瓦斯抽采钻孔负压沿孔长动态变化特性研究

通过分析孔口负压、瓦斯流量等参数对钻孔孔内负压分布影响的基础上,得出了抽采钻孔负压沿孔长的动态分布规律,抽采负压沿钻孔长度方向逐渐减少。通过对不同瓦斯流量、不同孔口负压对孔内负压分布的影响研究,得到抽采钻孔负压分布与钻孔长度服从负指数关系;随着钻孔流量的增加,孔内负压损失逐渐升高,两者符合幂指数关系。     

高瓦斯煤层高位钻孔瓦斯抽采技术试验研究

针对在高瓦斯煤层回采过程中,煤与瓦斯突出综合检测指标经常超限、瓦斯抽采率低等问题,提出了在风巷施工高位钻孔的瓦斯抽采技术,阐述了瓦斯抽采技术的工艺流程和钻孔的布置参数。研究表明:在高瓦斯煤层回采过程中采用高位钻孔的抽采措施,可有效地解决瓦斯抽采率低的问题,降低了回风流中的瓦斯体积分数,提高了瓦斯抽采量和抽采率,减少了向工作面的瓦斯涌出量,保证了工作面的安全回采。     

煤矿瓦斯智能抽采理论与调控策略

基于瓦斯抽采的安全原则与效率原则,提出了瓦斯智能抽采的原理;建立了瓦斯抽采管网中瓦斯-空气混合气体流动控制方程,以最大瓦斯抽采纯流量为目标函数,建立了瓦斯抽采管网参数的优化模型,分别从瓦斯体积分数、流量以及效能比等参数约束条件定量判定瓦斯抽采安全与效率;以上述模型为基础,针对钻孔抽采区域温度高于临界温度、钻孔抽采纯量低于抽采纯量下限,以及钻孔抽采浓度低于瓦斯安全浓度下限等工况条件展开理论分析和数值计算,提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略,通过协同调整不同抽采钻孔的阀门开度和抽采泵转速,有效提高了抽采瓦斯体积分数、效能比和抽采纯流量,并提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略。最后,设计了由数据感知模块、通信传输模块、数据处理与决策模块、控制模块等部分组成的瓦斯智能抽采系统,开发了基于物联网的智能调节阀门,阀门的感知模块包括温度传感器、瓦斯浓度传感器和气压传感器等,通讯模块将数据上传至云存储端,通过电脑网页和手机客户端实现监测与控制;发明了采用高分子减阻剂提高水环真空泵效率的技术方法,以高分子减阻溶液作为水环真空泵的工作介质,有效降低了液环的湍流损失和流体与泵体过流部件的摩擦损失,并开发了地面全封闭式和井下直注式2种瓦斯抽采泵节能系统,该项技术在山西潞安集团余吾煤业成功应用,节电率和节水率分别达到22.5%和66.7%,为瓦斯智能高效抽采提供了借鉴。     

赵庄矿高抽巷抽采负压优化模拟研究

为研究高抽巷抽采负压对治理采空区瓦斯的影响并寻求最优抽采参数,以赵庄矿1309工作面为背景,通过数值计算得到布置垂高应为25m,平距应为20m。通过FLUENT软件对进行高抽巷不同抽采负压条件下的数值模拟,并采用UDF程序定义采空区参数使模拟结果接近实际。模拟结果表明：在无抽采模型下,工作面上隅角瓦斯浓度最高可达18%,影响安全回采。高抽巷抽采条件下增大抽采负压,采空区瓦斯浓度降低,上隅角附近的低瓦斯浓度区域由不存在逐渐扩大。高抽巷瓦斯体积分数及抽采纯量在抽采负压高于20kPa后增量趋于平缓。为保证抽采效果同时避免采空区漏风,确定合理抽采负压为20kPa。现场实测高抽巷瓦斯抽采纯量平均为43.93m/min,与模拟结果基本吻合。     

