基于残余瓦斯含量的顺层钻孔抽采有效半径阶梯式测定法

为确定瓦斯抽采合理钻孔间距,有效减少或消除抽采空白带,基于瓦斯抽采相关标准与行业规范,以突出煤层采煤工作面瓦斯含量临界值、采煤工作面回采前煤体可解吸瓦斯含量、采煤工作面瓦斯抽采率和预抽率作为抽采达标的4项基本指标,根据4项基本指标计算得出残余瓦斯含量最小值,将其作为考察指标,对顺层钻孔瓦斯抽采有效半径测定方法进行探索,提出阶梯式测定法.使用该测定法对山西霍尔辛赫煤业有限责任公司3号煤层瓦斯抽采有效半径进行现场测试,同时基于含瓦斯煤的流固耦合动态模型对测试结果进行数值模拟验证.结果表明:阶梯式测定法现场测试结果与数值模拟结果基本吻合,在该矿合理预抽期内,抽采有效半径为1.52 m,合理钻孔间距为2.50 m.研究结果对于完善瓦斯抽采有效半径测定方法、确保瓦斯抽采达标具有参考作用.     

煤层注水促抽瓦斯及其影响因素的数值模拟

为有效预防煤矿瓦斯灾害,获取煤层注水促抽瓦斯的合理参数,以常村煤矿2103工作面为例,依据多相渗流理论,采用Fluent软件的VOF模型及多孔介质模型耦合求解,对煤层注水促抽瓦斯技术及其影响因素进行数值模拟,并将模拟结果应用于现场,对比分析数值模拟与现场实测数据,二者基本吻合.研究结果表明:煤层瓦斯含量以注水孔为中心径向逐步降低,以抽采孔为中心径向逐步升高;注水前抽采阶段,随着抽采时间的增加,抽采范围逐渐增大,抽采孔瓦斯流量先快速下降,后逐步缓慢降低;注水促抽阶段,随着注水时间的增加,注水范围逐渐增大,注水流量逐步降低,煤层瓦斯含量缓慢升高,抽采孔瓦斯流量逐渐增加;注水后抽采阶段,随着抽采时间的增加,压力水覆盖范围持续增大,煤层瓦斯含量逐渐降低,抽采孔瓦斯流量逐渐减小.注水时机、注水时间、注水压力、注水方式、布置方式及钻孔间距是影响煤层注水促抽瓦斯效果的6个主要因素.瓦斯正常抽采20 d后,按照一注一抽方式及5 m间距布置注抽钻孔,在8 MPa煤层注水压力下间歇注水10 d,煤层注水促抽瓦斯效果较好.     

基于动态扩散的煤层多场耦合模型建立及应用

为研究瓦斯抽采过程中煤层瓦斯流场演化规律,本文基于双重孔隙介质的假设,建立了应力场、渗流场和扩散场多场耦合模型,引入了动态扩散系数,使模拟结果更接近实际情况.结果表明:随着测点与钻孔距离的减小,煤层渗透率先减小后增大;瓦斯扩散系数的衰减系数λ在抽采初期对渗透率空间分布影响不显著,后期随着扩散系数的快速衰减,渗透率空间分布差异变大.当λ≤1×10~(-7)时,渗透率随时间先降低后升高;当λ≥2×10~(-7)时,随时间的增加,渗透率由先降低,再升高,然后再降低的变化趋势转为一直降低.衰减系数越大,裂隙内瓦斯压力衰减越快,基质孔隙压力衰减越慢.采用裂隙压力测得的有效抽采半径随时间增长越来越快,而采用基质孔隙压力测得的有效半径随时间增长逐渐趋于平缓,说明基质孔隙压力是确定钻孔有效抽采半径的合理指标.     

