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。     

大直径瓦斯抽采钻孔非凝固膏体材料封孔技术及设备研究

针对大直径瓦斯抽采钻孔密封方法采用固体材料封孔初期密封效果好,但随着时间推移,存在封孔变形破坏后的钻孔抽采瓦斯浓度急速衰减的问题,提出了一种大直径瓦斯抽采钻孔非凝固膏体材料封孔技术。该技术利用膨胀水泥与非凝固膏体材料配合形成多段"固、液、固"结构,利用膨胀水泥材料形成三段固体封孔段,然后在不同抽采时间段在固体封孔段中注入非凝固膏体材料,实现了钻孔抽采全过程的有效密封及抽采不同时间段的二次、多次封孔。基于大直径钻孔孔周裂隙半径的理论分析结果,对最佳注浆压力和黏度的关系进行了数值模拟,研究了非凝固膏体材料封孔的相关技术参数,得到最佳注浆压力为1.2 MPa,最佳黏度为0.001~0.03 Pa·s。根据研究得到的注浆压力和黏度研制了一种封孔设备,设备利用"固、液、固"技术原理形成多段封孔结构,实现了固封液、液封气的抽采封孔模式。现场工业试验结果表明,大直径瓦斯抽采钻孔非凝固膏体材料封孔技术利用膏体材料具有随钻孔时空变化的特征,能有效解决固体材料封孔因钻孔变形而形成新裂隙,造成封孔失败、抽放浓度衰减过快的难题,且二次补浆后抽采体积分数能提升10%左右,有效提高了瓦斯抽采率。     

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。     

煤矿瓦斯抽采管网系统自更新检漏技术研究

煤矿井下工作环境恶劣,瓦斯抽采管道易受到碰撞、落煤坠砸等损伤而造成漏气,当巷道内空气大量进入管网系统后,管网内瓦斯抽采浓度可能远低于钻孔孔口浓度。针对该问题,提出了一种基于多元高斯声束模型的煤矿瓦斯抽采管网系统自更新检漏技术。采用多元高斯声束模型对漏气点声音进行加强处理,并分析煤矿井下抽采管网系统的主要漏气类型和噪声来源,建立漏气模型和噪声模型;将采集的声音样本与预存模型进行比对,判断是否存在漏气现象,并将使用环境中出现频率超过30%的声音样本自动存储为漏气模型,实现模型的自动更新,提高检漏准确性;基于自更新检漏技术研发了YJL40检漏仪,其主要部件包括探测头、金属软管、主机和报警器。利用自更新检漏技术及相应产品对高家庄煤矿的高、低负压抽采系统共计7 585m管道进行检漏,将检测出的漏气点进行有效封孔后,抽采终端瓦斯体积分数分别提高了37.1%和28%,验证了自更新检漏技术的有效性。     

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。     

青龙煤矿碎软煤层顺层定向钻孔钻进试验研究

针对青龙煤矿碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔深度浅、轨迹控制精度低及瓦斯抽采效果差等问题,在分析矿井瓦斯地质情况与预抽采方式现状基础上,介绍了采用空气复合定向钻进技术进行顺层定向钻孔施工的原理和关键技术,制定了钻场与钻孔设计、钻进装备和钻具组合选套、钻进技术要求总结的整体试验方案,并在21608轨道巷迎头钻场进行了顺层钻孔空气复合定向钻进试验。试验结果表明,采用空气复合定向钻进技术可实现碎软煤层内顺层定向钻孔施工,完成7个主孔和2个主分支孔,总进尺为3 929m,最大孔深达406m,300m以上钻孔成孔率达88.9%;试验钻孔瓦斯抽采体积分数均超过68%,平均单孔瓦斯抽采纯量超过1m~3/min,最大单孔瓦斯抽采纯量超过2.55m~3/min,抽采纯量是常规钻孔的10倍以上,瓦斯抽采体积分数提高了50%左右,钻孔成孔与瓦斯抽采效果显著。     

