边界为采空区垮落带之上的第1层关键层,上边界为采空区上覆岩层高度为10倍采高以下的第1层关键层,有效抽采层位包含下边界岩层,不包含上边界岩层。根据断裂带有效抽采层位数学模型计算得出段王煤矿8+9号煤层断裂带有效抽采层位为煤层顶板上方12.6 m处的中砂岩到39.3 m处的4号煤;根据采空区覆岩断裂带钻孔窥视结果,得出工作面断裂角约为62°,破断断裂带高度范围为煤层顶板上方11.5～40.5 m区域。在段王煤矿进行高位钻孔抽采试验,得出实际的断裂带有效抽采层位为煤层顶板上方13.9 m处的中砂岩到37.4 m处的砂质泥岩。钻孔窥视分析和高位钻孔抽采试验结果均验证了断裂带有效抽采层位数学模型的准确性,研究成果可为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的高位抽采工程设计提供理论依据。     

高强度开采综放工作面上隅角瓦斯联合抽采实践

针对传统单一的上隅角瓦斯治理技术不能有效解决高强度开采综放工作面上隅角瓦斯严重超限的问题,以王家岭煤矿为工程背景,提出了利用上隅角插(埋)管和高位定向钻孔对瓦斯进行联合抽采方案。上隅角插(埋)管抽采即在工作面回风巷铺设瓦斯抽采管路,管路沿回风巷走向延伸至上隅角,在管口位置形成稳定负压区抽采上隅角瓦斯,通过抽吸作用形成人工风流,扰动上隅角位置的回旋涡流,降低瓦斯浓度。同时在工作面回风巷开掘钻场,施工高位定向钻孔向工作面切眼方向钻进,通过定向钻进技术使钻孔轨迹在采空区裂隙带内延伸,抽采采空区高浓度瓦斯。应用结果表明,上隅角插(埋)管和高位定向钻孔联合抽采后,瓦斯抽采纯量稳定在3.40~6.20 m 3/min,平均为4.91 m 3/min;工作面上隅角瓦斯体积分数呈阶梯式下降,最终稳定在0.30%~0.52%,平均为0.42%,上隅角瓦斯治理效果显著。     

青龙煤矿高位定向钻孔瓦斯抽采实践

针对高位钻孔瓦斯抽采存在钻孔数量多、单孔深度不足、钻孔轨迹不可控、瓦斯抽采浓度较低、抽采不连续等问题,为有效防治青龙煤矿21602工作面回采期间上隅角瓦斯浓度超限,利用高位定向钻孔技术对瓦斯进行抽采,介绍了高位定向钻孔设计施工方案,通过现场实践确定了最佳钻孔布置参数。结果表明:高位定向钻孔具有瓦斯抽采浓度高、抽采量大、抽采率高等特点,且高位定向钻孔瓦斯抽采效果随工作面回采距离的增加呈先稳定后下降的趋势;当高位定向钻孔终孔层位距离顶板39m、距离回风巷右帮水平位移为55m时,瓦斯抽采体积分数达30.5%,瓦斯抽采流量达18m3/min,瓦斯抽采纯量达2.374m3/min,瓦斯抽采效果最佳;上隅角瓦斯体积分数由抽采前的最大值0.72%降低至抽采期间的0.2%～0.4%,有效解决了上隅角瓦斯浓度超限问题。     

