深部突出煤层超高压水射流割缝工艺参数研究与应用

超高压水射流割缝技术能显著改善深部煤层的应力状态、减少抽采钻孔工程量。针对割缝作业工艺参数选取缺少依据、易导致割缝误穿透相邻钻孔、卸压增透效果差等问题,开展了大埋深条件下的突出煤层超高压水射流割缝工艺参数研究。首先,理论分析了水射流压力、割缝时间、水射流旋转速度等工艺参数对超高压水射流割缝效果的影响;然后,通过不同参数下水射流割缝卸压增透效果现场考察,获得最佳水射流割缝工艺参数组合;最后,在赵固二矿西胶带大巷进行现场工艺验证。试验结果表明:优化后的煤层割缝钻孔抽采瓦斯纯量为对比钻孔的3.8倍,割缝钻孔有效瓦斯抽采半径为对比钻孔的2倍,割缝后穿层钻孔设计参数由4 m×5 m优化为8 m×5 m布置,在钻孔工程量减少50%的基础上,抽采达标时间由12个月以上缩短为7个月,抽采达标时间缩短了约40%。     

近水平中近距离煤层群煤与瓦斯协调开采技术研究

以下峪口煤矿中近距离煤层群为研究对象,现场考察得出保护层保护卸压角,结合上保护层2#煤层赋存条件及灾害特点,对比选择密集顺层长钻孔抽采2#煤层采掘工作面,回采巷沿空充填留巷施工下向孔抽采下伏被保护层卸压瓦斯区域防突的开采方案。现场考察了卸压瓦斯抽采与工作面的时空关系,数据表明,中近距离上保护层开采期间,采动影响能够有效卸压,提高被保护层的透气性,滞后保护层工作面24～42m为卸压瓦斯最活跃区域,卸压瓦斯抽采浓度高于10%的时间约2个月。     

煤岩体破裂电磁辐射分形特征研究

为提高电磁辐射预测煤岩体动力灾害的准确性,采用室内试验和分形理论相结合的方法研究单轴压缩煤体产生的电磁辐射分形特征.研究结果表明:煤岩体受载过程中产生的电磁辐射脉冲数在时间上具有明显的分形特征,分形维数与煤样的冲击能指数成正幂指数关系;当受载煤岩体处于压密阶段时电磁辐射分形维数较小;处于弹性阶段时,电磁辐射分形维数有一个较小增长,并保持在一个稳定的水平;当受载煤岩体处于塑性阶段时,电磁辐射分形维数大幅度提高;临近主破裂时电磁辐射逐渐降低;主破裂时电磁辐射分形维数降低到最低水平;残余变形阶段,电磁辐射分形维数先增长后减少,总趋势减少.利用上述研究成果,成功地对7249工作面的冲击地压进行准确的预测预报.实践表明,计算脉冲数分形维数的电磁辐射法能够预测煤岩动力失稳现象.     

地应力主导型煤巷突出防治技术及评价指标研究

为了解决桑树坪煤矿无保护层开采条件下由地应力主导的突出危险松软3#煤层煤巷掘进防突难题,提出以卸压为主,兼顾瓦斯抽采的治理措施。在桑树坪煤矿开展水射流扩孔卸压抽采试验,考察结果表明:经水射流扩孔后,抽采钻孔瓦斯流量衰减系数降低了65%～74%,自然瓦斯涌出流量提高了2～3倍,煤层的可抽性得到改善。提出采用扩出煤屑率结合残余瓦斯含量的方法进行防突效果评价,根据煤巷掘进区域赋存条件差异化的特点确定了相应的临界值。该技术和评价指标的结合应用,可有效解决桑树坪煤矿地应力主导型松软突出厚煤层煤巷掘进的防突难题。     

煤层冲击倾向性评价损伤指标

为提高煤层冲击倾向评价的准确性,采用理论和试验相结合的方法,研究了煤样峰值损伤因子与煤样完全破坏时的盈余能量的关系。理论和试验研究表明：煤样的峰值损伤因子与煤样完全破坏时的盈余能量呈二次多项式的关系,随着峰值损伤因子的增加,煤样完全破坏时的盈余能量降低,煤岩峰值损伤因子表征了煤样完全破坏时的盈余能量。盈余能量反映了煤体发生冲击地压的难易程度和猛烈程度,因此,可以采用单轴压缩煤样的峰值损伤因子来评价煤层的冲击倾向。根据盈余能量和煤样峰值损伤因子的大小,对煤层的冲击倾向性进行了分级。现场实践表明,相对于传统冲击倾向指标,该分级指标更贴近实际。     

