基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术

随着煤矿开采逐渐向深部延深,高强度开采瓦斯涌出量大,煤岩体高应力与瓦斯灾害呈相互耦合态势。针对深部矿井高强度开采面临的煤岩与瓦斯动力灾害治理难题,基于高压水射流割缝卸压原理,提出应力、瓦斯双重卸压的煤岩与瓦斯动力灾害水力化防治技术。通过理论分析与数值模拟方法,分析了超高压水射流割缝破煤机制,研究了煤层割缝卸压措施对区域内煤体应力及瓦斯的双重影响。研究结果表明:高压射流在煤层内部切割破坏了煤体完整性,减弱了煤体对上覆岩层支承能力,能有效地缓解割缝区域内应力集中;钻孔内部切割形成的缝槽改变钻孔瓦斯抽采模式,由径向流动改变为径向、轴向复合流动,使煤层瓦斯含量、压力迅速降低,超高压水力割缝技术通过应力卸压及瓦斯抽采2个方面解除了煤岩与瓦斯动力灾害发生危险。经在胡家河矿现场试验,割缝区域内平均微震事件能量下降18%、单位进尺微震能量降低37%,采用地音趋势法评估的矿压显现强烈次数下降17%,瓦斯抽采量提高4.1倍,表明超高压水力割缝技术能实现地应力及瓦斯压力双重卸压,有效解除煤岩与瓦斯动力灾害发生危险,为深部煤矿高强度安全开采提供技术保障。     

高压水射流破煤机制及技术应用研究

为了研究高压水射流对破煤机制以及对该技术的推广应用,本文以云冈矿为工程背景,通过理论计算、数值模拟、现场试验等技术手段对高压水射流破煤机制及技术应用进行研究。数值模拟表明,随着高压水射流与煤体作用时间的延长,高压水射流在煤体形成的坑底尺寸逐渐变大,随着后续水流的不断增加,能量不断升高,会继续对煤体进行损伤破坏。现场试验表明,钻孔累计抽采瓦斯纯量约为42 598.13 m3,与之前未进行高压水射流冲孔造穴相比,平均瓦斯抽采浓度提高3.2倍,平均抽采纯量提高7.3倍。     

顶板断裂瞬间煤体稳定性的动力学分析及数值模拟

为了研究顶板突然性断裂诱发煤层失稳的致灾条件,本文采用动力学方法分析了顶板断裂瞬间煤岩系统的受力状态和力学响应。首先推导了顶板断裂时惯性力、惯性力矩的计算公式,进而得到顶板断裂瞬时转动加速度与惯性力、惯性力矩的关系,利用数值模拟计算了顶板断裂前后以及不同转动角加速度条件下的煤岩体应力、变形和两帮位移。计算结果显示:当顶板断裂瞬时转动角加速度较小,即顶板断裂释放能量较小时,工作面煤壁两帮移近量随顶板瞬时转动角加速度的增大而增大;当顶板断裂瞬间转动加速度达到某临界值时,煤岩系统出现失稳分支点,具体体现为工作面处煤体的应力基本不变,煤壁顶部竖向下沉激增,煤岩系统的平衡须依靠煤壁回缩方可维持。因此顶板断裂可以诱发煤岩体系统的失稳,但并非失稳的充分条件。     

高压水射流防治煤与瓦斯突出的数值模拟及分析

我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一,频繁发生的突出事故成为矿工生命安全的主要危害。文章基于RFPA软件建立了高压水射流破煤冲孔的数值模型,并对射流后煤岩的应力变化进行了数值模拟。结果表明,高压水射流冲孔技术能很好地起到煤岩破裂释放瓦斯的效果,达到防治煤与瓦斯突出的目的,具有很好的发展前景。     

高压脉冲水射流提高松软煤层透气性的研究

提出了利用高压脉冲水射流钻孔、切缝以提高松软煤层透气性和瓦斯抽采率的新思想.基于岩石动态损伤模型,理论分析和数值模拟了高压脉冲水射流瞬时动载荷、柔性撞击作用下煤体的动态损伤特性及裂隙场的变化规律.结果表明,高压脉冲水射流的冲击效应、剥蚀效应以及震动效应等冲击荷载作用可有效破碎煤体,增大煤体裂隙率和裂隙连通率,提高煤层透气性.研发出了低透气性煤层中的高压脉冲水射流瓦斯抽采系统,在重庆某典型高瓦斯低透气性煤矿进行了成功应用,应用结果表明,高压脉冲水射流有效提高了煤层透气性,平均百米钻孔煤层瓦斯抽放量较原工艺提高了7.8倍.     

