“三软”煤层水力冲孔与压裂耦合致裂增透技术

通过数值模拟软件分析和现场工程试验等手段,研究了水力冲孔与压裂耦合致裂增透技术对豫西"三软"煤层煤体位移、应力分布、渗透率的影响。研究结果表明,水力冲孔与压裂耦合致裂增透技术可以使水力冲孔泄煤钻孔间煤体应力降低20%以上、渗透率提高35%以上;告成矿23041下副巷(北)揭煤工作面穿层钻孔平均抽采浓度较相同瓦斯地质条件提高4.3倍,日平均抽采纯瓦斯量较相同瓦斯地质条件提高6.7倍,研究成果可推广应用于郑州矿区底板岩巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施。     

采动煤层渗透率演化与卸压瓦斯抽放技术

为解决煤层渗透性低这一制约瓦斯抽采技术发展的瓶颈,进行了采动影响下煤层瓦斯渗透率示踪试验,获得了采动煤层瓦斯渗透率演化规律。基于应力-渗流耦合效应,采用数值试验方法,探讨了钻孔布置位置对瓦斯抽采效果的影响。结果表明：钻孔布置于渗透率较高区域,瓦斯压力降低幅度相对较大,抽采效果较好;距离工作面小于5 m为最佳钻孔拆除时间,有利于改善工作面安全状态。     

地质构造带下快速揭煤实践

赵固二矿主采二1煤层,该煤层具有煤与瓦斯突出危险性.为了防止石门揭煤瓦斯突出,揭煤工期一般需要6～7个月甚至十几个月的时闻抽放,才能解除石门揭煤工作面的突出危险性,严重影响了矿井和采区的顺利接替.通过选择合理的预留岩柱厚度、瓦斯抽放钻孔布置方式及其参数,实现了快速揭煤,为煤与瓦斯突出煤层石门快速揭煤积累了经验.     

石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术研究

为了解决西南地区煤矿特殊复杂地质条件下石门揭煤瓦斯抽采布孔空间小、钻孔深度较长、难以保证打钻到位及封孔困难的问题,提出了石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯消突方法,通过立体式、全覆盖钻孔布置方式,同时采用钻孔全程下套管,"两堵一注"水泥带压封孔瓦斯抽采技术,防止揭煤区域出现瓦斯抽采空白带,有效降低揭煤区域前方煤层瓦斯含量和瓦斯压力。工程试验结果表明:通过采用多方位立体式预抽瓦斯消突方法,揭煤区域煤体连续45 d抽采,累计抽采瓦斯量329 776.46 m3,瓦斯预抽率达70%,残余瓦斯含量和残余瓦斯压力分别降低为5.800 8 m3/t和0.25MPa;与抽采之前对比,分别下降了69%和79%,有效地治理了煤与瓦斯突出灾害,保障了石门揭煤安全。     

瓦斯压力和应力对裂隙影响下的渗透率模型研究

煤层的渗透率演化对研究矿井瓦斯抽采、煤层气开采及钻孔优化布置起到至关重要的作用。为了研究瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合作用对煤岩渗透率演化模型的影响,基于应变,探讨了瓦斯压力和应力作用对煤体裂隙变形和渗透率的影响,构建了基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率理论模型,并结合前人的试验数据,对建立的基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率模型进行了对比验证。研究结果表明:①将煤体的结构单元体简化为立方体模型,分别分析了瓦斯压力引起的裂隙变形与煤体基质吸附变形引起的裂隙变形对煤体渗透率的影响;基于煤岩裂隙宽度与渗透率的关系,推导了瓦斯压力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。②侧向应力对裂隙变形的影响与煤体吸附所引起的内膨胀变形相似,均通过改变煤体骨架向裂隙内部膨胀来影响煤体裂隙的变形;通过试验数据验证了侧向应力和法向应力对煤体渗透率的影响机理相同,构建了三向应力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。③结合前人的试验数据,进行了全局优化非线性拟合,与基于有效应力的模型相比,所构建的模型与试验数据吻合度较好,验证了所建立模型的可靠性,并发现裂隙对法向应力的敏感性远大于侧向应力。     