高突出危险复杂煤层掘进预测指标研究

大兴煤矿南五采区7-2煤层瓦斯压力高,地质构造复杂,煤层具有严重突出危险性;选取具有代表性的南五717工作面进行煤巷掘进防突技术研究,以实现7-2煤层煤巷的安全掘进。在调查研究的基础上,采取理论分析与现场有代表性的地点取煤样实验室测试、预测指标现场考察相结合的方法,初步确定敏感指标及其临界值,并经现场一定工程试验验证,最终确定出敏感指标临界值。     

韩城矿区3#煤层突出灾害特点分析及其防治对策

针对矿区3#煤层厚度大,瓦斯压力、含量高,煤层松软、透气性差,煤与瓦斯动力灾害严重的现状,通对韩城矿区的瓦斯地质赋存规律及瓦斯动力灾害的特点进行梳理和深入剖析。研究结果表明:韩城矿区3#煤层瓦斯灾害主要是以高地应力为基础的构造应力、采动应力集中造成的瞬时突出,部分异常松软区域会发生以高地应力为基础的准静载作用下的蠕变延时突出,据此提出了加强地质探测工作,从煤层瓦斯抽采和应力卸除两方面防治煤与瓦斯突出灾害的技术思路,为矿区防治瓦斯动力灾害提供理论指导。     

基于含瓦斯煤岩固气耦合模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟

通过在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附产生的膨胀应力,得出适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。同时利用含瓦斯煤岩的孔隙率和渗透率的动态模型,建立了能描述含瓦斯煤岩固气耦合情况下的骨架可变形性和气体可压缩性的固气耦合模型。以平顶山十矿的相关物性参数为基础进行了数值模拟,首先对建立的三维模型进行了开挖处理,得到了开挖后煤层的应力分布状态,而非简单的均布载荷,然后利用所建立的数学模型进行钻孔抽采瓦斯三维数值模拟。从数值模拟结果得到：① 抽采负压对钻孔抽采瓦斯的影响不明显;② 随着抽采时间的增长,煤层的孔隙率逐渐减小;③ 随着时间的推移,钻孔抽采瓦斯的有效抽采半径均逐渐增大,最后会迫近一个定值。     

地应力主导型突出危险煤巷水力扩孔卸压防突技术研究

为了防治桑树坪煤矿松软3#煤层地应力主导型突出灾害,提出了采用水力扩孔卸压增透技术进行煤巷条带区域防突的防治措施。采用理论分析、FLAC3D数值模拟软件获得了扩孔后煤体破坏形态、塑性区范围及应力分布规律,据此确定水力扩孔合理布孔参数。并提出以残余瓦斯含量、扩出煤屑率作为防突效果的双重评价指标,从而提出穿层钻孔水力扩孔卸压防突技术,并进行了现场应用。应用表明:扩孔后煤层卸压增透及防突效果显著,瓦斯流量衰减系数降低65%~74%,自然瓦斯涌出量提高2~3倍。残余瓦斯含量的临界值为8m3/t,煤层正常、异常区域扩出煤屑率的临界值分别为3%、5%,可实现煤巷安全高效掘进。     

含瓦斯煤的渗透率-应变特征的试验研究

基于含瓦斯煤热流固耦合试验系统,进行了不同瓦斯压力条件下型煤试件渗透率与体积应变的试验研究。结果表明:随着瓦斯压力的增加,煤样的峰值强度呈减小的趋势;煤样的应力-轴向应变曲线与渗透率-轴向应变曲线有较好的对应关系;渗透率-体积应变曲线存在1个渗透率反弹点,反弹点前渗透率随体积应变的增加呈现出降低的趋势,反弹点后随着体积应变的减小呈现出增加的趋势;反弹点前和反弹点后渗透率与体积应变的关系均可以用线性表达式进行拟合,且拟合度比较高;反弹点前渗透率降低的趋势比反弹点后渗透率增加的趋势陡。