芦岭煤矿钻孔瓦斯抽放量的数值分析

利用钻孔抽放煤层中的瓦斯降低煤层瓦斯含量和压力,为矿井安全生产提供保障,是高瓦斯矿井采用的主要手段之一.芦岭煤矿是一个五害俱全的高瓦斯矿井,瓦斯治理是矿井安全生产管理的主要难题.本文通过对不同钻孔瓦斯抽放量的观测统计,采用数值分析手段,分析比较了钻孔的抽放能力,为矿井提高瓦斯抽放率提供参考依据.     

SF_6气体示踪法测定低透气性高瓦斯煤层瓦斯抽放半径

针对目前应用较多的瓦斯抽放半径测定方法——相对瓦斯压力测定法与实际情况偏差较大问题,以神华乌海能源公司平沟煤矿16号低透气性高瓦斯煤层为研究对象,在井下1606工作面施工瓦斯抽放试验钻孔,采用SF6气体示踪法测定工作面瓦斯的抽放半径,并比较了不同抽放半径的瓦斯抽放效果。实测结果表明,SF6气体示踪法所测定的瓦斯抽放半径使瓦斯抽采效率显著提高,该方法为煤层预抽瓦斯钻孔间距的设计提供了依据,可以在低透气性高瓦斯煤层的瓦斯抽放半径测定中推广使用。     

波兰煤矿瓦斯高效抽放技术特点

目前,在波兰41对主要生产矿井中,有23对高瓦斯矿井进行了瓦斯抽放。2004年瓦斯平均抽放率为30%,平均利用率为39%。根据瓦斯地质条件、瓦斯涌出特点和采区通风方式,着重介绍了波兰煤矿强化煤层、围岩和采空区瓦斯抽放,提高矿井瓦斯抽放效率的工艺技术特点。在工作面的瓦斯排放中,注重开采、通风与瓦斯抽放一体化,通过优化抽放钻孔布置,取得钻孔瓦斯抽放的最佳效果,是波兰煤矿瓦斯治理的一项成功经验,成为煤矿持续安全高效生产的重要技术保障。     

贵州青龙煤矿碎软煤层区域瓦斯递进式抽采技术

针对碎软煤层瓦斯抽采钻孔存在轨迹不可控、成孔深度浅和瓦斯抽采效果差的问题,分析了现有瓦斯抽采钻孔回转钻进技术瓶颈,集成了基于长距离顺层钻进技术和双动力复合排渣技术的压风定向钻进技术,在此基础上提出了利用压风定向钻进技术,开展碎软煤层区域递进式瓦斯抽采技术。选取黔北煤田中部青龙煤矿21606运输巷道进行现场试验,在坚固性系数为0.37碎软煤层中,施工完成253个顺煤层压风定向钻孔,95%钻孔达到设计孔深,累计进尺超过3万m,单孔瓦斯抽采纯量是普通回转钻孔的10倍以上,单孔瓦斯抽采甲烷体积分数提高约50%以上。试验表明,采用压风定向钻进技术钻进碎软煤层钻孔轨迹可控,成孔率在95%以上,区域递进式瓦斯抽采技术具有无抽采盲区的显著优势,有效缓解了采掘接替紧张局面,提升了矿井瓦斯治理技术水平,为碎软煤层瓦斯治理提供了新的技术途径。      

贵州大湾煤矿复杂地层井下定向钻进施工技术

针对大湾煤矿地区复杂煤层地质构造,采用前进式开分支孔布孔方法,用于探测煤层顶底板位置,精确探明煤层走向,为抽掘采提供依据,为后续工作做好前期准备。贵州大湾煤矿在历年瓦斯鉴定中均被定为瓦斯矿井,瓦斯孔施工采取普通钻进工艺时,会遇到钻进工作量大、孔深达不到要求、施钻轨迹无法精准控制、钻孔瓦斯浓度抽采率低等问题。采取顺层定向孔方法在已探明的煤层中施工长距离钻孔,可实现对复杂煤层远距离瓦斯抽采。现场试验表明：采用前进式开分支孔工艺,能够实现复杂煤层地质构造精确探顶,探明钻孔见煤段高达75%;通过优化钻孔设计与高精度控制钻孔轨迹大大增加了顺层定向孔在复杂煤层中的覆盖率,钻孔见煤段达63.7%,提高了瓦斯抽采效率,为巷道的抽掘采工作打好了基础。     

