突出煤层密集钻孔瓦斯预抽的数值试验

密集钻孔预抽瓦斯技术是一种防止煤与瓦斯突出的措施,为了提高预抽效率和合理布置钻孔,应用固气耦合RFPA2D-GAS数值试验系统,研究在不同煤层透气系数、钻孔间距、钻孔直径、煤层瓦斯含量系数和预抽时间等因素条件下,煤层瓦斯压力和抽采半径的变化规律。得出透气系数、钻孔直径越大,钻孔间距和瓦斯含量系数越小,煤层瓦斯压力下降幅度越大,抽采半径越大,达到消除煤层突出危险的瓦斯压力值所需的预抽时间越短;随着钻孔预抽时间的延长,瓦斯压力下降范围将扩大,抽采半径增加。并用工程实例进行了验证。     

基于定向长钻孔抽采瓦斯的数值模拟研究

针对新疆榆树田煤矿定向长钻孔预抽煤层瓦斯问题,结合5号煤层及顶底板岩层参数,建立了5号煤层瓦斯流固耦合随动渗流模型,分析了在一定的抽采负压和抽采时间下,定向长钻孔长度及钻孔间距对煤层瓦斯抽采量的影响。在抽采负压不变的情况下,瓦斯抽采总量会随着钻孔长度的增大而增大,但当钻孔长度增大到650 m左右时,瓦斯抽采总量趋于稳定,定向长钻孔合理长度定为650 m;钻孔间距越大,瓦斯抽采量越少,在钻孔间距从5 m增加到20 m的过程中,间距每增大5 m,抽采量约减少5%～7%。     

不同数量钻孔瓦斯抽采有效区域数值模拟分析

为了研究钻孔数量对煤层瓦斯压力及有效抽采区域的影响,采用三维数值模拟方法,计算并分析了单排不同数量钻孔抽采条件下煤层瓦斯压力及有效抽采区域的空间分布特征。结果表明:煤层瓦斯压力变化具有显著的时空响应特征,抽采初期钻孔数量对抽采半径之外的煤层瓦斯压力影响较小,但随抽采时间的增加,钻孔数量对其影响逐渐显现,抽采影响半径增大,瓦斯压力下降趋势加大;钻孔有效抽采区域空间分布形态及其范围受到钻孔数量与抽采时间的影响;有效抽采区域体积与抽采时间基本呈y=ax~b函数关系,且钻孔有效抽采区域体积与钻孔数量并未呈线性关系;在瓦斯抽采过程中钻孔之间会产生叠加效应,随抽采时间的增加叠加效应更加明显。     

近距离煤层群下行开采底板应力分布与瓦斯抽采技术研究

针对沙曲煤矿近距离突出危险煤层群开采的瓦斯防治难题，采用室内试验、数值模拟现场试验等研究手段对近距离煤层群下行开采底板应力分布特征与卸压范围及钻孔瓦斯抽采布置有进行分析。结果表明：煤层群各顶底板岩层物理、力学性质呈现不均匀分布，表现为岩层间横向性质相近，垂向岩性差异性较大的典型层状分布。其中，3号、4号、5号煤层间顶底板均为密度较大、内聚力较大、抗拉、抗压强度均较高的砂岩。4号煤层开采后采空区中部底板岩层一定范围内出现明显的垂直应力为0MPa的区域，底抽巷处在卸压区范围内，采空区中部下方底抽巷围岩垂直应力低于5MPa。底抽巷布置在距5号煤层14m处是合适的。工程实践表明，抽采半年后瓦斯压力由1.5MPa降至0.2MPa，平均抽采率维持在80%以上，采用底抽巷抽采瓦斯效果较佳。     

复合储层层间窜流对瓦斯抽采的影响机制研究北大核心

为了考察复合储层中围岩特性对穿层钻孔瓦斯抽采的影响,分析了煤层和岩层内瓦斯的渗流规律,基于建立的复合储层和单一储层瓦斯抽采流固耦合模型,模拟研究了不同倾角的穿层钻孔对复合储层和单一储层的瓦斯抽采效果,以及多钻孔耦合下的穿层钻孔瓦斯抽采效果。结果表明:相同钻孔抽采不同储层的煤层瓦斯时,复合储层比单一储层抽采瓦斯的抽采影响半径和有效半径大,抽采效果更好;不同倾角的钻孔对复合储层的瓦斯抽采影响不同,瓦斯抽采影响范围随夹角的增大呈降低趋势,层间窜流的影响也随之呈减弱趋势;在多钻孔耦合抽采下,复合储层中下部煤层的瓦斯压力明显低于单一储层中相同位置的瓦斯压力。     

