含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采技术研究及应用

为研究水力割缝强化瓦斯抽采技术在含夹矸煤层中的应用,通过理论分析得出,与普通钻孔相比,水力割缝钻孔可通过增加煤层渗透率、煤体暴露面积、瓦斯流动通道3个方面强化瓦斯抽采,并建立了考虑孔隙率和渗透率变化的煤层瓦斯流动控制方程。以东庞矿21218工作面为工程背景,采用COMSOL数值模拟软件建立了含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采数值模型,通过对煤层瓦斯流动控制方程进行解算,研究了不同割缝高度、不同钻孔间距条件下,水力割缝瓦斯抽采钻孔的瓦斯压力分布规律,从而确定了上煤层割缝0.3 m、下煤层割缝0.1 m、钻孔间距7.5 m的水力割缝瓦斯抽采钻孔施工参数。基于上述参数,在东庞矿21218工作面现场施工28组、每组7个水力割缝钻孔,对含夹矸煤层瓦斯进行抽采作业,结果表明：与普通钻孔相比,水力割缝钻孔的每百米巷道施工工程量减少了28.51%,瓦斯抽采纯量由11.53万m³提升至21.43万m³,增幅为85.86%,巷道掘进期间掘进工作面平均瓦斯体积分数由0.06%降至0.01%,瓦斯抽采效果好,且有效提高了瓦斯抽采效率。     

煤层钻孔有效抽采半径数值模拟研究

在煤层瓦斯流动理论和弹性力学基础上,考虑煤体渗透率变化对瓦斯流动的影响,建立了含瓦斯煤岩渗流-应力耦合数学模型,根据该模型对COMSOL Multiphysics数值模拟软件进行二次开发,以某突出矿井为例建立了煤层钻孔瓦斯抽采模型,并进行求解计算,结果表明煤层瓦斯压力、煤体渗透率均随抽采时间的增加而逐渐降低,钻孔有效抽采半径随抽采时间的增加而逐渐扩大,但均具有一定的时效性;采用压力法进行现场测试,实测结果与模拟结果基本一致,证明了含瓦斯煤岩渗流-应力耦合数学模型的正确性及采用数值模拟方法计算煤层钻孔有效抽采半径的可行性。     

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。     

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。     

考虑煤体蠕变的瓦斯渗流规律及抽采钻孔布置

为了研究深部煤体蠕变对瓦斯渗流的影响,建立了考虑蠕变作用下煤体变形场、瓦斯扩散场及瓦斯渗流场多场耦合的数学模型,以陕西彬长胡家河矿业有限公司煤层瓦斯赋存及地质条件为依据,模拟分析了煤层瓦斯抽采动态变化规律,通过现场监测验证了数学模型的正确性、合理性、可靠性及工程适用性。研究结果表明:①煤层瓦斯压力随距抽采钻孔距离的增加而增大,距钻孔越近,瓦斯压力梯度越大,煤体渗透率比值越大,在远离钻孔处瓦斯压力和渗透率比值均逐渐趋于稳定。②在瓦斯抽采初期,距钻孔越近煤体的瓦斯压力降低幅度越大,随着抽采时间延长,瓦斯压力降低的幅度逐渐变缓;在瓦斯抽采初期,距钻孔较近煤体的渗透率比值增加幅度较大,随着抽采时间的延长,在应力和瓦斯压力共同作用下,煤体的蠕变变形导致渗透率比值增加的趋势趋于平缓。③与单孔瓦斯抽采相比,双孔抽采可显著降低煤层瓦斯压力;钻孔间距越小,不同抽采时间内两钻孔间的瓦斯压力梯度越小,但随着抽采时间延长,瓦斯抽采效率越低;结合陕西彬长胡家河矿业有限公司瓦斯赋存条件,确定其瓦斯抽采钻孔最合理间距为2m。     