瓦斯抽采浓度自动化调控系统的研究与应用

通过对钻孔瓦斯涌出量、漏气量影响因素进行分析,认为在瓦斯抽采过程中存在一个最佳抽采负压值。通过探寻最佳负压值可以调整钻孔瓦斯抽采浓度,在保证最高抽采浓度的同时尽可能的降低漏气量,有效提高瓦斯抽采纯量。自主研发了瓦斯抽采管路浓度自动调控系统,在九里山矿进行了井下工业性试验,得到了最佳抽采负压,显著提高了抽采管路瓦斯抽采浓度及抽采纯量。     

负压对瓦斯抽采效果的影响机制研究

为深入研究负压与抽采效果的作用机制,以便确定合理抽采负压区间,实现瓦斯抽采低耗高产的目标;通过搭建实验平台模拟不同孔长和不同孔口负压条件下的抽采过程,测试不同孔深位置相关抽采参数变化规律;研究结果表明:管内负压和流量随孔长均逐渐降低,呈负指数关系;对于同一个测试位置,随着孔口负压的升高,负压和管内流量也随着升高,但升高的幅度逐渐减小。经在某矿3号煤层试验考察,随抽采负压升高,抽采浓度和抽采纯量均呈先升高后降低趋势,2个参数与抽采负压分别构成典型的二次函数关系;而抽采混量随抽采负压升高呈直线上升趋势,两者表现为线性函数关系;采用求导取极值方法,确定3号煤层最佳瓦斯抽采负压区间为30.78～34.50 kPa。     

基于负压影响因子观点的抽采负压优化

为研究负压在瓦斯抽采过程中的影响,提出了负压影响因子的观点,对其进行了赋值分析,并在赋存条件相同,抽采时间不同的煤层巷道建立若干试验观测点钻孔,通过周期性调整钻孔的负压大小记录其抽采钻孔的瓦斯浓度、流量等值,进行数据分析。研究结果表明,钻孔抽采初期,负压影响系数β较低,高负压抽采对提高抽采浓度和抽采流量意义不大,抽采后期,在煤层透气性系数显著提高时,β值增大,适当提高抽采负压,可大幅度提高钻孔瓦斯流量,提高钻孔抽采的瓦斯浓度,缩短抽采周期。     

掘进工作面立体式瓦斯抽采钻孔优化设计与应用

为了提高厚煤层高瓦斯掘进工作面掘前瓦斯抽采量,减少掘进过程中的瓦斯预警次数,针对余吾煤业高瓦斯掘进工作面的平面式抽采钻孔不能覆盖全煤厚、瓦斯抽采量低的问题,通过调整钻孔的布置方式及开孔角度对掘进工作面释放孔及两帮钻场护帮钻孔进行了优化设计,将掘进工作面抽采钻孔由平面式抽采转变为立体式抽采。现场试验表明,立体式抽采钻孔抽采瓦斯体积分数提升11%、抽采瓦斯纯量提升0.14 m~3/min,回风流瓦斯体积分数由0.73%降低至0.44%,不仅对全煤厚煤体提前卸压降低突出危险性,同时提前截流卸压煤体内瓦斯,大幅降低了工作面掘进时的瓦斯涌出量,保证了巷道掘进过程中瓦斯涌出的均匀性。     

基于大数据统计分析确定煤层瓦斯抽采合理负压

针对有瓦斯抽采历史矿井如何调整抽采负压的问题,采用大数据分析方法对此进行了研究。总结了我国瓦斯抽采现状及存在的问题,研究了负压对煤层瓦斯抽采效果的影响机理,分析了矿井瓦斯抽采历史统计数据,发现负压为影响钻孔瓦斯抽采效果的主要因素,直接影响着瓦斯抽采量和抽采浓度。研究表明,钻孔瓦斯抽采纯量、抽采浓度与抽采负压呈现明显的二次函数关系,并通过极值法确定最佳抽采负压为30.78～34.50 kPa,据此调节后矿井瓦斯抽采效果良好、稳定。     

本煤层瓦斯抽采钻孔有效半径分布规律研究

为了研究本煤层瓦斯抽采钻孔周围有效半径的分布规律,运用钻孔周围煤层瓦斯流动的连续性方程、理想气体状态方程、气体运动方程和瓦斯含量方程,建立本煤层顺层钻孔周围瓦斯压力分布规律数学模型。在煤层施工瓦斯抽采钻孔,现场测定不同钻孔深度的抽采负压,分析孔深和抽采负压的数学关系。最后建立钻孔周围瓦斯压力沿孔深的变化关系式,研究瓦斯抽采钻孔周围有效抽采半径的分布规律。发现抽采负压随着孔深的增加呈线性递减,钻孔有效抽采半径随着孔深的增加也呈现出递减的趋势。     