三维旋转水射流扩孔增透技术装备及应用

针对我国低透气性煤层抽采难题,研发出三维旋转水射流扩孔增透技术与装备。通过理论分析、数值模拟和现场试验研究发现:三维旋转水射流破煤以剪切破碎为主,合理布置扩孔钻孔可实现区域煤体整体卸压增透。潘四东矿井下试验结果显示,扩孔钻孔瓦斯抽采体积分数80.5%,纯瓦斯流量18.15 L/min,分别为常规钻孔的1.43倍,纯瓦斯流量为常规钻孔的1.72倍,提高72%,显著提高了低透气性煤层的抽采过程中的瓦斯浓度和抽采纯瓦斯流量,具有较好的增透效果,瓦斯抽采效果显著提高。     

煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验

煤岩体组合特征决定着煤和岩石组合形成整体结构的变形失稳,为分析煤岩高比对煤岩组合体受载时力学特性、能量转化规律与失稳破坏特征的影响,制作了3种高比的"岩-煤-岩"(RCR)组合试件,开展了煤岩组合试件的单轴压缩试验和PFC^2D数值模拟试验,并基于RCR组合体声发射信号和宏观破坏特征分析,获得了组合体界面效应影响下的渐近失稳特征和声发射能量演化规律。研究结果表明:煤岩组合体的损伤破坏表现出渐近非连续特征,损伤破坏首先在煤岩组合体的煤体中发生、发展,煤体裂纹发育至煤岩交界面时被阻隔,受煤岩组合体界面效应的影响和裂纹尖端强应力链的持续集聚,裂纹最终从煤体扩展至岩石中煤岩组合体发生整体性瞬时破坏;随煤岩高比增大,组合体单轴抗压强度、弹性模量、宏观起裂破坏时间和瞬时失稳破坏时间均呈降低趋势且瞬时破坏时动力显现也逐渐被弱化。由于RCR组合体结构和弹性储能的差异性,导致裂纹在煤岩组合体中的扩展能力、速度和角度不同,进而组合体呈现出不同的破坏形态,但组合体破坏形式具有相似性,其中煤体以剪切破坏为主,顶底板砂岩以劈裂破坏为主。在煤岩组合体渐进破坏过程中煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破...     

水射流瓦斯增透技术试验及应用

为了探究水射流瓦斯增透技术中关键参数的影响规律,增强瓦斯抽取效率,以神华宁夏煤业集团汝箕沟煤矿的煤样为研究对象,通过冲击动能力学公式表征了水射流的破岩机理,建立了水射流破煤力学模型,得到水射流瓦斯增透技术关键参数,并进行了喷嘴优化设计及水射流破煤试验。结果表明,在水流量一定时,喷嘴直径越大,水柱雾化现象越严重,对煤体的表面压力越低,水体破岩效果越差,这与理论研究结果一致。通过优化喷嘴结构,结合现场实际工况,确定喷嘴直径取3 mm时达到最优效果;水射流瓦斯增透技术可以对低渗透煤体进行有效切割,增加煤体贯通裂隙,增加瓦斯渗出途径,从而增大瓦斯抽取效率。现场工业性试验效果良好,可为赋存条件相近矿井提供参考。     

