高压水射流割缝对煤体扰动影响规律研究及应用

基于高压水射流割缝层内卸压增透技术,运用ANSYS软件建立模型,模拟了高压水射流割缝后不同割缝宽度条件下煤体位移、应力的变化,根据模拟结果分析了割缝煤体受扰动影响的变化规律;同时在平煤集团十三矿进行了现场的试验和应用,并对割缝钻孔和普通钻孔进行了单孔抽采流量考察。ANSYS模拟研究表明,割缝宽度不同造成周围煤体位移和应力显著变化,割缝宽度增大煤体受扰动影响范围增大,加大了煤体裂隙扩展,提高了割缝煤体的卸压效果;经现场试验和应用,煤体进行高压水射流割缝后,割缝钻孔起始瓦斯抽采量是普通钻孔的2.5倍,且在考察时间内割缝孔的抽采流量远大于普通孔,提高了瓦斯抽采效率。     

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。     

低透气性煤层高压振荡水射流割缝增透机理及效果分析

针对卧龙湖煤矿煤层埋深大、地应力大、渗透率低、钻孔塌孔等问题,提出了一种高瓦斯低渗透性突出煤层的高压振荡水射流割缝技术;分析了煤体割缝后的应力分布状态和卸压效应,并进行了现场试验。结果表明,割缝孔槽在轴向方向上会产生卸压效应并产生裂隙,煤层透气性相应提高;相比普通抽采钻孔,割缝钻孔瓦斯抽采总量、单孔瓦斯抽采量显著提升,消突达标时间缩短30%以上。     

穿层钻孔高压旋转水射流割缝增透防突技术研究与应用

为了解决高瓦斯突出煤层巷道掘进过程中的煤与瓦斯突出问题,开发了将钻机钻进与射流割缝技术有机结合的穿层钻孔高压旋转水射流割缝增透防突技术。采用数值模拟的方法对比分析了钻孔和射流缝槽卸压效果,研究结果表明:割缝卸压比单纯钻孔卸压要优越很多,割缝缝槽破坏了钻孔周围的"瓶颈效应",多个割缝钻孔形成的裂隙相互导通,煤体透气性增大,促进瓦斯释放。工业性试验结果表明本卸压增透技术效果明显,瓦斯抽采流量、煤体扰动体积都有较大幅度增加,提高了瓦斯抽采效率。     

瓦斯抽采钻孔“钻-割-封”技术研究及应用

为提高煤层透气性、改善抽采钻孔封孔质量,强化瓦斯抽采效果,消除煤层突出危险性,依据高压水射流破煤机理,提出"钻-割-封"技术,即对瓦斯抽采钻孔及封孔段周边煤体切割径向环形缝槽,然后注浆封孔。通过现场试验,验证采用"钻-割-封"技术钻孔的瓦斯抽采效果。现场试验结果表明:采用"钻-割-封"技术的抽采钻孔瓦斯浓度提高20%～30%,瓦斯抽采纯量相较于常规钻孔提高约1倍,实现煤层的卸压增透,提高了钻孔密封性。     

煤矿高压水射流卸压增透技术应用研究

为了解决低透气性煤层中瓦斯抽采困难的问题,针对青岗坪煤矿地质特征及煤层特点,采用高压水射流卸压增透技术进行现场试验,通过缝槽等效半径以及钻孔瓦斯抽采效果,验证了高压水射流卸压增透钻杆一体化技术,在提高煤体渗透性和瓦斯抽采方面,是一种经济可行的技术措施。     

基于水射流割缝煤层区域动态指标研究

基于水射流割缝煤层增透技术,分析了割缝后煤体应力分布状态,计算了割缝钻孔径向应力和切向应力。在理论分析水射流割缝钻孔影响半径的基础上,确定基于水射流割缝钻孔布置的技术工艺。根据现场实测数据,统计分析了动态指标,对水射流割缝后煤层瓦斯抽采增透效果进行了验证。中兴矿现场试验表明:与常规钻孔相比,采用水射流割缝钻孔瓦斯抽采浓度提高3.6倍、流量提高2.7倍、纯流量提高9.7倍;上覆三采西翼回风巷平均风排瓦斯涌出量最大减少0.68 m^3/min,降低26.98%;水射流割缝钻孔段瓦斯含量降低0.48 m^3/t;抽采半径为3.0 m时,水射流割缝钻孔段抽采时间41 d,相比常规钻孔抽采时间缩短43 d。     