煤矿井下深孔定向钻进瓦斯抽采技术及应用

为解决试验矿井采用传统抽采技术存在巷道掘进速度慢、采掘接替紧张的问题,提出采用深孔定向钻进瓦斯抽采技术施工定向长钻孔替代常规钻孔进行煤层瓦斯抽采的方案。定向钻进对煤层有效作用面积大,可以大范围改变煤体原始应力的分布,从而打破煤层瓦斯吸附-解吸的动态平衡,使大量吸附态瓦斯转化为游离态;在钻孔负压与煤体地应力和瓦斯压力形成的压力梯度作用下,游离态瓦斯源源不断地流向钻孔空间,使周围煤体瓦斯得到有效排放,煤体发生收缩变形,透气性系数大幅增加,地应力与瓦斯压力梯度减小,从而使得定向长钻孔抽采影响范围扩大,实现煤层瓦斯大面积有效抽采。试验结果表明:采用深孔定向钻进技术施工定向长钻孔成孔良好,试验钻孔总进尺为2 213m,主孔最大孔深达523m,日均抽采纯量为3 528m~3;钻孔平均瓦斯抽采体积分数高达88.3%,最高为98.0%;单孔平均瓦斯抽采纯量为1.23m~3/min,最大超过2m~3/min,瓦斯抽采效果显著;与常规钻孔抽采相比,定向钻孔单孔瓦斯抽采纯量提高了16倍多,单孔瓦斯抽采体积分数提高了2～4倍,巷道月均进尺提高了1倍多。     

近距离煤层群综采工作面瓦斯治理优选措施

相对于单一煤层或其他煤层群开采,近距离煤层群在开采过程中邻近层受到开采层应力影响更为剧烈,瓦斯更容易通过发育的裂隙涌入开采层,造成开采层工作面瓦斯积聚。现有的针对近距离煤层群的瓦斯治理研究主要侧重于单一措施参数的确定及效果分析,没有深入研究瓦斯治理措施在时间、空间层面之间的联系,对综合瓦斯治理措施的优选组合、具体参数的确定依据及措施采取后的效果分析不够深入。针对上述问题,以阳煤一矿81403综采工作面为研究对象,通过数值模拟方式分析了近距离煤层群条件下开采应力分布及演化过程,研究了上覆岩层破坏及裂隙发育变化规律,得到了81403综采工作面瓦斯主要来源为煤层解吸瓦斯、上邻近层卸压瓦斯、采空区瓦斯等,针对不同瓦斯涌出源头和特点,优先采取顺层预抽+高抽巷+高位钻孔+采空区埋管的瓦斯抽采措施,即在开采前充分预抽减少煤层解析瓦斯量,通过高位钻孔、高抽巷处理邻近层瓦斯涌入,采用埋管治理上隅角瓦斯局部聚集,在时间和空间上形成综合的治理体系,从而达到瓦斯治理目的。实际应用结果表明,工作面回采期间瓦斯抽采率达到了89.9%,回风巷及上隅角瓦斯体积分数保持在1%以下,保证了工作面的安全回采。     

采空区瓦斯分布规律及瓦斯抽采方法的研究

采空区瓦斯涌出是矿井瓦斯涌出的重要组成部分,文章详细描述了生产采空区和密闭采空区的瓦斯分布规律及其抽采方式,并结合平煤集团九矿采空区瓦斯抽采的实际情况,介绍了顶板走向钻孔抽采和采空区埋管抽采等采空区瓦斯抽采方法的应用。     

高位钻孔优势抽采区分布规律研究

为了提高煤矿高位钻孔抽采瓦斯效率,基于覆岩采动破坏理论和瓦斯运移特征,提出了高位钻孔优势抽采区的概念,即位于冒落带和裂隙带之间的能够保证稳定高效抽采效果的区域。以下沟煤矿作为研究对象,采用数值模拟及现场验证的方法确定了该矿ZF302采煤工作面的高位钻孔优势抽采区,并对其分布规律进行了研究。研究结果表明,ZF302采煤工作面抽采优势区位于顶板垂高为34～57m的区域;抽采优势区中,单孔瓦斯抽采量呈现出先升高、后平稳、再降低的趋势;当终孔高度位于70～57m区域时,单孔瓦斯抽采量从0.66m~3/min逐渐上升至1.48m~3/min,之后在高度57～34m区域内进入平稳区,单孔瓦斯抽采量始终保持在1.0m~3/min以上;高位钻孔终孔位置位于顶板垂高55～65m范围内时,优势抽采区的抽采时间最长,单孔瓦斯抽采量最高;钻孔参数优化后,钻场钻孔数量从28个减少到18个,减少了35.71%;日抽采量从26 008.75m~3提升到31 046.4m~3,提升了19.37%。     

