基于瓦斯涌出量衰减特征的钻孔抽采影响半径测定方法

根据煤层瓦斯流动理论,运用RFPA数值软件对钻孔负压抽采及排放过程中瓦斯流动与涌出特征进行了数值研究,确定受抽放负压影响的排放孔的瓦斯涌出量衰减率大于不受抽放孔影响的排放孔,并且根据钻孔周围煤体松动对瓦斯涌出的影响,得出钻孔瓦斯涌出具有分段性特征;提出了用钻孔瓦斯涌出量衰减系数作为考察指标,通过比较衰减系数突变情况和百米钻孔瓦斯极限排放量确定抽采影响半径,运用此方法测定了平煤五矿己15煤层顺层钻孔抽采影响半径。结果表明,钻孔瓦斯涌出量衰减特征法能够准确、方便地测定出该煤层钻孔抽采影响半径。     

潘三矿13-1煤层水力冲孔试验研究

为考察潘三矿13-1突出煤层水力冲孔技术措施的消突效果,基于13-1煤层的赋存条件,介绍了潘三矿-650 m东四运输大巷利用穿层钻孔进行水力冲孔试验的过程,研究了水力冲孔的冲出煤量、风流中瓦斯浓度、考察孔瓦斯流量、瓦斯抽采半径和冲孔前后瓦斯抽采流量变化等5个方面。结果表明:在单孔每米冲出煤量达到2.0~3.0 t时,13-1煤层瓦斯抽采半径达到4.5 m,考察孔瓦斯流量为冲孔前的10倍以上,瓦斯流量衰减系数仅为冲孔前的30%,在冲孔控制区域内煤体得到卸压,煤层瓦斯含量降低了近70%,释放了煤层的突出潜能,取得了明显的卸压增透效果。     

水力冲孔强化增透松软低透突出煤层效果分析

以罗卜安煤矿为研究背景,在预抽煤层瓦斯前,采用水力冲孔措施对煤层进行增透。为了分析水力冲孔对松软低透突出煤层的增透效果,特对水力冲孔前后钻孔瓦斯涌出特征、煤层透气性系数和钻孔抽放有效影响半径的差异性进行了对比研究,结果表明:水力冲孔后钻孔初始瓦斯涌出量提高了6倍,百米极限瓦斯流量提高了46倍,钻孔瓦斯涌出衰减系数降低了85%,煤层的透气性系数提高了53.48倍,钻孔抽放有效影响半径提高了2～3倍。     

定向顺层钻孔“钻-冲-护”一体化增透技术试验

针对松软低透煤层瓦斯抽采钻孔塌孔严重、瓦斯抽采效果差、抽采达标周期长、抽掘采衔接紧张等问题,基于现有装备,提出了定向顺层钻孔"钻-冲-护"一体化低透煤层高效促抽瓦斯技术,该技术在长平煤矿实践表明:大功率定向钻机施工煤段长度达到340 m,煤段水力冲孔后总返煤量260.46 t,扩孔孔径φ0.87 m。对冲孔方式进行考察,发现回转冲孔方式和交叉冲孔方式效率优于水平冲孔方式。未采取下筛管工艺抽采钻孔平均瓦斯浓度为25.05%;全程下筛管护孔抽采钻孔平均瓦斯浓度为49.10%,一体化工艺下抽采钻孔百米瓦斯纯流量比普通钻孔水力冲孔护孔后抽采钻孔百米瓦斯纯流量提高了约11倍,瓦斯流量衰减系数降低了9.4%。瓦斯抽采浓度提高约2倍,百米抽采瓦斯纯量由0.08 m³/min增至0.94 m³/min,瓦斯抽采效果明显,保障了矿井的安全高效生产。     

