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。     

水力冲孔有效影响半径数值模拟

根据力学平衡方程和质量守恒定律及煤层渗透率、孔隙率、煤岩体积应变等参数的关系,建立了煤层底板巷水力冲孔气固耦合方程。通过模拟不同出煤量的水力冲孔有效影响半径变化,得出水力冲孔有效影响半径随冲出煤量和抽放时间的增加而增加。当冲出煤量为1 t/m时,有效影响半径为5.8 m,卸压增透效果十分理想。     

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。     

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。     

掘进面水力冲孔有效半径数值模拟研究

针对掘进面水力冲孔局部消突时钻孔有效半径和影响范围的不确定,以流体力学为理论基础,以现场实际地质条件和基础参数为依据,运用ANSYS fluent软件分别对其单孔和多孔条件下水力冲孔有效半径进行模拟研究,通过观察钻孔周围瓦斯浓度、孔洞口压力和速度对冲孔有效半径进行分析。研究结果表明:单孔条件下,水力冲孔有效影响半径为2~4m,单孔出煤量为1t/m比较合适;多孔条件下,水力冲孔有效影ff响半径为4~6m。在出煤量为1t/m情况下,孔间距为11.4m时,有效影响半径比单孔有效影响半径提高了78.1%;为了避免出现瓦斯空白带,布孔间距为8.06m。其结果为后期冲孔时钻孔布置提供了一定的参考。     

水力冲孔防突技术研究进展与现场应用

水力冲孔技术由于其具有较简单的布置工艺、措施实施时间短、安全性较高、防突效果好的优点,得到了较广的研究与应用。其中,数值模拟方法具有成本低、时间短、煤层内部应力、应变能直观观察等优点,也广泛用于水力冲孔研究中。目前数值模拟方法研究缺乏系统性,研究现状缺乏总结,也缺少对存在问题的整体把握。通过总结归纳水力冲孔数值模拟研究的相关进展,找出目前存在的问题,并提出未来的发展方向,并在此基础上,实地进行水力冲孔的现场应用,得到了较好的效果。     

底板岩巷水力冲孔防止煤与瓦斯突出的数值模拟

通过建立实体模型,运用FLAC3D软件对水力冲孔进行数值模拟,结果显示水力冲孔使应力峰值向深部转移,并且使煤体得到卸压;通过对不同孔径、不同埋深、不同煤层厚度进行冲孔模拟,并对这些不同条件下的垂直应力及位移分布规律进行了分析总结。     

低透气性煤层水力冲孔数值模拟与应用

基于瓦斯煤体变形及瓦斯渗流理论,建立应力-渗流耦合模型,通过COMSOL软件进行模拟,得出水力冲孔作用后孔洞周边渗透率及瓦斯抽采半径,确定不同冲煤量的布孔参数。并通过张集矿试验得出水力冲孔措施较好地释放孔洞周边应力集中,增加了煤层渗透率,提高瓦斯抽采效果。     

“三软”煤层穿层水力冲孔增透技术研究

为提高“三软”煤层水力冲孔增透效果,分析了“三软”煤层水力冲孔增透原理及技术难点,提出了穿层水力冲孔增透技术,并对冲孔设备优选、施工流程、排渣技术、煤水分离技术、护孔及封孔技术等关键环节进行了研究。以孟津矿二₁煤层为例,进行了穿层钻孔水力冲孔增透试验,并考察了效果。结果表明：冲孔后钻孔直径扩大了7.14～11.40倍,单孔冲煤量在6.3～14.4 t之间,冲孔影响范围内煤层瓦斯压力降低了56.25%,瓦斯含量降低了37.79%,煤层透气性系数增大了57.29倍,与普通钻孔对比,单孔平均瓦斯抽采纯流量提高了17.50～43.75倍,瓦斯抽采体积百分数提高了1.78～2.83倍,为“三软”煤层瓦斯治理提供了关键技术支持。     

水力冲孔有效影响半径数值模拟及现场应用

为了确定2107底抽巷水力冲孔有效影响半径,利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立水力冲孔模型,模拟分析不同冲煤量情况下水力冲孔周围瓦斯压力变化规律,结果表明:随冲煤量的增加,水力冲孔后瓦斯抽采效果越为显著。采用压降法对该矿冲煤量1.0 t/m的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,说明了水力冲孔卸压增透效果显著。     

