基于时序预测法的瓦斯抽采钻孔管理系统研究

煤层顺层钻孔抽采是长平煤业公司治理瓦斯的主要途径,但因煤层渗透性差,钻孔瓦斯流量衰减系数大,致使抽采瓦斯浓度低、效果不佳。通过设计瓦斯抽采钻孔智能化信息管理系统,基于时序预测法,建立了周期内钻孔瓦斯流量指数平滑模型,并结合实际设置了钻孔调控阀三级管理机制,使可抽采瓦斯量与抽采能力相匹配;既保障了单孔浓度,又延长了预抽时间。     

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...     

高瓦斯矿井穿层钻孔瓦斯流量衰减特征分析

为了研究高瓦斯矿井穿层钻孔单孔瓦斯极限抽采量及其流量衰减特征,利用自行研制的煤层钻孔瓦斯流量及浓度检测装置,对底抽巷穿层钻孔单孔瓦斯流量和浓度进行监测,并绘制单孔瓦斯流量和浓度衰减变化规律曲线,基于高负压抽采条件下的单孔瓦斯流量衰减理论、高等渗流力学及弹塑性力学等相关理论综合分析了钻孔瓦斯流量变化衰减规律。结果表明:(1)钻孔瓦斯流量衰减随时间呈现出3个阶段:线性衰减阶段、不稳定波动阶段、稳定平缓衰减阶段;(2)在测定钻孔瓦斯流量衰减系数时,只需进入相对稳定衰减阶段,即监测周期50 d;(3)基于钻孔周围应力与瓦斯抽采流量的相互关系,确定了瓦斯抽采流量与时间呈现负指数关系式。     

“三软”煤层不同孔径顺层钻孔瓦斯抽采参数特征分析

为提高"三软"煤层瓦斯抽采效果,考察了郑煤超化矿多组不同孔径顺层钻孔的瓦斯参数,运用瓦斯流动理论及岩土力学相关理论综合分析了其参数特征。结果表明:在"三软"煤层持续高负压抽采条件下,不同孔径的顺层钻孔的瓦斯流量及浓度都依次经历了快速衰减、不稳定波动、极限抽采3个阶段,在快速衰减阶段,94、89 mm钻孔在瓦斯浓度和瓦斯流量均远大于75 mm钻孔,而衰减梯度明显小于75 mm钻孔;在不稳定波动阶段,94、89、75 mm钻孔波动频率及幅度依次增加,周期依次减少;极限抽采阶段差异不大。结合现场施工条件,最终选择94 mm钻孔作为"三软"煤层顺层钻孔抽采的方案。     

基于钻孔瓦斯流量和压力测定有效抽采半径

为了准确的测定有效抽采半径,提出基于钻孔瓦斯流量和压力的测定方法。以抽采钻孔影响范围内残余瓦斯压力小于0.74 MPa且预抽率大于30%为指标,基于钻孔瓦斯流量的负指数衰减规律,推导出有效抽采半径计算公式,并结合瓦斯压力变化共同确定有效抽采半径。该方法应用于区域预抽消突钻孔布置中,分析了不同预抽时间下的钻孔有效抽采半径和极限抽采时间,并依据预抽90 d有效抽采半径为2.5 m,布置消突钻孔。残余瓦斯压力和预抽率的检验以及煤巷掘进期间的区域验证,均证明按该方法布置的预抽钻孔,消突效果有效。     

麦地掌煤矿2#煤层顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度确定

为了提高麦地掌煤矿2#煤层顺层钻孔瓦斯抽采浓度及抽采效率,确定合理的封孔深度是非常重要的环节,顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度应该超过集中应力带应力峰值点.通过综合对比应力峰值点附近不同封孔深度钻孔瓦斯抽采浓度,最后确定2#煤层顺层钻孔合理封孔深度为16 m,提高了瓦斯的抽采浓度,延长了抽采衰减周期,为2#煤层瓦斯长时间预...     

