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。     

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。     

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...     

下向穿层钻孔水力冲孔卸压增透强化抽采瓦斯技术研究

为提高预抽煤层瓦斯消突效果,本文试验了下向穿层钻孔卸压增透强化抽采技术,并在高抽巷区域预抽钻孔中进行了实践。水力冲孔实施后,钻孔的卸压影响范围增大,钻孔周围的煤体变形和透气性增大,抽采瓦斯效果显著提高。对比水力冲孔前后的钻孔瓦斯压力和抽采量变化表明,水力冲孔影响半径达到10m,有效影响半径大于5m。与水力冲孔钻孔平距2.5m抽采孔,瓦斯抽采纯量增大4.25倍,平距5m~6m抽采孔瓦斯抽采纯量增大1.5倍。水力冲孔卸压增透强化抽采技术卸压增透范围大,提高抽采效果显著,为高突煤层预抽消突提供了一种行之有效的方法,值得在低透气性高瓦斯突出煤层消突实践中推广应用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

水力冲孔卸压增透技术在斜沟煤矿的应用研究

通过理论计算、数值模拟及现场试验的方法对水力冲孔增透技术进行研究。在不同的造穴半径下孔穴周围的应力分布是不同的。随着造穴半径的增大,钻孔周围不断出现应力集中现象,造穴半径增大,轴向应力也不断增大,最终二者连在一起,最大水平应力可达1. 53 MPa,卸压半径为3m。现场试验结果表明:18205工作面水力冲孔后透气性系数增大了23倍,瓦斯平均抽采浓度提高约4. 57倍,抽采平均纯量提高为9. 5倍,抽采浓度衰减时间明显增长。水力冲孔技术能有效对煤层进行卸压增透,透气性明显增大,改善瓦斯抽采效果。     

基于COMSOL的煤层分段水力造穴卸压增透效果数值模拟研究

针对潞安矿区低渗厚煤层开采的复杂条件,以渗流理论及流固耦合机理为基础,利用COMSOL多物理场耦合分析软件建立煤层损伤-应力-渗流耦合数值模型,以高河能源南北翼煤层及瓦斯赋存条件为工程背景,进行高河能源3号煤层水力造穴卸压机制以及增透效果数值模拟研究,其结果表明:造穴半径越大,洞穴周围煤体卸压面积越大,应力集中现象减弱,监测点卸压和渗透率增幅都越明显,瓦斯抽采效果越好;造穴间距越小,洞穴周围煤体卸压面积越大,渗透率增幅和压力降幅越明显,瓦斯抽采效果越好。     

低渗煤层瓦斯抽采顺层钻孔水力造穴卸压增透效果研究

为了揭示水力造穴参数对钻孔瓦斯抽采效果的影响规律,指导煤层水力造穴增透技术施工参数的合理选择。建立了煤层损伤-应力-渗流耦合模型,分析了不同造穴参数下煤层卸压增透效果,展开了顺层钻孔水力造穴现场工程试验,考察了不同造穴参数下钻孔瓦斯抽采效果,结果表明：采用水力造穴技术形成的孔穴能够有效降低其周围煤体应力,提高煤层渗透率,增加瓦斯钻孔抽采效果;造穴半径越大煤层的卸压程度越大,进而煤层渗透率增幅就越大,但在实际工程中过大的造穴半径会使得孔穴稳定性差,钻孔塌孔堵塞瓦斯涌出通道会使得钻孔瓦斯抽采量有所降低,试验矿井最优造穴半径为0.6 m;造穴间距对它们之间的应力降低区范围有着较大的影响,在一定距离条件下孔穴卸压有着明显的叠加效应,造穴间距越近叠加效应越明显,煤层应力越小,卸压增透效果越好。试验钻孔穴间距由8 m减小到6 m时,单孔平均瓦斯抽采纯量增加389.16%。     

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。     

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。     

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。     

冲孔造穴钻孔半径对煤层增透效果研究

以屯兰矿2号煤层为地质背景,分析了冲孔造穴瓦斯运移规律,采用COMSOL软件建立了冲孔造穴后的煤体瓦斯抽采模型,分析不同造穴钻孔半径围岩应力应变、塑性应变和渗透率变化特征。研究结果表明,随着造穴钻孔半径的增加,煤塑性区、渗透率增高区半径逐渐增加,靠近钻孔内侧煤体最大塑性应变为0.46,最小体积应力为20.1 MPa,煤层最大渗透率大于原始煤层渗透率380倍,钻孔增透区范围与钻孔半径呈线性关系,随着钻孔半径增加,塑性区半径也逐渐增大,煤层卸压增透效果越明显。     

密集水力冲孔增透抽采瓦斯试验研究

高瓦斯含量低透气性突出煤层高效抽采瓦斯是复杂地质条件下工作面瓦斯治理的主要难题。为增加该类煤层透气性,依据瓦斯流量法测试水力冲孔影响半径的结果,利用煤层底板巷布置穿层密集钻孔,对工作面进行水力冲孔强化增透,达到高效预抽煤层瓦斯的目的。研究结果表明：水力冲孔在煤体中形成的孔洞促使钻孔周围煤体持续膨胀变形,约在1.8倍孔洞直径范围内煤体的地应力下降,煤体受压程度降低,煤体透气性增大;水力冲孔加速了煤体瓦斯的解吸,实现了连续18 d,平均单孔瓦斯体积分数大于52.64%的高浓度瓦斯预抽效果;预抽60 d后,煤层瓦斯含量由原始的9.09 m³/t降至4.03 m³/t。可见,采用密集穿层钻孔水力冲孔,提高了煤层预抽瓦斯效果,实现了低透气性突出煤层的消突,保障了工作面的安全生产。     

考虑流变特性的水力冲孔孔径变化规律及防堵孔技术

通过分析水力冲孔周围煤体的受力特征,建立了考虑煤的塑性软化和扩容特性的水力冲孔周围煤体黏弹塑性模型,分析了水力冲孔的卸压增透效果和孔径变化规律,制定了防止钻孔堵塞和注气驱替技术。研究结果表明：① 水力冲孔措施可以大幅度提高周围煤体的渗透率,冲煤量越多,水力冲孔的卸压范围越大,煤体的渗透率提高的幅度越大;② 由于煤的流变特性水力冲孔钻孔会产生缩孔现象,地应力越大,煤体强度越低,钻孔周围煤体的蠕变变形越剧烈,钻孔就越容易被堵塞,一旦抽采通道被堵塞,瓦斯抽采效果就会大幅度的降低;③ 采用下套管防堵孔技术,人工保留一条抽采通道,可长时间抽取高浓度瓦斯,抽采效果提高了2.7倍;④ 注气驱替与水力冲孔技术结合,单孔抽采纯量增加了8.1倍,可有效的提高瓦斯抽采效果。