超高压水力割缝技术在低渗透特厚煤层中的应用

为增大煤层透气性系数,提高煤层瓦斯抽采效果,通过超高压水力割缝技术,增大煤体暴露面积,给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好的条件,缝槽上下的煤体在一定范围内得到较充分的卸压,增大了煤层的透气性。结果表明:水力割缝钻孔组瓦斯抽采浓度、纯流量、百米瓦斯抽采纯流量及瓦斯抽采率是对比钻孔的2~4倍,远远大于对比钻孔组,割缝钻孔瓦斯抽采效果显著。研究为其他类似矿井提供借鉴。     

水射流割缝增透技术应用研究

焦煤公司九里山矿属严重煤与瓦斯突出矿井,主采山西组二1煤层,为单一厚煤层开采,煤层透气性差,瓦斯抽采困难.因此,应用穿层高压水射流割缝卸压增透技术,对原有煤体进行割缝卸压,改善瓦斯抽采效果.现场应用证明,利用割缝卸压增透技术能够明显提高瓦斯抽采率,确保矿井的安全生产.     

基于坚硬煤层条件的顺层钻孔增透技术研究

为了解决低透气性坚硬煤层顺层钻孔抽采影响范围小、抽采效果差等问题,分析了坚硬煤层高压水射流破坏过程,采用数值模拟的方法研究了超高压水射流环形割缝卸压增透机制,研制了新型超高压水力割缝成套装置,并现场考察了坚硬煤层煤巷条带顺层钻孔超高压水力割缝应用效果。结果表明:采用超高压水力割缝后,坚硬煤层透气性提升约20倍,钻孔平均抽采瓦斯纯量提高2.0~2.5倍,抽采达标时间缩短67%以上,月掘进速度提高约50%,掘进期间无瓦斯异常现象,实现了坚硬煤层煤巷条带安全、快速掘进。     

基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术及应用

针对我国高瓦斯煤层赋存特点及目前煤矿区域瓦斯治理过程中存在的问题,采用理论研究、数学建模和现场测试相结合的方式,研究了基于区域瓦斯治理的高瓦斯低透气性煤层卸压增透技术及改善瓦斯流动与解吸方式,建立了高压射流割缝卸压范围内瓦斯流动毛细管模型,并且通过对割缝主体影响区、边界影响区消突时间的对比分析,得出了割缝影响区内任一点消突的判据和割缝卸压范围内整体消突时间。最后,结合笔者多年从事瓦斯抽采的研究和科研成果,提出了基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术,开发了相应的配套设备和材料,在国内有关矿井进行了应用。应用结果表明,该技术可显著提高抽放钻孔的单孔有效影响范围,减少区域瓦斯治理需要的钻孔数量,缩短区域抽采时间,提高区域抽采效率。     

穿层钻孔超高压水力割缝技术试验研究

为提高张集矿1煤层瓦斯抽采效果,解决低透气性厚煤层瓦斯抽采率低、瓦斯涌出量大的难题,矿井采用超高压水力割缝卸压增透技术在1415A底抽巷进行了试验应用。通过对割缝钻孔和未割缝钻孔的等效直径、钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采量、瓦斯含量下降率等分析表明,采用超高压水力割缝术后,钻孔内煤体的暴露面积大大增加,为瓦斯释放提供了有利空间,同时使煤体充分卸压,改善煤层透气性,大幅度提高瓦斯抽采率,减少了抽采达标时间,解决了厚煤层采掘工作面瓦斯治理的难题。研究为矿区类似条件厚煤层的瓦斯高效治理提供了技术指导。     