低透气性煤层蠕变预裂增透技术应用

大湾煤矿面临煤与瓦斯突出矿井低透气性煤层瓦斯抽采难的困扰。为弥补原有的密集顺层钻孔瓦斯抽采技术效果差、抽采率低的不足,大湾煤矿与相关企业合作,创造性地采用高压脉动空气量子植入蠕变预裂增透技术进行瓦斯抽采。明确瓦斯概况和论述技术原理后,在21110综采工作面回风顺槽对该技术进行了现场应用。实践表明,该创新技术可有效增加煤层透气性,延长钻孔瓦斯流量衰减周期,有效减少预抽时间,增大抽放半径;此外,可以减少钻孔工程量,提高抽采效率,极大降低煤与瓦斯突出的危险性。     

低透煤层瓦斯抽采钻孔参数优化设计问题思考

针对低透煤层钻孔瓦斯抽采效率低的现状,采用钻孔抽采瓦斯参数与抽采时间回归分析的方法,得出钻孔瓦斯流量及浓度衰减特征曲线。通过分析钻孔瓦斯流量曲线在不同阶段的衰减特征,认为钻孔周围煤体在次生应力影响后,原生煤体结构强度和地应力两种因素主要影响着煤层的渗透特性,进而影响了钻孔瓦斯流量衰减周期的长短和抽采总量的大小。最终提出了优化抽采钻孔参数设计的研究内容,可为煤层瓦斯抽采达标提供合理的参数依据。     

巷帮“三带”分布与顺层钻孔封孔深度研究

为了提高玉溪煤矿顺层钻孔瓦斯抽采浓度及抽采效率,基于合理封孔深度的重要性,根据玉溪煤矿现场测定条件,采用测定瓦斯含量法研究巷道“三带”分布规律,确定巷道周围松动圈范围并得出顺层钻孔合理封孔深度范围。通过现场抽采效果验证,证明顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度应该超过集中应力带应力峰值点,最后确定玉溪煤矿顺层钻孔合理封孔深度为12.5m,大幅度提高了瓦斯的抽采浓度,延长了抽放衰减周期,为煤层瓦斯长时间预抽提供了技术支撑,实现了矿井高浓度瓦斯的稳定利用,增加了安全保障,创造了经济效益。     

松软煤层下筛管护孔高效抽采瓦斯技术试验研究

针对松软煤层瓦斯抽采钻孔成孔难、孔壁易坍塌,致使瓦斯有效抽采时间短、浓度低、流量小的现状,提出了松软煤层筛管护孔抽采瓦斯技术,阐述了该技术的基本原理、相关设备及施工工艺。在马堡煤矿15203工作面运输顺槽进行了工业性试验。该技术的应用有效地防止了钻孔塌孔,改善了瓦斯抽采效果,缩短了预抽时间,应用前景良好。     

松软煤层可控冲击波增透瓦斯抽采创新实践——以贵州水城矿区中井煤矿为例

松软煤层瓦斯低成本高效抽采属于世界性技术难题之一,中井煤矿回采工作面规模煤层可控冲击波增透效果为解决这一难题提供了一个成功示范。通过可控冲击波增透煤层钻孔,单孔日均瓦斯抽采量平均提高3.37倍,最高达到6.54倍,瓦斯浓度平均提高2.31倍,增透有效半径可达40～60 m,将原来的难以抽采煤层转变为可以抽采～容易抽采煤层,需要的钻孔工程量只有传统抽采工程的11%～18%。在钻孔直径、冲击能量条件相同条件下,示范区煤层增透的最佳冲击密度在1.0～1.1次/m,增透段长度应大于120 m;在最佳冲击密度条件下,回采工作面抽采孔增透效果主要与抽采开始时机、周围抽采环境有关,巷道掘进暴露越晚以及回采工作面增透孔相互干扰越明显,抽采效果越好。与传统钻孔抽采流量幂指数单调衰减曲线形态不同,增透孔瓦斯流量曲线表现为"两段式"变化的典型特征,其中多数孔第1阶段流量曲线出现类似于煤层气地面井排水降压的流量"峰",第2阶段流量衰减系数也远远小于对比基准。分析认为,产生上述效果的机理在于两个方面:①以冲击波增透孔为中心向外,煤层流场由井巷采动流场向冲击波改造流场过渡,大大扩展了原有的有效流场半径,冲击波改造流场类似于地面井煤层流场,可以通过排水降压形式产出煤层瓦斯;②冲击波改造流场为抽采影响带流场提供了更为充足的瓦斯气源,有效阻滞了瓦斯流量衰减系数的快速降低,显著提高了抽采效果。     