采动条件下瓦斯抽采钻孔有效范围及瓦斯运移规律

为了确保矿井的安全抽采,分析了采动条件下瓦斯抽采钻孔有效范围及瓦斯运移规律,理论研究了含瓦斯煤体的有效应力控制方程及煤层瓦斯扩散控制方程,基于此,建立了COMSOL Multiphysics数值模型,分析了距离钻孔不同位置处煤层瓦斯压力分布、不同开采条件下单孔瓦斯抽采瓦斯压力分布以及不同钻孔布置瓦斯压力分布。研究为矿井抽采钻孔参数设计提供了借鉴。     

极薄煤层穿层钻孔抽采卸压瓦斯技术研究

针对小煤矿极薄煤层开采过程中工作面瓦斯超限频繁的问题,该文以四川白鹤煤矿为例,采用顶底板穿层钻孔技术进行了卸压瓦斯抽采试验,结果表明:顶板穿层钻孔抽采卸压瓦斯效果理想,瓦斯抽采率达到了33%;底板穿层钻孔抽采卸压瓦斯的单孔瓦斯流量较小,浓度较高。通过顶底板穿层钻孔对邻近层进行瓦斯抽采,工作面瓦斯超限问题得到了有效解决,保障了安全生产,为相似条件下的瓦斯抽采提供了依据。     

富水区域软煤层下向钻孔自动排水装置研究

富水松软煤岩层下向抽采钻孔渗水量较大,当前排水措施不能做到及时排水,影响钻孔瓦斯抽采效果,且积水易导致钻孔进一步塌孔使钻孔失效。为了解决此问题,研究一种富水区域软煤层下向钻孔自动排水装置。通过自动检测钻孔内积水深度,程序控制排水时机,避免钻孔长期处于浸水条件,同时通过压力控制排水深度可以有效避免软煤岩层钻孔小范围塌孔导致的排水管失效。该装置为富水条件下软弱煤岩层下向抽采钻孔排水保孔提供了一种新的技术手段,有利于提高煤层瓦斯抽采效率。     

近水平特厚煤层分层开采瓦斯含量立体分布规律分析

针对近水平特厚煤层分层开采工作面煤层厚度大、瓦斯含量高、抽采效果检验无法准确掌握整体抽采效果的问题,以白芨沟煤矿特厚煤层分层开采工作面为工程背景,通过研究特厚高变质无烟煤瓦斯赋存规律,在对现场不同抽采时期、不同层位煤层瓦斯含量进行大量、精准测定的基础上,开展了近水平特厚煤层分层开采瓦斯含量立体分布规律研究。结果表明:走向上,越靠近工作面开切眼,煤层残存瓦斯含量越高;倾向上,越靠近运输巷,煤层残存瓦斯含量越高;垂向上,沿厚度方向特厚煤层中部残存瓦斯含量较高,沿顶、底板方向残存瓦斯含量呈逐渐降低趋势。据此提出基于抽采条件下的特厚煤层残存瓦斯含量立体分布概念,构建了白芨沟煤矿特厚煤层区域立体抽采条件下不同层位煤层的残存瓦斯含量与抽采时间的关系模型,补充完善了矿井瓦斯地质管理体系,为指导抽采钻孔布置和确定抽采效果检验目标层提供了科学依据。     

煤矿井下梳状定向孔钻进技术研究与实践

针对现有松软煤层瓦斯抽采孔成孔性差、抽采距离短、抽采区域小等难题,采用梳状定向孔方法在松软煤层顶底板岩层施工长距离梳状钻孔,实现对松软煤层瓦斯远距离与区域抽采。根据梳状孔在松软煤层施工特点,合理选择梳状孔布孔形式,分析出在松软煤层顶底板岩层中施工梳状定向孔面临开分支、降低钻具摩擦阻力等技术难点。现场试验表明：采用控时连续滑钻实现梳状孔在岩层开分支,通过优化钻孔设计与高精度控制钻孔轨迹可有效降低钻具摩擦阻力,提高梳状孔施工安全性,可满足最大孔深大于500 m和岩层开分支施工要求。     