高瓦斯矿井高、底抽巷联合抽采瓦斯技术研究

针对煤矿松软低透煤层U型通风回采工作面的瓦斯治理存在抽采效率低、抽采浓度低、煤层透气性差、打钻成孔难等问题,以山西晋煤集团赵庄矿1307综采工作面为研究对象,提出了一种高瓦斯矿井高抽巷和底抽巷联合抽采的瓦斯抽采技术,即在原有U型通风的基础上外加一条高抽巷、一条中部底抽巷和一条边部底抽巷,边部底抽巷掩护2个掘进工作面的掘进,中部底抽巷穿层区域条带预抽本煤层瓦斯,高抽巷抽采上隅角瓦斯。确定了边部底抽巷和中部底抽巷的层位、钻孔布置及高抽巷的合理层位布置。实际应用结果表明,边部底抽巷掩护的煤巷掘进工作面最大瓦斯体积分数为0.48%,穿层钻孔抽采有效降低了掘进工作面的瓦斯涌出量;中部底抽巷抽采本煤层瓦斯后,瓦斯含量平均下降了4.18m3/t;高抽巷抽采负压为12～15kPa时,抽采纯量在46.13m3左右,减小了瓦斯向工作面涌出。     

煤矿瓦斯运移模型建立及瓦斯抽采技术的现场应用研究

瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的主要措施,合理的抽采参数可以提高抽采效率,降低瓦斯事故风险。为进一步研究抽采参数对瓦斯抽采效果的影响,结合COMSOL Multiphysics数值模拟和现场实验,优化山西省塔山煤矿42201工作面的采空区插管间距和抽采负压2个参数,建立了采空区三维瓦斯分布模型,利用COMSOL数值模拟软件进行计算,并结合现场实验,得到了插管间距和抽采负压对抽采效果的影响规律。结果表明,在50～70 m范围内,负压为12～18 kPa时的抽采效果较理想。     

高位巷道抽采采空区瓦斯数值模拟研究

高位巷瓦斯抽采方法是解决采动卸压瓦斯涌出的有效途径。本文利用FLUENT软件进行采空区内瓦斯流动计算,通过数值分析,模拟了同煤矿区3种典型模型"U+I"、"U+Ⅱ"、"U+Ⅲ"通风方式下瓦斯治理效果。结果表明:在这些方式中的采空区瓦斯浓度变化曲线为"L"字形,靠近回风侧由于风流的作用及采动裂隙发育的原因使得瓦斯浓度比同水平的进风侧瓦斯浓度高,且越往深部,回风侧的瓦斯越高。这些为高位巷道抽采采空区卸压瓦斯的布置工艺和设计参数提供参考。     

浅埋厚煤层地表漏风对采空区煤自燃影响数值模拟研究

西部矿区浅埋厚煤层通常采用抽出式通风方式,地表漏风不仅使风流紊乱,而且其中的O 2贯穿采空区,与采空区遗煤共同作用使其氧化,从而发生煤自燃,并且产生的CO等有害气体超标,严重影响矿井的正常开采。目前一般采用现场实测、理论分析及实验研究方法对地面漏风引起的采空区内煤自燃的气体浓度场和温度场等进行研究,然而地表裂隙漏风自然发火实验复杂程度较高,理论分析及实验研究方法难以从三维角度认识地表漏风对采空区内煤自燃的影响规律。针对上述问题,根据我国西北矿区埋深浅、煤层厚等特点,建立三维数值计算模型,采用数值模拟与现场实测相结合的方法研究了浅埋厚煤层条件下导气裂隙采空区“三带”分布情况及不同工况下采空区O 2浓度场、CO浓度场、温度场、压力场等的分布规律,并采用ZD5煤矿火灾多参数监测装置进行现场验证。结果表明:采空区内“三带”分布规律和O 2浓度场分布受地表漏风影响明显,采空区顶部O 2容易聚集,改变了采空区内气体流场分布规律,采空区内高体积分数O 2(体积分数为18%~23%)聚集范围为沿采空区走向0~270 m、沿采空区竖直方向3~20 m,特别是在沿采空区走向0~80 m、沿采空区竖直方向3~8 m空间O 2充足、有一定遗煤且热量不容易散失,该区域煤自然发火危险程度较高;采空区内回风隅角压力最小,为-10 Pa,回风口压力最低,进风口压力最大,沿倾向、竖直方向及走向压力均逐渐增大;采空区内温度和CO分布规律类似,在采空区底部受顶部漏风影响很小,主要受工作面进风隅角影响,热量积聚和CO聚集规律与不漏风时基本一致,而从采空区中部开始,温度和CO主要受顶部漏风影响,在中部区域温度和CO均呈现“O”形圈分布,采空区顶部,温度和CO在每个断裂带与采空区交接处达到极大值,并向两侧递减,在最深部的断裂带与采空区交接处出现最大值。     

