构造煤层水力造穴卸压增透瓦斯抽采技术体系与应用

构造煤层具有渗透率低、煤层强度较低、瓦斯含量较高等特点,易出现堵孔、喷孔等现象,直接导致该类煤层瓦斯抽采难度较大。为解决构造煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题,分析了现有煤层增透技术及优缺点,介绍了一种区域性水力造穴卸压增透技术,提出了水力造穴卸压增透瓦斯抽采技术体系,具体包括水力造穴钻冲装备、煤水分离和煤量计量系统、高低负压独立瓦斯抽采系统。以试验采区为工程背景,介绍并分析了现有煤层增透技术及其优缺点,研究提出了区域性水力造穴卸压增透技术,形成了以水力造穴钻冲装备、煤水分离和煤量计量系统、高低负压独立瓦斯抽采系统为主的区域性水力造穴卸压增透技术体系。现场试验等间距7 m、8 m、10 m、12 m以及变间距水力造穴方案,分析不同钻孔直径的抽采效果,对比分析单孔及组孔的瓦斯抽采效果。研究结果表明,采用变间距水力造穴卸压增透技术,有效保障了煤体卸压增透效果,解决“掘进-抽采”不均衡问题,为解决构造煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题提供一种新技术。     

高瓦斯低渗透煤层冲孔造穴卸压增透技术及装备应用

针对我国高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采困难、极易导致煤与瓦斯突出的现状,分析了现有煤层瓦斯抽采的各种技术措施,研究了冲孔造穴的卸压增透原理,指出冲孔造穴是实现高瓦斯低透气性煤层卸荷增透的关键技术,并对我国水力冲孔造穴技术装备的研发进展进行了系统总结分析。在寺家庄煤矿和平煤八矿开展典型现场试验结果表明,采用目前广泛应用的煤层水力钻冲一体化装备和煤层机械扩孔一体化装备能够高效进行高瓦斯煤层扩孔造穴,降低煤层钻孔施工量,提高煤层透气性系数23.9倍以上,提高钻孔瓦斯抽采浓度和纯量在2倍以上。     

高河能源低渗煤层分段水力造穴增透技术

高河能源3~#煤层属高瓦斯低渗煤层,随着煤层开采强度的增大,单一普通钻孔瓦斯抽采难以快速降低煤层瓦斯含量,采掘接替紧张问题日趋凸显。因此,为提高本煤层瓦斯抽采效率,强化煤层瓦斯抽采效果,有效缓减采掘接替紧张,对本煤层实施了分段水力造穴增透技术。现场试验结果表明,实施分段水力造穴增透技术后,与普通瓦斯抽采钻孔相比,单孔平均瓦斯抽采纯量可增加3～4倍,增透效果显著,但受钻孔倾角影响,水力造穴钻孔抽采瓦斯浓度普遍低于普通预抽钻孔,出现高流量低浓度的瓦斯抽采规律。研究成果可为其它低渗煤层分段水力造穴增透技术实施及相关参数选择提供科学借鉴。     

煤巷顺层瓦斯抽采钻孔水力冲孔增透技术研究

针对侯村煤矿3607回风顺槽因煤层透气性差导致的顺层钻孔预抽瓦斯效率低、预抽时间长及残余瓦斯含量高等问题,研究适用于顺层钻孔的水力冲孔造穴增透技术,并提出分区冲孔造穴方案。现场实践结果表明：采取水力冲孔增透措施后钻孔平均瓦斯抽采浓度达34%,是常规抽采孔的1.9倍,平均瓦斯抽采纯量达2.3 m3/min,是常规抽采孔的6倍,整个瓦斯治理循环时间缩短3 d。     

顺层钻孔机械造穴增透技术及现场应用研究

余吾煤业为高瓦斯矿井,主采3号煤层瓦斯吸附性强、透气性差,属于较难抽放煤层。本煤层顺层钻孔区域预抽是工作面瓦斯治理的根本措施,普通钻孔存在钻孔工程量大、瓦斯抽采效率低等问题,推广应用水力造穴增透技术后,抽采效果显著。为进一步提高钻孔抽采效率,余吾煤业公司开展机械式造穴增透技术,并在N2106回风巷顺层钻孔开展效果考察试验,机械造穴钻孔平均抽采纯量达0.053 m³/min,为普通钻孔的4～5倍。     