下向穿层钻孔水力冲孔卸压增透强化抽采瓦斯技术研究

为提高预抽煤层瓦斯消突效果,本文试验了下向穿层钻孔卸压增透强化抽采技术,并在高抽巷区域预抽钻孔中进行了实践。水力冲孔实施后,钻孔的卸压影响范围增大,钻孔周围的煤体变形和透气性增大,抽采瓦斯效果显著提高。对比水力冲孔前后的钻孔瓦斯压力和抽采量变化表明,水力冲孔影响半径达到10m,有效影响半径大于5m。与水力冲孔钻孔平距2.5m抽采孔,瓦斯抽采纯量增大4.25倍,平距5m~6m抽采孔瓦斯抽采纯量增大1.5倍。水力冲孔卸压增透强化抽采技术卸压增透范围大,提高抽采效果显著,为高突煤层预抽消突提供了一种行之有效的方法,值得在低透气性高瓦斯突出煤层消突实践中推广应用。     

考虑流变特性的水力冲孔孔径变化规律及防堵孔技术

通过分析水力冲孔周围煤体的受力特征,建立了考虑煤的塑性软化和扩容特性的水力冲孔周围煤体黏弹塑性模型,分析了水力冲孔的卸压增透效果和孔径变化规律,制定了防止钻孔堵塞和注气驱替技术。研究结果表明：① 水力冲孔措施可以大幅度提高周围煤体的渗透率,冲煤量越多,水力冲孔的卸压范围越大,煤体的渗透率提高的幅度越大;② 由于煤的流变特性水力冲孔钻孔会产生缩孔现象,地应力越大,煤体强度越低,钻孔周围煤体的蠕变变形越剧烈,钻孔就越容易被堵塞,一旦抽采通道被堵塞,瓦斯抽采效果就会大幅度的降低;③ 采用下套管防堵孔技术,人工保留一条抽采通道,可长时间抽取高浓度瓦斯,抽采效果提高了2.7倍;④ 注气驱替与水力冲孔技术结合,单孔抽采纯量增加了8.1倍,可有效的提高瓦斯抽采效果。     

高应力松软突出煤层定向长钻孔水力冲孔技术研究

为解决松软突出煤层高应力区瓦斯动力灾害问题,以象山矿5#煤21511工作面为研究对象,采用数值模拟、现场考察方法分析了定向长钻孔水力冲孔前后及不同冲孔出煤量的煤体应力变化规律、塑性损伤发育特征和现场实际瓦斯抽采效果。结果表明：冲孔技术显著影响了周围煤体地应力分布,煤体卸压范围和塑性破坏范围大幅提升;冲孔出煤量与钻孔卸压区域半径、塑性破坏区域直径呈正相关关系;冲孔长钻孔单孔抽采量较普通长钻孔提升了23.5%,有效抽采半径平均提高了近12.3%。定向长钻孔水力冲孔技术不仅可远距离治理瓦斯,而且显著提升了钻孔抽采效果,具有技术可行性。     

顺层钻孔抽采半径确定及数值模拟

针对传统抽采半径测定方法难度大、成本高的问题,提出了一种基于钻孔瓦斯涌出衰减特征结合数值模拟验证的新方法。将钻孔的瓦斯涌出过程分为前段和后段,回归分析后段钻孔瓦斯涌出规律,比较后段钻孔瓦斯流量衰减系数及百米钻孔瓦斯极限排放量,最后结合COMSOL数值模拟软件进行验证。     

赵庄矿冲孔钻孔优化布置与研究

为确保赵庄矿冲孔钻孔合理布置，采用COMSOL数值模拟软件内嵌流固耦合方程，对不同冲孔出煤量的有效抽采半径进行了模拟。结果表明，冲孔出煤量的增加可有效提高钻孔有效抽采半径，瓦斯抽采180 d时，冲孔钻孔每米出煤量为0.50，0.75，1.00 t的有效抽采半径分别为5.3，5.6，6.0 m。不同出煤量钻孔瓦斯抽采效果的差异性随着抽采时间的延长显著增强；钻孔冲出煤量与瓦斯有效抽采半径之间的演变规律呈线性关系。现场冲孔钻孔影响半径考察试验结果表明:现场冲孔出煤困难时，钻孔每米极限出煤量0.75 t的影响半径为5 m。     

