顺层钻孔抽采瓦斯影响因素分析

为了研究影响顺层钻孔抽采瓦斯的因素,采用理论分析和数值模拟的方法,分析了煤体有效应力,建立了顺层钻孔抽采三维几何模型,数值模拟了不同抽采时间下顺层钻孔周围瓦斯含量分布情况、不同抽采负压下顺层钻孔周围煤体孔隙率变化规律以及不同钻孔直径下顺层钻孔周围瓦斯含量分布情况。研究为顺层钻孔抽采瓦斯的钻孔设计提供技术支持。     

顺层钻孔施工过程中应力和位移变化规律

为掌握顺层钻孔施工过程中应力、位移变化规律,建立了FLAC3D数值模型,根据模拟结果和钻孔周围应力分布理论,对整个过程中应力、位移变化规律进行分析,并在平煤集团八矿进行钻孔窥视工业性试验。结果表明:钻孔施工过程中,扰动煤体依次经历原始应力、应力升高直至峰值、应力下降、残余应力4个阶段,同时位移增大速度呈现出由小变大再变小的特征;成孔之后,钻孔径向上依次存在卸压区、应力集中区和原岩应力区,距离钻孔中心越近,煤体的位移量越大,反之越小,且与钻孔中心同等距离处的上部煤体位移比下部大。     

卸压钻孔应力场分区及长度优化设计

利用极坐标和直角坐标系建立卸压钻孔力学模型,分析了巷道侧向支承压力与卸压钻孔周围煤体应力之间的联系,得到巷帮煤体的卸载应力及卸压系数;根据卸压前后巷帮煤体的应力状态,将卸压钻孔应力场划分为4个应力区,分别为塑—塑性区、弹—塑性区、塑—弹性区和弹—弹性区,卸压作用主要在塑—弹性区和弹—弹性区;结合卸压前巷帮煤体的应力场分区,分析了卸压钻孔的最优长度,指出钻孔长度应根据卸压前巷道侧向支承压力分布进行设计;施工卸压钻孔后,卸载应力呈中间高两边低的规律,而在未施工钻孔的区域,煤体应力保持不变。采用数值模拟的方法,对比研究了薛湖煤矿不同长度钻孔的卸压效果,得到最优钻孔长度为20 m左右。     

下向穿层钻孔综合水力化防突技术研究

针对近距离、低透气性、极松软突出煤层群区域防突难题,提出了下向穿层钻孔综合水力化防突技术。理论分析了下向穿层钻孔综合水力化防突技术防突机理。模拟了注水润湿前后不同孔径钻孔周围煤体应力分布规律。结果表明:水力冲煤孔径增加,钻孔卸压范围增加;相同孔径,注水软化同时增加卸压范围;增加水力冲煤孔径的卸压效果优于注水软化的卸压效果;卸压影响范围与水力冲煤半径负倒数存在指数函数关系。根据技术原理,研发了下向穿层钻孔综合水力化技术工艺,建立了技术防突效果指标考核体系。该技术在青东煤矿得到成功应用,为该条件下区域防突提供新的技术途径。     

基于FLAC3D的钻孔扩孔前后应力分布特征研究

煤层的钻孔成孔技术一直是煤矿瓦斯抽采的重要内容。本文以新景矿井下钻孔为研究对象,利用FLAC3D技术模拟分析钻孔扩孔前后钻孔周边的应力分布特征,分析了顺层钻孔和穿层钻孔扩孔前后应力分布的规律和钻孔有效卸压的影响范围。结果表明,随着钻孔的施工,钻孔周边应力释放形成明显的应力区,钻孔扩孔后,顺层钻孔的有效卸压范围由0.8 m扩大至4 m,穿层钻孔的有效卸压范围由0.6 m扩大至3.8 m,有效提高了煤层的抽采效果。     

超高压水力割缝增透卸压规律研究与应用

运用FLAC3D软件模拟不同割缝压力和割缝间距条件下,钻孔周围煤体应力分布特征,分析了穿层钻孔水力割缝煤体卸压规律。通过在赵固二矿实施超高压水力割缝增透技术工艺,有效解决了单一低渗坚硬厚煤层瓦斯抽采技术难题,增大了抽采钻孔卸压范围,大幅提高了煤体透气性。     

大孔径顺层长钻孔消突作用研究

为了从细观上认识大孔径顺层长钻孔卸压与预抽煤层瓦斯的消突作用,采用RFPA2D-Flow软件对潘三矿17171(1)工作面进行数值模拟。模拟结果表明:钻孔直径增大2倍,钻孔上方煤体位移量增大8.4倍,钻孔周围瓦斯流量增大1.37倍;钻孔间距为2 m时,可有效抽采钻孔之间煤体瓦斯,煤体最大渗透系数增大250倍。现场考察结果表明:轨道顺槽、运输顺槽区域消突措施效果均达到规范要求,同时对掘进工作面进行了55次突出危险性预测,均无指标超限。验证了在无保护层开采条件下,大孔径顺层长钻孔对消除煤层突出危险性具有显著作用。     