赵固二矿坚硬煤层超高压水力割缝增透技术应用

针对赵固二矿煤层坚硬、透气性低、钻孔瓦斯抽采效果差及钻孔工程量大等问题,提出采用超高压水力割缝技术提高瓦斯抽采效率。基于应力波原理,分析了高压水射流破煤机理,研制了适用于坚硬煤层条件且能够有效提高射流打击力的圆锥收敛型喷嘴和适用于坚硬煤层条件的定点冲击割缝方式。现场试验表明,针对坚硬煤层条件,割缝钻孔平均单刀出煤量约0.18t,等效割缝半径0.99～1.57m,割缝后瓦斯自然涌出量是普通钻孔的11.3倍,抽采纯量较普通钻孔提高3.8倍,钻孔抽采有效半径较普通钻孔增加了90%左右。超高压水力割缝技术能有效的解决低渗透性坚硬煤层的瓦斯抽采难题。     

割缝与压裂协同增透技术参数数值模拟与试验

针对古汉山矿低透气性煤层穿层抽采钻孔卸压不充分的问题,提出了割缝与压裂协同增透技术,基于弹性断裂力学和Biot经典渗流力学理论,采用数值模拟的方法,分析了割缝钻孔与压裂钻孔协同布置时不同条件下压裂裂缝扩展规律,确定割缝钻孔与压裂钻孔水平距离为4 m时压裂效果较好,缝槽相对于水平方向的倾角应避免为45°,割缝钻孔形成的缝槽可以控制压裂裂缝的扩展方向,裂缝影响范围内应力由约8 MPa下降至4 MPa以内。现场试验表明,距割缝钻孔2 m以内的煤体发生了位移,协同割缝钻孔的瓦斯抽采纯量是割缝钻孔的2.3倍,是普通钻孔的7.8倍,协同压裂钻孔的瓦斯抽采纯量是压裂钻孔的2.1倍,普通钻孔的5倍,瓦斯抽采效率显著提高。     

脉冲射流割缝控制压裂技术关键参数研究及应用

为解决常规水压裂缝受地应力影响,导致扩展形态单一、易在裂缝两侧遗留增透空白带等问题,结合脉冲射流破煤岩特点与缝槽-孔隙水压联合诱导裂缝定向扩展作用,研究了煤矿井下脉冲射流割缝控制压裂技术。通过冲击应力波效应分析了脉冲射流充分利用水锤压力高效破碎煤体割缝机理,阐明了脉冲射流割缝控制压裂大幅增加煤层透气性原理,明晰了脉冲射流割缝压力、割缝控制压裂实施压力和压裂钻孔封孔长度等关键参数,探讨了割缝控制压裂技术的工艺流程,并在逢春煤矿开展了割缝控制压裂、常规压裂和钻孔抽采三种现场试验,对比考察了三种方式的煤层瓦斯抽采效果。现场试验结果表明:由于缝槽卸压和孔隙压力场的存在,脉冲射流割缝控制压裂能降低煤层压裂时的实施压力;通过分析压裂后不同距离煤体瓦斯含量和含水率变化规律,得出割缝控制压裂技术比常规压裂的影响范围更远,提高约33%;煤层实施割缝控制压裂后单孔瓦斯抽采纯量为0.034m³/min,较常规压裂和传统钻孔抽采技术提高了3.7倍和10.6倍,瓦斯抽采汇总浓度约为73%,提高了1.7倍和2.25倍。     

基于Solidworks的水力割缝喷嘴特性数值模拟

水力割缝是煤层卸压和增加煤层渗透率的有效方法,其中喷嘴结构是影响水力割缝效果的关键部件,通过Solidworks软件对收缩型喷嘴内部流场进行数值模拟,通过对比优化喷嘴参数,并在实验室进行试验分析了影响割缝效果的因素。     

钻孔割缝网络化增透机制及其在底板穿层钻孔瓦斯抽采中的应用

针对底板穿层瓦斯抽采钻孔卸压不充分的主要问题,采用理论分析与现场试验相结合的方法,研究了钻孔割缝网络化卸压增透机制,提出了底板穿层钻孔割缝网络化增透技术,并且在国内相关矿井进行了现场应用。应用结果表明：采用该技术措施后,平均透气性系数提高了122倍,瓦斯抽采流量提高了3.5倍,瓦斯抽采浓度提高了2.3倍,预抽达标时间缩短50%以上。