松软低渗突出煤层水力冲孔卸压增透研究

针对松软低渗突出煤层瓦斯治理难题,提出水力冲孔物理改性强化增渗瓦斯治理技术。采用理论计算、FLAC3D数值模拟方法对不同钻孔间距条件下孔洞周围煤体的塑性破坏特征进行了分析,对应力演化特征进行了量化表征。研究表明：水力冲孔后孔洞间煤体x向应力明显降低,距离孔洞越近,降低幅度越大;y向应力影响范围与塑性破坏区域范围相当;z向应力峰值应力出现了明显的升高,随着钻孔间距的减小,垂直应力曲线由双峰曲线演化为单峰曲线;孔洞空间为煤体卸压提供了自由面,能够卸除围压,集中应力向孔洞间煤体转移。其后,基于瓦斯煤体渗透率与三向应力和瓦斯压力之间的关系,对不同钻孔间距条件下渗透率演化特征进行了量化表征,孔洞周围煤体渗透率与原始煤体相比大幅提高,促进瓦斯解吸和流动,并确定了合理的钻孔布置间距。现场试验表明：水力冲孔增大了松软煤体暴露面积、为煤体提供卸压增透空间,高负压抽采支管瓦斯流量和浓度明显提升,考察评价单元瓦斯抽采纯量在6.20～9.8 m3/min范围内波动,瓦斯抽采体积分数在34%以上。     

采用顺煤层定向钻孔措施进行石门揭煤的实践

针对张集矿井下巷道布置及石门揭煤地点煤层赋存条件，改变传统的通 过石门打排放 瓦斯钻孔的局部防突措施，采用顺煤层倾斜方向布置定向超前排放瓦斯钻孔措施，缩短了石 门揭煤时间，安全揭开了突出煤层。     

超前钻孔有效排放半径测定方法探讨

施工瓦斯排放钻孔是突出煤层消除突出危险的有效途径,而钻孔有效半径是指导瓦斯排放钻孔设计的依据.运用瓦斯压力法测定钻孔排放有效半径,为石门揭煤超前钻孔的布置提供了科学依据,提高了防突措施的有效性.     

顺层平行钻孔预抽回采区域煤层瓦斯数值模拟

为了得到采取顺层长钻孔措施和顺层交错钻孔措施的瓦斯抽放效果,建立了顺层平行钻孔预抽煤层瓦斯数学模型,并采用有限体积法模拟计算出不同时刻钻孔周围煤体瓦斯压力分布与钻孔累计抽放瓦斯量。模拟结果表明,合理的顺层单向钻孔和顺层交错钻孔布置,对于预抽回采区域煤层瓦斯均取得良好效果;顺层钻孔抽放瓦斯效果与煤层渗透率、煤层原始瓦斯压力及煤层钻孔布置密切相关。     

石门揭穿严重突出危险煤层防突技术研究

为了解决由于松藻矿区地质条件复杂,煤层透气性系数低,地质构造带揭煤地点的地应力、构造应力、瓦斯压力大而导致揭煤时突出危险性增加,揭煤周期长的问题,提出采用超前探测、预测预报、高压水力割缝增透、底板瓦斯巷超前预抽、环形金属骨架钻孔注浆、锚网锚索喷浆加强支护、渐近式的综合石门揭煤技术,并在渝阳煤矿进行了应用。结果表明：采用综合石门揭煤技术瓦斯平均抽采浓度比未割缝钻孔平均抽采浓度提高59%,高压水力割缝后单孔平均抽采纯量增大2.92倍,揭煤时间缩短了17 d。     