深部开采冲击地压诱发瓦斯异常涌出原因分析

为研究深部开采冲击地压诱导瓦斯异常涌出致灾机理,分析了深部开采煤体高地应力和高瓦斯含量的物性特征,揭示出冲击地压诱发瓦斯涌出的动力条件和物质条件,结合KozenyCarmen方程建立煤体渗透率与开采影响下损伤裂隙煤体体积应变的关系式。研究结果表明:冲击失稳过程中煤体渗透率增加显著,冲击地压产生的振动效应加速煤体变形破坏,促使瓦斯快速大量涌出;冲击地压孕育过程中的煤体渗透率变化效应、煤体形成剪切滑移面效应、冲击地压诱发的煤岩体振动效应以及煤体温度升高效应的联合作用,导致了冲击地压后瓦斯的异常涌出。     

高压水射流破碎煤体过程及应力变化规律的数值分析

针对高压水射流冲击破碎煤体这一复杂非线性冲击动力学问题,采用SPH和FEM耦合算法,数值模拟了煤体在高压水射流冲击下的破碎过程,分析了应力作用规律和煤体破碎规律。研究结果表明,煤体主要受拉伸和剪切作用而被破坏,拉应力的作用区域随着煤体破碎向外延伸,剪切应力的作用区域主要在冲击轴心;水射流冲击载荷破煤过程可分为破碎积累、快速破碎2个阶段,煤体破碎速度表现为快慢交替。     

水力化卸压增透技术在石门快速揭煤中的应用研究

为了解决西南地区松软煤层所面临的瓦斯抽采难度大、消突时间长的难题,在新维煤矿石门揭穿8^#突出煤层期间,通过抽采钻孔,采用单孔多次高压水力割缝形成缝槽,并同时实施中压注水实现导向性水力压裂的煤层增透方法,增加了待揭露区域煤层的透气性,缩短了预抽时间。结果表明：高压水力割缝形成缝槽为水力压裂起到一定的导向作用,水力压裂裂缝和割缝缝槽共同形成连贯塑性区;经过水力化措施后,煤层透气性提高,单孔抽采瓦斯流量平均提高2倍;单孔抽采瓦斯浓度平均提高3倍左右,实现了石门快速揭煤。     

基于高压水力割缝工艺的煤巷快速消突技术

突出煤层的煤巷掘进是突出矿井瓦斯灾害治理的重点之一。降低突出煤层的瓦斯压力、含量,转移其承载的地应力是解决问题的关键。通过水力割缝工艺,从地应力角度入手,在煤体中利用水力割缝形成空间,人为再造裂隙和微裂隙,使突出煤层的瓦斯得到释放,地应力得到转移。现场试验表明,水力割缝后煤巷钻孔瓦斯涌出初速度q值得到降低,瓦斯钻屑量S值明显降低,巷道月平均进尺由80～90 m提高到90～110 m,同时由于水力割缝钻孔有效影响半径的增大,减少32.6%的钻孔施工量。     

穿层割缝钻孔对煤体卸压增透效应的研究与应用

采用数学方法对煤层割缝钻孔的卸压增透机理进行分析,针对平宝煤矿地质条件模拟得到该煤矿最优的水力割缝高度和间距分别为0.02 m和4 m。通过现场工业性试验,对比分析了割缝钻孔和普通钻孔的瓦斯抽采情况,结果表明：30 d内割缝钻孔抽采瓦斯流量是普通钻孔的3倍,抽采瓦斯浓度为普通钻孔的2～3倍,并且割缝钻孔的瓦斯浓度能够长时间保持在80%左右;后续巷道掘进月进度也由原来的60～80 m提高至100～120 m,掘进效率提高30%～50%。该项技术能够较好解决煤层瓦斯突出难题,促进煤矿的安全高效生产。     

Outburst control in soft and outburst prone coal seam using the waterjet slotting technique from modeling to field work

The paper discussed a comprehensive numerical simulation and field work by the usage of waterjet slotting technique to prevent the occurrence of outbursts in soft and outburst prone coal seams. This was based on the geological and geomechanical conditions of Jinjiachong Colliery, Guizhou Province, associated with varied waterjet slotting parameters such as slotting penetration, slotting thickness and slotting distance along the length of borehole. Also, to understand the variation of internal stress of coal seams after waterjet slotting application, the internal stress levels were compared with and without slotting application, and the results indicate that the internal effective stress levels can be reduced to 70% and 45% for the vertical and horizontal stresses, respectively, and the gas concentration can be increased up to 5 times when the waterjet slotting is applied.     