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。     

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。     

水力压裂弱化顶板护孔技术

煤矿工作面单翼布置顺序开采的情况下,工作面顺层钻孔容易受到邻近工作面采动支承应力影响导致钻孔失效。现阶段的护孔研究集中在增强钻孔本身强度,未针对影响钻孔稳定性的根本性因素提出解决措施。针对上述问题,提出了一种水力压裂弱化顶板护孔技术。通过水力压裂弱化顶板,减小作用在邻近工作面煤体上的采动支承应力峰值,阻断高支承应力向顺层钻孔周围煤体的传递,并在顺层钻孔内全程下筛管,保证煤体逸散出的瓦斯可以进入顺层钻孔。采用数值模拟分析了水力压裂弱化顶板前后顺层钻孔周围煤体垂直应力和塑性区变化规律,结果表明：通过水力压裂弱化顶板,顺层钻孔周围煤体的垂直应力峰值由21.2 MPa降低为9.1 MPa,煤体塑性区范围由19 m减小为11 m。根据数值模拟结果确定的水力压裂参数进行了现场测试,结果表明：采用水力压裂弱化顶板护孔技术后,钻孔瓦斯抽采体积分数平均值由3.6%提高到14.1%,瓦斯抽采混合流量平均值由1.28 m³/min降低为0.464 m³/min,未出现大范围顺层钻孔内发生煤体氧化而产生CO的情况。因此,水力压裂弱化顶板护孔技术可有效避免钻孔失效漏气...     

顺层定向长钻孔在厚煤层沿顶掘进工作面的应用

厚煤层沿顶掘进工作面因煤层厚度大,采用普通钻孔不能有效抽采巷道底板煤体瓦斯,易造成工作面瓦斯超限,影响巷道掘进效率。以山西某煤矿主运大巷为试验巷道,通过分析掘进工作面瓦斯治理存在的问题,从抽采工艺参数设计、钻孔施工、抽采试验3个方面开展了顺层定向长钻孔在厚煤层沿顶掘进工作面的应用研究。现场试验结果表明:采用顺层定向长钻孔抽采工艺后,掘进期间主运大巷回风流及工作面瓦斯浓度整体较稳定,回风流平均瓦斯体积分数为0.34%,工作面平均瓦斯体积分数为0.16%,瓦斯涌出量明显下降,瓦斯治理效果显著;与采用普通钻孔抽采工艺相比,巷道掘进月进尺由150m提高至240m,工作面瓦斯体积分数由0.53%～0.79%降至0.25%～0.48%,回风流瓦斯体积分数由0.63%～0.96%降至0.28%～0.69%,掘进400m巷道总用时由175d减少至138d,掘进效率得到有效提高。     

基于多通道声发射检测系统的管道气体泄漏位置定位方法研究

为了自主开发基于声发射检测原理的管道气体泄漏位置定位系统,研制了基于四通道声发射检测系统的管道气体泄漏模拟实验装置。在测定声波沿管壁传播速度基础上开展了管道气体泄漏检测实验,通过改变声发射传感器与泄漏孔的在管道壁面的相对位置来模拟泄漏孔位置的变化。采用小波去噪和滑动平均滤波方法对所采集的泄漏信号进行了处理,利用互相关算法求取了各传感器之间的延迟时间,进而基于时间差提出了泄漏孔的定位算法。实验结果表明模拟管道上泄漏孔的定位结果相对误差低于4.0%,该系统对泄漏位置的定位精度满足行业标准和国家标准的要求。通过优化设计声发射信号的采样频率、管道材质、管道壁厚和传感器端面面积等能够进一步提高定位的准确度。     

采空区瓦斯抽采钻孔参数及注氮防灭火研究

钻孔抽采能够影响采空区内部风流的运动,从而导致采空区流场发生变化,增加工作面向采空区的漏风,同时钻孔周围呈现负压状态,漏风风流也不断向钻孔周围补充,采空区煤体在漏风集中区域呈现氧化升温状态,存在采空区遗煤自燃问题。针对上述问题,研究了钻孔抽采条件下采空区最优注氮防灭火方案。以白龙山煤矿10201工作面为背景,用数值模拟软件对工作面采空区进行仿真,分析了不同抽采参数下的采空区流场和温度场分布,依据合理钻孔参数确定了最优注氮条件。结果表明:抽采负压为30kPa时瓦斯抽采效果良好,氧化升温带增幅相对较低;钻孔间距为6m时抽采效果佳且工程量较小;进风侧注氮口与工作面距离为75m、注氮流量为1 500m^3/h时,可以很好地缩小氧化升温带宽度并节约成本。实际应用结果表明:综放工作面及上隅角瓦斯体积分数得到了有效控制,均低于1%;抽采管路及上隅角CO体积分数分别低于0.040%,0.032%,采空区煤体未发生自燃,采空区瓦斯抽采和注氮取得了良好的应用效果。     

定向高位长钻孔上隅角瓦斯治理技术

针对常规顶板高位钻孔因钻孔方位及倾角无法控制而难以钻进至设计层位,且有效抽采孔段较短、易出现抽采盲区、抽采不连续等问题,以王家岭煤矿上隅角瓦斯治理为研究背景,在20103综采工作面回风巷布置1组定向高位长钻孔与4组常规高位钻孔进行瓦斯抽采,对比分析了这2种高位钻孔的瓦斯抽采效果,结果表明:定向高位长钻孔有效抽采孔段长,抽采盲区少,能实现连续抽采;定向高位长钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量为2.11m^3/min,最大可达2.9m^3/min,与常规高位钻孔相比平均瓦斯抽采纯量提高了约2.77倍,工作面瓦斯抽采率提高了近2倍,有效抽采时间提高了约3.15倍;仅接抽常规高位钻孔时上隅角瓦斯体积分数为1.0%以上,仅接抽定向高位长钻孔时降至0.6%以下,表明定向高位长钻孔治理工作面上隅角瓦斯具有明显优势。     