顶板高位定向钻孔正向多级大直径扩孔技术

顶板高位定向钻孔是煤矿井下采动卸压瓦斯治理的重要手段,受钻进装备限制,顶板高位定向钻孔一次成孔直径小,需孔群布置才能达到良好的抽采效果。针对该问题,开发了先施工定向先导孔、再利用钻机回转钻杆带动孔内扩孔钻头对先导孔进行分级增扩的顶板高位定向钻孔正向多级大直径扩孔技术。基于等转矩原理分析确定了扩孔直径级配参数,研制选配了螺旋刀翼型组合式扩孔钻头、高强度高韧性扩孔钻杆、大功率定向钻机、高压大流量泥浆泵车等钻进装备。在山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河矿W1304工作面进行现场试验,结果表明采用正向多级大直径扩孔技术可使顶板高位定向钻孔直径由96mm增大至153mm,工作面回采期间回风最大瓦斯体积分数为0.47%,直径153mm钻孔瓦斯抽采流量为直径96mm钻孔的近3倍,瓦斯抽采效果显著。     

急倾斜厚煤层瓦斯分源抽采技术的应用

为解决大黄山煤矿735综采工作面回采期间瓦斯超限问题,分析了工作面瓦斯涌出的主要来源,提出采用瓦斯分源抽采技术抽采瓦斯的方法,即优化抽采管路,通过穿层钻孔直接抽采采空区瓦斯,实现采空区与本煤层瓦斯分源抽采。应用结果表明,实施瓦斯分源抽采后,工作面回风流瓦斯体积分数稳定在0.36%~0.46%,上隅角瓦斯体积分数稳定在0.4%~0.6%,瓦斯抽采率平均值达59.17%。     

高瓦斯矿井高、底抽巷联合抽采瓦斯技术研究

针对煤矿松软低透煤层U型通风回采工作面的瓦斯治理存在抽采效率低、抽采浓度低、煤层透气性差、打钻成孔难等问题,以山西晋煤集团赵庄矿1307综采工作面为研究对象,提出了一种高瓦斯矿井高抽巷和底抽巷联合抽采的瓦斯抽采技术,即在原有U型通风的基础上外加一条高抽巷、一条中部底抽巷和一条边部底抽巷,边部底抽巷掩护2个掘进工作面的掘进,中部底抽巷穿层区域条带预抽本煤层瓦斯,高抽巷抽采上隅角瓦斯。确定了边部底抽巷和中部底抽巷的层位、钻孔布置及高抽巷的合理层位布置。实际应用结果表明,边部底抽巷掩护的煤巷掘进工作面最大瓦斯体积分数为0.48%,穿层钻孔抽采有效降低了掘进工作面的瓦斯涌出量;中部底抽巷抽采本煤层瓦斯后,瓦斯含量平均下降了4.18m3/t;高抽巷抽采负压为12～15kPa时,抽采纯量在46.13m3左右,减小了瓦斯向工作面涌出。     

长距离定向钻孔瓦斯抽采技术在青龙煤矿的应用

贵州省煤矿地质构造复杂、瓦斯含量高、煤层松软,瓦斯治理难度大。为了提高该区域瓦斯治理水平,在青龙煤矿21601工作面运输巷Y3点向前5~205 m处,利用千米钻机进行长距离顺层条带定向钻孔瓦斯抽采技术的现场应用。通过定向钻进技术和分支孔控制技术保证钻孔轨迹控制精度,避免了盲钻、盲抽等现象。应用结果表明:2次煤样检测得到的瓦斯可解吸量分别为1.7729,2.1913 m 3/t;残余瓦斯含量分别为4.7739,5.1704 m 3/t,均小于8 m 3/t,满足矿井瓦斯抽采的基本要求;平均瓦斯抽采纯量达到1.26 m 3/min,比原来提高了12%;与常规钻孔相比,采用定向钻孔抽采的瓦斯体积分数提高了50%,瓦斯治理效果显著。     