特殊地质条件封孔工艺的研究与应用

针对煤层松软、顶底板岩层裂隙发育、具有邻近煤层等特殊地质条件下钻孔封孔质量差、漏气严重而导致测压失败及抽采浓度及流量较低等问题,应用双聚氨酯-压力黏液封孔法,对封孔工艺进行改进,能有效密封围岩裂隙、提高封孔质量,并在东华集团公司北辰煤矿进行了对比试验。结果表明,采用新型封孔工艺可真实测出煤层原始瓦斯压力,有效提高了瓦斯抽采浓度及流量,保障了煤矿安全生产。     

基于COMSOL Multiphysics的超长钻孔瓦斯抽采数值模拟研究

利用COMSOL Multiphysics对马兰矿南5采区9#煤层采用的千米钻孔煤层预抽瓦斯来掩护集中回风巷掘进的工程,进行瓦斯抽采钻孔深度不同、抽采负压不同、抽采时间不同条件下瓦斯压力分布规律和抽采瓦斯总量的数值模拟研究。得出结论:瓦斯抽采初期,瓦斯抽采重点区域在径向距离较小以及钻孔较浅区域,随着抽采时间的增加,瓦斯抽采重点区域向径向距离较大以及钻孔深处转移;钻孔深度越大,瓦斯抽采难度越大,适当提高瓦斯抽采负压能够有效提高钻孔深处瓦斯抽采效率;抽采负压为13 k Pa,钻孔总深度为600 m时,抽采瓦斯有效时间为500 d左右;抽采负压为13 k Pa,钻孔总深度为700 m时,抽采瓦斯有效时间为600 d左右。     

含水岩层下向穿层钻孔瓦斯预抽技术研究

为解决地质构造复杂,煤层顶底板岩层含水条件下,下向瓦斯预抽受岩层水影响较严重的问题,提出一种注浆防水工艺和新型式的下向钻孔封孔技术。结合某实验矿井的地质情况,通过实验室研究和现场实验配制特效的注浆浆液,根据现场测定的注浆有效半径,合理布置注浆防水钻孔,并对下向抽采钻孔采用新型的封孔技术。通过瓦斯抽采效果对比分析,结果表明,岩层水所带来的不利影响得到较好地解决,封孔效果良好,抽采浓度和纯量均有很大幅度地提高。     

基于压降法确定本煤层钻孔有效抽采半径

本煤层瓦斯抽采中钻孔抽采半径是确定瓦斯抽采效果好坏的重要数据,为了测定七一新发煤业现行抽采条件下本煤层抽采钻孔的有效影响半径,在不同钻孔间距条件下采用压降法,根据瓦斯压力变化测定了抽采钻孔有效抽采半径。确定了七一新发煤业采用孔径94 mm的钻孔进行本煤层瓦斯抽采20 d时,有效影响半径为1.5 m,这与以往测试结果相符,这对该矿的瓦斯抽采及防治工作具有重要意义。     

基于多物理场耦合的顺层钻孔瓦斯抽采参数优化研究

为了揭示多物理场耦合作用下本煤层顺层钻孔瓦斯抽采渗流机制,建立了考虑Klinkenberg效应、有效应力和解吸收缩影响的流固耦合模型,运用该模型对本煤层顺层钻孔抽采参数进行优化。结果表明:抽采时间对有效抽采半径影响非常显著,钻孔抽采1 d时有效抽采半径为0.38 m,钻孔抽采10 d时有效抽采半径的范围仅增加1.55倍,抽采180 d时有效抽采半径的范围增加8.26倍;在高瓦斯压力区域,煤层钻孔周围煤体的孔隙率、渗透率呈现下降趋势,随着钻孔抽采影响程度的减小,煤基质解吸收缩效应逐渐加强,孔隙率、渗透率下降趋势逐渐缓慢,模拟结果与理论分析相吻合;随着抽采钻孔直径的增加,钻孔周围煤体的瓦斯压力降低范围逐渐增大,有效抽采半径与钻孔直径之间满足幂函数关系,在保证钻孔抽采效果的前提下,确定某矿29031工作面最合理的钻孔直径为94 mm。     