基于COMSOL Multiphysics模拟的瓦斯抽采钻孔合理间距研究

为考察坪上煤业主采3号煤层的合理抽采钻孔间距,利用瓦斯在煤层中的运移和渗流规律,结合实测煤的参数条件,在相同的抽放负压、抽放时间等影响条件下,运用COMSOL Multiphysics有限元软件模拟了不同钻孔间距时所抽煤层在抽采时间为400 d时钻孔影响范围内煤体瓦斯含量变化规律,得出了满足抽采时间条件下的合理钻孔间距为5 m。结合矿井2305（上）回采面巷道内开展了不同钻孔间距实测,在相同的瓦斯地质参数及抽采系统条件下,连续抽采且观测时间达到400 d时各钻孔的瓦斯抽采纯量和钻孔浓度变化。确定了在抽采时间达到400 d时,抽采钻孔间距为5 m时的钻孔瓦斯浓度为35%、流量为0.04 m3/min,受抽采系统影响明显;而间距在6 m的钻孔的流量和浓度仍保持自然衰减特征。模拟和现场实测均验证了该矿瓦斯抽采钻孔间距布置以5 m最佳,该研究为实际生产过程中确定合理的钻孔间距提供理论依据,为矿井瓦斯抽采布局及瓦斯治理提供了技术保障。     

应用水力压裂技术提高单一低渗煤层瓦斯抽采效果

针对单一低渗煤层瓦斯抽采困难的问题,提出采用水力压裂技术压裂煤层增大其透气性,提高瓦斯抽采效果。以鹤壁中泰矿业33071抽放巷为试验点,考察了压裂前后百米钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采浓度、抽采流量等参数变化情况。试验结果表明:百米钻孔瓦斯流量提高了1.80～2.68倍,单孔抽采浓度和流量比压裂前分别增大了7.5倍和95倍,煤层透气性系数增加了9～18倍,衰减系数减小了210%～280%。     

高压水射流环切割缝自卸压机制与应用

为解决深部矿井低透气性煤层瓦斯抽采难题,针对穿层钻孔提出了高压水射流环切割缝煤层自卸压增透技术。通过瓦斯流动理论分析普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动模式,分别建立了普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动微分方程,获得了高压水射流环切割缝自卸压技术改善煤层瓦斯流动机制;采用FLAC3D软件建模分析高压水射流割缝后钻孔周边煤体应力演化规律,基于煤体卸压程度及塑性区分布特征,确定了穿层钻孔合理化割缝参数;通过底板穿层钻孔高压水射流环切割缝技术现场考察,环切割缝后煤层变形量达到0.136%,煤层透气性系数较原始状态提高了42倍,瓦斯抽采纯量相较普通钻孔提高3.44~5.32倍,同等条件下煤层抽采半径提高了1倍以上。理论研究与现场试验均表明,采用高压水射流切割在煤层内部形成环形缝槽,能有效改善钻孔煤体应力状态,增加煤层渗透性,提高瓦斯抽采效率。     

钻孔自然瓦斯流量衰减系数合理测定期的探讨

基于钻孔自然瓦斯流量衰减理论,结合在山西晋城阳城矿区3#煤层钻孔自然瓦斯流量的现场实测数据,统计了1～65 d内不同时间段内测定的钻孔自然瓦斯流量数据,然后通过回归分析的方式对比了不同时间内的钻孔自然瓦斯流量衰减系数,进而根据曲线衰减的拟合度探讨测定钻孔自然瓦斯流量衰减系数α的最短有效时间。结果表明:在钻孔自然瓦斯流量较大的无烟煤层,其衰减系数的合理测定时间应为40 d左右。     