松软煤层抽采钻孔护孔技术探讨

分析钻孔周围应力分布及变形情况,利用钻孔周围煤体垮落后应力重新分布,破裂区和塑性区往深部发展,卸压区范围增大等规律,对钻孔进行护孔,解决了煤层钻孔垮孔、堵孔问题,提高了钻孔瓦斯抽采效果。     

基于不同强度煤体的合理卸压钻孔间距研究

为了避免软煤卸压密度过大造成巷道大变形和硬煤卸压密度小导致卸压不充分的问题,采用案例分析、理论研究及数值模拟等方法,建立了钻孔卸压原理的能量耗散分析模型,研究了高应力条件下钻孔卸压煤体的位移场、应力场、塑性区、弹性能密度及局部能量释放率分布规律,得到了卸压钻孔间距与煤体强度的关系。结果表明:1)钻孔间距减小,相邻钻孔的耦合作用加强,卸压作用范围和效率增大;2)卸压钻孔间距的主要判据为钻孔塑性区扩展闭合,以位移场、应力场和弹性能密度分布等作为辅助判据;3)单轴抗压强度为12.04～35.35 MPa的煤体合理卸压钻孔间距为1.4～0.65 m;4)合理卸压钻孔间距与煤体强度线性拟合度R2为0.986 61。研究成果可为不同强度煤体选择合理卸压钻孔间距提供参考。     

顺层钻孔瓦斯抽采合理封孔深度

为确定顺层钻孔瓦斯抽采合理封孔深度,基于实际地质条件,运用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法,对薛湖煤矿2306运输巷侧帮卸压带范围及合理顺层钻孔瓦斯抽采封孔深度进行研究.研究结果表明:钻孔初始瓦斯流量与地应力、钻孔直径、钻进深度、钻进时间、煤体的物理性质以及瓦斯压力梯度密切相关,且当钻进方式和煤层确定时,影响钻...     

深部低透煤层瓦斯抽采钻孔封孔方式研究

针对深部低透煤层瓦斯抽采钻孔封孔质量差的问题,分析了我国煤矿瓦斯抽采主要封孔方式技术特点以及存在的问题,认为巷帮及钻孔周围煤体应力“三带”分布、贯通裂隙发育情况及合理封孔深度的研究不够透彻,注浆压力和时间不足,钻孔应力失稳流动通道闭合、塌孔、淤塞等情况无法有效防治,是造成瓦斯抽采封孔效果不理想的主要原因。提出了研究扰动影响下钻孔周围煤体贯通裂隙发育情况,合理封孔深度,提高“两堵一注”囊袋堵头强度、注浆压力和时间,实施二次封孔以及孔壁支护等方面的改进对策,对深部矿井提高瓦斯抽采效率和安全生产具有重要的理论和现实意义。     

特厚煤层分层开采立体多源瓦斯治理技术应用研究

为解决特厚煤层分层开采瓦斯治理难题,通过分析白芨沟煤矿010203区段首分层0102¹03工作面采前瓦斯抽采效果及回采期间瓦斯涌出来源,针对性采取定向长钻孔、底板穿层钻孔、顺层钻孔卸压拦截抽采,本分层顺层钻孔强化抽采以及大孔径钻孔采空区瓦斯抽采的立体多源瓦斯综合治理方法,并提出了基于小煤柱沿空留巷的大倾角、大孔径钻孔全程下套管施工工艺,在现场得到成功应用。研究结果表明:在已有定向长钻孔、底板穿层钻孔抽采基础上,采取本分层顺层钻孔强化抽采、下伏分层顺层钻孔卸压拦截抽采等措施,解决了本分层及下伏分层卸压瓦斯涌出问题;利用大孔径钻孔以孔代巷抽采采空区瓦斯,解决了工作面隅角瓦斯积聚问题。     

平煤股份二矿沿空掘巷卸压范围研究

针对平煤股份二矿庚组煤层结构软硬不均、透气性差且无保护层开采等特点,以庚组煤层为例开展沿空掘巷卸压区域消突范围的研究。沿空掘巷就是把巷道布置在煤柱一侧,经过应力和瓦斯应力重新分布的低应力场,使煤体卸压、应力重新分布,降低了煤层的突出危险性。通过实测巷道周围应力分布,认为平煤股份二矿沿空掘巷实体煤侧21 m内都属于卸压范围,再通过煤层瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标（Δh₂）和瓦斯压力的测定,确定了沿空掘巷卸压范围实体煤侧轮廓线16 m,说明了在该范围内无突出危险性,该方法不仅具有掘进进度快、减少资源浪费、提高煤柱采出率的特点,还对矿井安全、高效生产具有重要的指导和借鉴意义。     