基于不同钻孔间距的瓦斯抽采效果实验研究

为了研究钻孔布置对瓦斯抽采效率的影响,采用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟实验系统,开展了不同钻孔间距条件下瓦斯抽采物理模拟实验研究,探讨了钻孔间距对瓦斯抽采效果的影响。结果表明：在抽采初期,各测点瓦斯压力下降速率和下降量主要受到离钻孔中心距离的影响,与测点距钻孔出口距离基本无关,在瓦斯抽采过程中,靠近钻孔中心位置的瓦斯压力梯度大,瓦斯流速也较大,断面瓦斯压力场中等压线以钻孔为中心呈圆环形分布|相邻钻孔之间产生的抽采叠加效应会影响有效抽采范围,钻孔间距越近,有效抽采范围越大,同时其有效抽采范围也随抽采时间呈指数型增长。     

煤层群底板穿层钻孔瓦斯抽采半径考察研究

为了准确测定煤层群底板穿层钻孔瓦斯抽采半径,提出采用钻孔瓦斯流量法+瓦斯含量降低法相结合的现场考察方法。基于穿层钻孔瓦斯抽采流量统计法推导得出有效抽采半径计算公式,并根据钻孔抽采影响范围内煤层瓦斯抽采率、残余瓦斯压力、残余瓦斯含量,以及工作面日产量等要求,综合分析确定计算公式中的残余瓦斯含量临界指标值。通过现场布置多组考察钻孔进行综合分析,得到石炭井焦煤公司3~#、4~#、5~#煤层的有效抽采半径,采用瓦斯含量降低法进行验证,最终确定煤层群底板穿层钻孔的抽采半径,为矿井煤层群底板穿层钻孔布置提供了依据。     

本煤层瓦斯抽放钻孔间距计算与分析

本煤层钻孔作为治理煤矿瓦斯的有效手段,对其影响范围的研究,对合理布置钻孔、高效抽采具有积极的意义。通过瓦斯运移模型,计算并分析了本煤层钻孔随时间、抽采负压变化,其影响范围的不同及相邻钻孔不同间距计算,得出随着时间延长煤层中孔隙压力趋于稳定值,抽出的瓦斯量随时间的延长减少;负压有利于瓦斯抽采,但不呈线性关系。     

近距离保护层采场瓦斯抽采技术

为了解决淮南矿业集团新庄孜煤矿62114保护层采场瓦斯问题,提出了Y型通风条件下近距离保护层采场瓦斯抽采新思路。在62114保护层采场实施了煤层底板运输巷上行网格式穿层钻孔抽采下被保护层卸压瓦斯技术;同时在62114保护层工作面回风巷(沿空留巷)实施了上行穿层钻孔抽采采空区顶板岩层间瓦斯,下行穿层钻孔抽采采空区底板岩层间瓦斯;并且对62114保护层工作面采空区瓦斯进行埋管预抽,配合高抽巷对采空区瓦斯进行抽采。现场应用表明:Y型通风条件下近距离保护层采场瓦斯抽采成功解决了62114保护层采场瓦斯问题,实现了煤与瓦斯共采。     

底板梳状钻孔在碎软煤层瓦斯治理中的应用

针对碎软煤层顺层钻孔成孔深度浅、成孔率低、存在抽采盲区等突出问题,基于贵州省青龙煤矿煤层及顶底板岩层赋存特征,提出利用底板梳状钻孔进行碎软煤层长距离、区域瓦斯抽采与治理。首先分析了底板梳状钻孔的施工工艺原理及技术优势所在,从布孔层位、分支点位和钻孔间距的选择等方面总结了底板梳状钻孔的设计原则。通过钻进装备的优选、钻进工艺参数和钻具组合的优化,成功穿越破碎煤岩层孔段,并实现了?127 mm套管全程护孔下放,在21605底抽巷施工完成了多组底板梳状定向钻孔。瓦斯抽采效果表明:底板梳状定向钻孔瓦斯抽采流量大、浓度高、衰减速度慢,单孔瓦斯抽采浓度60%～85%、抽采纯量0.8～2.5 m~3/min,实现了碎软煤层瓦斯高效抽采。为碎软煤层矿井区域瓦斯抽采与治理提供了重要的借鉴。