Y型通风留巷上向穿层钻孔合理布置研究

针对留巷钻孔受采动影响大、破坏迅速、不能充分发挥其抽采效能等问题,通过对比分析留巷钻孔开孔位置分别选在留巷采空区侧、顶板中间和实体煤侧钻场时钻孔特点和护孔措施,确定了实体煤侧钻场为留巷钻孔的最佳布孔位置。据此,采用FLAC~(3D)模拟软件对工作面开采过程中充填墙体、巷道围岩和钻孔套管应力场变化规律进行了研究,结合相似模拟得出的破断线与卸压线位置,揭示了从孔口至终孔留巷钻孔的破坏形式可分为压剪破坏、压剪-剪拉过渡和剪拉破坏形式。基于此,提出了扩孔让压的护孔措施并进行了3种不同让压类型钻孔的现场抽采试验。结果表明:大直径单层套管让压型护孔方式实现了单孔瓦斯抽采纯量最大值4.90 m3/min,平均抽采体积分数84%,工作面过钻孔125 m时单孔瓦斯抽采量最大值达111 427 m3;且该类型钻孔施工方便、成本低,具有一定的推广应用价值。     

新型超前留巷钻孔瓦斯抽采技术研究及效果分析

针对沿空留巷穿层钻孔抽采被保护层卸压瓦斯时浓度及含量不稳定的工程现状,研究了一种新型的特制厚壁石油套管及由两者组合的双层套管护孔方式,并对其抽采效果进行了考察。研究表明:采前施工的穿层钻孔终孔位置布置在内错顺槽30m处经济合理,新型留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术使单孔瓦斯抽采能力得到大幅提升,单孔最大瓦斯抽采流量达4.9m3/min以上,最大瓦斯抽采浓度高达95.28%,为工作面的安全生产提供了保障。     

低透气煤层群首采关键层卸压开采采空侧瓦斯分布特征与抽采技术

通过对首采关键层留巷采空区边缘岩体结构变形破坏和裂隙演化规律的分析,揭示了“Y”型通风工作面采空侧卸压瓦斯富集区域、运移通道、瓦斯分布特征及卸压瓦斯运移规律,提出了留巷钻孔法煤与瓦斯共采新技术和新方法;在留巷内布置上下向高低位抽采钻孔直达卸压瓦斯富集区域,实现连续抽采卸压瓦斯与综采工作面采煤同步推进,通过连续高效抽采上下被卸压层的瓦斯,实现了煤矿井下直接抽采卸压瓦斯的重大突破.     

深井高瓦斯工作面“一巷多用”瓦斯治理新模式

埋深超过900 m的深井高瓦斯工作面瓦斯治理一直是世界性难题。针对千米深井1112(1)工作面(最大瓦斯涌出量为124.87 m3/min)的实际条件,通过相似材料模拟实验,确定了位于开采煤层顶板上方10倍采高、水平方向内错沿空留巷侧约20 m开始存在宽度为30 m的扇形环状瓦斯富集区,该高度采动影响范围沿倾向外错轨道巷最大不超过30 m。基于此,在上距顶板20 m,外错轨道巷35 m处布置一条多用巷,提出“一面三巷、一巷多用、联合治理、连续开采”瓦斯治理新模式。工程实践表明,多用巷内大直径穿层钻孔单孔抽采瓦斯纯量最大达9.84 m3/min,瓦斯浓度最高为98.5%,工作面瓦斯抽采率最高为92.4%,回风流瓦斯浓度平均0.4%,日产原煤量最高为10 324.6 t,抽采瓦斯总量为2 457.2万m3,实现了深井煤与瓦斯的安全高效共采。     

深井采动巷道围岩应力分布及瓦斯流动规律研究

为了掌握深井掘进巷道围岩应力分布规律,结合现场监测、实验室测试和数值分析的研究方法,系统研究了低位巷与煤巷的时间、空间关系以及采动影响下煤岩体内裂隙发育特征,揭示了应力场、裂隙场演化规律与瓦斯流动规律。现场监测表明,随着工作面的推进,煤岩体裂隙网络的分布区域逐渐向开采方向和上覆岩层方向发展,应力扰动同时引起了瓦斯流量出现正弦曲线式的起伏波动,围岩支承压力逐渐增加,因此在离工作面25 m以内时要加密钻取瓦斯抽采钻孔形成瓦斯抽采钻孔群,对煤层瓦斯进行抽采,以降低瓦斯压力减小突出危险;在距离工作面60 m处,需要采用有效的支护结构对围岩进行支护,以保证围岩的稳定性。     