煤层高压水力割缝增透技术地质条件适用性探讨

我国煤层透气性差,煤层瓦斯预抽难度大,提高煤层透气性是提高瓦斯抽采效果的关键,煤层高压水力割缝增透技术的应用取得较好的效果,但因矿井地质条件的差异,也存在部分矿区应用效果不理想的情况。通过理论分析、数值模拟和工程实例,研究了不同地质条件下高压水力切割煤层后地应力、煤层位移的变化规律,采用储层数值模拟软件进一步研究了水力切割后钻孔的产气效果,分析了国内工程应用效果。研究结果表明,煤层高压水力割缝增透技术能有效提高煤层透气性能,大幅提升瓦斯抽采效果;在煤层较厚、瓦斯含量大、煤体碎软及低渗的煤层中应用效果更为显著。     

地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯数值试验与应用

为解决塔山煤矿高强度开采条件下瓦斯低含量、高涌出的问题,同时为了弥补大型物理实验和现场试验成本高、操作难的缺点,根据该矿8101工作面所属区域煤层的地质和瓦斯赋存条件,确定了数值试验方案,对地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯的效果进行优化分析。基于煤岩（体）的孔隙特征,构建了含瓦斯煤岩（体）破裂过程气-固耦合和渗透率-损伤耦合数学本构模型。采用RFPA2D瓦斯分析版软件建立地面钻孔抽放瓦斯的数值计算模型,设置有关简化条件、边界条件和物性参数,通过数值试验得出：地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部比较合理;在综合考虑地面垂直钻孔投入成本和瓦斯抽采效果的基础上,确定地面垂直钻孔间距为50～60 m比较合理。同时,由8101工作面地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯的实际应用效果分析可知,当地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部,且钻孔间距布置为50 m时,能够实现良好的瓦斯抽放效果,这也从一定程度上进一步验证了数值试验的合理性和可行性。     

大线速度下超高压水射流破岩试验研究

高压水射流的破岩效果对高压水射流辅助掘进机破岩技术至关重要。为提升隧道掘进机工况下高压水射流辅助破岩的效率,开展大线速度下超高压水射流破岩试验,分析喷嘴移动线速度、射流压力和喷嘴直径对破岩效果的影响规律,并探究加磨料和射流形式对破岩效果的影响。试验结果表明,随喷嘴移动线速度增加,高压水射流的切割深度和切割宽度均近似线性减小;随射流压力增加,切割深度近似线性增大,压力从200 MPa提高到280 MPa,切割深度增加了72%～82%;喷嘴直径从0.35 mm增大到0.60 mm,切割深度增加了60%～85%。大线速度下加磨料后射流变发散,加磨料的切割深度小于纯水的切割深度,加磨料的切割宽度大于纯水的切割宽度。砂管束流射流模式的能量利用率更高,砂管束流的切割深度比长线射流的切割深度大35%～42%,砂管束流的切割宽度比长线射流的切割宽度大78%～85%。基于Crow切割岩石理论,通过试验数据回归分析,得到大线速度下超高压水射流切割深度半理论半经验预测模型,可为高压水射流辅助掘进机破岩技术中射流切割参数优化提供参考依据。研究成果对提升隧道掘进机工况下超高压水射流辅助破岩的效率是很有意义的。     