基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测方法

针对传统方法难以精确诊断输气管道泄漏的难题,提出采用准分布式光纤B ragg光栅(FBG)传感技术实现天然气管道泄漏的在线监测技术。利用一条FBG光缆作为传感器,并行铺设在天然气管道附近,拾取管道由于泄漏、附近机械施工和人为破坏等事件产生的压力和振动信号,通过匹配光栅法和自动识别技术检测管道泄漏并进行定位。实验结果表明:该方法可以实现对天然气管道泄漏进行诊断并定位。     

高强度开采综放工作面上隅角瓦斯联合抽采实践

针对传统单一的上隅角瓦斯治理技术不能有效解决高强度开采综放工作面上隅角瓦斯严重超限的问题,以王家岭煤矿为工程背景,提出了利用上隅角插(埋)管和高位定向钻孔对瓦斯进行联合抽采方案。上隅角插(埋)管抽采即在工作面回风巷铺设瓦斯抽采管路,管路沿回风巷走向延伸至上隅角,在管口位置形成稳定负压区抽采上隅角瓦斯,通过抽吸作用形成人工风流,扰动上隅角位置的回旋涡流,降低瓦斯浓度。同时在工作面回风巷开掘钻场,施工高位定向钻孔向工作面切眼方向钻进,通过定向钻进技术使钻孔轨迹在采空区裂隙带内延伸,抽采采空区高浓度瓦斯。应用结果表明,上隅角插(埋)管和高位定向钻孔联合抽采后,瓦斯抽采纯量稳定在3.40~6.20 m 3/min,平均为4.91 m 3/min;工作面上隅角瓦斯体积分数呈阶梯式下降,最终稳定在0.30%~0.52%,平均为0.42%,上隅角瓦斯治理效果显著。     

吸收式光纤气体传感器的研究

提出了一种通过波长扫描来检测C2H4 和H2S混合气体的体积分数的新方法。采用超发光二极管作为光源, 2个检测通道共用 1根光纤,通过光源调制实现气体的体积分数的谐波检测技术。该系统最小可探测气体的体积分数约为 10-4, 移植性好,对大多数气体均适用。     

双套管带压注浆技术在瓦斯压力测定中的应用

针对顶底板承压水大、裂隙发育的煤层,提出了一种采用双套管带压注浆技术联合M-Ⅱ瓦斯压力测定仪的封孔测压工艺。该工艺采用套管避免围岩孔壁坍塌影响;采用高压注浆充填围岩裂隙、隔绝瓦斯泄漏通道;采用M-Ⅱ瓦斯压力测定仪测得准确、可靠的瓦斯压力数据。应用该工艺对某煤层进行的瓦斯压力测定试验结果表明,该工艺彻底填充了钻孔围岩裂隙、含水通道,使得测压钻孔坚固、稳定,排除了承压水对测压结果的干扰,并解除了由于钻孔垮塌对封孔测压方式适用的限制,可以准确测得煤层瓦斯压力。     

煤层原生CO钻孔探测试验

当前不少研究均得出煤层赋存原生CO气体的结论,但是未考虑钻孔施工过程中产生CO后被煤体吸附的可能。为探究西北地区易自燃煤层是否存在原生CO的问题,采用原始煤层原位钻孔探测方法进行原生CO探测试验。在未受采动影响的实体煤区域沿巷帮一字排开布置3个测试钻孔,钻孔密封后采用高纯N₂置换密闭气室内气体,采用专用抽气泵抽取钻孔内气体,消除原位探测钻孔施工过程中煤体氧化产生CO对试验结果的影响。在分析煤层原生CO来源可能性及其涌出理论的基础上,探讨了密闭钻孔内气体浓度随时间变化特征,结果表明:密封后钻孔内O₂和CO体积分数随密封时间的延长而迅速降低,12 d后O₂体积分数稳定在2%以下;12 d后CO体积分数低于10^-12,气相色谱仪未检测到CO气体;钻孔内气体主要为N₂。由此推断,待测煤层中无原生CO气体。N₂环境破煤试验和煤样常温恒温氧化试验结果表明,封孔初期检出的CO气体来源于钻孔施工破煤作业。