基于“留巷+超前工作面倾向钻孔”的无煤柱煤与瓦斯共采技术研究

为了对某煤矿无煤柱煤与瓦斯共采技术进行研究,研究了“留巷+超前工作面倾向钻孔”技术,对某煤矿工作面及试验钻孔进行了布置设计,研究了留巷围岩控制参数、钻孔结构参数及布置参数,然后对留巷围岩控制效果和钻孔稳定性进行了监测和分析。研究得出:工作支撑压力影响区分为3个区域,围岩最大变形速度达到89 mm/d,顶底板最大变形速度达到136 mm/d,基本顶垮落变形区和直接顶垮落区,顶底板最大移近速度达到40 mm/d,围岩最大变形速度为22 mm/d。通过对钻孔稳定控制技术的应用,提高了钻孔稳定性,改善了瓦斯抽采钻孔抽采效率。研究为钻孔的合理布置提供了技术支持。     

深井煤层群首采层Y型通风工作面采空区卸压瓦斯抽采与综合治理研究

以朱集煤矿1111(1)工作面为例,针对深井高瓦斯低透气性煤层群首采层开采卸压瓦斯治理难题,将Y型通风工作面采空区瓦斯运移规律与采空区内部空隙储存卸压瓦斯的优势相结合,提出并实施了强化留巷墙体封闭和Y型通风工作面留巷段采空区卸压瓦斯抽采技术,结合地面钻井抽采采动上部卸压煤层瓦斯,实现了深井煤层群首采层工作面的安全高效回采。1111(1)工作面回采期间,绝对瓦斯涌出量最大72.39 m3/min,平均为43.64 m3/min,在工作面风量2290~2700 m3/min条件下,回风流瓦斯体积分数0.6%以下,平均瓦斯抽采量34.27 m3/min,其中埋管抽采瓦斯纯量平均为21.94 m3/min,占瓦斯抽采总量的64%,工作面回采期间瓦斯平均抽采率为78%,研究成果为今后类似深井煤层群首采层开采的卸压瓦斯抽采和治理提供技术指导。     

深井沿空留巷Y型通风首采关键卸压层工作面瓦斯治理

针对深井沿空留巷Y型通风首采关键卸压层工作面瓦斯治理问题,在分析关键卸压层工作面瓦斯卸压范围的基础上,确定不同的瓦斯抽采区,并根据确定的瓦斯抽采区,选择采前、采后的立体穿层钻孔抽采瓦斯及留巷侧采空区埋管抽采瓦斯的综合瓦斯治理技术,较好地解决了深井沿空留巷Y型通风首采关键卸压层工作面瓦斯问题.     

淮南某矿1111首采工作面瓦斯抽放方法的研究

淮南某矿1111煤层是高温、高压、高瓦斯,具有突出危险性的深井煤层。为保证回采过程中的安全,充分利用沿空留巷Y形通风条件,结合顺层钻孔、地面钻孔结合高位钻场顶板走向钻孔、倾向穿层钻孔抽采瓦斯及沿空留巷埋管抽采瓦斯,解决工作面瓦斯超限问题。     

低透气性高瓦斯煤层群无煤柱快速留巷Y型通风煤与瓦斯共采关键技术

针对深井高地应力、高瓦斯含量、低渗透率、三软复合顶板煤层群条件,提出了深并首采关键卸压层无煤柱沿空留巷Y型通风煤与瓦斯共采新方法,深入研究并创新集成了无煤柱快速沿空留巷新型支护、巷旁充填及留巷钻孔抽采卸压瓦斯等3大关键技术难题,通过在顾桥煤矿等地的成功应用,实现了煤与瓦斯的高效共采.     

Safety analysis of stability of surface gas drainage boreholes above goaf areas

As longwall caving mining method prevails rapidly in China coal mines, amount of gas emission from longwall faces and goaf area increased significantly. Using traditional gas drainage methods, such as drilling upward holes to roof strata in tailgate or drilling inseam and cross-measure boreholes, could not meet methane drainage requirements in a gassy mine. The alternative is to drill boreholes from surface down to the Iongwall goaf area to drain the gas out. As soon as a coal seam is extracted out, the upper rock strata above the goaf start to collapse or become fractured depending upon the rock characteristics and the height above the coal seam. During overlying rock strata being fractured, boreholes in the area may be damaged due to ground movement after the passage of the Iongwall face. The sudden damage of a borehole may cause a Iongwall production halt or even a serious mine accident. A theoretical calculation of the stability of surface boreholes in mining affected area is introduced along with an example of determination of borehole and casing diameters is given for demonstration. By using this method for the drilling design, the damage of surface boreholes caused by excessive mining induced displacement can be effectively reduced if not totally avoided. Borehole and casing diameters as well as characteristics of filling materials can be determined using the proposed method by calculating the horizontal movement and vertical stain at different borehole depths.     

