水力冲孔物理模拟试验及其卸压增透效果研究

为了研究水力冲孔卸压增透机理,以有效解决单一松软低渗煤层抽采困难的问题,利用自主研发的水力冲孔物理模拟试验系统,开展了不同转速条件下的水力冲孔试验,并对比冲孔前后煤层瓦斯抽采过程中瓦斯压力演化规律,分析冲孔作用对煤层瓦斯抽采达标范围的影响。研究结果表明:随冲孔转速提高,冲孔出煤量、冲孔孔洞等效半径及冲孔卸压半径增大,导致相同抽采时间条件下抽采达标范围增大;冲孔卸压半径在地应力较大的方向较大,在地应力较小的方向较小,冲孔卸压半径为冲孔孔洞等效半径的1.6~2.0倍;在冲孔卸压半径以内,抽采初期瓦斯压力下降速率明显提高,在冲孔卸压半径以外,抽采初期瓦斯压力下降速率影响不明显,抽采一段时间后,瓦斯压力下降速率明显提高;瓦斯抽采达标区域形状与冲孔卸压范围形状相似,在垂直于钻孔截面上近似为椭圆。     

水力冲孔孔洞周围煤体地应力和瓦斯时空演化规律

水力冲孔作为煤层卸压增透的强化措施,被大量应用于松软低透高突煤层。针对目前水力冲孔周围煤体多场分布演化规律不清、水力冲孔卸压半径等参数难以确定的问题,以河南梁北矿二1突出煤层为工程背景,利用自主研制的应力监测系统,结合现场瓦斯流量测试,开展了对水力冲孔实施区域地应力场和渗流场的同步监测,获得了冲孔孔洞周围煤体地应力场和瓦斯场的时空分布及演化规律。结果表明:①水力冲孔后孔洞周围煤体应力场存在动态演化过程,卸压区和应力集中区逐渐向外迁移,直到3 d后才基本趋于稳定;②应力趋于稳定后,距冲孔中心4 m内为应力卸压区,4～5 m为应力过渡区,超过5 m为应力集中区,卸压区半径是冲孔孔洞等效半径的10倍多;③距冲孔中心4 m以内区域裂隙场发育,渗透率和抽采孔瓦斯流量增加,但周围应力集中区的渗透率和钻孔瓦斯流量变得更低。研究结果为准确确定水力冲孔及瓦斯抽采参数、有效卸压增透和强化瓦斯抽采效果提供理论和实践依据。     

水力冲孔物理模拟试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统和旋转高压水冲孔物理模拟试验装置,开展不同冲孔转速下的水力冲孔物理模拟试验,对水力冲孔过程中的冲出煤量,冲孔后的孔洞形态及抽采过程中气体压力、流量等参数的动态演化规律进行探讨。结果表明:水力冲孔后的孔洞尺寸较大,横截面仍近似呈圆形,表面出现大小不一的槽缝,同时随着冲孔转速的提高,冲出煤量和冲孔后的孔洞等效半径整体呈增加趋势;水力冲孔后的瓦斯抽采与冲孔前相比,相同位置测点的气体压力下降速度更快,气体流量更大,卸压增透效果明显。     

突出煤层水力冲孔卸压增透效果数值模拟研究

为了探究水力冲孔技术对突出煤层的卸压增透效果,选取典型的严重突出煤层工作面作为对象,通过分析水力冲孔对煤层增透卸压的作用机理,进而再考虑有效应力及煤体基质收缩综合作用,引起渗透率动态演化的条件下,构建了煤层瓦斯流动的气固耦合模型,利用COMSOL-Multiphysics数值模拟软件对该矿条件下水力冲孔的增透卸压的影响范围进行模拟。得到了不同冲出煤量情况下煤层瓦斯压力及地应力的分布与变化,从而确定了水力冲孔在不同出煤量时的有效半径和影响半径。     