地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯数值试验与应用

为解决塔山煤矿高强度开采条件下瓦斯低含量高涌出的问题,同时为了弥补大型物理实验和现场试验成本高、操作难的缺点,根据该矿8101工作面所属区域煤层的地质和瓦斯赋存条件,确定了数值试验方案,对地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯的效果进行优化分析。基于煤岩(体)的孔隙特征,构建了含瓦斯煤岩(体)破裂过程气-固耦合和渗透率-损伤耦合数学本构模型。采用RFPA2D瓦斯分析版软件建立地面钻孔抽放瓦斯的数值计算模型,设置有关简化条件、边界条件和物性参数,通过数值试验得出:地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部比较合理;在综合考虑地面垂直钻孔投入成本和瓦斯抽采效果的基础上,确定地面垂直钻孔间距为50m～60m比较合理。同时,由8101工作面地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯的实际应用效果分析可知,当地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部,且钻孔间距布置为50m时,能够实现良好的瓦斯抽放效果,这也从一定程度上进一步验证了数值试验的合理性和可行性。     

宽叶螺旋钻中风压钻进技术在晋城某矿的应用

针对觜城某矿井下沿煤层瓦斯抽采钻孔在施工过程中遇到煤层含水量较大时,孔内返风不畅,排粉效果差,影响钻孔孔深和成孔率等问题,采用宽叶片螺旋钻杆巾风压钻进工艺及试验。现场试验证明该工艺在含水量较大的煤层沿煤层瓦斯抽采（放）孔钻进施工中较为理想,值得推广。     

Mining thin sub-layer as self-protective coal seam to reduce the danger of coal and gas outburst

In response to the severe situation of coal mine gas disaster in China, a new method of reducing the danger of coal and gas outbursts and improving gas drainage and utilization in coal mines was introduced in this paper. The main idea of this method is to mining thin sub-layer as self-protective coal seam to eliminate or reduce the danger of coal and gas outburst. This method can be implemented by drills along seam and hydraulic jet when the mined seam with a relatively weak risk of coal and gas outbursts is soft or has a soft layer. This method was first applied in the Yian mine to verify its effectiveness. The results of application showed that mining thin sub-layer as self-protective coal seam can effectively eliminate the danger of coal and gas outburst and improve gas drainage and utilization. As this method needs less time and lower cost than conventional protective layer mining, it is of great significance for mining coal seam with the danger of coal and gas outburst.     

不同水力割缝布置方式对卸压防突效果影响数值模拟

随着浅部煤炭资源逐渐枯竭,我国煤矿相继进入深部开采阶段,煤与瓦斯突出灾害愈趋严重,采用水力割缝技术对煤体卸压是煤与瓦斯突出防治的一种有效手段。以平顶山某煤矿深部突出煤层为例,进行了不同水力割缝布置方式对煤层卸压防突效果影响的数值模拟研究。计算了水力割缝切割煤体横向深度,建立了水力割缝三维有限元模型,数值模拟得到了三种水力割缝布置方式（平行、菱形、交错）对煤体X、Y向应力场影响变化规律。结果表明：交错排列的水力割缝布置方式导致应力降影响范围几乎覆盖整个煤层,X向、Y向应力降显著,应力降幅度分别为91.6%、97.8%,均大于其他两种布置方式。因此交错排列的水力割缝布置方式既可以满足卸压范围需要,同时也能够较好释放深部煤层应力,卸压防突效果较好。     