煤巷掘进水力掏槽防治煤与瓦斯突出技术

通过理论研究和工业试验,确定了水力掏槽新掘进防突措施,并提出了适合焦作矿区的防突措施参数,系统评价了水力掏槽防突措施的有效性、适应性和安全性.研究结果表明：水力掏槽防突措施是高压水通过水枪产生高流量的稳定射流破碎前方煤体形成槽硐,槽硐周围煤体得到充分卸压,释放出大量瓦斯,煤体物理力学性质发生改变.当卸压槽具有足够面积时,在巷道周围形成卸压和排放瓦斯的煤带,解除突出危险性.2 000 m严重突出地区巷道掘进表明：正常掘进期间未发生一次突出,巷道安全掘进速度提高2倍以上.     

深部突出煤层超高压水射流割缝工艺参数研究与应用

超高压水射流割缝技术能显著改善深部煤层的应力状态、减少抽采钻孔工程量。针对割缝作业工艺参数选取缺少依据、易导致割缝误穿透相邻钻孔、卸压增透效果差等问题,开展了大埋深条件下的突出煤层超高压水射流割缝工艺参数研究。首先,理论分析了水射流压力、割缝时间、水射流旋转速度等工艺参数对超高压水射流割缝效果的影响;然后,通过不同参数下水射流割缝卸压增透效果现场考察,获得最佳水射流割缝工艺参数组合;最后,在赵固二矿西胶带大巷进行现场工艺验证。试验结果表明：优化后的煤层割缝钻孔抽采瓦斯纯量为对比钻孔的3.8倍,割缝钻孔有效瓦斯抽采半径为对比钻孔的2倍,割缝后穿层钻孔设计参数由4 m×5 m优化为8 m×5 m布置,在钻孔工程量减少50%的基础上,抽采达标时间由12个月以上缩短为7个月,抽采达标时间缩短了约40%。     

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。     

煤和瓦斯突出机理的流变假说

基于煤与瓦斯突出能量理论,建立了突出煤体三维结构应力模型,并利用弹塑性力学相关知识和数学求解方法推导了突出煤体的瓦斯弹性势能和瓦斯内能方程,为钻孔造穴诱突技术应用提供理论依据和实现路径。现场试验了钻孔水力造穴诱突、爆破诱突2种诱突技术措施,结果表明,钻孔造穴诱突过程的能量耗散机制符合推导的瓦斯能量方程和结构应力模型。针对试验矿井实际条件,2种诱突技术措施应用时存在一个阈值,当试验矿井煤层瓦斯含量大于9 m³/t时宜采用水力造穴诱突技术,反之宜采用爆破诱突技术。实践表明,2种诱突技术措施均能使试验矿井瓦斯治理效果显著提高。

     

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。     

含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备的研制与应用

为更深入地研究煤与瓦斯突出等动力灾害的机理,分析在瓦斯压力、应力及煤体强度3因素不同组合情况下含瓦斯煤的动态破坏规律,研制了含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备。设备主要由高压密封缸体、充气机构、快速卸压机构、数据采集系统、加载控制系统等组成。由于采用了高强度缸体和先进的密封装置,能够给煤体施加较高的应力（40 MPa）和气体压力（4 MPa）,可以模拟深部高瓦斯煤层的动态破坏。运用该设备进行了不同强度含瓦斯煤体的动态破坏模拟实验,得到了不同强度煤体在应力-瓦斯压力作用下的破坏条件和规律：软煤具有典型的突出特征,突出强度大,抛出距离远,型煤破坏成粉状,具有明显的分选现象;中硬煤（f>0.5）中也能够发生类似突出的动力现象,但需要较高的瓦斯压力和地应力,突出发生后煤体破坏成碎块状,抛出距离较近,分选现象不明显。所得结果与现场真实动力现象基本一致,模拟实验结果可重复性好,对研究煤岩瓦斯动力灾害的发生机理和规律具有重要的作用。