冲煤率对煤层卸压增透及瓦斯抽采的影响规律研究

合理确定水力冲孔冲煤率,是保障水力冲孔措施取得良好卸压增透效果的关键,对指导不同煤层瓦斯赋存条件下,煤层瓦斯在规定预抽期内实现抽采达标具有重要意义。根据孟津煤矿的煤层瓦斯地质条件,运用数值模拟和现场试验的手段,研究了冲煤率对煤层卸压增透及瓦斯抽采效果的影响规律。结果表明：水力冲孔技术能够有效提高钻孔周围煤体的卸压范围,且随着冲煤率的增大,钻孔间煤体所处的应力状态,由邻近钻孔煤体处于卸压区、中部煤体处于增压区,逐渐过渡至两钻孔间所有煤体均处于卸压区。水力冲孔冲煤率越高,钻孔间煤体的卸压程度越大,引起煤体渗透率呈数量级的增大,邻近钻孔煤体的渗透率增大了上千倍,从而造成了抽采后煤层瓦斯含量的降低幅度越大,煤层瓦斯的预抽效果越好。应根据煤层的瓦斯赋存条件,选择合理水力冲孔冲煤率的煤层瓦斯预抽方案,对于厚煤区和瓦斯富集区,应加大水力冲孔冲煤率。采用预抽—水力冲孔—2次抽采的工序,可降低冲孔前钻孔周围煤体的瓦斯含量和瓦斯压力,使得水力冲孔期间钻孔发生喷孔的次数及强度显著降低,利于防治水力冲孔时发生喷孔及瓦斯的异常涌出。预抽时间越长,煤层的残余瓦斯含量越低,但随着抽采时长的增大,煤层残余瓦斯含量的降...     

鹤壁南部矿区突出煤层水力冲孔卸压增透影响半径试验研究

水力冲孔工作目的是对煤层进行动力扰动,释放煤层应力,加速瓦斯的解析运移,增强瓦斯抽采效果。确定钻孔的合理间距及水力冲孔影响范围,是确保瓦斯抽采效果必须考虑的重环节。为合理确定鹤壁南部矿区水力冲孔钻孔布局,优化穿层钻孔布置,减少无效钻孔施工量,采用负压法对水力冲孔卸压增透影响范围进行了试验测定。试验结果表明,鹤壁南部矿区水力冲孔卸压增透影响半径为4～5 m。该结论对今后实施水力冲孔卸压增透钻孔参数设计具有一定的参考作用。     

水力冲孔钻孔周围煤层透气性变化规律

为了研究水力冲孔钻孔周围煤层透气性变化及分布规律,基于煤层实际赋存条件,采用压力法和含量法对水力冲孔卸压范围进行了现场试验考察。采用RFPA2D-Flow软件模拟分析了水力冲孔钻孔周围煤体应力及透气性变化规律。结果表明：受水力冲孔的影响,孔洞周围形成了半径为5.0~6.0 m的卸压范围,卸压范围内应力在0.038~6.545 MPa之间,在距被考察孔6.8 m处,出现应力集中现象,最大主应力为15.85 MPa,与现场考察结果基本一致。孔洞周围煤层透气性的分布规律与主应力变化趋势相一致。距卸压区域距离不同,煤体最大主应力不同,越靠近孔洞的区域,应力和瓦斯压力下降幅度越大,煤层透气性系数也就越大。     

水力冲孔煤层瓦斯分区排放的形成机理研究

为了探究水力冲孔之后煤层中瓦斯的分布规律,基于潘三矿13-1煤层的赋存条件,介绍了水力冲孔后瓦斯压力考察的现场试验。并结合RFPA 2D -Flow软件模拟水力冲孔后煤层裂隙发育的过程,研究了水力冲孔对煤层地应力和瓦斯压力分布的影响。结果表明：水力冲孔卸压增透就是在冲孔孔洞周围煤体重新构建不稳定平衡状态的过程;水力冲孔之后会在孔洞周围由近及远依次形成瓦斯充分排放区、瓦斯排放区、瓦斯压力过渡区和原始瓦斯压力区;在冲孔的卸压增透区域会经历应力升高、裂隙发育、应力快速释放和恢复平衡的过程。     

水力冲孔消突措施试验研究

针对淮南矿区埋深大、透气性低及高地应力的煤层赋存状态,为了解决石门揭煤过程中的煤与瓦斯突出问题,在谢桥等5个矿试验了水力冲孔技术,通过排出部分煤体和瓦斯,对煤体增透卸压,从而实现快速、安全的揭煤。研制了水力冲孔专用PZCK-C-*系列喷头,优化了水力冲孔工艺和技术参数,模拟对比了冲孔前后钻孔周围的应力变化。试验结果表明,在钻孔冲出煤量达到1.0～2.5 t/m时,其冲孔影响半径可以达到5.5～9.0 m,煤层透气性系数增大了70%～370%,实施水力冲孔后,冲孔控制区域的煤体得到卸压,透气性增大,突出潜能和瓦斯热力学能得到释放,快速消除了石门揭煤工作面的突出危险性。     