松软低透煤层随钻水力冲孔钻具研制与应用

针对现有水力冲孔钻具在松软低透煤层造穴施工中存在需2次下钻、劳动强度大、施工效率低、钻杆密封性不好等问题,研制了随钻型水力冲孔钻具,实现了只需下入一趟钻便可同时完成正常钻进和冲孔作业,并在晋煤集团赵庄矿、淮南矿业丁集矿及阳煤集团新元矿开展了现场试验。试验结果表明:研制的随钻型水力冲孔钻具结构设计合理,压力转换机构工作可靠,密封性能良好,耐压能够达到30 MPa;与常规水力工艺相比,该技术能够减少辅助作业时间,有效降低了工人劳动强度,对松软低透煤层卸压增透作用显著,有效提高了瓦斯抽采效果,具有较高的推广应用价值。     

穿层水力冲孔卸压增透效果的研究

分析了水力冲孔增透消突的机理,阐述了水力冲孔的工艺流程,以北辰矿8111工作面底板巷为试验地点,考察了水力冲孔前后抽采影响半径、煤层瓦斯含量、透气性系数、抽采瓦斯浓度和瓦斯流量的变化。并利用RFPA2D-Flow软件模拟了水力冲孔前后煤层裂隙发育过程,研究了水力冲孔后煤层应力和渗透系数对抽采效果的影响。     

穿层水力冲孔增透技术在严重突出煤层中的应用

为了消除严重突出煤层的突出危险性,提高煤层瓦斯预抽率和突出煤巷掘进工作面的掘进速度,以义马煤业集团义安矿YX001工作面轨道巷为研究背景,对穿层水力冲孔增透技术的施工工艺及增透效果进行了研究。现场应用表明,穿层水力冲孔增透技术措施能降低煤层瓦斯压力,增加透气性,冲孔后,残余瓦斯含量下降到3.34~6.43 m3/t,有效地消除了煤层突出危险性;大幅度释放煤体中的瓦斯,使严重突出煤层巷道掘进速度提高了1倍以上,掘进速度达70 m/月(18.3m2大断面),取得了良好的综合防突效果。     

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。     

深部低透气性煤层水力冲孔措施防突机理分析

针对淮南矿区谢桥、潘三等矿开展的水力冲孔消突试验,利用数值模拟软件ANSYS对水力冲孔措施前后所形成的孔洞进行了模拟解算;定量分析了冲孔前后孔洞周围煤体应力、应变和位移的变化情况,并结合现场实际对水力冲孔措施的防突机理进行了分析,结果表明：在深部无保护层可采的低透气性突出煤层中采用水力冲孔措施后,冲孔后的瓦斯浓度不仅比冲孔前提高了50％左右,而且抽放浓度和抽放瓦斯纯流量也增加了3倍左右,大幅提高了煤层的瓦斯抽放效率,降低了煤体的弹性潜能和瓦斯潜能等突出潜能,减少了煤层的突出危险性。     

水力冲孔快速消突技术的研究与应用

为提高石门揭煤和煤巷快速掘进速度,基于高压水射流破煤原理,研究了水力冲孔卸压增透的防突机理,通过理论分析、实验室研发及工业试验相结合的方法,阐述了水力冲孔的工艺流程及主要设备研发情况,并结合淮南矿区的实际条件,确定了水力冲孔的最佳破煤水压为煤的普氏系数的12~20倍。研究结果表明,在强突出煤层实施水力冲孔技术措施后,煤的弹性潜能得到释放,瓦斯压力梯度降低,有效消除了激发突出的应力,煤层的透气性增强,石门揭煤速度提高4倍,对比不同的防突措施,水力冲孔后煤巷掘进速度提高为原来的3~5倍,是中高压注水的3.3倍、是排放钻孔的2倍。     

水力冲孔技术在松软低透突出煤层中的应用

针对嘉禾县罗卜安煤矿煤层松软低透气性的现状,选择了水力冲孔增透措施,介绍了水力冲孔增透机理及基本工艺流程,研究了水力冲孔在松软低透突出煤层区域抽放消突措施中的应用效果。研究表明,水力冲孔在松软低透突出煤层区域抽放消突措施中应用效果显著,单孔冲出煤体7t,冲出瓦斯558．3m^3,抽放钻孔等效孔径提高13．38倍,钻孔抽放有效影响半径提高2～3倍,单孔瓦斯预抽浓度提高4～5倍,抽放衰减周期提高3倍以上。