高瓦斯煤巷掘进面扇形孔水力冲孔效果评价研究

为了确定扇形孔水力冲孔影响范围与水力冲孔实施效果,通过对扇形孔水力冲孔期间各钻孔瓦斯抽采浓度变化规律进行分析,确定了冲孔对右上部煤体影响范围达到5. 5 m,对左上部煤体影响范围达到8. 7 m;对右下部煤体影响范围达到6. 8 m,对左下部煤体影响范围达到6. 5 m。冲孔后钻孔瓦斯流量衰减系数为0. 035 8 d-1,相比未采取强化措施前减小了2. 84倍。研究结果为迎头水力冲孔技术的实施提供了借鉴。     

水力冲孔造穴增透机制及应用研究

为研究水力冲孔造穴技术的卸压增透机制,利用受载煤体全应力—应变曲线,建立受载煤体渗透率演化模型,结合Comsol Multiphysics多物理场数值模拟软件,验证了水力冲孔造穴对煤体卸压增透的有效性。结果表明:水力冲孔造穴技术在形成半径为0.60 m的空洞后,在钻孔周围煤体内形成了半径为1.34 m的瓦斯渗透率增高区。该技术在焦煤集团九里山矿井下16051运输底抽巷开展试验,通过对普通钻区和冲孔造穴区的瓦斯抽采数据进行对比,可以看出:采取水力冲孔造穴措施后,抽采钻孔的瓦斯浓度提高了0.77倍,瓦斯抽采纯量提高了1.51倍,该措施有效地提高了煤层瓦斯抽采效率,减少了安全事故,保证了工作面的安全回采。     

冲煤率对煤层卸压增透及瓦斯抽采的影响规律研究

合理确定水力冲孔冲煤率,是保障水力冲孔措施取得良好卸压增透效果的关键,对指导不同煤层瓦斯赋存条件下,煤层瓦斯在规定预抽期内实现抽采达标具有重要意义。根据孟津煤矿的煤层瓦斯地质条件,运用数值模拟和现场试验的手段,研究了冲煤率对煤层卸压增透及瓦斯抽采效果的影响规律。结果表明：水力冲孔技术能够有效提高钻孔周围煤体的卸压范围,且随着冲煤率的增大,钻孔间煤体所处的应力状态,由邻近钻孔煤体处于卸压区、中部煤体处于增压区,逐渐过渡至两钻孔间所有煤体均处于卸压区。水力冲孔冲煤率越高,钻孔间煤体的卸压程度越大,引起煤体渗透率呈数量级的增大,邻近钻孔煤体的渗透率增大了上千倍,从而造成了抽采后煤层瓦斯含量的降低幅度越大,煤层瓦斯的预抽效果越好。应根据煤层的瓦斯赋存条件,选择合理水力冲孔冲煤率的煤层瓦斯预抽方案,对于厚煤区和瓦斯富集区,应加大水力冲孔冲煤率。采用预抽—水力冲孔—2次抽采的工序,可降低冲孔前钻孔周围煤体的瓦斯含量和瓦斯压力,使得水力冲孔期间钻孔发生喷孔的次数及强度显著降低,利于防治水力冲孔时发生喷孔及瓦斯的异常涌出。预抽时间越长,煤层的残余瓦斯含量越低,但随着抽采时长的增大,煤层残余瓦斯含量的降...     