东曲煤矿大直径钻孔瓦斯抽采治理技术研究

上隅角瓦斯浓度超限问题严重影响煤矿安全生产工作，针对东曲煤矿瓦斯抽采流量低、工作面瓦斯浓度超限等问题，采用数值模拟方法对150 mm、250 mm、350 mm直径钻孔，以及-45 kPa、-30 kPa、-15kPa抽采负压的瓦斯抽采效果进行对比。以28802-2工作面为例，选取350 mm大钻孔与-45 kPa抽采负压进行30 d的瓦斯流量与浓度监测，结果表明瓦斯治理取得了良好效果。     

低渗煤层大直径钻孔瓦斯抽采参数优化研究

针对低渗煤层瓦斯抽采存在预抽难度大的问题,提出大直径钻孔预抽能够降低低渗煤层瓦斯含量的方法。但由于低渗煤层对气固耦合效应影响敏感,抽采中渗透率变化过程不明确,导致大直径钻孔抽采参数设计依据不足。首先分析了低渗煤体渗透率演化的主控因素,建立了煤层瓦斯运移理论模型,模拟研究了大直径钻孔不同工况下对低渗煤体的瓦斯抽采效果,对比分析不同孔径、负压、孔间距下煤层瓦斯渗流规律。结果表明钻孔孔径越大造成的煤体卸压区越大,瓦斯抽采量越高,瓦斯残余含量也越小,但抽采效果增加幅度逐渐降低。负压越大瓦斯抽采量越大,但差别较小,因此负压对提升抽采效率影响较小。受渗透率演化的影响,不同钻孔间距下瓦斯抽采总量差别较大,在间距为3 m时,40～120 d阶段内抽采量最高,后期抽采量缓慢下降。间距5 m时抽采总量最高,抽采范围内的瓦斯残余含量降低较多。现场优化抽采后的瓦斯抽采纯量与模拟结果一致,表明了研究结论可靠。该研究结果可为煤矿井下大直径钻孔瓦斯抽采参数设计提供理论依据与应用参考。     

本煤层双套管高效瓦斯抽采技术及应用

为了解决本煤层抽采钻孔抽采瓦斯流量小、浓度低、易塌孔、封孔难的技术难题,分析了现有抽采技术的不足,根据平煤股份八矿己15-13330工作面运输巷的实际情况,提出采用本煤层双套管高效瓦斯抽采技术,并对双套管抽采的作用原理、双套管的合理长度等进行了研究.现场应用结果表明:在煤体普氏系数f≥0.25的本煤层钻孔瓦斯抽采中,采用双套管高效瓦斯抽采技术,可有效防止钻孔塌孔堵塞,提高钻孔密封质量,单孔瓦斯抽采平均初始体积分数达到89％,瓦斯纯流量提高了80％,抽采31 d后瓦斯抽采流量仅衰减12％;试验工作面抽采干管瓦斯体积分数维持在18％以上,工作面煤层瓦斯预抽率达到45％.     

高抽巷抽采负压优化的数值模拟

基于山西某矿9101工作面的实际情况,利用Fluent模拟软件针对高抽巷不同抽采负压对采空区瓦斯分布规律的影响进行研究。结果表明:采空区在高抽巷不同抽采负压下均呈高瓦斯区域逐渐减小,低瓦斯区域逐渐增加的趋势,采空区内回风侧瓦斯浓度降低的速度比进风侧采空区大,且距离工作面越近,高抽巷瓦斯抽采的影响越明显;随着高抽巷抽采负压的增加,高抽巷抽采混量和抽采瓦斯纯量都逐渐增加,抽采负压超过12 k Pa后,抽采瓦斯纯量增速明显减小;抽采瓦斯浓度呈先增大后减小的趋势,当抽采负压为12 k Pa时存在1个峰值即14.25%,综合考虑高抽巷抽采瓦斯纯量和瓦斯浓度的变化,确定9101工作面高抽巷抽采负压为12 k Pa左右最合理。通过现场实测的采空区瓦斯浓度值与模拟值基本吻合,误差在工程允许的范围内。     