水力冲孔影响范围数值模拟研究与应用

针对某矿为了解决"三软"低透气性突出煤层抽采困难,采用水力冲孔卸压增透强化抽采措施时遇到的影响范围难以确定的问题,通过分析水力冲孔作用机理,运用瓦斯流动理论与方法建立钻孔周围流固耦合模型;利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件对水力冲孔的卸压增透范围进行模拟,采用现场试验的方法对数值模拟结果进行考察,验证了数值模拟的正确性。     

水力冲孔造穴增透机制及应用研究

为研究水力冲孔造穴技术的卸压增透机制,利用受载煤体全应力—应变曲线,建立受载煤体渗透率演化模型,结合Comsol Multiphysics多物理场数值模拟软件,验证了水力冲孔造穴对煤体卸压增透的有效性。结果表明:水力冲孔造穴技术在形成半径为0.60 m的空洞后,在钻孔周围煤体内形成了半径为1.34 m的瓦斯渗透率增高区。该技术在焦煤集团九里山矿井下16051运输底抽巷开展试验,通过对普通钻区和冲孔造穴区的瓦斯抽采数据进行对比,可以看出:采取水力冲孔造穴措施后,抽采钻孔的瓦斯浓度提高了0.77倍,瓦斯抽采纯量提高了1.51倍,该措施有效地提高了煤层瓦斯抽采效率,减少了安全事故,保证了工作面的安全回采。     

告成煤矿水力冲孔技术应用研究

针对煤矿低透气松软的严重突出煤层,结合告成煤矿工作面水力冲孔工程。利用RFPA2D-Flow软件模拟分析出了水力冲孔过后钻孔周围煤体瓦斯场的变化情况,结果与现场试验的数据基本相符,即在采用水力冲孔措施后的钻孔周围煤体较大范围内得到卸压增透。     

斜沟矿水力冲孔卸压增透技术研究及其应用

斜沟煤矿煤层透气性系数低,为了更好地抽采煤层瓦斯,以该矿8#煤层18250工作面为研究对象,通过理论计算、数值模拟和现场实验的方法对水力冲孔增透技术进行研究。结果表明:水力冲孔技术在不同的造穴半径下对孔穴周围的应力分布是不一样的。随着水力冲孔造穴半径的增大,周围不断出现应力集中现象,半径增大,轴向应力不断增大,最终应力集中区连在一起,最大水平应力可达1. 53 MPa,卸压半径为5 m.现场试验表明:本煤层进行水力冲孔处理后瓦斯平均抽采浓度较未经水力冲孔处理的瓦斯抽采浓度提高约3. 4倍,抽采纯量提高为10倍。因此,水力冲孔措施可以有效的对该矿煤层进行增透,达到良好的透气性,改善瓦斯抽采效果。     

煤层底板穿层钻孔水力冲孔技术的应用及效果考察

采用底抽巷穿层钻孔水力冲孔卸压增透措施,可以有效增强煤层的透气性、扩大抽采半径和提高瓦斯抽采效果。基于水力冲孔卸压增透原理,对郑州矿区振兴二矿突出煤层实施底板穿层水力冲孔,考察水力冲孔前后瓦斯抽放浓度、煤层透气性和瓦斯流量衰减系数等的变化。试验结果表明:单孔平均瓦斯抽放浓度在水力冲孔后为11.02%,较未采取增透措施时的2.14%,提高了4倍;煤层透气性系数在采取措施后提高了39倍;瓦斯流量衰减系数则减小了近3倍。同时运用压力法测得该矿水力冲孔有效抽放半径为10 m。     

