穿层钻孔倾角对瓦斯抽采的影响数值模拟研究

为考察穿层钻孔倾角对瓦斯抽采的影响,以平煤十二矿第四瓦斯治理巷穿层预抽钻孔为研究对象,基于瓦斯渗流方程、交叉耦合方程及煤体变形控制方程,采用数值模拟COMSOL研究了瓦斯抽采半径在不同穿层钻孔倾角下的影响规律。研究结果表明:随着钻孔倾角的逐渐加大,不同倾角钻孔影响范围呈先减小后增大的趋势,在钻孔倾角为145°时影响范围最大,90°时影响范围最小;随着钻孔倾角的变化,不同钻孔的抽采达标范围是不同的,抽采达标区域的范围在钻孔与煤层近乎垂直的时候达到最小值,在钻孔与煤层近乎水平的时候达到最大值。     

底板岩巷网格穿层抽采钻孔间距的优化研究

安徽某矿7煤层具有突出危险性,为保证其安全采掘,必须选取合适的瓦斯灾害综合治理模式对煤层瓦斯进行治理,而底板岩巷网格穿层钻孔瓦斯抽采模式是目前单一突出煤层区域性瓦斯治理的一个主要方法。首采工作面试验区内通过底板岩巷网格穿层钻孔预抽煤层瓦斯,但效果不理想。因此,通过理论推导瓦斯流动微分方程的解析解,并应用多物理场耦合软件建立钻孔瓦斯抽放径向流动模型,对其穿层抽采钻孔间距进行优化研究。结果认为,对于单一钻孔,若有效抽采时间为3个月,7煤层的有效瓦斯抽采半径为1.2m;若有效抽采时间为6个月,则7煤层的有效瓦斯抽采半径为1.5m。对于密集钻孔,当钻孔间距不超过5m时,可以在6个月内有效地将煤层瓦斯压力降至临界值以下,抽放效果是比较理想的。     

煤层群底板穿层钻孔瓦斯抽采半径考察研究

为了准确测定煤层群底板穿层钻孔瓦斯抽采半径,提出采用钻孔瓦斯流量法+瓦斯含量降低法相结合的现场考察方法。基于穿层钻孔瓦斯抽采流量统计法推导得出有效抽采半径计算公式,并根据钻孔抽采影响范围内煤层瓦斯抽采率、残余瓦斯压力、残余瓦斯含量,以及工作面日产量等要求,综合分析确定计算公式中的残余瓦斯含量临界指标值。通过现场布置多组考察钻孔进行综合分析,得到石炭井焦煤公司3~#、4~#、5~#煤层的有效抽采半径,采用瓦斯含量降低法进行验证,最终确定煤层群底板穿层钻孔的抽采半径,为矿井煤层群底板穿层钻孔布置提供了依据。     

穿层钻孔与顺层钻孔瓦斯抽采影响半径研究

在腾辉煤矿试验区域,分别施工穿层和顺层钻孔,利用瓦斯压降法,测定钻孔瓦斯抽采影响半径。现场试验研究表明,在试验条件相同、抽采时间相同(20d)的情况下,穿层钻孔瓦斯抽采有效影响半径比顺层钻孔要大0.4 m之多。由此可以推断,对于同一煤层,在抽采条件及有效抽采长度相同的情况下,穿层钻孔比顺层钻孔能抽出更多的瓦斯。     

顺层钻孔瓦斯抽采流固耦合模型及数值模拟应用研究

基于构建的顺层钻孔瓦斯抽采流固耦合模型,利用COMSOL模拟软件,结合某矿3901工作面的实际情况,开展本煤层顺层钻孔不同瓦斯抽采时间、钻孔间距的数值模拟研究。结果表明,有效抽采半径随着抽采时间的增加先快速增加后逐渐变缓,有效抽采半径与抽采时间呈对数函数关系,当抽采时间超过180 d时,抽采时间对有效抽采半径的影响较小,考虑采掘接续确定该工作面合理的抽采时间为180 d;抽采钻孔间距对煤层瓦斯压力的下降和抽采效果影响显著,布孔间距越小钻孔之间瓦斯压力下降幅度越明显,为了有效避免了“空白带”和抽采的无效叠加,结合3901工作面的实际情况,确定瓦斯抽采180 d后最合理的钻孔间距为6 m。     