定向孔抽采特性对布孔参数响应变化规律研究

为了确保定向钻孔布置的合理性，进一步提高钻孔抽采瓦斯效果，通过数值模拟和现场工业性试验的方式进行定向孔抽采特性对布孔参数响应变化规律研究。研究结果表明：定向长钻孔抽采效果沿孔轴线方向呈递减趋势，整体影响范围呈圆台状；抽采负压一定情况下，定向钻孔开2个分支抽采效果较好，控制范围内瓦斯含量降幅较大，钻孔布置综合性价比较高；钻孔控制区域残余瓦斯含量与有效影响范围内空间位置耦合呈双指数变化规律。研究结果可为定向钻孔设计参数选取、抽采效果预评价提供参考。     

超厚煤层定向钻孔瓦斯抽采负压优化研究

为了解决保德煤矿井下定向钻孔抽采瓦斯浓度低、抽采有效期短的问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,优化保德矿定向钻孔抽采负压。结果表明:保德矿81310回风区域定向钻孔在抽采负压为13kPa时,抽采期内瓦斯浓度平均达到88%,抽采瓦斯纯量平均为2.48m~3/min,抽采效果最佳。     

伏岩煤业抽采负压沿钻孔深度变化规律

为研究抽采负压沿钻孔深度的变化规律,将不同孔深(0、20、40、60、80、100 m)的抽采负压作为考察指标,在伏岩煤业进行测定研究。结果表明:抽采负压沿孔深变化规律符合指数函数p=ae-bL形式,当孔口负压为13.00⁴6.13 kPa时,百米抽采钻孔负压沿程损失为1.89646.13 kPa时,百米抽采钻孔负压沿程损失为1.896³.382kPa,平均2.468 kPa。     

基于RFPA的钻孔瓦斯抽采参数数值模拟

应用RFPA2D-Flow软件,对影响钻孔瓦斯抽采效果的钻孔直径、抽采时间和抽采负压进行了数值模拟研究,分析了瓦斯抽采过程中煤层瓦斯的径向流动情况。结果表明:增大钻孔直径能够使钻孔周围煤体卸压范围增加,大幅度提高煤层瓦斯抽采效果;随着抽采时间增长,瓦斯抽采效果越好,但抽采效率会降低;抽采负压降低,抽采半径增幅较小,对瓦斯抽采效果影响不大。     

煤矿井下钻孔吞吐压裂增透抽采瓦斯技术研究

为了显著增大煤层透气性系数,达到高效抽采瓦斯的目的,提出了煤矿井下钻孔吞吐压裂增透抽采瓦斯技术,分析发现吞吐压裂实施过程中,在最大和最小水平主应力方向能够产生径向引张裂隙、周缘引张裂隙、剪切裂隙、转向裂隙等;同时,裂隙壁面错位支撑增容,形成了瓦斯运移产出的高速通道。现场试验表明:实施吞吐压裂与未采取瓦斯抽采措施相比,单孔瓦斯抽采纯量提高了7~12倍,瓦斯抽采体积分数提高4~5倍,钻孔瓦斯流量衰减系数降低了1/4~1/3;实施吞吐压裂与采取常规水力压裂相比:单孔瓦斯抽采纯量提高了1.6~3.0倍,瓦斯抽采体积分数提高1.2~2.0倍,钻孔瓦斯流量衰减系数降低了1/5~1/3。     

松软煤层筛管护孔瓦斯抽采技术与装备

针对松软煤层顺层瓦斯抽采钻孔成孔难、抽采距离短、抽采效果较低等问题,介绍了松软煤层筛管护孔瓦斯抽采技术与装备及施工工艺,通过在丁集煤矿的工业性试验,解决了筛管护孔下入深度与钻孔深度相接近的技术难题,实现了高负压、高浓度、大流量高效抽采,提高了采煤工作面瓦斯预抽消突效果,采煤工作面煤体瓦斯抽采达标时间缩短28％,瓦斯抽采体积分数可提高10％ ～ 20％.