深部煤层瓦斯赋存规律及钻孔抽采有效半径研究

实测了新庄孜矿深部低透气性煤层的瓦斯压力、煤层透气性系数、瓦斯含量、瓦斯涌出衰减系数和自然排放半径等基础参数;在此基础上,数值模拟计算了钻孔抽采瓦斯的有效半径。研究结果表明,煤层的透气性是决定钻孔有效排采半径的主导因素。为提高低透气性煤层抽采瓦斯钻孔预抽消突效果,应积极采取措施提高煤层透气性系数。     

超高压水力割缝强化抽采瓦斯技术研究

水力割缝是一种重要的强化瓦斯抽采增透技术,现已开始在低透气性突出煤层应用。为了进一步考察其实际效果,选取新集二矿1煤组220112工作面底抽巷实施了100 MPa超高压水力割缝试验。试验结果表明:割缝后,瓦斯抽采纯量平均0.77 m3/min,是未割缝钻孔的瓦斯抽采纯量(0.34 m~3/min)的2.26倍;1煤层组瓦斯抽采钻孔抽采30、60天的抽采有效半径为5 m、7.5 m,极限抽采半径为8 m,相比水力冲孔、未割缝钻孔抽采有效半径显著增加,超高压水力割缝强化抽采瓦斯技术具有广泛的应用前景。     

CO_2致裂增透技术的抽采半径考察研究

为了提高在某矿15号煤层穿层钻孔瓦斯抽采效率和缩短瓦斯抽采达标时间,利用CO_2致裂增透技术对瓦斯抽采钻孔致裂作用进行抽采半径考察,通过对煤层致裂增透前后的瓦斯抽采效果进行对比分析可知三组不同瓦斯抽采半径的最优抽采钻孔间距,最终确定瓦斯抽采半径。现场试验表明,CO_2致裂增透技术条件下,三组瓦斯抽采半径致裂孔的布置方式,1.5m瓦斯抽采半径能有效缩短抽采达标时间,提高瓦斯抽采率。     

本煤层顺层瓦斯抽采渗流耦合模型及应用

为揭示瓦斯在本煤层抽采时的渗流机理,开展了煤岩体变形与瓦斯渗流相互作用规律研究.根据煤层瓦斯渗流特性,考虑渗透率的动态变化过程,研究裂隙瓦斯渗流、微孔隙吸附瓦斯解吸扩散和煤岩体变形等过程,建立耦合渗流模型.针对特定矿井抽采煤层的瓦斯地质条件,进行了耦合模型的数值模拟研究.结果表明:抽采初期瓦斯压力下降较快,抽采稳定后下降趋缓,距抽采孔越远下降梯度越小,有效抽采半径约为3m.现场实验孔距6m顺层瓦斯抽采,抽采稳定时瓦斯纯量达5~7m3/min,抽采效果较理想.     

相似煤储层瓦斯压力计算模型及其空间分布特征

为了识别煤层瓦斯抽采过程中瓦斯压力的空间分布特征,利用多场耦合模拟试验,通过最小二乘法残差平方和优化研究了煤层瓦斯压力变化与距抽采管最短距离之间的关系.基于遗传算法进一步优化了煤层瓦斯压力计算模型常量参数,重构及可视化了煤层瓦斯压力的空间分布.结果表明:该计算模型可用于卸压区抽采时相似煤储层空间各位置及不同抽采时间的瓦斯压力计算;煤层瓦斯压力与距抽采管最短距离呈指数衰减函数关系,其下降趋势与抽采时间和距抽采管距离相关;在煤层立体空间维度,垂直抽采管断面上的瓦斯压力场呈现出以抽采口为中心的圆环分布,平行抽采管的二维面上瓦斯压力场围绕抽采管呈椭圆环分布,其三维等压面呈漏斗状分布.     