矿井通风瓦斯抽采影响半径研究

以瓦斯钻孔抽采影响半径为研究对象,在施工工艺与抽采时间相同的情况下,分析了穿层钻孔和顺层钻孔工艺对瓦斯抽采的效率,通过采用瓦斯压力指标法测定瓦斯抽采钻孔影响半径,得出穿层钻孔工艺比顺层钻孔工艺效率高15%,为今后矿井瓦斯抽采提供一些借鉴。     

穿层钻孔预抽瓦斯区域消突效果分析

本文针对单一低透气性突出煤层的突出危险性,基于穿层钻孔区域消突卸压增透机理,采用预测指标法测定煤层瓦斯抽采有效半径,依据测定结果设计穿层钻孔参数,利用岩石底板巷穿层钻孔对煤层卸压增透抽采瓦斯,某突出矿井应用结果表明:穿层钻孔预抽煤层瓦斯后021710掘进工作面煤层残余瓦斯含量与瓦斯压力,钻屑瓦斯解吸指标Δh2和钻屑量S指标均低于始突临界值,瓦斯抽采率达33%。提高了煤层透气性和瓦斯抽采率,保证煤巷安全快速掘进。     

本煤层瓦斯抽采钻孔有效半径分布规律研究

为了研究本煤层瓦斯抽采钻孔周围有效半径的分布规律,运用钻孔周围煤层瓦斯流动的连续性方程、理想气体状态方程、气体运动方程和瓦斯含量方程,建立本煤层顺层钻孔周围瓦斯压力分布规律数学模型。在煤层施工瓦斯抽采钻孔,现场测定不同钻孔深度的抽采负压,分析孔深和抽采负压的数学关系。最后建立钻孔周围瓦斯压力沿孔深的变化关系式,研究瓦斯抽采钻孔周围有效抽采半径的分布规律。发现抽采负压随着孔深的增加呈线性递减,钻孔有效抽采半径随着孔深的增加也呈现出递减的趋势。     

不同数量钻孔瓦斯抽采有效区域数值模拟分析

为了研究钻孔数量对煤层瓦斯压力及有效抽采区域的影响,采用三维数值模拟方法,计算并分析了单排不同数量钻孔抽采条件下煤层瓦斯压力及有效抽采区域的空间分布特征。结果表明:煤层瓦斯压力变化具有显著的时空响应特征,抽采初期钻孔数量对抽采半径之外的煤层瓦斯压力影响较小,但随抽采时间的增加,钻孔数量对其影响逐渐显现,抽采影响半径增大,瓦斯压力下降趋势加大;钻孔有效抽采区域空间分布形态及其范围受到钻孔数量与抽采时间的影响;有效抽采区域体积与抽采时间基本呈y=ax~b函数关系,且钻孔有效抽采区域体积与钻孔数量并未呈线性关系;在瓦斯抽采过程中钻孔之间会产生叠加效应,随抽采时间的增加叠加效应更加明显。     

基于多物理场耦合的顺层钻孔瓦斯抽采参数优化研究

为了揭示多物理场耦合作用下本煤层顺层钻孔瓦斯抽采渗流机制,建立了考虑Klinkenberg效应、有效应力和解吸收缩影响的流固耦合模型,运用该模型对本煤层顺层钻孔抽采参数进行优化。结果表明:抽采时间对有效抽采半径影响非常显著,钻孔抽采1 d时有效抽采半径为0.38 m,钻孔抽采10 d时有效抽采半径的范围仅增加1.55倍,抽采180 d时有效抽采半径的范围增加8.26倍;在高瓦斯压力区域,煤层钻孔周围煤体的孔隙率、渗透率呈现下降趋势,随着钻孔抽采影响程度的减小,煤基质解吸收缩效应逐渐加强,孔隙率、渗透率下降趋势逐渐缓慢,模拟结果与理论分析相吻合;随着抽采钻孔直径的增加,钻孔周围煤体的瓦斯压力降低范围逐渐增大,有效抽采半径与钻孔直径之间满足幂函数关系,在保证钻孔抽采效果的前提下,确定某矿29031工作面最合理的钻孔直径为94 mm。     

