井下定向钻机成孔技术在成庄矿的应用

针对目前井下普通钻机成孔长度短、钻孔轨迹混乱、瓦斯预抽期较短,以及工程量大等局限性,为了确保矿井抽、掘、采合理衔接,成庄矿引进了井下千米定向钻机装备及定向钻孔工艺技术,根据预抽目标区域瓦斯赋存的特点和抽、掘、采衔接需要,设计、布置定向钻孔,进行大面积模块预抽。介绍了定向钻孔钻机具的特点、施工工艺以及井下应用效果,分析总结了千米定向钻机成孔工艺具有定向、远距离、覆盖面积大、开分支、探构造、抽采效果佳等性能特点,简要展现了千米钻机顺层定向钻孔在成庄矿瓦斯抽采中的应用效果。     

顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔模式及工程实践

顺层钻孔预抽瓦斯技术是降低煤层瓦斯含量的有效方法之一,合理的布孔参数是提高煤层瓦斯预抽效果的关键。为提高顺层钻孔布孔精准性和科学性,建立了含瓦斯煤体流固耦合抽采模型,基于响应面法设计布孔参数优化方案,运用COMSOL Multiphysics模拟软件分析了地质因素（煤层瓦斯含量、透气性系数）和工程因素（抽采负压、钻孔直径、布孔间距）交互作用对钻孔预抽煤层瓦斯的影响规律,提出钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比(P_max/P_b)的布孔参数判定指标,创新了煤层“分时分区”式顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔方法,得到适用于不同煤层瓦斯赋存特征的最优钻孔布置参数,并进行现场试验。结果表明：预抽初期,相邻钻孔间抽采叠加效应不明显;随着预抽时间延长,抽采叠加效应越发显著,垂直钻孔方向的抽采达标区域逐渐由孤立向复合转变。不同预抽时间下,P_max/P_b对各因素的敏感性依次为：布孔间距>煤层瓦斯含量>透气性系数>钻孔直径>抽采负压。不同预抽时间下,煤层瓦斯含量和透气性系数的交互作用响应等值线分布密集,2...     

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。     

定向孔抽采特性对布孔参数响应变化规律研究

为了确保定向钻孔布置的合理性，进一步提高钻孔抽采瓦斯效果，通过数值模拟和现场工业性试验的方式进行定向孔抽采特性对布孔参数响应变化规律研究。研究结果表明：定向长钻孔抽采效果沿孔轴线方向呈递减趋势，整体影响范围呈圆台状；抽采负压一定情况下，定向钻孔开2个分支抽采效果较好，控制范围内瓦斯含量降幅较大，钻孔布置综合性价比较高；钻孔控制区域残余瓦斯含量与有效影响范围内空间位置耦合呈双指数变化规律。研究结果可为定向钻孔设计参数选取、抽采效果预评价提供参考。     

基于COMSOL的顶板定向长钻孔布置参数研究

为了研究顶板定向长钻孔的布孔参数，以东庞矿21215工作面为工程背景，通过利用COMSOL数值模拟软件，建立了5种不同布置方式下顶板长钻孔的瓦斯抽采模型，根据模拟结果确定了“法向间距2 m、水平间距3 m”的钻孔布置方式。根据21215工作面裂隙带高度设计了钻孔的布置参数，同时利用钻孔水平位置理论确定公式验证了布孔参数的可行性。现场应用结果表明，工作面回采过程中顶板定向长钻孔抽采存在稳定阶段和衰减阶段，在衰减阶段钻孔抽采效果降低、上隅角瓦斯浓度提高，分析其原因是由于钻孔高度降低，钻孔完整性遭到破坏导致的。从整体来看，在回采期间上隅角瓦斯浓度为0.3%～0.4%,处于较低水平，说明顶板定向钻孔抽采效果较好，采用该布置方式有效解决了上隅角瓦斯浓度超限的问题。     

成庄矿定向钻机长钻孔预抽规律研究

成庄矿对规划区和准备区煤层瓦斯提前5～10 a进行预抽采。以定向长钻孔施工、抽采期间的各种竣工参数和抽采特征参数为基础,对数据进行了定期实测收集并加以分析,掌握了成庄矿顺层定向长钻孔的基本抽采规律,确定了不同钻孔间距流量与抽采量、百米钻孔流量分布规律和不同钻孔布置方式下抽采量随时间变化关系。此成果为该矿区域预抽定向长钻孔设计提供了科学依据。     

基于抽采半径考察的回采工作面瓦斯预抽钻孔优化设计

为了解决高瓦斯长推进距离回采工作面各区域瓦斯预抽时间极不均衡的问题,提出了基于抽采半径考察的回采工作面瓦斯预抽钻孔优化设计方案：采用瓦斯储量法对回采工作面瓦斯预抽钻孔有效抽采半径进行考察,得出工作面瓦斯预抽钻孔不同预抽时间的有效抽采半径,将高瓦斯长推进距离回采工作面按瓦斯预抽时间长短的不同划分为若干个区块,每个区块瓦斯预抽钻孔根据其有效抽采半径设计钻孔间距,预抽时间长的区块钻孔间距较大,预抽时间短的区块钻孔间距较小,实现工作面瓦斯抽采达标的同时最大限度的减少钻孔工程量。现场应用结果表明,2311回采工作面采用优化的瓦斯预抽钻孔设计方案,钻孔工程量减少约7万m,节约工作面瓦斯预抽时间约15d,并且在开采期间实现了瓦斯抽采达标和安全回采,高瓦斯长推进距离回采工作面采用基于抽采半径考察的回采工作面瓦斯预抽钻孔优化设计方案,取得了良好的技术经济效益。     