穿层钻孔与顺层钻孔抽采半径差异性研究

为了研究两种钻孔有效抽采半径之间存在的差异,以朱集西煤矿11-2煤层为例,采用压力降低法测定了穿层钻孔的有效抽采半径,采用SF6气体示踪现场实测结合COMSOL软件模拟的方法测试了同一煤层顺层钻孔的有效抽采半径。现场测试结果表明,试验煤层在13 k Pa抽采负压、抽采90 d的条件下,穿层钻孔和顺层钻孔的有效抽采半径分别为4.5 m和7.8 m,穿层钻孔的有效抽采半径明显小于顺层钻孔的有效抽采半径,这对抽采设计中合理选择钻孔间距具有十分重要的意义。     

新庄孜矿B8保护层开采对B6煤效果考察实践分析

以突出矿井新庄孜矿为例,介绍了煤层群开采首采保护层卸压瓦斯抽采工程设计及被保护层瓦斯抽采效果。通过在66208工作面回采过程中瓦斯压力测定、瓦斯抽采效果和煤层最大变形量的考察,得出保护层工作面开采后,被保护层B_6煤层透气性系数增大了902倍,B_6煤层残余瓦斯含量为2.43 m~3/t;得出实际走向及倾向方向上的有效保护范围。最大化的回收煤炭资源,取得了较好的效果。     

煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用

提出了高瓦斯煤层群煤与瓦斯安全高效共采的概念：在煤层群开采条件下，首先开采瓦斯含量低、无突出危险的首采煤层，利用其采动影响使处在其上部和下部的煤层卸压，煤层透气性成百倍地增加，从而形成高效的瓦斯抽采条件．同时进行的卸压瓦斯高效抽采既解决了由卸压煤层向首采煤层涌出瓦斯问题，保障首采煤层实现安全高效开采，又大幅度地降低了卸压煤层的瓦斯含量，消除了煤与瓦斯突出危险性，为在卸压煤层内实施快速掘进与高效采煤方法提供了安全保障，从而实现了瓦斯与煤炭两种资源的安全高效共采．文中介绍了针对不同卸压瓦斯流动特点的近程、中程和远程卸压瓦斯抽采方法及工程应用实践，最后对高瓦斯煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系的应用前景进行了分析．     

地面群孔瓦斯抽采技术应用研究

为保证新集一矿突出煤层13-1煤北中央采区的安全开采,先后开采131103、131105等11-2煤层工作面作为保护层。首先在上述两个工作面共布置了6个地面钻孔,建立了地面群孔瓦斯抽采系统,预抽采动区被保护层13-1煤瓦斯。接下来对地面钻孔抽采瓦斯参数进行了考察,主要包括基于示踪技术考察了131105工作面采动卸压地面钻孔走向及倾向瓦斯抽采半径,统计分析被保护层瓦斯抽采率,同时就地面群孔与井下底板巷穿层钻孔瓦斯抽采两种方法进行了抽采率、工程费用等方面的对比。研究结果表明：新集一矿的地层条件下地面钻孔抽采煤层卸压瓦斯沿煤层倾向和走向的抽采半径分别不小于160m和240m;采动区地面群孔瓦斯抽采率达35%以上;地面钻孔相对比井下底板巷,在抽采瓦斯方面具有技术上可靠、安全、经济等优点。     

近距离突出煤层群瓦斯治理技术优化的研究

近距离突出煤层群工作面受上下邻近煤层卸压瓦斯的影响,致使回采工作面瓦斯涌出量大、工作面回风隅角及回风巷中的甲烷传感器频繁报警,瓦斯治理消耗大量的人力、物力和时间,严重制约了矿井的安全生产。通过对几种瓦斯治理方案进行分析论证,得出将整个煤层群作为一个治理单元,统筹考虑,将煤层厚度、瓦斯含量相对较小的弱突出煤层作为关键保护层,配合打钻进行立体式抽采,实现上下递进保护,最大限度地抽采邻近煤层的卸压瓦斯的方案。现场实践结果表明,保护层工作面在回采期间瓦斯抽采率高达90%以上,回风隅角瓦斯浓度降至0.6%以下,回风巷风流中瓦斯浓度降至0.2%以下,工作面月平均回采长度由原来的120 m提高至200 m。同时,从根本上解决了被保护层工作面回采期间瓦斯带来的安全威胁。     