低透气性煤层顺层钻孔有效抽放半径的测定

针对长平煤矿3号煤层低透气性的特征,通过改进封孔工艺,采用聚氨酯-膨胀水泥二次封孔方式,利用孔压法对该矿顺层钻孔瓦斯有效抽放半径进行了测定分析,准确测出了该矿顺层钻孔的有效抽放半径为2.5m,避免了瓦斯抽放过程中可能出现的空白区和串孔、塌孔现象,为该矿瓦斯抽放钻孔的施工布置提供重要依据。     

煤层瓦斯资源量预测研究

利用VBA语言对AutoCAD进行二次开发,通过拓展数据功能实现对矿井瓦斯地质图中瓦斯抽采钻孔的钻孔初始瓦斯流量、钻孔瓦斯流量衰减系数和钻孔抽采起止日期等钻孔属性信息的赋值和查询,并根据钻孔初始瓦斯流量和百米钻孔瓦斯流量分别实现了块段内钻孔瓦斯抽采量的预测;在矿井瓦斯地质图的基础上,应用距离幂次反比法和瓦斯地质统计法实现了块段内瓦斯资源量、瓦斯剩余量的自动计算。实际应用结果表明,瓦斯资源量和钻孔瓦斯抽采量的预测误差为3.7%,预测结果为煤层瓦斯资源量和瓦斯抽采效果的评价提供了参考。     

煤矸石特性及资源化利用

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物,如果任由其堆积,占用土地,污染环境。本项目通过采集多种煤矸石样品,测定煤矸石及其灼烧生成的灰样中特定化学成分的含量,以此研究煤矸石组成特点,寻找其最经济有效的利用方式,以达到资源回收利用与保护环境的目的。     

煤层瓦斯资源量预测研究

利用VBA语言对AutoCAD进行二次开发,通过拓展数据功能实现对矿井瓦斯地质图中瓦斯抽采钻孔的钻孔初始瓦斯流量、钻孔瓦斯流量衰减系数和钻孔抽采起止日期等钻孔属性信息的赋值和查询,并根据钻孔初始瓦斯流量和百米钻孔瓦斯流量分别实现了块段内钻孔瓦斯抽采量的预测;在矿井瓦斯地质图的基础上,应用距离幂次反比法和瓦斯地质统计法实现了块段内瓦斯资源量、瓦斯剩余量的自动计算。实际应用结果表明,瓦斯资源量和钻孔瓦斯抽采量的预测误差为3.7%,预测结果为煤层瓦斯资源量和瓦斯抽采效果的评价提供了参考。     

煤矿瓦斯抽放浓度控制系统设计

针对现有煤矿瓦斯抽放控制采用粗放式控制方法存在瓦斯抽放浓度控制缺失和水环真空泵能耗高等问题,设计了一套煤矿瓦斯抽放浓度控制系统。该系统基于分级调节思想,在控制程序集中控制下,通过瓦斯浓度传感器检测抽采管路中的瓦斯浓度,利用PLC逻辑运算功能计算出瓦斯浓度变化率,并根据瓦斯浓度变化分级调节电动瓦斯调节阀开度和水环真空泵变频电动机转速,以提高抽采瓦斯浓度,从而提高抽采瓦斯利用率。试验结果表明,该控制系统能有效提高抽采瓦斯浓度,瓦斯体积分数可提高3.6%～4.2%,使抽采瓦斯利用率大大提高;且节能效果明显,瓦斯抽放浓度控制后节能效果提高了24%。