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。     

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。     

综放工作面初采期抛物线型高位钻孔瓦斯抽采研究

针对采用常规高位定向长钻孔在工作面初次来压期间瓦斯抽采效果不佳的问题,以中煤华晋集团有限公司王家岭矿12309综放工作面为工程背景,通过物理相似模拟和数值计算分析了初采期综放工作面煤层顶板覆岩结构和裂隙发育规律:初采期的煤层顶板裂隙发育高度低、数量少,随着工作面的推进,顶板裂隙逐步发育,裂隙发育的高度和范围随着推进距离的增加而增大,裂隙最大发育高度约为28m,工作面来压步距约为50m;初采期工作面瓦斯浓度和涌出量较大,沿工作面倾向,瓦斯浓度从20～150架支架逐渐增大,沿工作面走向,由煤壁300mm至后刮板输送机瓦斯浓度逐渐增大,采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的50%以上,瓦斯涌出量整体上呈上升趋势,且有明显的阶段性特征。根据现场实际情况和初采期综放工作面瓦斯涌出特征、覆岩结构及裂隙演化规律,对初采期的常规高位定向钻孔的轨迹进行了优化设计,提出了初采期抛物线型高位定向钻孔瓦斯抽采方法。将钻孔的终孔位置设计在煤层里,与采空区直接导通,用于工作面初采期采空区低位瓦斯抽采,解决了初采期常规高位水平长钻孔层位较高的问题。现场应用结果表明:相比于常规高位定向钻孔,采用抛物线型高位定向钻孔可在工作面采空区基本顶初次来压前有效抽采采空区低位瓦斯,瓦斯抽采纯量平均提高了约37%,上隅角和回风流最大瓦斯体积分数均小于0.80%,达到了瓦斯抽采的预期效果。     

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。     

瓦斯抽采钻孔漏气通道检测装置研制及应用

瓦斯抽采钻孔孔周裂隙和封孔段空隙通道是造成钻孔漏气失效的主要原因。为有效检测钻孔漏气通道,基于管流流体力学理论和漏气检测判别方法,研制了瓦斯抽采钻孔漏气通道检测装置。通过检测不同钻孔深度气样参数并分析其分布规律和突变情况,确定抽采钻孔失效原因和漏气通道位置;检测装置采用高稳压阻式压力传感器、激光甲烷传感器和荧光氧气传感器实现抽采负压、瓦斯浓度和氧气浓度检测,并采用1.5 m/节快接式25 mm薄壁不锈钢管作为取气管件,钻孔检测深度达30 m。现场应用结果表明,抽采管段检测参数变化稳定,说明抽采管未发生破损或接口漏气等,抽采管密封效果较好;在封孔段,距孔口9~18 m范围内存在多处不同程度的突变点,最大漏气通道在距孔口9~12 m范围内,说明原封孔深度不足,原封孔工艺无法有效密封漏气通道。将封孔深度增加至12 m,并采用“两堵一注”带压注浆封孔工艺,进行对比试验,结果表明,改进后试验钻孔整体抽采效果大幅改善,孔口瓦斯体积分数提升至55%以上,在距孔口12 m以深范围内瓦斯体积分数变化稳定,氧气体积分数近乎为0,漏气通道减少。试验结果验证了瓦斯抽采钻孔漏气通道检测装置能够有效检测漏气通道,为有针对性地调整封孔方式和相关参数及后续改进工作提供依据。     

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。     

钻孔不同变形失稳时抽采负压分布规律研究

针对钻孔内瓦斯流动变质量流的特点及钻孔变形情况,建立了综合考虑钻孔负压动态变化的瓦斯抽采固-流耦合模型,并以新安煤矿为例,采用多物理场耦合软件Comsol Multiphysics对钻孔不同变形失稳时抽采负压分布进行了数值模拟研究。结果表明:①完整孔孔口、孔底附近煤层瓦斯分布基本相同,抽采负压损失较小。②钻孔塌孔时,仅塌孔段附近煤层瓦斯分布与完整孔稍有不同,总负压损失比完整孔大,但与孔口负压相比仍较小。③钻孔堵孔时,孔口、孔底周围煤层瓦斯分布差异巨大,钻孔有效抽采长度缩短,堵孔段附近煤层出现抽采空白带;完整段抽采压力变化相对较小且仍为负压,堵孔段抽采压力变成正值,且越靠近钻孔底部越接近附近煤层瓦斯压力。现场测试结果表明完整孔抽采负压损失较小,且随抽采时间的延长而变小,与数值模拟结果一致。     

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。     

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。     

煤矿瓦斯灾害危险性评价方法研究

针对瓦斯灾害对煤矿安全生产造成严重危害的问题,通过应用层次分析法确立了瓦斯灾害评价指标体系的4个层次及其影响因素和权重,建立了瓦斯事故的灾害评价模型;提出了影响瓦斯灾害的4个主要因素及3个后果严重性指标,并基于层次分析法对这些因素的量化方法及影响权重进行了研究,从而定量地揭示出瓦斯灾害的主要原因,对防止煤矿瓦斯事故的发生具有重要意义。     