白龙山煤矿一井防突和瓦斯治理工程方案研究

白龙山煤矿一井为国家核准和设计批复在建的大型矿井,按煤与瓦斯突出矿井设计,在建设期间,发生多次煤与瓦斯突出事故。为更有效地预防建设期间的煤与瓦斯突出事故发生,通过事故分析,提出以调整开拓采掘系统部署为基础,系统改善矿井建设安全条件,以强化瓦斯抽采为根本,依托成熟先进的装备和技术,研究和制定适合煤矿赋存条件的防突和瓦斯治理工程方案。     

Thermo-hydro-mechanical coupled mathematical model for controlling the pre-mining coal seam gas extraction with slotted boreholes

Drainage influence radius is the basic parameter for borehole arrangement, while the effect of high pressure water jet slotting technology on borehole drainage influence radius has not been studied systematically. In this paper, a fully thermo-hydro-mechanical(THM) coupled model which represents the non-linear responses of gas extraction was implemented to demonstrate the reliability of this model through history data matching. Based on this model, the susceptibilities of gas extraction with single slotted borehole, including the permeability, the gas pressure, the temperature, the coal adsorption characteristics and the radius of slot, were quantified through a series of simulations. The simulation results revealed that increasing the permeability, initial gas pressure and temperature could develop the influence radius of single slotted borehole. This finite element model and its simulation results can improve the understanding of the coal-gas interactions of underground gas drainage and provide a scientific basis for the optimization of drainage systems.     

低透气煤层预裂瓦斯运移数值模拟及抽采试验

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采难问题,利用数值模拟软件RFPA^2D—Flow再现了采取煤层深孔爆破预裂后,瓦斯在煤层及爆生裂隙中的流动规律。研究结果表明,预裂圈内煤和岩石的孔隙率大大提高,煤层透气性显著增加,但当裂隙圈之间不相交时,瓦斯同样很难在完整的低透气性煤体中运移,因此只有当抽采瓦斯钻孔处在裂隙圈中才能高效抽采瓦斯。现场试验证实,低透气性煤层预裂后,有效导通裂隙增加,布置在裂隙圈内抽采瓦斯钻孔可以获得高效抽采瓦斯效果,从而降低煤与瓦斯突出危险性。     

Technical scheme and application of pressure-relief gas extraction in multi-coal seam mining region

A pressure relief gas extraction technical model of a typical mining area is proposed based on coal and gas simultaneous extraction theory. Flac3 Dwas employed to model vertical stress and displacement contour plot characteristics of non-outburst coal seam(No. 4) on top of outburst coal seam(No. 2) along strike and incline directions. Field investigations were also conducted to verify the scientific nature of the simulation. The results demonstrate that gas pressure in No. 2 coal seam dropped to approximately 0.55 MPa in the pressure relief multi-coal seam. The highest expansion rate of the coal mine reached up to 2.58%.The pressure-relief angle was 76° along the incline direction and 60° along the strike direction. As the expansion rate and pressure-relief angle increased and the gas pressure decreased, a large amount of gas flowed into the gob of No. 4 from No. 2 coal seam and was later discharged through specific gas pipes,which eliminated No. 2 outburst risks. This study resulted in positive outcomes in that gas extraction time was reduced by 13.5 days, due to pressure relief, and drilling work load was reduced by 0.1161 m/t coal. This method ensures that gas is discharged from the outburst coal seam quickly and safely,demonstrating that the proposed technical model of pressure-relief gas extraction is effective in a multi-coal seam region.     

利用SF_6示踪技术测试煤层瓦斯抽采半径

为了合理布置煤层抽放钻孔数量,采用SF6示踪技术测定煤层瓦斯抽采半径。沿煤层布置一排试验钻孔,选定其中某几个孔作为SF6释放孔,其余作为抽采试验孔,在一定的抽采负压条件下,通过观测抽采试验孔的瓦斯浓度随时间的变化情况,可以确定煤层瓦斯抽采半径。在朱集矿的试验中,通过一个月的连续观测,测得该矿11-2煤层瓦斯抽采半径可以达到5 m。利用SF6示踪气体可以较好的测定煤层瓦斯抽采半径。