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%。     

高瓦斯低透气性坚硬煤层机械造穴泄压增透技术研究

基于新田煤矿煤层硬度大、瓦斯含量高、透气性差、抽采效率低等特点,提出采用机械造穴泄压增透技术,研究新田煤矿泄压增透后煤层透气性及抽采效果。结果表明:机械造穴泄压增透技术在低透气性坚硬突出煤层能起到明显的增透、提抽作用,影响区域内煤层透气性大大提高,有效地释放了煤体内部压力,对瓦斯动力有减阻作用,提高坚硬低透气性煤层瓦斯抽采效果,提高了瓦斯抽采效率,为同类型煤矿瓦斯抽采提供了更多的解决办法。     

气相压裂—机械造穴复合增透技术在新景矿的应用

为了增加松软低渗透高瓦斯煤层的透气性,提高煤巷掘进工作面的进尺速度和抽采效率,提出了气相压裂—机械造穴复合增透技术。分析了气相压裂—机械造穴复合增透的爆破致裂机理,建立了在机械造穴作用下压裂的径向裂隙方程。在新景矿3218掘进工作面开展了现场工业性试验,对比设计3种技术方案结果表明,使用“5+2”模式的气相压裂—机械造穴复合增透技术后,煤层的透气性与常规的机械造穴相比,平均瓦斯涌出量是普通造穴孔的1.45倍,掘进期间巷道瓦斯浓度降低22%,提高了煤巷工作面的进尺和抽采效率。     

本煤层分段水力造穴增透技术影响因素现场试验研究

以山西潞安集团古城煤矿N1305工作面煤层及瓦斯赋存条件为工程背景,在该工作面A、B、C 3个区域分别进行了水力造穴抽采试验,验证钻孔施工倾角、造穴方式和造穴参数对水力造穴效果的影响作用。结果表明,随着钻孔倾角的增大,水力造穴钻孔单孔平均抽采浓度逐渐增大,提升了瓦斯抽采效率;在不考虑钻孔围岩塌孔压杆等钻孔事故的条件下,本煤层钻孔分段后退式水力造穴工艺对钻孔围岩的增透效果要大于前进式水力造穴方式,对瓦斯抽采纯量的提升作用更加明显;水力造穴单穴长度和造穴半径的增加有利于造穴影响范围的增大,从而有效增加钻孔瓦斯涌出量。     

1302工作面瓦斯抽采水力造穴增透技术试验

基于李村煤矿煤层结构复杂、煤层松软、透气性低,存在本煤层瓦斯抽采效率低、难度大等问题,在1302 X作面进行了水力造穴增透技术试验。效果分析表明,采用水力造穴增透技术的单孔瓦斯抽采纯量是普通单孔的7.38倍。     

顺层钻孔钻冲一体化卸压增透强化抽采技术应用

针对阳泉矿区松软低透高突煤层钻孔施工难、瓦斯抽采效果差的问题,提出了钻冲一体化水力冲孔造穴瓦斯抽采技术。并结合阳煤新景矿工程实践,设计了掘进工作面水力造穴工艺及方案。应用结果表明,水力冲孔造穴在松软低透高突煤层钻孔抽采瓦斯中,卸压增透效果明显,瓦斯抽采浓度提高10倍,抽采量提高6倍,抽采率提高近1倍,残余瓦斯含量始终未超标。     

水力造穴增透技术在余吾煤业的应用

余吾煤业所采的3#煤层具有低透气性、瓦斯含量高等特点,为提高顺层钻孔的抽采效率,缩短抽采达标时间,开展了水力造穴增透技术应用。先后对钻孔间距、造穴布置形式、造穴工序、配套设备进行了改进,建立了视频监控煤量验收机制,形成了一套适合余吾煤业的水力造穴技术参数。8个推广地点的应用证明,水力造穴增透技术可大幅度提升巷道钻孔的成孔深度、瓦斯抽采浓度、万米抽采量,实现了高瓦斯煤层的高效抽采。     

瓦斯抽采钻孔修复增透技术与装备

针对瓦斯抽采钻孔易发生失稳堵孔导致抽采量严重衰减的问题,研发出瓦斯抽采孔水力作业机,采用外径16 mm连续可缠绕钢管,以高压水射流为核心,形成高压力、变流量、连续修复钻孔技术体系。利用瓦斯抽采孔水力作业机产生的高压水射流对瓦斯抽采钻孔进行冲孔解堵和水力喷射压裂增透,从而达到了卸压和造缝双重增透的目的,使得已有的瓦斯抽采孔重复利用,避免施工新钻孔。该技术在郑煤集团大平煤矿现场应用表明,钻孔修复、增透后瓦斯抽采纯流量可提高800%以上。     