基于流固耦合模型的穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究

为研究钻孔瓦斯抽采渗流规律,为钻孔合理布置提供依据,提出了考虑气-水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在多孔介质的有效应力原理基础上,考虑瓦斯吸附/解吸产生的应力,推导出煤体应力-应变本构关系;分析水和瓦斯运移的气-水两相流过程,以相对渗透率为桥梁,给出水渗流方程和考虑Klinkenberg效应的瓦斯渗流方程;构建作为耦合项的煤层孔隙率和渗透率动态演化方程,结合成庄矿4321工作面进行数值模拟。结果表明:成庄矿4321底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采预抽期定为90 d是合理的,抽采过程中瓦斯渗流速度具有阶段性,增大抽采负压对抽采效果影响不明显;穿层钻孔布置方式为终孔间距9 m,钻场间距9 m。工程实践表明,测得的煤层瓦斯压力变化情况与数值模拟结果基本吻合,抽采后煤层瓦斯含量为6.46~7.67 m~3/t,43212巷瓦斯浓度降低了37%,抽采效果良好。     

百米钻孔瓦斯流量数值模拟研究及应用

百米钻孔瓦斯流量是瓦斯抽采工程一项重要指标,目前这项指标只能从现场测得。为了指导瓦斯抽采设计,基于瓦斯渗流理论对瓦斯抽采中瓦斯含量数值模拟,利用数值积分和曲线拟合求得百米钻孔瓦斯流量的表达式。依据焦作演马庄矿27131工作面煤层瓦斯参数,研究了抽采负压、钻孔布置方式以及渗透率对百米钻孔瓦斯流量的影响并与现场实测值进行对比。结果表明:抽采负压对百米钻孔瓦斯流量影响很小;渗透率对百米钻孔瓦斯流量有显著影响,渗透率越大初始流量越大;钻孔的布置数量对钻孔流量有明显影响,钻孔数量越多初始流量越低。     

基于各向异性单孔瓦斯抽采数值模拟研究

针对煤层的各向异性单孔瓦斯抽采进行数值模拟研究,结果表明:沿钻孔的半径方向,瓦斯压力逐渐增高;对于各向异性煤层进行瓦斯抽采时,钻孔周围的瓦斯压力等值线为椭圆,椭圆的长轴为渗透率较大的方向,椭圆的短轴为渗透率较小的方向;瓦斯抽采影响半径与时间满足幂指数的函数关系,渗透率对瓦斯的抽采有效影响半径较大。研究结果为合理布置煤层瓦斯抽采钻孔提供理论支撑。     

严重突出煤层石门快速揭煤实践

焦作矿区主采二1煤层 ,属严重的突出危险性煤层。多年来 ,石门揭煤突出一直威胁着矿井的安全生产和职工的生命安全。为了防治石门揭煤瓦斯突出 ,揭煤工期一般要 6～ 7个月 ,甚至十几个月的时间抽放 ,才能解除石门揭煤工作面的突出危险性 ,严重影响了矿井和采区的顺利接替 ,通过选择合理的预留岩柱厚度、瓦斯抽放钻孔布置方式及其参数 ,实现了快速揭煤 ,为严重煤与瓦斯突出煤层的石门快速揭煤积累了经验     

高瓦斯煤层底抽+冲孔协同石门揭煤技术

针对贵州矿区新田煤矿瓦斯治理存在的一些问题,如抽采钻孔浓度低、流量衰减快,抽采达标时间长,不能有效解决高效抽采瓦斯,直接造成矿井瓦斯抽采率低下,"抽、采、掘"比例失衡,通过采用底抽+冲孔协同石门揭煤技术,增大了煤层渗透率,扩大了钻孔抽采有效影响范围,提高了煤层瓦斯抽采效率,缩短了石门揭煤时间,缓解了新田煤矿抽、采、掘接替紧张局面。     