远距离下保护层开采卸压特性及钻井抽采消突研究

我国西部部分矿区地质构造复杂,瓦斯灾害特别是煤与瓦斯突出十分严重,威胁了矿井的安全生产,制约了煤炭资源的开发。针对这些矿区构造复杂、煤层渗透性差及煤层群开采的特点,以消除煤与瓦斯突出危险性、降低煤层瓦斯含量为切入点,对远距离下保护层开采及钻井抽采卸压瓦斯、消除煤与瓦斯突出危险性进行了系统研究。构建了采场相似模型和数值分析模型,研究了远距离下保护层开采的卸压特性:①下保护层开采期间,被保护层可实现充分卸压,其透气性系数大幅度提高,为抽采卸压瓦斯提供了条件;②针对双保护层开采条件,揭示了工作面风巷、机巷内错40~50 m区域的被保护层均为膨胀区,是布置钻井的合理位置;③提出了远距离双保护层开采的重复卸压模型,首采保护层回采后形成的采空区具有"缓冲效应",减弱了次采保护层开采期间上覆煤层的卸压程度。建立了地面钻井稳定性分析的力学模型,研究得出:①邻近岩层的强度相差越大,对钻井的挤压、剪切作用越大;②在套管和井壁之间留设间距后,套管上的最大剪切应力平均降低50.8%,减小了套管剪切破坏的概率;③生产套管长度越大,其挠度值越大,抗弯曲变形能力越强。对此,设计了防剪切破断的钻井井身结构:生产套管采用贯穿井身的整管,与固井套管或井壁之间留设"缓冲容移间距",筛管段采用了"套管强化技术",有效提高了钻井稳定性。揭示了地面钻井抽采卸压瓦斯规律:①阐明了工作面回采距离(表征上覆煤层和裂隙带的透气性)是影响钻井产气率的关键参数;②得出了保护层工作面回采期间地面钻井产气率"快增慢减"的变化机制,并确定了钻井的最佳布井参数;③建立了卸压煤层及采空区的瓦斯流量计算模型,为钻井抽采卸压瓦斯消突效果的评价提供了依据;④提出了钻井下段增阻提高卸压瓦斯抽采量的方法。远距离下保护层开采及钻井抽采消突技术在神华集团乌兰煤矿进行了工程试验,结果表明地面钻井抽采卸压瓦斯消突效果显著:试验区钻井的总产气量为1 512.96×104m3,机巷侧、风巷侧钻井的最大布井间距分别为150和169 m,被保护层的残余瓦斯含量分别降低至3.63和3.14 m3/t,抽采率分别达到65.8%和68.0%,彻底消除了煤层的突出危险性。     

大直径水平长钻孔瓦斯抽放技术在千秋煤矿的应用

介绍了千秋煤矿21121综放工作面利用大直径水平长钻孔抽放瓦斯的技术方法和效果。比较了高位钻场岩石钻孔抽放与低位钻场高位钻孔抽放的优缺点,得出了采用高位钻场大直径水平长钻孔瓦斯抽放技术具有抽放流量大,钻孔利用率高,抽放效果稳定等优点。     

唐山矿地面钻孔抽放采空区瓦斯技术

为了有效抽放采空区的瓦斯,唐山矿研究了地面钻孔抽放采空区瓦斯技术,并确定了钻孔的设计方式、终孔位置、封孔范围、下套管及封孔方式、采后上覆岩层裂隙分布状况等,采用地面钻孔抽放采空区瓦斯技术后,瓦斯的抽放体积分数为50%,流量为2.5 m3/min,并且减少了封闭采空区瓦斯向巷道内涌出,又形成临近区域回采工作面采空区瓦斯向已封闭采空区运动的趋势,在一定程度上杜绝了瓦斯事故.     

采空区瓦斯地面抽采钻井稳定性因素分析

以淮南矿区张北矿地面钻井抽采采空区瓦斯试验为背景,通过对比分析淮南矿区各试验钻井抽采数据,运用数值模拟的手段,分析讨论了采空区上覆岩层在采动影响下的时空运移、破坏规律,在此基础上对影响地面抽采钻井稳定性的主要参数进行了分析,并总结出提高地面抽采钻井稳定性的相关建议,对采空区瓦斯抽采技术的研究和推广应用具有一定的指导意义。     

深部煤与瓦斯共采中的优质瓦斯通道及其构建方法

瓦斯抽采钻孔围岩的破坏形态和范围对于瓦斯通道区域的联通具有重要影响。以钻孔围岩“蝶形塑性区”理论模型为基础,对深部煤与瓦斯共采中钻孔瓦斯导向通道进行了研究,结果表明：深部环境和采矿活动引起的“加载”与“卸荷”效应,会使钻孔围岩出现有利于瓦斯导通的“蝶形塑性区”,蝶叶长度可达钻孔直径的几十倍以上。以“蝶形塑性区”理论为基础,提出了优质瓦斯通道的概念：通过协调采矿工程活动与瓦斯抽采钻孔布局,形成有利于瓦斯抽采的瓦斯导通和流动网络;并确定了以构建优质瓦斯通道的应力环境,确定钻孔布置岩层层位及协调采矿活动与钻孔时空关系为主要内容的优质瓦斯通道构建方法,以实现优质瓦斯通道的高效性、稳定性、长期性,提高瓦斯抽采效率。     