煤与瓦斯突出煤粉在巷道内运移分布规律试验研究

煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的地质灾害之一,主要表现为瓦斯窒息和煤粉冲击、掩埋。利用自主研制的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统,开展不同瓦斯压力条件下煤与瓦斯突出模拟试验。结果表明,突出启动后,瓦斯气体携带煤粉以射流状喷向巷道。在0.35 MPa低瓦斯压力条件下,瓦斯膨胀能低,突出煤粉初始加速度小,受重力和阻力影响显著,运移形态以沙丘流和分层流为主,并出现多次“加速?减速”过程,最大速度为34.2 m/s;而在2.00 MPa高瓦斯压力条件下,瓦斯膨胀能高,突出煤粉初始加速度大,能有效克服重力和阻力,运移形态以栓流为主,运移速度降低不明显,最大为71.2 m/s。同时,当瓦斯压力从0.35 MPa增加至0.85 MPa和2.00 MPa时,相对突出强度由36.13%增大至52.39%和63.70%,且煤层瓦斯压力越高,突出煤粉运移距离越远,巷道末端集尘袋内煤粉质量占比越高,分别为65.21%、75.05%和87.17%。此外,突出结束后,突出煤粉粉碎率随瓦斯压力增加依次增大,分别为8.1%、21.5%和28.0%,但是粉碎到临界粒径0.075 mm以下的煤粉较少。最后,计算得到不同瓦斯压力条件下突出煤粉破碎指数分别为0.19、0.44和0.56,与相对突出强度具有较好的线性拟合关系。研究结果对揭示突出致灾机制、制定防灾减灾措施具有一定指导意义。      

后混合磨料空气射流喷嘴结构优化及破煤效果研究

水力化卸压增透技术在煤层瓦斯灾害治理中发挥了重要作用,但在松软煤层中应用时容易导致塌孔、抱钻和喷孔等动力现象。无水化卸压增透是突破松软煤层瓦斯高效抽采技术瓶颈的可行性技术之一。为此,利用磨料空气射流高效破煤岩能力,提出后混合磨料空气射流破煤卸压技术,采用磨料-空气分离输送的双通道方式,将磨料和空气运送至孔底,采用射流泵-拉法尔耦合的后混合喷嘴结构在孔底对磨料进行引射、混合和加速,使磨料具备高冲击动能,实现高效破煤。基于ANSYSFLUENT气固两相流模型,分析后混合喷嘴内磨料引射、混合和加速规律,研究磨料颗粒在加速过程中的受力,获得混合磨料空气射流高效破煤最优后混合喷嘴结构;并开展后混合磨料气体射流破煤实验验证破煤性能。结果表明：磨料冲击动能决定于后混合喷嘴的引射能力和加速能力。后混合喷嘴的引射能力与引射喷嘴的喷嘴出口直径和其扩张段长度有关,合理的引射喷嘴出口直径有助于减小喷嘴出口气流波动,扩张段长度则会影响喷嘴出口气流速度,在本文条件下,引射喷嘴采用两段式,其中收缩段长度2 mm,喉部直径2 mm,扩张段长度5 mm,喷嘴出口直径为3 mm。加速结构对磨料的加速效果主要取决于加速喷嘴...     

煤层气井造穴射流破岩试验研究

通过水射流造穴进行洞穴完井是煤层气井重要的完井方式。为了优选造穴射流工具的喷嘴,提高射流造穴直径和效率,通过制备相似煤岩试样,采用室内试验的方法,进行了连续射流和空化射流的破岩效果试验,并在现场造穴施工中进行了应用。结果表明：自由射流条件下,连续射流在喷距为200 mm时破岩效果最好,空化射流在喷距为300 mm时破岩效果最好。淹没射流条件下,连续射流未能冲蚀煤岩试样;空化射流的冲蚀直径则呈先增加后减小并趋于稳定的状态,在淹没深度为200 mm时冲蚀直径达到最大,冲蚀深度随着淹没深度的增加而增加,在淹没深度为300 mm以后,冲蚀深度趋于稳定缓慢减小。研究结果为造穴射流工具的喷嘴选型及结构优化设计提供了依据。     