基于叠加效应顺层瓦斯抽采布孔间距优化研究

针对顺层瓦斯抽采钻孔布孔间距存在的盲从性与模糊性等问题,通过数值模拟软件,研究分析相同布孔间距和不同布孔间距条件下受抽采叠加效应影响煤层瓦斯压力变化,并推导布孔间距与单钻孔抽采半径的关系式,以此确定合理布孔间距。结果表明：受抽采叠加效应影响,相邻钻孔内测瓦斯压力低于外侧同距离处瓦斯压力;随布孔间距的增加,相同位置处受抽采叠加影响逐渐减弱;以某矿M12煤层11122运输巷为考察地点,得出120 d的预抽期有效抽采半径为2.2 m,多孔抽采的布置间距为4.4～6 m,并验证了布孔间距与单钻孔抽采半径关系式的正确性,为现场瓦斯抽采治理提供一定的理论依据。     

保德煤矿8#煤层采用顺层平行钻孔预抽瓦斯效果考察

通过对Φ94 mm顺层平行钻孔在不同布孔间距下预抽瓦斯方式的试验与效果考察,确定了保德煤矿8#煤层的合理预抽钻孔间距和预抽时间。     

叠加效应影响下钻孔有效抽采半径的数值模拟及布孔间距优化

针对煤层瓦斯预抽钻孔布孔间距存在盲目性和不确定性等问题,以流固耦合原理为基础构建煤层瓦斯抽采流固耦合数学模型,借助FLUENT数值模拟软件对煤层瓦斯预抽钻孔有效抽采半径进行数值模拟研究,在多钻孔数值模拟的基础上对建新煤矿4207工作面煤层瓦斯预抽钻孔布孔参数进行了优化。结果表明:钻孔有效抽采半径随抽采时间的增加呈对数形式增大;多钻孔抽采时孔间相互扰动可产生抽采叠加效应,布孔间距越密集,钻孔之间瓦斯压力下降幅度越显著;在90 d的预抽期内,建新矿单孔抽采的有效半径为2.02 m,多孔抽采的布孔间距为2.86~4.50 m。结合煤层厚度提出了正三角形的布孔方式,经现场应用瓦斯参数达标,布孔方案切实有效。     

工作面瓦斯采前预抽合理钻孔间距探讨

 为了解决国内许多矿井回采工作面本煤层瓦斯采前预抽钻孔间距设计缺乏理论依据,主要依赖经验的问题,建立了瓦斯流动方程,编制了瓦斯抽采钻孔间距设计程序,得出了不同钻孔间距下的煤层瓦斯预抽率随时间的变化情况,优选最合理的钻孔布置间距。在陈家山矿4-2煤层回采工作面进行了应用研究,结果表明：在预抽时间为180d,煤层瓦斯预抽率为30%的要求下,工作面采用5m的钻孔间距,是最为合理的。     

保德煤矿定向长钻孔区域瓦斯抽采布孔方案试验研究

为解决高瓦斯矿井高强度开采条件下,煤层瓦斯预抽效率低、难度大、钻孔集中度差的问题,以保德煤矿81311工作面为试验区,基于COMSOL数值模拟软件建立定向长钻孔瓦斯抽采模型,根据钻孔抽采达标判定依据,通过模拟分析在不同布孔间距下煤层瓦斯压力随抽采时间的变化规律,优选布孔方案并进行工作面长钻孔区域预抽试验。研究结果表明：在相同孔径和抽采负压条件下,沿工作面走向定向长钻孔布孔间距为20、27、35 m时,抽采达标分别需123、215、357 d;对布孔间距为27 m的本煤层定向长钻孔抽采方案进行了现场试验,瓦斯抽采纯量随时间呈现初期指数式上升、中期波浪式上升、后期快速衰减的阶段性规律;实测抽采350 d单孔平均瓦斯抽采纯量为1.669 m³/min,预抽250 d抽采纯量峰值为2.680 m³/min,瓦斯抽采衰减系数小。     

保德煤矿8#煤层采用顺层平行钻孔预抽瓦斯效果考察

文章通过对Φ94mm顺层平行钻孔在不同布孔间距下预抽瓦斯方式的试验与效果考察,确定了保德煤矿8#煤层的合理预抽钻孔间距和预抽时间,为保德煤矿进入深部区开采的瓦斯治理积累了经验。     