顺层定向长钻孔在厚煤层沿顶掘进工作面的应用

厚煤层沿顶掘进工作面因煤层厚度大,采用普通钻孔不能有效抽采巷道底板煤体瓦斯,易造成工作面瓦斯超限,影响巷道掘进效率。以山西某煤矿主运大巷为试验巷道,通过分析掘进工作面瓦斯治理存在的问题,从抽采工艺参数设计、钻孔施工、抽采试验3个方面开展了顺层定向长钻孔在厚煤层沿顶掘进工作面的应用研究。现场试验结果表明:采用顺层定向长钻孔抽采工艺后,掘进期间主运大巷回风流及工作面瓦斯浓度整体较稳定,回风流平均瓦斯体积分数为0.34%,工作面平均瓦斯体积分数为0.16%,瓦斯涌出量明显下降,瓦斯治理效果显著;与采用普通钻孔抽采工艺相比,巷道掘进月进尺由150m提高至240m,工作面瓦斯体积分数由0.53%～0.79%降至0.25%～0.48%,回风流瓦斯体积分数由0.63%～0.96%降至0.28%～0.69%,掘进400m巷道总用时由175d减少至138d,掘进效率得到有效提高。     

含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采技术研究及应用

为研究水力割缝强化瓦斯抽采技术在含夹矸煤层中的应用,通过理论分析得出,与普通钻孔相比,水力割缝钻孔可通过增加煤层渗透率、煤体暴露面积、瓦斯流动通道3个方面强化瓦斯抽采,并建立了考虑孔隙率和渗透率变化的煤层瓦斯流动控制方程。以东庞矿21218工作面为工程背景,采用COMSOL数值模拟软件建立了含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采数值模型,通过对煤层瓦斯流动控制方程进行解算,研究了不同割缝高度、不同钻孔间距条件下,水力割缝瓦斯抽采钻孔的瓦斯压力分布规律,从而确定了上煤层割缝0.3 m、下煤层割缝0.1 m、钻孔间距7.5 m的水力割缝瓦斯抽采钻孔施工参数。基于上述参数,在东庞矿21218工作面现场施工28组、每组7个水力割缝钻孔,对含夹矸煤层瓦斯进行抽采作业,结果表明：与普通钻孔相比,水力割缝钻孔的每百米巷道施工工程量减少了28.51%,瓦斯抽采纯量由11.53万m³提升至21.43万m³,增幅为85.86%,巷道掘进期间掘进工作面平均瓦斯体积分数由0.06%降至0.01%,瓦斯抽采效果好,且有效提高了瓦斯抽采效率。     

平行钻孔有效抽采半径及合理钻孔间距研究

为确定平行钻孔瓦斯抽采合理钻孔间距,通过推导煤层瓦斯运移方程、煤岩体变形方程及渗流场与应力场耦合方程,建立了瓦斯抽采流固耦合模型;根据某矿21219工作面实际地质条件,利用COMSOL Multiphysics软件对平行钻孔间抽采叠加效应影响下瓦斯压力、有效抽采半径的变化规律进行了数值模拟研究,并结合钻孔有效抽采半径,得出了合理的钻孔间距。数值模拟结果表明,随着钻孔间距的增大,抽采后煤体瓦斯压力增大;随着煤体距钻孔距离减小,煤体瓦斯压力呈先缓慢减小、后快速下降的趋势;随着抽采时间的增加,瓦斯压力不断降低,钻孔有效抽采半径变大。现场应用结果验证了钻孔间距布置的合理性。     

高瓦斯矿井采空区瓦斯与煤自燃耦合规律研究

针对目前采空区瓦斯与煤自燃共同致灾数值模拟仅考虑流体影响、未考虑其他物理场影响的问题,采用Comsol-Multiphysics多场耦合数值模拟软件建立了采空区瓦斯与煤自燃耦合模型,分析工作面采场与采空区瓦斯和O2分布规律,探讨抽采量和进风量对高位抽采巷道瓦斯浓度和采空区底板O2浓度的影响,并综合确定最佳抽采量和进风量。结果表明:随着抽采量的增大,瓦斯抽采浓度先增大后减小,采空区氧化升温带宽度呈正相关增长,综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治,建议高位抽采巷道最佳抽采量为90m^3/min;随着进风量的增大,高位抽采巷道瓦斯浓度和纯量先增大后减小,采空区进风侧氧化升温带宽度明显增大,最大时达到109.3m,而回风侧氧化升温带宽度变化幅度很小,综合考虑瓦斯抽采效果与自然发火防治,试验工作面最优进风量为1 500m^3/min。     