Gas-solid coupling analysis and numerical simulation of the dynamic process of gas drainage

Based on the basic theory of gas seepage and coal seam deformation, using the numerical simulation method, this paper established the gas-solid coupling model of gas drainage from borehole. Using multi-physical coupling analysis software, the authors studied the stress change conditions around the drainage borehole, the influence of the gas drainage effect caused by the drilling gap, and the gas drainage effect under the conditions of different borehole radius and different permeabilities. The results show that the effective drainage radius is 1.03 m during 30 days of drainage. The effect of the diameter change of the drainage borehole is limited, but the influence of coal seam permeability is much bigger. After the same drainage period, the greater the permeability of coal seam is, the bigger the drainage radius is. For a low permeability coal seam, coal miners should take pressure-relief measures and increase the permeability to improve the drainage effects before draining gas through drilling.     

基于多物理场耦合的瓦斯抽放半径确定方法

为了确定合理的瓦斯抽放半径,建立了考虑煤的流变特性、渗透率动态变化和吸附特征的渗流-应力耦合模型,对比分析了软硬煤层钻孔孔径变化规律,研究了抽放过程渗透率的动态演化规律,确定了软硬煤层的有效抽放半径,找出了瓦斯抽放半径的影响因素。研究结果表明：由于含瓦斯煤的流变特性,软硬煤层钻孔均会随时间发生缩孔现象,软煤层钻孔在短时间内就可能被堵塞,硬煤层钻孔直径虽有缩小但仍处于稳定状态,并不堵塞瓦斯抽放通道,在确定抽放半径时,应首先分析钻孔的孔径变化规律以确定有效抽放时间;瓦斯抽放过程煤的渗透率会随时间逐渐增大;煤体硬度、埋藏深度、初始瓦斯压力、初始渗透率和钻孔孔径等是影响瓦斯抽放半径的主要因素。     

穿层钻孔水力化卸压增透技术

低透气性煤层瓦斯抽采是我国矿井瓦斯治理的瓶颈所在。近年来水力射流技术在矿井石门揭煤、底板巷消除地应力方面有了很大的发展,因此,开展水力射流技术在本煤层强化瓦斯抽采方面的研究具有重要意义。采用水力射流扩大钻孔的直接影响范围,通过对扰动煤体的体积、表面积、单孔瓦斯抽采量、钻孔影响半径的考察,对比分析了水力射流技术和钻孔抽采技术的数据,得出钻孔直径增大11.7～19.2倍,扰动煤体体积提高3 471～6 971倍;钻孔瓦斯衰减周期延长了7～10倍;单孔抽采效果提高6～8倍。     

结构异性煤层顺层钻孔方位对有效抽采半径的影响

为了提高煤层顺层钻孔瓦斯抽采效率,有效抽采半径的确定是关键。基于各向异性煤层瓦斯渗透率测试结果,建立了煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了不同钻孔方位时瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了钻孔方位对抽采效果的影响。研究结果表明：煤层面割理和端割理方向渗透率均大于垂直层理方向渗透率;钻孔有效抽采半径随抽采时间增加呈幂指数增大;煤层有效抽采区域是以抽采钻孔为中心,最大抽采距离(平行层理方向)为长轴,最小抽采距离(垂直层理方向)为短轴的椭圆。平行层理沿端割理方向抽采孔的瓦斯抽采效果优于平行层理沿面割理方向的抽采孔。     