顺层瓦斯预抽钻孔布置参数及抽采效果分析

为了对顺层瓦斯预抽钻孔布置参数及抽采效果进行分析,采用理论分析和现场测试,分析了顺层钻孔布置间距、钻孔极限抽采时间,研究了顺层钻孔预抽瓦斯效果检验和瓦斯效果。研究表明,多钻孔抽采瓦斯时,钻孔间距可大于2倍的有效抽采半径,得出了布孔间距和单钻孔抽采半径的关系计算式,极限抽采时间约为95 d;在工作面回采期间,回风巷风排瓦斯量和顺层钻孔抽采瓦斯量呈相反的趋势;经过钻孔瓦斯预抽后,工作面预抽率达到了40%,达到了工作面消突的目的。     

顺层定向千米长钻孔抽采半径时变规律研究

根据某矿3~#煤层赋存特点,运用千米钻机定向长钻孔技术进行本煤层瓦斯预抽。通过千米钻孔现场数据对其瓦斯抽采特性进行统计分析,得到钻孔抽采瓦斯量的衰减特征参数,结合煤层瓦斯基本参数得出3~#煤层千米钻孔抽采半径时变规律;同时对不同钻孔间距的瓦斯流场进行分析,数值模拟得出合理布孔间距,经现场验证证实抽采准确率可达80%,该方法可作为3~#煤层预抽钻孔防突效果预测。     

多煤层水力压裂瓦斯抽采钻孔优化研究

为了对水力压裂后的煤层更加经济有效的抽采瓦斯,以红阳二矿1205运输顺槽多煤层水力压裂后抽采钻孔布置为研究对象,设计了4种钻孔布置方案,对比分析了不同钻孔布置的瓦斯抽采效果。结果表明:水力压裂后距抽采孔越远的抽采钻孔的瓦斯抽采量越低,且单位面积煤层瓦斯抽采量随时间衰减;等效半径为5.5 m时,瓦斯预抽量约为4.24 m~3/t,此时剩余瓦斯含量为8 m~3/t,满足抽采要求。为了保证抽采效果和节约成本,该矿适宜选择的布孔方式为6 m×6 m。     

不同间距交叉钻孔预抽煤层瓦斯试验研究

煤层的透气性是影响瓦斯抽放效果的主要因素之一,布置交叉钻孔进行抽放能有效增大煤层的透气性。为使交叉钻孔既能提高煤层的抽放效果,又能尽量缩短工期,对试验区域交叉钻孔的孔间距及预抽时间进行了研究。在同一试验区域中布置了4组不同间距的交叉钻孔,考察了各组钻孔瓦斯预抽效果随时间变化的情况,得出了不同间距下瓦斯预抽率与时间的关系,确定了合理的瓦斯预抽钻孔间距及预抽时间。     

黄陵矿区定向长钻孔瓦斯预抽技术试验研究

针对黄陵矿区目前非定向钻孔煤层瓦斯抽采易穿顶板、底板,造成抽采空白带和重复交叉以及抽采范围小、时间短,无法超前治理瓦斯的问题,在黄陵一矿309工作面中厚煤层中进行定向长钻孔瓦斯抽采技术试验。通过钻机改进使钻孔进尺平均提高115.9~220.3m/d,有效提高钻进施工效率;定向长钻孔瓦斯抽采2a后,1#~5#钻孔最低瓦斯抽采浓度仍达11.5%~15.3%,累计抽采瓦斯量64.7万m3,煤层瓦斯含量及瓦斯压力显著降低,定向长钻孔瓦斯抽采技术抽采效果较好,能够达到超前区域治理瓦斯的目的。     

基于瓦斯抽采量衰减分析的预抽钻孔参数优化

在工作面接替紧张的情况下,通常采用加密预抽钻孔的方式缩短预抽时间,但钻孔加密到何种程度没有相关设计数据。通过分析单孔瓦斯抽采量和抽采时间的关系,建立了基于动态评估煤层瓦斯抽采总量下的计算钻孔间距方法,合理确定钻孔间距,从而优化设计抽采钻孔,并通过回采前抽采评价验证钻孔间距设计的合理性,保证工作面安全回采。     

布孔间距影响瓦斯预抽效果的模拟及应用研究

依据小庄矿40205综放工作面煤层瓦斯实际赋存条件,同时考虑吸附游离两态瓦斯,建立了煤层瓦斯预抽理论模型,利用COMSOL Multiphysics模拟了不同布孔间距下的煤层瓦斯压力分布情况,确定了合理的顺层预抽钻孔布孔间距,并应用于现场实际抽采工作。数值模拟显示:布孔间距在1.8~2.5 m时,两孔中心最大瓦斯压力的增长速率较大;布孔间距在2.5~3.5 m时,其增长速率有所降低;当布孔间距为3.0 m时,预抽0~90 d时煤层瓦斯压力下降速率较大,预抽90~210 d时煤层瓦斯压力下降速率逐渐减缓;抽采过程存在最佳抽采时间;40205综放工作面顺层预抽孔布孔间距设置为3.0 m,预抽90 d时,钻孔间最大瓦斯压力降至182.435 kPa;预抽210 d时,钻孔间最大瓦斯压力降至178.230 kPa,可将煤层瓦斯压力降至50%以下,保障预抽达标。现场应用显示:40205工作面回风巷瓦斯抽采纯流量大且较为稳定,基本稳定在1.50 m³/min左右,预抽效果较理想。