高瓦斯低渗透煤层冲孔造穴卸压增透技术及装备应用

针对我国高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采困难、极易导致煤与瓦斯突出的现状,分析了现有煤层瓦斯抽采的各种技术措施,研究了冲孔造穴的卸压增透原理,指出冲孔造穴是实现高瓦斯低透气性煤层卸荷增透的关键技术,并对我国水力冲孔造穴技术装备的研发进展进行了系统总结分析。在寺家庄煤矿和平煤八矿开展典型现场试验结果表明,采用目前广泛应用的煤层水力钻冲一体化装备和煤层机械扩孔一体化装备能够高效进行高瓦斯煤层扩孔造穴,降低煤层钻孔施工量,提高煤层透气性系数23.9倍以上,提高钻孔瓦斯抽采浓度和纯量在2倍以上。     

不同结构特点煤层机械造穴增透效果分析与应用

基于新田煤矿、糯东煤矿各自煤层不同结构特点,采用机械造穴卸压增透技术进行瓦斯抽放,并对比普通钻孔抽放效果,分析增透后不同煤层造穴半径的影响因素和抽放提升效果。结果表明:煤层硬度是影响造穴半径的主控因素,同时机械造穴卸压增透技术在低透气性坚硬突出煤层、低透气性极软突出煤层中,无论穿层钻孔或是顺层钻孔均能起到明显的增透、增量、提抽作用,该技术使用范围广,应用前景广泛。     

构造煤层水力造穴卸压增透瓦斯抽采技术体系与应用

构造煤层具有渗透率低、煤层强度较低、瓦斯含量较高等特点,易出现堵孔、喷孔等现象,直接导致该类煤层瓦斯抽采难度较大。为解决构造煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题,分析了现有煤层增透技术及优缺点,介绍了一种区域性水力造穴卸压增透技术,提出了水力造穴卸压增透瓦斯抽采技术体系,具体包括水力造穴钻冲装备、煤水分离和煤量计量系统、高低负压独立瓦斯抽采系统。以试验采区为工程背景,介绍并分析了现有煤层增透技术及其优缺点,研究提出了区域性水力造穴卸压增透技术,形成了以水力造穴钻冲装备、煤水分离和煤量计量系统、高低负压独立瓦斯抽采系统为主的区域性水力造穴卸压增透技术体系。现场试验等间距7 m、8 m、10 m、12 m以及变间距水力造穴方案,分析不同钻孔直径的抽采效果,对比分析单孔及组孔的瓦斯抽采效果。研究结果表明,采用变间距水力造穴卸压增透技术,有效保障了煤体卸压增透效果,解决“掘进-抽采”不均衡问题,为解决构造煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题提供一种新技术。     

水力大直径分级造穴卸压效果数值模拟研究

为了提高低透气性煤层瓦斯抽采效果,利用水力大直径分级造穴技术,研究低透气性煤层卸压增透效果。通过对煤体受力平衡方程、瓦斯渗流方程以及耦合方程,分析了煤体中的瓦斯吸附、解吸、渗流过程以及同应力之间的耦合关系。利用COMSOL Multiphysics软件,构建了零透气性边界的抽采、造穴三维计算模型,研究了不同抽采时间和不同造穴半径(0.3 m、0.6 m、0.9 m)条件下的卸压抽采效果。研究结果表明,煤层造穴后随着瓦斯不断抽采,钻孔周围瓦斯压力随之下降,随着抽采时间逐渐增加,瓦斯压力降低区逐渐扩大,卸压范围不断增大。半径0.9 m的造穴孔腔模型瓦斯压力下降速度更为明显,能在更短时间内对煤层进行卸压增透,实现煤层消突。     

水力造穴技术在本煤层瓦斯抽采中的应用

为增加煤层透气性,提高顺层钻孔抽采流量,在N101工作面及3119运巷里段进行水力造穴技术试验,通过水力造穴技术对抽采钻孔进行扩孔,卸压,增加煤层透气性。通过试验后的统计数据可知:生产期间工作面瓦斯涌出量和预抽前工作面瓦斯涌出量对比下降50%,煤体瓦斯含量下降1.68m~3/t,达到快速降低低透气煤层瓦斯含量的目的。     