水力压裂技术在成庄煤矿低透气性突出煤层的应用及效果

为了解决成庄煤矿高瓦斯含量、低透气性煤层在开采过程中遇到的瓦斯难以抽采的问题,在该煤矿进行了水力压裂现场试验并优化钻孔布置,定量分析水力压裂的影响范围及效果。结果表明：采用水力压裂技术后的煤层透气性系数提高了26.3倍、煤层内瓦斯压力降低了53.5%,消除了煤与瓦斯突出的潜在危险,同时瓦斯抽采纯流量及其抽采浓度也有了大幅度的提高。通过优化钻孔布置,有效降低了成庄煤矿的瓦斯治理成本。     

五阳煤矿低透气性松软煤层瓦斯抽采参数优化数值模拟

煤层透气性低,煤质松软,抽采难度大,抽采率低是目前五阳煤矿瓦斯抽采存在的主要问题,根据煤与瓦斯的耦合作用机理及煤层瓦斯的运移规律,深入分析五阳煤矿现有瓦斯抽采系统,利用RFPA2D-Flow建立本煤层瓦斯预抽钻孔数值模型,对比分析回采巷道先抽后采过程中平行钻孔预抽时间、钻孔间距和抽采负压对瓦斯抽采效果的影响,最终确定其合理的抽采参数,提高瓦斯抽采率。     

基于COMSOL钻孔有效抽采半径测定的数值模拟研究

为了准确测定霍尔辛赫煤矿3308工作面煤层钻孔有效抽采半径,合理布置钻孔间距,结合现场实测的煤层瓦斯压力和渗透率等参数,运用COMSOL-Multiphysics仿真软件对3308工作面钻孔的瓦斯涌出规律和有效抽采半径进行了模拟分析,并进行了现场实测验证。结果表明:有效抽采半径随着抽采时间的推进不断增大并最终趋于恒定值,整体呈正指数函数关系;瓦斯预抽率随着与钻孔距离的增加而不断减小并最终趋于恒定值,整体呈负指数函数关系;数值模拟和现场实测结果较为一致,钻孔有效抽采半径略大于15 m,现场每间隔30 m布置1个钻孔可大大提高煤层瓦斯抽采效果。     

水力压裂技术强化瓦斯抽采的应用

水力压裂技术是提高低透气性煤层瓦斯抽采效果的一种有效的增透措施。针对煤矿井下低透气性煤层瓦斯抽采浓度低、衰减系数大、抽采时间长且钻孔施工量大等问题,结合现场实际情况,确定压裂所需的仪器设备和工艺参数后,在工作面回风巷实施煤层压裂增透。根据压裂前后的瓦斯抽采参数跟踪记录,两者对比结果表明:对煤层进行压裂增透后,钻孔的最大瓦斯抽采流量和浓度最大可以提高3.65和4.42倍,煤层透气性显著提高,达到了强化瓦斯抽采的目的。     

基于进风巷高位钻孔的上隅角瓦斯治理试验研究

针对平山矿11009工作面采空区瓦斯浓度较高及上隅角瓦斯超限问题,通过对煤层开采后覆岩"三带"分布和瓦斯流动规律的分析,结合11009工作面煤层为近水平煤层且覆岩破坏范围大的实际情况,在工作面进风巷和回风巷均设计施工了高位钻孔,并通过现场试验检验其瓦斯抽采效果。结果表明:11009工作面进风巷高位钻孔对工作面瓦斯治理有着至关重要作用,抽采浓度最大可达90%,较传统的只在回风巷施工高位钻孔抽采纯量提高了55%,有效降低了上隅角和回风流中的瓦斯浓度,增效明显。