机械造穴增透技术在硬煤层穿层抽采钻孔的应用研究

针对当前焦作矿区低渗透硬煤层穿层钻孔水力冲煤效率低、影响区域瓦斯治理工程进度的问题，改进了两翼机械水刀造穴装置，利用不同水压控制活塞移动前端出水与机械刀臂打开，实现机械和高压水联合造穴。通过现场试验，考察机械造穴装置的造穴压力、造穴粒径、造穴影响范围、冲煤速度、冲煤效率、每米冲煤量等关键参数。结果表明，机械造穴冲孔的冲煤速度、冲煤效率和造穴影响范围均有所提高。     

潞安矿区王庄煤矿9106水力割缝技术应用

为了增加王庄煤矿9106工作面瓦斯抽采量，提高瓦斯抽采效率，降低瓦斯事故发生率，采用具有聚能作用的水力割缝水刀，同时改进增透工艺，提出适用于王庄煤矿的水力割缝瓦斯抽采增透技术。结果表明，具有聚能效果的水力割缝技术，有效解决了穴间增透空白带较多、抽采效果不佳的问题，提高了抽采效率，促进了矿井安全高效生产。     

顺层水力造穴卸荷增透机制及在掘进工作面瓦斯抽采中的应用

以新景矿3号煤层掘进工作面顺层水力造穴强化瓦斯抽采为工程背景，采用FLAC^3D数值模拟软件对顺层水力造穴的卸荷增透机制进行数值分析；研发出履带式钻冲一体化水力造穴装备，建立了高低浓度瓦斯抽采系统，并对顺层水力造穴技术在掘进工作面瓦斯抽采过程中的应用情况进行了系统性考察。数值分析结果表明，采用新技术后，造穴洞室四周煤体渗透率显著改善；造穴半径越大，造穴长度越长，煤体的卸荷增透区域效果越好。现场应用情况表明，采用新技术后，掘进工作面的瓦斯抽采效果显著改善，钻孔工程量降低了75.0%,平均瓦斯抽采纯量和平均瓦斯抽采浓度分别提高了4.6倍和1.5倍，巷道掘进过程中实测的钻屑指标K₁值和S值均显著降低。     

高瓦斯低渗煤层水力造穴增透技术优化研究北大核心

为解决高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采浓度低的问题,探究低渗煤层水力造穴过程中各特征参数变化对卸压效果的影响,开展了水力造穴特征参数优化试验。首先,通过单一因素试验研究了不同出煤量、造穴次数及孔间距对水力造穴效果的影响;其次,根据Box-Benhnken理论设计了17组试验,对结果进行方差分析并建立了合适的二次模型;然后,通过响应曲面进一步分析了3个影响因素对试验结果的显著性。最后,利用Design-Expert软件确定水力造穴特征参数最优组合为:单孔出煤量0.7 t,单孔造穴次数12次,孔间距8 m。选取潞安集团某矿进行现场工业性试验,通过对比同一位置试验造穴孔与普通造穴孔的瓦斯抽采浓度与瓦斯抽采量发现:试验孔瓦斯抽采量提高了3倍以上,瓦斯抽采浓度提高了2倍以上,达到了卸压的目的。     

基于多场耦合数学模型的机械造穴数值模拟研究

通过构建机械造穴瓦斯运移应力场、渗流场及裂隙场多场耦合数学模型和几何模型,结合鹤煤九矿煤层参数,利用COMSOL多物理场数值模拟软件,针对不同造穴直径、抽采时间和造穴长度等参数下的瓦斯抽采运移规律开展了数值模拟,结果表明：首先,机械造穴可增大围岩的塑性区半径、煤层渗透率与孔隙率,扩大瓦斯抽采半径和影响范围,提高了煤层卸压增透效果,使抽采达标时间大幅缩短;其次,实施机械造穴工艺时,增加造穴长度对于增加瓦斯抽采有效影响范围优于增加造穴半径。该研究为煤矿井下现场实施机械造穴技术提供了科学依据。     

突出矿井复杂地质条件煤层群揭煤实践

为了安全揭穿复杂地质条件煤层群,先后尝试了迎头长距离钻孔预抽、顶板瓦斯治理巷下向穿层钻孔预抽以及水力扩孔增透、机械造穴增透等措施。实践表明,在揭煤区域顶板瓦斯治理巷施工下向穿层钻孔结合水力扩孔、机械造穴增透措施预抽,效果显著;抽采达标后最大残余瓦斯含量为4.50 m³/t,钻屑瓦斯解吸指标Δh_2max为100 Pa,成功揭穿3层煤层。     

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。