高瓦斯低透气性坚硬煤层机械造穴泄压增透技术研究

基于新田煤矿煤层硬度大、瓦斯含量高、透气性差、抽采效率低等特点,提出采用机械造穴泄压增透技术,研究新田煤矿泄压增透后煤层透气性及抽采效果。结果表明:机械造穴泄压增透技术在低透气性坚硬突出煤层能起到明显的增透、提抽作用,影响区域内煤层透气性大大提高,有效地释放了煤体内部压力,对瓦斯动力有减阻作用,提高坚硬低透气性煤层瓦斯抽采效果,提高了瓦斯抽采效率,为同类型煤矿瓦斯抽采提供了更多的解决办法。     

基于COMSOL的煤层分段水力造穴卸压增透效果数值模拟研究

针对潞安矿区低渗厚煤层开采的复杂条件,以渗流理论及流固耦合机理为基础,利用COMSOL多物理场耦合分析软件建立煤层损伤-应力-渗流耦合数值模型,以高河能源南北翼煤层及瓦斯赋存条件为工程背景,进行高河能源3号煤层水力造穴卸压机制以及增透效果数值模拟研究,其结果表明:造穴半径越大,洞穴周围煤体卸压面积越大,应力集中现象减弱,监测点卸压和渗透率增幅都越明显,瓦斯抽采效果越好;造穴间距越小,洞穴周围煤体卸压面积越大,渗透率增幅和压力降幅越明显,瓦斯抽采效果越好。     

本煤层分段水力造穴增透技术影响因素现场试验研究

以山西潞安集团古城煤矿N1305工作面煤层及瓦斯赋存条件为工程背景,在该工作面A、B、C 3个区域分别进行了水力造穴抽采试验,验证钻孔施工倾角、造穴方式和造穴参数对水力造穴效果的影响作用。结果表明,随着钻孔倾角的增大,水力造穴钻孔单孔平均抽采浓度逐渐增大,提升了瓦斯抽采效率;在不考虑钻孔围岩塌孔压杆等钻孔事故的条件下,本煤层钻孔分段后退式水力造穴工艺对钻孔围岩的增透效果要大于前进式水力造穴方式,对瓦斯抽采纯量的提升作用更加明显;水力造穴单穴长度和造穴半径的增加有利于造穴影响范围的增大,从而有效增加钻孔瓦斯涌出量。     

低渗煤层瓦斯抽采顺层钻孔水力造穴卸压增透效果研究

为了揭示水力造穴参数对钻孔瓦斯抽采效果的影响规律,指导煤层水力造穴增透技术施工参数的合理选择。建立了煤层损伤-应力-渗流耦合模型,分析了不同造穴参数下煤层卸压增透效果,展开了顺层钻孔水力造穴现场工程试验,考察了不同造穴参数下钻孔瓦斯抽采效果,结果表明：采用水力造穴技术形成的孔穴能够有效降低其周围煤体应力,提高煤层渗透率,增加瓦斯钻孔抽采效果;造穴半径越大煤层的卸压程度越大,进而煤层渗透率增幅就越大,但在实际工程中过大的造穴半径会使得孔穴稳定性差,钻孔塌孔堵塞瓦斯涌出通道会使得钻孔瓦斯抽采量有所降低,试验矿井最优造穴半径为0.6 m;造穴间距对它们之间的应力降低区范围有着较大的影响,在一定距离条件下孔穴卸压有着明显的叠加效应,造穴间距越近叠加效应越明显,煤层应力越小,卸压增透效果越好。试验钻孔穴间距由8 m减小到6 m时,单孔平均瓦斯抽采纯量增加389.16%。     

基于多场耦合数学模型的机械造穴数值模拟研究

通过构建机械造穴瓦斯运移应力场、渗流场及裂隙场多场耦合数学模型和几何模型,结合鹤煤九矿煤层参数,利用COMSOL多物理场数值模拟软件,针对不同造穴直径、抽采时间和造穴长度等参数下的瓦斯抽采运移规律开展了数值模拟,结果表明：首先,机械造穴可增大围岩的塑性区半径、煤层渗透率与孔隙率,扩大瓦斯抽采半径和影响范围,提高了煤层卸压增透效果,使抽采达标时间大幅缩短;其次,实施机械造穴工艺时,增加造穴长度对于增加瓦斯抽采有效影响范围优于增加造穴半径。该研究为煤矿井下现场实施机械造穴技术提供了科学依据。     