三软煤巷掘进工作面应力集中数值模拟分析

针对三软煤层特殊地质条件下煤巷掘进工作面前方应力分布规律不清的问题,利用COMSOL软件对三软煤层煤巷掘进工作面建模,选取相似参数,研究巷道周围应力集中宽度。分别开挖5,10,15 m的距离,观察应力云图和应力变化曲线,同时分析工作面前方煤体Y方向应力图及沿路径Y方向应力变化曲线,得出掘进工作面前方卸压区范围为0~2 m,应力集中范围为2~20 m,峰值距工作面4~6 m;巷道两侧卸压区范围为0~2 m,应力集中范围为2~16 m,峰值距工作面4~5 m的结论。通过煤巷掘进工作面应力集中范围数值模拟分析得出的结论,能够为巷道两帮顺层钻孔封孔长度及锚杆支护的深度提供理论依据。     

基于钻孔影响半径的保护层卸压效果考察

我国95％以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层,煤层透气性系数只有10-3～10-4 mD,未卸压瓦斯抽采难度非常大.保护层开采破坏了原岩应力平衡,地应力重新分布,煤层与岩体发生卸压、膨胀,并产生大小不同的裂缝,增大了透气性系数,可以提高抽采效率.采用压降法测定钻孔抽放影响半径,并对保护层开采的卸压增透效果进行评价,分析得出,在未卸压区域钻场抽放影响半径是单孔抽放影响半径的1.85倍,单纯的增加钻孔数量对抽放效率的提高有限;保护层开采将钻场有效影响半径由卸压前的3.7m提高到卸压后的5 m,卸压增透效果明显.     

煤层地质异常区域掘进防突技术

针对瓦斯地质异常区域煤层特点,分析了异常区域执行防突措施存在的问题;研究了地质构造异常区域防治煤与瓦斯突出的技术原理、方法;确定了预测突出危险性指标;应用地质前探、超前排放、浅孔抽放瓦斯和卸压综合防突方法,现场实践表明,在突出危险性较大的煤层地质异常区域进行卸压、排放瓦斯,使原始高地应力场发生改变,并使高地应力场沿巷道掘进方向向前方煤体和巷道两帮深部转移,提高了煤层透气性,减少了突出势能,能够有效防治煤与瓦斯突出。     

“两堵一注”+内外双管封孔法在顺层钻孔封孔中的应用研究

基于对孔周裂隙分布特征及巷周煤岩蠕变特征的分析，确定了顺层钻孔漏气的原因，并结合义棠煤业10号煤层的赋存条件，提出了顺层钻孔“两堵一注”+内外双管封孔方法。现场应用表明，该方法可有效封堵孔周的裂隙和巷周煤体蠕变造成的裂隙，且取得了良好的封孔效果。     

基于分布式光纤传感技术的卸压钻孔时间效应研究

以钻孔卸压原理及分布式光纤传感技术为基础,建立了卸压钻孔周边煤体内部应变感测模型,提出了以光纤拉伸应变值及卸压半径为指标的卸压效果评价方法。通过对传感光缆下方钻孔卸压周边煤体内部应变定期测试,并结合钻孔内部表观现象观测,根据不同时间钻孔周围煤体内部应变及表观破坏特征将钻孔卸压过程分为裂隙发育阶段、极限平衡阶段、塌孔阶段、破碎煤体压实阶段等四个阶段。分别确定了在忻州窑矿地质及开采条件下钻孔卸压过程中各阶段的时间区间,得出超前94~101 m以上施工钻孔,其卸压效果较为显著。利用微震监测系统,对比分析了卸压钻孔施工时间调整前后的微震事件分布特征,结果表明:当卸压钻孔施工达到超前工作110 m后,工作面周边高能量事件的频次明显减少、微震事件平均能量明显降低38%。     

采动条件下瓦斯抽采钻孔有效范围及瓦斯运移规律

为了确保矿井的安全抽采,分析了采动条件下瓦斯抽采钻孔有效范围及瓦斯运移规律,理论研究了含瓦斯煤体的有效应力控制方程及煤层瓦斯扩散控制方程,基于此,建立了COMSOL Multiphysics数值模型,分析了距离钻孔不同位置处煤层瓦斯压力分布、不同开采条件下单孔瓦斯抽采瓦斯压力分布以及不同钻孔布置瓦斯压力分布。研究为矿井抽采钻孔参数设计提供了借鉴。