松软煤层可控冲击波增透瓦斯抽采创新实践——以贵州水城矿区中井煤矿为例

松软煤层瓦斯低成本高效抽采属于世界性技术难题之一,中井煤矿回采工作面规模煤层可控冲击波增透效果为解决这一难题提供了一个成功示范。通过可控冲击波增透煤层钻孔,单孔日均瓦斯抽采量平均提高3.37倍,最高达到6.54倍,瓦斯浓度平均提高2.31倍,增透有效半径可达40～60 m,将原来的难以抽采煤层转变为可以抽采～容易抽采煤层,需要的钻孔工程量只有传统抽采工程的11%～18%。在钻孔直径、冲击能量条件相同条件下,示范区煤层增透的最佳冲击密度在1.0～1.1次/m,增透段长度应大于120 m;在最佳冲击密度条件下,回采工作面抽采孔增透效果主要与抽采开始时机、周围抽采环境有关,巷道掘进暴露越晚以及回采工作面增透孔相互干扰越明显,抽采效果越好。与传统钻孔抽采流量幂指数单调衰减曲线形态不同,增透孔瓦斯流量曲线表现为"两段式"变化的典型特征,其中多数孔第1阶段流量曲线出现类似于煤层气地面井排水降压的流量"峰",第2阶段流量衰减系数也远远小于对比基准。分析认为,产生上述效果的机理在于两个方面:①以冲击波增透孔为中心向外,煤层流场由井巷采动流场向冲击波改造流场过渡,大大扩展了原有的有效流场半径,冲击波改造流场类似于地面井煤层流场,可以通过排水降压形式产出煤层瓦斯;②冲击波改造流场为抽采影响带流场提供了更为充足的瓦斯气源,有效阻滞了瓦斯流量衰减系数的快速降低,显著提高了抽采效果。     

地面瓦斯抽采钻孔变形破坏影响因素及防治措施分析

采动影响下,采场上覆岩层发生剧烈滑移和离层,往往造成地面瓦斯抽采钻孔的变形破坏。地面钻孔套管的变形不仅与采场覆岩的岩性、厚度等地质、力学性质有关,还与采场尺寸、顶板控制方法、回采速度等回采工艺有关。对这些影响因素进行了系统分析,并提出了地面钻孔套管变形破坏的防治措施。     

大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术

地面钻井抽采采空采动区瓦斯技术在世界范围内的应用越来越广泛,然而仍存在着瓦斯流量和浓度偏低以及钻井稳定性差的问题。基于淮南矿业集团和澳大利亚的应用实践,开展了大直径地面钻井提高瓦斯抽采效果的理论与技术研究。通过对围岩采动影响和瓦斯抽采效果的数值模拟,参考瓦斯高效抽采范围的高位环形体理念,进行了抽采管径分别为244.5 mm和177.8 mm的大直径地面钻井设计和抽采瓦斯试验。试验结果表明:大直径地面钻井在抽采效果、控制工作面瓦斯涌出以及钻井稳定性上均明显优于普通钻井,瓦斯抽采总量可达316.7万m3,瓦斯纯量达170万m3,服务时间达106 d,能够有效地控制工作面回风瓦斯浓度;地面钻井布置于回风巷一侧在抽采效果上优于进风巷一侧,前者瓦斯抽采量和浓度分别高于后者33.7%和75.3%。     

高瓦斯煤层群顶板定向长钻孔抽采技术研究

为了解决近距离煤层群瓦斯易超限问题,提出采用顶板定向长钻孔抽采技术。以万峰煤矿1201工作面为工程背景,采用数值模拟和理论计算方法,研究煤层开采后对邻近煤层的影响及合理的钻孔布置位置。受煤层开采影响,上下邻近煤层会发生卸压,导致瓦斯解吸,为了保障抽采效果,顶板定向长钻孔应布置在靠近回风巷的断裂带,在水平方向上要避开重新压实区。现场应用结果表明,瓦斯抽采过程可分为增长阶段、稳定阶段和衰减阶段,在稳定阶段抽采瓦斯浓度达60%～70%、瓦斯纯流量达5～6 m³/min、上隅角瓦斯浓度维持在0.3%～0.4%,抽采效果较好;增长阶段和衰减阶段抽采效果有所降低,分析认为这是由于断裂带范围未发展到顶板定向长钻孔位置和钻孔高度降低后钻孔完整性遭到破坏所致,可采取辅助措施对这两个阶段的邻近层和采空区瓦斯进行加强抽采。