水力冲孔压裂卸压增透抽采瓦斯技术研究

为了提升煤层瓦斯抽采效率,减少矿井瓦斯抽采工程量和抽采时间,讨论了水力冲压卸压增透机制,详细阐述了水力冲压卸压增透技术的工程实施模式,并将该技术应用于贵州新田煤矿煤巷条带瓦斯治理工作中,监测技术实施前后钻孔瓦斯抽采参数,数据分析结果表明:水力冲孔孔洞最大半径在0.23～0.72 m,水力压裂时的煤层破裂压力在13～26 MPa,冲孔后的平均瓦斯抽采体积分数提高了35%左右、瓦斯抽采纯量提高了1.1～5.0倍,冲压一体化作业后,钻场抽采浓度相较于冲孔后提高了0.8倍以上,钻场抽采纯量再次提高了3～5倍,卸压增透效果较为显著。工程试验结果证明水力冲压卸压增透技术能够实现煤层卸压增透,大幅提升煤层瓦斯抽采效率,对矿井安全高效生产有着重要的工程意义。     

近距离突出煤层群水力冲孔卸压瓦斯抽采及效果评价研究

为高效评价近距离突出煤层群水力冲孔卸压瓦斯抽采效果,基于弹性力学、渗流力学和Klinkenberg效应等理论,建立了包含煤岩变形、瓦斯运移、孔隙率和渗透率演化数学方程的低透气性含瓦斯煤气固耦合模型,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件模拟分析了近距离突出煤层群水力冲孔钻孔周围煤体瓦斯压力与孔径之间的时...     

碎软低渗煤层水力冲孔影响范围的数值模拟

水力冲孔是一种适用于碎软低透煤层的卸压增透强化瓦斯抽采技术。冲孔的有效影响范围决定着合理钻孔的布置参数,而合理的钻孔布置参数是保障煤层瓦斯高效抽采的前提。为了提升瓦斯抽采效果,针对某矿碎软低渗煤层采用水力冲孔措施时遇到的影响半径难以确定的问题,基于瓦斯煤体变形及瓦斯渗流理论,通过COMSOL-Multiphysics数值模拟的方法建立钻孔瓦斯抽采流固耦合模型,研究不同抽采时间条件下不同破煤量对有效影响范围的影响。研究结果表明,在相同的抽采时间条件下,经水力冲孔改造后的钻孔抽采有效影响范围相比原始钻孔有效影响范围有显著提升,并且随着破煤量的增加,抽采有效影响范围逐渐增大。通过现场实测法对水力冲孔有效影响半径进行现场考察,实测结果与模拟结果基本一致,验证了水力冲孔措施具有良好的卸压增透效果。     

受采动影响煤层水力冲孔增透技术试验研究

以张集矿北区为研究对象,介绍了在保护层开采后未及时进行瓦斯抽采,煤岩体重新压实条件下水力冲孔的现场试验过程,并与仅进行保护层开采的卸压增透和在未受采动影响的实体煤层中进行水力冲孔的卸压增透现场试验效果进行了对比。结果表明,在受采动影响的煤层中进行水力冲孔,对煤层进行二次卸压,可使水力冲孔的有效抽采半径增大到16 m,使瓦斯抽采率提高到46%,并且在受采动影响的煤层中进行水力冲孔可降低水射流的破煤压力。     

潘三矿13-1煤层水力冲孔试验研究

为考察潘三矿13-1突出煤层水力冲孔技术措施的消突效果,基于13-1煤层的赋存条件,介绍了潘三矿-650 m东四运输大巷利用穿层钻孔进行水力冲孔试验的过程,研究了水力冲孔的冲出煤量、风流中瓦斯浓度、考察孔瓦斯流量、瓦斯抽采半径和冲孔前后瓦斯抽采流量变化等5个方面。结果表明:在单孔每米冲出煤量达到2.0~3.0 t时,13-1煤层瓦斯抽采半径达到4.5 m,考察孔瓦斯流量为冲孔前的10倍以上,瓦斯流量衰减系数仅为冲孔前的30%,在冲孔控制区域内煤体得到卸压,煤层瓦斯含量降低了近70%,释放了煤层的突出潜能,取得了明显的卸压增透效果。     

底板巷水力冲孔卸压增透技术的研究与应用

为了考察底板巷水力冲孔卸压增透技术对增加煤层透气性,提高瓦斯抽采效果,在浦溪井1259(3)底板巷实施水力冲孔卸压增透技术试验.结果表明:水力冲孔卸压增透半径达到4～5m,为普通钻孔抽采影响半径的1.6～2.0倍;采取水力冲孔措施的半个月内,钻孔的平均瓦斯抽采浓度是普通钻孔的2.77倍,平均瓦斯流量是普通钻孔的3.43倍,卸压增透效果比较明显,提高了煤层透气性,降低了突出危险性.