新元煤矿煤层机械造穴钻孔有效瓦斯抽采半径测定

为保障新元煤矿3号煤层钻孔瓦斯抽采效果，需要科学、合理地确定瓦斯抽采参数，而钻孔有效抽采半径是其重要的参数之一，直接关系到预抽钻孔布置和预抽时间的长短。采用残余流量法和初始流量法综合考察，确定了新元煤矿3号煤层机械造穴有效抽采半径。通过现场实测得出，采用残余流量法测试2组机械造穴有效抽采半径分别为3.5、4.0 m;采用初始流量法测定3号煤层在单孔抽出率为45.94%时，抽采60 d后，其机械造穴有效抽采半径为5.55 m。     

基于应力监测的煤层水力造穴效果检验技术研究

针对薛湖煤矿煤层瓦斯含量高、透气性低,存在瓦斯抽采工程量大、抽采时间长、钻孔抽采效果差、回采接续紧张等难题,通过布置应力监测仪,监测并分析薛湖煤矿25040机巷高瓦斯低渗透煤层水力造穴过程煤层应力演化规律,研究确定顺层线造穴有效影响半径及卸压增透范围。研究结果表明：顺层线造穴期间,距离钻孔越近,煤层应力变化越明显,距离钻孔越远,煤层应力越稳定|线造穴后,钻孔周围不同煤体的应力变化在时间和空间上均不同,距离钻孔越近,煤层应力变化越早,变化趋势越单一,变化幅度越大|距离钻孔越远,煤层应力变化越滞后,变化趋势越复杂,变化幅度越小|根据煤体应力变化可知,顺层线造穴有效影响半径为24m。研究结果对薛湖煤矿顺层线造穴安全高效的实施具有重要的指导作用。     

1302工作面瓦斯抽采水力造穴增透技术试验

基于李村煤矿煤层结构复杂、煤层松软、透气性低,存在本煤层瓦斯抽采效率低、难度大等问题,在1302 X作面进行了水力造穴增透技术试验。效果分析表明,采用水力造穴增透技术的单孔瓦斯抽采纯量是普通单孔的7.38倍。     

单一低渗煤层顺层钻孔水力化措施应用

余吾煤业主采3号煤层具有透气性差、较难抽采特点,顺层钻孔抽采瓦斯纯量较低,无法快速降低煤体瓦斯含量。为此余吾煤业开展了超高压水力割缝、水力造穴增透技术效果考察,得出钻孔经过超高压水力割缝、水力造穴后,单孔抽采效率得到了大大提升。同时对等效半径、纯量衰减情况、施工用时、安全系数等方面进行了全面对比,得出水力造穴效果优于超高压水力割缝。     

突出矿井复杂地质条件煤层群揭煤实践

为了安全揭穿复杂地质条件煤层群,先后尝试了迎头长距离钻孔预抽、顶板瓦斯治理巷下向穿层钻孔预抽以及水力扩孔增透、机械造穴增透等措施。实践表明,在揭煤区域顶板瓦斯治理巷施工下向穿层钻孔结合水力扩孔、机械造穴增透措施预抽,效果显著;抽采达标后最大残余瓦斯含量为4.50 m³/t,钻屑瓦斯解吸指标Δh_2max为100 Pa,成功揭穿3层煤层。     

掏穴扩孔技术在低透气性松软煤层中的应用

余吾煤业主采的3号煤层,属于低透气性松软煤层,为提高穿层钻孔抽采效率,在N2203底抽巷穿层钻孔中进行掏穴扩孔技术试验。通过使用掏穴钻头对钻孔煤孔段扩孔,增加钻孔直径,增加煤壁暴露面积,增大周围煤体裂隙,使煤体得到充分卸压,提高了煤层的透气性,从而增强了钻孔瓦斯抽放效果。通过考察掏穴钻孔抽采效果,得出掏穴钻孔抽采流量优于普通钻孔,同时流量衰减时间多于普通钻孔,提高了钻孔抽采效率。     