煤矿瓦斯异常数据报警方法应用研究

对基于极差值、最小值、相关系数3种关联模型的煤矿瓦斯异常数据报警方法在应用中存在的2个传感器之间数据的延滞时间如何确定、传感器误差的影响、报警的准确率等问题进行了详细分析,提出应采用数据曲线比较法而不是距离风速计算法来确定延滞时间,同时发现巷道中瓦斯气团的运动速度低于风速的现象并对这一现象进行了初步解释;提出采用数理统计法消除传感器误差影响的方法;结合现场数据,对3种关联模型的准确率进行了验证,结果表明该报警方法完全可以在实际中有效应用。     

面向煤矿的实体识别与关系抽取模型

针对煤矿领域知识抽取中存在的术语嵌套、一词多义,抽取任务间存在误差传播等问题,提出了一种深层注意力模型框架。首先,使用标注策略联合学习两项知识抽取子任务,以解决误差传播的问题;其次,提出结合多种词向量信息的投影方法,以缓解煤矿领域术语抽取中的一词多义的问题;然后,设计深度特征提取网络,并提出深层注意力模型及两种模型增强方案来充分提取语义信息;最后,对模型的分类层进行研究,以在保证抽取效果的前提下最大限度地简化模型。实验结果表明,在煤矿领域语料上,相较于编码-解码结构的最好模型,所提模型的F1值有了1.5个百分点的提升,同时模型训练速度几乎提高至原来的3倍。该模型可有效地完成煤矿领域术语抽取以及术语关系抽取这两项知识抽取子任务。     

一种新型煤矿瓦斯抽放站防雷接地方法

针对目前煤矿瓦斯抽放站使用独立避雷针防护直击雷这一现状,分析了其所存在的问题及隐患,提出了一种新型防雷接地方法。该方法用防雷构架、上层避雷网取代避雷针以防护直击雷,用侧向防绕击避雷线以防护雷电绕击,同时外引接地装置,保证其与站内的易燃、易爆物质保持一定的安全距离。实际应用结果表明,该方法具有良好的防雷效果,对油库、煤气站等其他易燃、易爆场所的直击雷防护及接地也具有借鉴价值。     

一种新型煤矿瓦斯抽放站防雷接地方法

针对目前煤矿瓦斯抽放站使用独立避雷针防护直击雷这一现状,分析了其所存在的问题及隐患,提出了一种新型防雷接地方法。该方法用防雷构架、上层避雷网取代避雷针以防护直击雷,用侧向防绕击避雷线以防护雷电绕击,同时外引接地装置,保证其与站内的易燃、易爆物质保持一定的安全距离。实际应用结果表明,该方法具有良好的防雷效果,对油库、煤气站等其他易燃、易爆场所的直击雷防护及接地也具有借鉴价值。     

突变级数法仿真在煤矿瓦斯风险评价中的应用

对于矿内瓦斯安全状态的评价,根据危险源理论,分析瓦斯事故的主要因素并进行多层次矛盾分解建立评价指标体系;利用突变理论结合模糊数学建立数学模型,求出总突变隶属函数,得到评价值。结合矿井内实际数据,在MATLAB环境中仿真出结果曲线,对比实际情况表明突变级数法成功率高、客观性强,为瓦斯风险评价提供一条新的思路。     

煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法研究

提出了基于温度的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法:使用红外热像仪等监测物体温度,使用甲烷传感器监测环境甲烷浓度;当物体温度高于煤矿井下环境温度和已暴露煤岩温度,并且高于环境温度和已暴露煤岩温度的物体数量较多、体积和面积较大,则判定发生冲击地压、煤与瓦斯突出、矿井火灾或瓦斯和煤尘爆炸事故;进一步判别高温物体温度,若大于设定阈值,则判定发生矿井火灾或瓦斯和煤尘爆炸事故,反之,则判定发生冲击地压或煤与瓦斯突出事故;进一步分析甲烷浓度变化,若甲烷浓度迅速升高,则判定发生煤与瓦斯突出事故,反之,则判定发生冲击地压事故。提出了基于速度的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法:使用激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、双目视觉摄像机等监测物体移动速度,使用甲烷传感器监测环境甲烷浓度;当物体移动速度不小于设定阈值时,则判定发生冲击地压、煤与瓦斯突出或瓦斯和煤尘爆炸事故;进一步判别速度异常物体的数量、体积和面积,若速度异常物体的数量较少、体积和面积较小,则判定发生瓦斯和煤尘爆炸事故,若速度异常物体的数量较多、体积和面积较大,则判定发生冲击地压或煤与瓦斯突出事故;进一步分析甲烷浓度变化,若甲烷浓度迅速升高,则判定发生煤与瓦斯突出事故,反之,则判定发生冲击地压事故。提出了多信息融合的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警及灾源判定方法:监测并融合温度、速度、加速度、掩埋深度、声音、气压、风速、风向、粉尘、甲烷浓度、设备状态、微震、地音、应力、红外辐射、电磁辐射、图像等多种信息,感知冲击地压和煤与瓦斯突出;通过不同位置参数变化的幅度、先后时序关系及传感器损坏情况,判定灾源。     

一种煤矿井下图像压缩方法

针对煤矿井下视频监控图像数据量大而导致传输、存储困难等问题,提出了一种基于改进压缩感知算法的图像压缩方法。首先采用Coiflet2小波变换原理对采集图像数据进行稀疏化,然后通过测量矩阵对稀疏化的图像数据进行测量,得到测量数据,最后采用正交匹配追踪算法和小波反变换重构图像。实验结果表明,该方法有效压缩了图像大小,且能够很好地还原图像。