红山煤矿石门揭突出煤层综合防突技术

煤矿井下石门揭煤诱发的煤与瓦斯突出是一种十分复杂的矿井地质动力灾害,严重威胁着煤矿安全高效生产。选取辽宁红山煤矿为工程背景,运用FLAC3D模拟分析矿井南翼瓦斯突出危险区石门揭12煤过程中围岩力学响应特征,揭示石门揭煤突出机理,提出瓦斯预抽措施配以改进金属骨架的综合防突技术方案。研究结果表明:石门揭12煤期间,工作面超前支承压力随石门掘进动态前移,距煤层6 m范围内,工作面前方围岩掘进扰动强烈,煤体出现明显应力集中现象,垂直应力为15~19 MPa,已超过煤体强度。同时,石门工作面围岩变形量急剧增大,顶板下沉位移为15~92.22 cm,煤体弹性变形能积聚;工作面围岩塑性区范围也迅速扩展,在石门中线垂直剖面上的面积为10~50 m2,裂纹贯通形成碎煤射流通道。综合模拟结果可知,石门揭12煤过程中煤体承载较高集中应力和瓦斯压力,且储存大量弹性变形能,极易诱发突出。基于此,在传统瓦斯预抽防突措施的基础上,对现有金属骨架防突技术进行改进,使其同时具备瓦斯预抽、煤体固化和超前支护的综合防突作用,并通过现场应用取得了良好效果,为类似条件石门揭煤防突研究提供重要借鉴和参考。      

高压气体诱发煤岩动力破坏的实验研究

为了研究高压气体对煤岩材料变形破坏的作用,自主设计并制造了含高压气体煤岩实验装置,通过测量气体泄压作用诱发的煤岩动力破坏现象,研究了高压气体对煤岩材料变形破坏的作用。实验表明,当气体泄压速率小时,煤岩仅会出现轻微变形;当气体泄压速率大时,煤岩会产生破裂和破碎现象。同时发现煤岩的破坏程度不仅取决于气体的泄压速率,还取决于孔隙气体的压强。当气体泄压速率和气体压强都达到一定临界值时,煤岩才会发生剧烈破碎。通过气体压强与应变之间的关系,确定了煤岩发生破裂和破碎的临界气体压强。      

瓦斯突出煤和非突出煤AVO响应的比较

基于Zoeppritz方程,对煤层进行AVO正演模拟,得到煤层的AVO响应曲线。瓦斯突出煤与非突出煤的AVO响应对比表明,无论是瓦斯突出煤还是非突出煤,其顶界面AVO响应在总体上表现为地震振幅绝对值随偏移距增加而减小的特点,但是瓦斯突出煤的截距绝对值要大于非突出煤的截距绝对值,瓦斯突出煤的斜率要大于非突出煤的斜率。煤层厚度变化会对AVO响应产生影响,当瓦斯突出煤和非突出煤的厚度相同时,瓦斯突出煤的截距绝对值大于非突出煤;当厚度不同时,瓦斯突出煤的斜率大于非突出煤的斜率。瓦斯突出煤与非突出煤的AVO响应差异,可为地球物理参数进行煤与瓦斯突出危险性预测以提供技术参考。     

构造煤的成因属性分类

前人研究认为构造煤是煤与瓦斯突出的必要条件,构造煤的分类对煤与瓦斯突出的预测和防治有重要意义。(1)根据构造煤参与煤与瓦斯突出过程的突出属性对构造煤重新进行了定义,认为构造煤是构造作用下强度降低、瓦斯异常的煤气双重介质,据此将构造煤划分为01类瓦斯构造煤和01类强度构造煤以及强度和瓦斯都变异的02类构造煤。(2)参考地质构造成因环境下岩石破坏的脆韧性划分方式,将突出属性分类与脆韧性的构造成因特性结合起来,划分出3类脆性构造煤和3类韧性构造煤,分别命名为01类脆性瓦斯构造煤、02类脆性构造煤等。(3)分析了构造煤在煤与瓦斯突出中的作用,低强度构造煤在其周围形成应力集中,瓦斯通过孔隙压力和吸附作用降低煤体强度,而高压瓦斯则是突出发展过程中煤体破坏和抛掷的重要动力源之一。(4)结合成因属性构造煤分类对各种地质因素对构造煤空间分布、构造煤瓦斯的生成和保存条件进行了分析。