地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合数值模拟研究

基于弹性力学、渗流力学等理论,建立了地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合模型,在此基础上结合工程实例,分析了地应力对瓦斯抽采效果的影响。计算结果表明:在地面井抽采作用下,煤层瓦斯压力不断减小,且地应力越大,瓦斯压力下降速度越慢;随着抽采的持续进行,造成煤体的有效应力增加和渗透率降低,同时由于瓦斯解吸,煤层孔裂隙重新变大和渗透率增加,2种效应共同作用下煤层渗透率总体呈现非线性增加趋势;地应力对地面井抽采效率影响显著,两者呈现负相关关系,即随着地应力的增加,煤层中的基质孔隙率下降和裂隙趋于闭合,造成煤层渗透性下降,最终导致了瓦斯抽采量的下降。     

超大直径钻孔治理上隅角瓦斯技术研究

为了解决工作面上隅角瓦斯超限问题,提出了超大直径钻孔治理上隅角瓦斯技术,阐述了超大直径钻孔治理上隅角瓦斯技术原理,结合现场经验,得出了钻机操作注意事项,形成了超大直径钻孔施工工艺,并对影响钻孔施工的影响因素进行了分析和研究。现场施工结果表明:严格按照操作程序、施工工艺、控制施工影响因素后,钻孔成孔率从40%提高到89%,断钻杆率从60%降低到22.2%,钻孔终孔高度从平均1.6 m提升到3.0 m,极大提高了施工质量。     

不同应力状态下钻孔孔周变形规律研究

采用COMSOL数值模拟软件，建立三维矩形巷道钻孔交叉模型，研究不同地应力影响下的钻孔孔周应力分布及位移随钻孔深度的变化情况。研究表明：通过分析不同地应力作用下钻孔孔周的Mises应力分布，得到钻孔的左右两侧受压应力，上下两侧受拉应力，呈现出“蝴蝶状”。通过数值模拟及现场试验表明，由于钻孔受到上覆岩层应力及巷道应力重分布的影响，在距离孔口0～20m的范围内即巷道宽度的2倍左右，极易产生钻孔破坏。通过对不同地应力作用下钻孔孔周的应力分布以及位移变化分析，钻孔孔周应力及位移随孔深增加呈现出较强的幂指数关系。     

下行通风在常村矿高瓦斯综采工作面的应用

针对常村矿N3-3高瓦斯缓倾斜煤层综采工作面瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯超限等问题,分析了工作面瓦斯来源及运移规律,查明工作面上行通风时瓦斯治理效果差的原因,研究并实施了下行通风方式,配合顶板裂隙带高位钻孔抽采采空区瓦斯措施,提高了瓦斯治理效果,消除了工作面上隅角瓦斯超限,实现了工作面的安全高产高效。     

回采工作面上隅角瓦斯拖管抽采技术参数研究

针对传统埋管抽放上隅角瓦斯技术中抽放点在空间位置不连续抽放效果差、管材浪费严重抽放成本高等重大缺陷,提出了上隅角瓦斯拖管抽采技术,可使抽放点匹配工作面推进速度,实现了采空区瓦斯抽放最佳效果的连续性,并且能回收管材降低抽放成本。采空区瓦斯抽放最佳位置的选择即抽放参数的确定是成功实现上隅角瓦斯拖管抽放的关键。利用Brinkman方程、菲克扩散定律和瓦斯扩散平移方程来描述瓦斯的流动扩散行为,建立工作面瓦斯流动多物理场耦合模型,并利用Fluent对模型进行求解,从而确定拖管抽放最佳布置参数,并对其进行实际应用和效果测试。结果表明:数值模拟和现场测试结果基本一致,最终确定了最佳抽放点位置为距离底板2.4 m、沿倾斜方向距离回风巷道1.57 m、沿走向深入采空区17.4 m处;应用期间杜绝了上隅角瓦斯超限,上隅角瓦斯拖管抽采技术具有较好的适用性和可行性。     

综放尾巷留巷巷内围岩控制技术研究

为了有效控制综放尾巷留巷围岩变形,对潞安矿区深井沿空留巷围岩变形破坏特点进行了分析,提出了该类巷道的巷内围岩控制技术,采用动态设计方法,通过数值计算确定了巷内锚杆支护参数。模拟结果表明:合理的巷内锚杆支护参数有利于围岩的稳定和围岩变形破坏的控制。巷道支护的关键是各支护构件与巷道围岩共同作用,以保持巷道围岩的完整性。     

倾斜煤层水力冲孔有效影响半径数值模拟研究

针对目前水力冲孔技术研究较少考虑倾斜煤层水力冲孔卸压范围随方向变化的特点及煤层倾角对水力冲孔卸压有效半径影响的问题,以某煤矿3号煤层为研究对象,利用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics对倾斜煤层水力冲孔有效影响半径进行了数值模拟,研究了不同方向上的钻孔有效抽采半径。数值模拟结果表明:在冲孔作用下,抽采影响范围随抽采时间的增加而不断扩大,但扩展速度随时间下降;在冲孔卸压作用下,煤层渗透性大大增加,钻孔周边影响范围呈近似椭圆形分布;连续抽采90 d后,上部方向的影响半径为6 m左右,下部方向的影响半径为4 m左右,水平方向的影响半径为5 m左右;为了确保抽采达标,该煤层水力冲孔钻场横向钻孔布置间距设定为3.5 m左右,纵向钻孔布置间距为4.0 m左右。该研究结果对于优化水力冲孔工艺参数、指导抽采钻孔的准确布置、提升矿井的瓦斯治理效果具有重要的现实意义。     

水力压裂对沿空留巷的泄压效应研究

以潞安集团余吾煤矿的地质和开采技术条件为基础,运用数值模拟手段,同时建立2D和3D模型,分析水力压裂技术对留巷围岩应力分布及位移的影响规律。结果表明:对煤层顶板采用水力压裂后,压裂区域周围煤岩体采动应力重新分布,留巷围岩应力大小及位移明显降低。将煤柱上方顶板压裂至30 m时,随着煤柱上顶板压裂范围的增加,煤柱承担的压力逐渐减少,煤柱平均应力从未压裂时的27.2 MPa减小到26.5 MPa;同时留巷围岩位移逐渐减小,从未压裂时的108.6 mm降低到101.3 mm,泄压效果明显。     

基于水力割缝的高瓦斯厚煤层快速掘进保障技术研究

针对山西潞安集团余吾煤矿3煤掘进期间瓦斯涌出高,造成巷道掘进速度难以提升的问题,采用高压水射流割缝技术进行快速卸压增透,现场试验发现,割缝孔抽采瓦斯浓度最低达到71. 2%,最高达到93%左右,割缝孔的瓦斯浓度大部分时间高于同组对比的普通钻孔,提高了煤体中瓦斯的抽采效率,为高瓦斯厚煤层巷道的快速掘进提供了技术保障。     

上隅角瓦斯移动式抽采技术研究

针对山西余吾煤矿煤层瓦斯含量高、渗透率低、上隅角瓦斯积聚等特点,为解决N1206回采工作面上隅角瓦斯超限问题,分别从抽采位置、抽采管径的确定,固定与拖动装置设计的角度进行分析,提出上隅角瓦斯移动式抽采技术,确定了拖管抽采的最佳抽采位置为:距离煤层底板高为2. 4 m,沿走向深入采空区17. 4 m处,拖管抽采管径为150 mm。对解决高瓦斯矿井低渗透煤层工作面上隅角瓦斯积聚的难题有借鉴意义。