煤与瓦斯共采钻孔增透半径理论分析与应用

在煤与瓦斯共采时,受采动加、卸载应力影响,瓦斯抽采钻孔围岩塑性区内煤体会产生大量裂隙,增大了瓦斯的渗透率,形成瓦斯增透圈,增透圈半径的大小直接影响瓦斯的抽采效果。以钻孔围岩"蝶形塑性区"理论为基础,建立了钻孔塑性区与瓦斯增透圈模型,首次推导出了钻孔增透圈半径解析式。深入分析了钻孔增透半径影响因素发现:增透半径与钻孔半径成线性正比例关系,与最小围压和围压比值呈类指数增长关系,与岩石黏聚力和内摩擦角呈负指数变化关系;其中最小围压与围压比值是影响增透半径的关键因素,深部开采与高围压比值是形成大尺寸有效增透圈的必要和充分条件。这一理论为煤与瓦斯共采中瓦斯抽采钻孔间距设计、位置选择、方向确定、采场与钻孔布置在时间和空间上关系协调提供了科学依据。     

卸压开采下瓦斯抽采方法和钻孔布置研究

为了研究卸压开采下瓦斯抽采方法和钻孔布置,理论分析了下被保护层瓦斯汇集和流动特征及裂隙发育规律,采用FLAC~(3D)数值模拟软件,研究了工作面底板煤岩体应力状态分析、瓦斯抽采钻孔布置情况以及工作面推进关系与瓦斯抽采量、底板巷瓦斯抽采纯量的关系。研究得出,卸压瓦斯抽采量得到了大幅度的提升,底板巷瓦斯抽采也得到了大幅度的增长。     

卸压开采下瓦斯抽采方法和钻孔布置研究

为了研究卸压开采下瓦斯抽采方法和钻孔布置,理论分析了下被保护层瓦斯汇集和流动特征及裂隙发育规律,采用FLAC^3D数值模拟软件,研究了工作面底板煤岩体应力状态分析、瓦斯抽采钻孔布置情况以及工作面推进关系与瓦斯抽采量、底板巷瓦斯抽采纯量的关系。研究得出,卸压瓦斯抽采量得到了大幅度的提升,底板巷瓦斯抽采也得到了大幅度的增长。     

多级加卸载下层理裂隙煤体瓦斯渗流轴向效应及应用

为了获取工作面采动影响下煤体平行层理及垂直层理裂隙方向的瓦斯渗流规律,采用真三轴瓦斯渗透实验装置对层理裂隙煤样进行多级加卸载路径下轴向瓦斯渗流实验。实验表明:煤样在多级加载过程中经历压实、弹性变形和塑性变形3个阶段,2个轴向的瓦斯渗透率均随应力的增加而降低;卸载过程中,2个轴向的瓦斯渗透率均有部分恢复;加卸载下平行层理x轴向的瓦斯渗透率始终大于垂直层理y轴向。实践中在回采工作面前方布置了垂直层理和平行层理方向的2种钻孔考察瓦斯抽采量。实践表明:加卸载条件下层理裂隙煤样2个轴向的瓦斯渗透特性能真实反映受采动影响的煤体内瓦斯渗透规律;但煤样的加卸载过程不完全等同于回采工作面煤层应力"三区"变化过程,回采工作面充分卸压后的煤体各向渗透率均有较大提高。     

万峰矿采煤工作面两种钻孔抽放效果对比研究

合理的钻孔布置方式能够提高瓦斯抽放效率、减少工程成本。以万峰矿的地质和瓦斯资料为基础,根据构造曲率的基本原理,结合井下煤体结构观察及部分渗透率测试,得出万峰矿1103工作面构造曲率与渗透率的关系,据此划分出高、中、低渗透区域。根据渗透性大小,对该矿常用的平行钻孔和扇形钻孔进行了设计和对比。对比结果表明:该工作面使用平行钻孔进行瓦斯抽放,既可以提高抽放效率,又能减少工程成本,抽放效果较好。