短钻孔快速抽采工艺在长距离掘进工作面的应用

针对目前高瓦斯煤巷长距离掘进工作面瓦斯治理措施存在成本高、因回风流瓦斯体积分数高而影响掘进速度等问题,提出在长距离掘进工作面应用短钻孔快速抽采工艺,即利用检修班时间采用短钻孔进行掘进工作面快速集中抽采,通过短时间、高强度抽采小范围瓦斯,减小掘进工作面及回风流通风压力,提高煤巷掘进速度。短钻孔快速抽采工艺从时间和空间上克服了现有技术的不足,将掘进工作面长距离长时间瓦斯抽采变为短距离短时间的高效抽采。在山西霍尔辛赫煤矿3605回风巷的应用结果表明,应用短钻孔快速抽采工艺可在控制回风流与工作面瓦斯体积分数和成本的前提下,将煤巷掘进月累计进尺由170 m提高到250 m,提高了近50%,实现了对低透气性煤层长距离掘进工作面瓦斯的有效治理。     

低位巷瓦斯抽采条件下采空区遗煤自燃规律研究

煤层顶板布置低位巷抽采瓦斯是解决工作面上隅角瓦斯超限问题的重要技术措施,但低位巷大流量混合抽采造成采空区漏风严重,增加遗煤自燃风险。目前针对低位巷布置与抽采流量协同影响采空区遗煤自燃方面的研究较少。针对贾家沟煤矿10106工作面布置低位巷抽采采空区瓦斯的实际情况,采用COMSOL软件建立了非均质采空区三维流-固-热多场耦合数值模型,通过数值模拟分析了低位巷抽采瓦斯诱导采空区遗煤自燃规律,结果表明：低位巷瓦斯抽采能够降低工作面上隅角瓦斯浓度;瓦斯抽采流量与自燃氧化带最大宽度、采空区最高温度呈正比,抽采流量增加,则自燃氧化带最大宽度和采空区最高温度增加,但过高的抽采压力导致上隅角附近空气“回流”至采空区,增加采空区遗煤自燃风险;当低位巷瓦斯抽采流量一定时,内错距越小,则采空区自燃氧化带最大宽度和最高温度越大。结合数值模拟结果与工程实践,确定贾家沟煤矿低位巷内错距为15 m,瓦斯抽采流量为45 m3/min,此时上隅角瓦斯体积分数为0.875%,采空区自燃氧化带最大宽度为59.14 m,有效解决了上隅角瓦斯浓度超限问题,且未显著增大采空区遗煤自燃危险区域。     

普通钻孔和定向钻孔联合预抽煤巷条带瓦斯研究

针对采用单一顺层普通钻孔或定向钻孔预抽煤巷条带瓦斯时存在普通钻机施工长钻孔易偏离轨迹、定向钻机施工成本较高等问题,以青龙煤矿21601掘进工作面为研究背景,提出了采用普通钻孔和定向钻孔联合预抽煤巷条带瓦斯。数值模拟结果表明:单钻孔预抽瓦斯时,抽采初期钻孔终孔位置处钻孔轴向瓦斯压力等值线呈“V”形分布,随着抽采时间延长,瓦斯压力“V”形分布逐渐平滑;钻孔径向瓦斯压力以钻孔为中心呈环状依次向外递增;预抽93 d时的有效抽采半径达3.80 m;普通钻孔和定向钻孔可分别有效控制煤巷两帮15 m和煤巷掘进工作面前方200 m范围内瓦斯。现场应用结果表明:普通钻孔和定向钻孔联合预抽时,瓦斯抽采总量平均值为19.86×10^3 m^3,瓦斯抽采体积分数平均值为53.5%,瓦斯抽采纯流量平均值为1.97 m^3/min,瓦斯抽采混合流量平均值为3.68 m^3/min,残余瓦斯含量小于8 m^3/t,瓦斯抽采效果良好。