超高压水力割缝卸压抽采区域防突技术应用研究

为了有效解决丁集矿高地应力、低透气性突出煤层煤巷条带瓦斯区域预抽效率低、预抽达标后区域验证指标仍超标的问题,在该矿1351(1)运输巷煤巷条带穿层预抽钻孔进行了超高压水力割缝卸压增透技术应用研究,利用水力割缝卸压增透原理确定了超高压水力割缝设备组成,选型配套了超高压清水泵、超高压软管、超高压旋转水尾、水力割缝钻杆、高低压转换割缝器、钻头和超高压远程操作台等超高压水力割缝设备,考察了相同孔径未割缝钻孔、割缝钻孔瓦斯涌出量及割缝钻孔瓦斯抽采量,理论研究了百米煤孔初始瓦斯涌出量、瓦斯涌出衰减系数及不同预抽时间、预抽率条件下的有效抽采半径,现场检验了顺层钻孔预抽措施单元、穿层钻孔水力冲孔措施单元、穿层钻孔水力割缝措施单元的预抽瓦斯区域防突措施效果,统计了不同措施预抽单元局部补充措施执行情况、局部措施效果,分析评价了超高压水力割缝卸压增透效果。结果表明:针对丁集矿11-2煤层工程条件选型配套的超高压水力割缝设备参数是合理的,在1351(1)运输巷煤巷对11-2煤层条带进行穿层钻孔超高压水力割缝措施卸压增透效果显著,与未增透措施相比,煤层透气性系数提高了25.9倍、113 mm孔径的穿层钻孔百米煤孔初始瓦斯涌出量提高了5.5倍、瓦斯涌出衰减系数降低了73.4%、预抽15 d和30 d达35%预抽率的钻孔间距提高了84.3%和53.0%,与穿层钻孔水力冲孔相比,煤巷条带防突局部补充措施工程量降低了50.0%、煤巷平均掘进速度增加了1倍。     

水力冲孔孔洞周围煤体地应力和瓦斯时空演化规律

水力冲孔作为煤层卸压增透的强化措施,被大量应用于松软低透高突煤层。针对目前水力冲孔周围煤体多场分布演化规律不清、水力冲孔卸压半径等参数难以确定的问题,以河南梁北矿二1突出煤层为工程背景,利用自主研制的应力监测系统,结合现场瓦斯流量测试,开展了对水力冲孔实施区域地应力场和渗流场的同步监测,获得了冲孔孔洞周围煤体地应力场和瓦斯场的时空分布及演化规律。结果表明:①水力冲孔后孔洞周围煤体应力场存在动态演化过程,卸压区和应力集中区逐渐向外迁移,直到3 d后才基本趋于稳定;②应力趋于稳定后,距冲孔中心4 m内为应力卸压区,4～5 m为应力过渡区,超过5 m为应力集中区,卸压区半径是冲孔孔洞等效半径的10倍多;③距冲孔中心4 m以内区域裂隙场发育,渗透率和抽采孔瓦斯流量增加,但周围应力集中区的渗透率和钻孔瓦斯流量变得更低。研究结果为准确确定水力冲孔及瓦斯抽采参数、有效卸压增透和强化瓦斯抽采效果提供理论和实践依据。     

赵庄矿石门揭煤冲孔试验与钻孔优化布置研究

为确保赵庄矿石门安全揭煤,决定采用水力冲孔技术对煤层进行卸压增透。针对现场冲孔钻孔平均出煤量较少高于1 t/m与抽采负压经验化的问题,采用数值模拟软件COMSOL对出煤量0.5、0.75、1 t/m以及不同抽采负压对钻孔瓦斯抽采效果的影响进行了模拟。模拟结果表明:预抽期180 d时,现场最佳布孔间距为出煤量1 t/m时的12 m,孔组对角区域的瓦斯抽采空白带消失;增大抽采负压对抽采效果影响有限。工程实践表明:水力冲孔后钻孔瓦斯抽采量是未冲孔前的5~10倍,瓦斯浓度较冲孔前提升3~6倍,冲孔后瓦斯浓度普遍保持在70%以上。     