高瓦斯低渗煤层水力造穴增透技术优化研究北大核心

为解决高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采浓度低的问题,探究低渗煤层水力造穴过程中各特征参数变化对卸压效果的影响,开展了水力造穴特征参数优化试验。首先,通过单一因素试验研究了不同出煤量、造穴次数及孔间距对水力造穴效果的影响;其次,根据Box-Benhnken理论设计了17组试验,对结果进行方差分析并建立了合适的二次模型;然后,通过响应曲面进一步分析了3个影响因素对试验结果的显著性。最后,利用Design-Expert软件确定水力造穴特征参数最优组合为:单孔出煤量0.7 t,单孔造穴次数12次,孔间距8 m。选取潞安集团某矿进行现场工业性试验,通过对比同一位置试验造穴孔与普通造穴孔的瓦斯抽采浓度与瓦斯抽采量发现:试验孔瓦斯抽采量提高了3倍以上,瓦斯抽采浓度提高了2倍以上,达到了卸压的目的。     

本煤层分段水力造穴钻孔抽采半径考察试验研究

针对本煤层分段水力造穴钻孔抽采半径定义不明确、难以确定的问题,以古城煤矿3号煤层为背景,开展本煤层分段水力造穴钻孔抽采半径考察现场试验研究,结合不同试验钻孔的瓦斯抽采流量现场监测,运用瓦斯储量法考察了本煤层分段水力造穴钻孔和普通钻孔的抽采半径,获得了不同类型试验钻孔的抽采半径时变规律以及本煤层分段水力造穴对瓦斯抽采半径的扩大作用。结果表明:①在相同抽采时间内,前进式本煤层分段水力造穴钻孔和后退式本煤层分段水力造穴钻孔的抽采瓦斯纯量平均值分别是普通钻孔的3.08倍和3.79倍,抽采半径分别是普通钻孔的2.14～5.62倍和2.58～5.88倍,本煤层分段水力造穴钻孔能够显著提高钻孔瓦斯抽采纯量,有效扩大钻孔瓦斯抽采半径,且后退式本煤层分段水力造穴钻孔的扩大作用更加显著;②普通本煤层抽采钻孔和本煤层分段水力造穴钻孔的瓦斯抽采半径均具有时变特性,即抽采半径随着抽采时间的延长而相应扩大,并逐渐趋于某一极限值;抽采240 d后,普通钻孔的抽采半径基本达到极限,60 d内仅增长了0.01 m左右,钻孔瓦斯流量逐渐衰竭,而本煤层分段水力造穴钻孔的抽采半径仍能随时间延长而有效增长,瓦斯流量仍保持稳定,...     

穿层钻孔煤层段掏穴扩孔技术及应用

为提高低透气性煤层的预抽瓦斯效果,介绍了穿层钻孔煤层段掏穴扩孔卸压增透技术,运用数值模拟方法和现场实践相结合,分析了掏穴钻孔的增透增流机理。研究结果表明:对穿层钻孔煤层段掏穴扩孔后能排出大量煤体,钻孔周围煤体膨胀变形,煤体内地应力降低、裂隙增多、透气性大幅度提高,抽采影响半径可增大34.2%,瓦斯抽采浓度可提高2倍,瓦斯抽采纯流量可增大4-6倍。这一技术卸压增透效果明显,且施工简单,为矿井预抽煤层瓦斯提供了新途径。     

顺层钻孔机械造穴增透技术及现场应用研究

余吾煤业为高瓦斯矿井,主采3号煤层瓦斯吸附性强、透气性差,属于较难抽放煤层。本煤层顺层钻孔区域预抽是工作面瓦斯治理的根本措施,普通钻孔存在钻孔工程量大、瓦斯抽采效率低等问题,推广应用水力造穴增透技术后,抽采效果显著。为进一步提高钻孔抽采效率,余吾煤业公司开展机械式造穴增透技术,并在N2106回风巷顺层钻孔开展效果考察试验,机械造穴钻孔平均抽采纯量达0.053 m³/min,为普通钻孔的4～5倍。