考虑煤渗透性变化的抽采渗流耦合模型研究及应用

为揭示煤岩变形对煤层瓦斯抽采渗流特性的影响,开展了煤层瓦斯抽采气固耦合问题研究。首先,考虑煤吸附解吸变形、孔隙压力及渗透性变化对瓦斯抽采的影响|然后,根据达西定律,建立以有效应力及吸附应变为耦合媒介的煤层瓦斯渗流和煤岩变形气固耦合方程|最后,以沙曲矿24208工作面为工程背景进行抽采煤层位移、吸附应变和瓦斯渗流数值模拟,并对比分析煤层瓦斯压力、煤层渗透率和瓦斯抽采量的耦合效应。结果表明：抽采后钻孔周围煤体位移呈增大趋势,煤体因瓦斯解吸收缩变形,距抽采孔越近应变量越大|抽采初期煤层瓦斯压降梯度大|煤层渗透率随抽采时间呈增大趋势,距孔越近增幅越大|初期钻孔瓦斯抽采量较大但降幅较快,后趋于稳定,对比发现模型抽采量计算结果与实际抽采数据较为一致。     

穿层树状钻孔煤层增透技术在深部矿井的应用试验

针对深部开采矿井低透煤层瓦斯抽采过程中抽采半径小,抽采效率低的问题,以平顶山矿区首山一矿己15-17-12110抽放巷为试验地点,开展了穿层树状钻孔增透技术的试验研究。试验采用自进式水力喷射树状钻进工艺,在工作面低抽巷共施工了34组穿层树状钻孔,每组7个,共238个钻孔。试验结果表明：与水力冲孔钻孔相对比,穿层树状钻孔在深部低透煤层的瓦斯抽采应用中,抽采影响半径明显增大|平均瓦斯抽采浓度提高了1.30～1.80倍,且高浓度抽采周期延长|单孔平均日抽采纯量为3.47～5.30m3/d,是水力冲孔钻孔的1.58～3.66倍。穿层树状钻孔煤层增透技术在深部矿井工作面穿层条带预抽中,应用效果显著,为平顶山矿区深部低透煤层的瓦斯抽采提供了增透技术储备。     

赵固二矿本煤层定向长钻孔水力压裂增透技术研究

为了提高井下低透气性煤层瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采效果,开发了适合中等偏硬低透煤层裸眼钻孔高压稳定封孔装备,采用了本煤层定向长钻孔整体水力压裂增透技术,分析了本煤层定向长钻孔水力压裂增透机理,并进行了水力压裂强化增透试验。根据压裂施工过程中压裂参数变化规律,利用压裂前后煤层全水分和钻孔瓦斯参数变化对比,综合考察和评价了水力压裂增透效果和影响范围。研究表明：压裂过程中最大注水压力24.6MPa,发生多次明显压降,最大压降5.2MPa。水力压裂增透后,煤层瓦斯日抽采纯量提高了12.70倍,百米钻孔瓦斯抽采量提高了2.67倍,压裂最大影响半径达到了 38m,平均超过30m,提高了瓦斯抽采效率。     

瓦斯流量法在测定煤层瓦斯抽放影响半径中的应用

石港煤矿15号煤层为煤与瓦斯突出煤层,为了指导石港煤矿消突工作面顺层抽放钻孔的合理布置,采用瓦斯流量法测量了石港煤矿15号煤层顺层钻孔抽放影响半径.结果表明:测试本煤层顺层钻孔的抽放影响半径时,瓦斯流量法是一种便捷、准确的方法.     

钻扩一体化技术在石门揭煤工作中的应用

突出矿井石门揭煤过程中最易引发煤与瓦斯突出事故,而目前石门揭煤工作中防治煤与瓦斯突出的主要措施是穿层钻孔预抽煤层瓦斯,但低透气性煤层中单一采取这一措施难以达到理想的消突效果。钻扩一体化水力扩孔技术,能有效增加煤层透气性和抽采钻孔有效影响半径,辅以严封孔、高负压抽采措施,快速实现抽采达标,保证揭煤安全。     

非均质煤层瓦斯分布特征及钻孔抽采瓦斯运移规律研究

为了提高煤矿瓦斯抽采率，节约瓦斯抽采时间，分析了非均质煤层瓦斯分布特征及钻孔抽采瓦斯运移规律，采用透气性系数研究了非均质煤层瓦斯压力分布特点；分析了非均质煤层单钻孔瓦斯压力分布、原始瓦斯压力、原始透气性系数对有效抽采半径的影响。研究对指导现场瓦斯抽采以及促进煤矿安全生产具有重要意义。