碎软低渗煤层水力冲孔影响范围的数值模拟

水力冲孔是一种适用于碎软低透煤层的卸压增透强化瓦斯抽采技术。冲孔的有效影响范围决定着合理钻孔的布置参数,而合理的钻孔布置参数是保障煤层瓦斯高效抽采的前提。为了提升瓦斯抽采效果,针对某矿碎软低渗煤层采用水力冲孔措施时遇到的影响半径难以确定的问题,基于瓦斯煤体变形及瓦斯渗流理论,通过COMSOL-Multiphysics数值模拟的方法建立钻孔瓦斯抽采流固耦合模型,研究不同抽采时间条件下不同破煤量对有效影响范围的影响。研究结果表明,在相同的抽采时间条件下,经水力冲孔改造后的钻孔抽采有效影响范围相比原始钻孔有效影响范围有显著提升,并且随着破煤量的增加,抽采有效影响范围逐渐增大。通过现场实测法对水力冲孔有效影响半径进行现场考察,实测结果与模拟结果基本一致,验证了水力冲孔措施具有良好的卸压增透效果。     

基于抽采评判指标的有效抽采半径确定方法

为合理确定顺层瓦斯钻孔有效抽采半径,依据煤层瓦斯流动达西定律、菲克扩散定律和质量守恒定律,建立了钻孔周围煤体瓦斯流动方程,分析了不同评判指标下有效抽采半径确定方法,并基于景福煤矿瓦斯衰减系数测算值采用抽采率指标法进行了有效抽采半径的计算,结果表明:有效抽采半径随时间增加而增大,逐渐趋于极限有效抽采半径1.4m;抽采时间为86d时,有效抽采半径增大速度减缓,抽采半径达1.33m,为极限半径的95%。     

薛湖煤矿穿层钻孔水力扩孔瓦斯抽采增透技术

为研究薛湖煤矿穿层钻孔水力扩孔对瓦斯抽采效果的影响,采用FLAC~(3D)软件模拟穿层抽采钻孔扩孔0.6 t/m煤量前后钻孔瓦斯增透圈大小变化情况,现场实测2306工作面底抽巷穿层抽采钻孔冲孔0.6 t/m煤量与未冲孔钻孔在相同抽采时间内的瓦斯抽采量和有效抽采半径,并进行对比分析。结果表明,薛湖煤矿穿层抽采钻孔扩孔0.6 t/m煤量后,钻孔的瓦斯增透圈增大了62.5%,初始抽采纯量增加了100%,抽采75 d的抽采总量增加了70%,钻孔的有效抽采半径达到1.1 m所需时间缩短了77.2%,薛湖煤矿穿层钻孔水力扩孔可有效提高煤层抽采效率。     

松软低透煤层高压射流造穴强化抽采技术研究

为促进低透气性煤层瓦斯的预抽,消除煤层煤与瓦斯突出危险,采用高压射流冲孔造穴技术措施,构建高压射流冲孔造穴过程的煤体渗透率演化模型,并通过解算得到冲孔后煤体渗透率的演化及煤体内瓦斯运移的规律,即钻孔周围煤体的增透区半径随钻孔半径增加而线性增加。在新景矿进行冲孔造穴现场试验,结果表明:相较于直接预抽煤层瓦斯,采用高压射流冲孔造穴结合瓦斯抽采的措施可节省钻孔工程量,强化瓦斯抽采效果,且掘进过程中消除突出危险更有效,提高巷道的掘进速度,能够保证矿井安全生产。     

煤层底板穿层钻孔水力冲孔技术的应用及效果考察

采用底抽巷穿层钻孔水力冲孔卸压增透措施,可以有效增强煤层的透气性、扩大抽采半径和提高瓦斯抽采效果。基于水力冲孔卸压增透原理,对郑州矿区振兴二矿突出煤层实施底板穿层水力冲孔,考察水力冲孔前后瓦斯抽放浓度、煤层透气性和瓦斯流量衰减系数等的变化。试验结果表明:单孔平均瓦斯抽放浓度在水力冲孔后为11.02%,较未采取增透措施时的2.14%,提高了4倍;煤层透气性系数在采取措施后提高了39倍;瓦斯流量衰减系数则减小了近3倍。同时运用压力法测得该矿水力冲孔有效抽放半径为10 m。