高位瓦斯抽放钻孔在降低综采工作面瓦斯浓度中的应用

林南仓属于低瓦斯矿井,但存在高瓦斯区域。煤层和采空区是瓦斯的主要来源,尤以采空涌出量大,给煤矿生产和安全带来了极大隐患。通过在1129综采工作面风道施工高位瓦斯孔,把钻孔打到采空区一侧煤层顶板以上冒落裂隙带内,用钻孔进行瓦斯抽放,使采空内的瓦斯通过裂隙带沿钻孔抽出,有效降低综采工作面瓦斯浓度,保证综采工作面正常回采和安全生产。     

高瓦斯矿井采空区瓦斯排放的数值模拟应用

以寺河矿采空区瓦斯抽放设计为例,建立了非均质采空区渗流-扩散的有限元数值模型,直观地描绘了采空区瓦斯涌出过程、瓦斯分布规律及其在采空区回风隅角瓦斯积聚的流体力学原理。模拟结果表明,在工作面后方利用回风联络巷依次进行漏风导流和瓦斯抽放,可大幅度降低采空区回风隅角瓦斯浓度;同时漏风导流可以充分抑制采空区瓦斯涌入工作面,并能够降低抽放巷道的配风量。针对高瓦斯矿井采空区瓦斯排放问题,提出了“边采边抽动排”的综合治理采空区瓦斯的设计方案,给出了瓦斯抽放最佳位置范围、抽放流量和导流风量最低临界限。     

采空区水平钻孔瓦斯抽放工艺与原理

针对采空区瓦斯抽放问题,讨论抽放钻孔布置、工艺特点及抽放原理。水平钻孔抽放的优点是可选择高的钻孔位置,能获得更大的瓦斯抽放浓度,可提高抽放效率。钻孔应选择在较坚固的岩层中,避免塌孔或遇到断层等构造破碎带。提出采空区水平钻孔瓦斯抽放模拟计算方案,计算了瓦斯抽放时流场风流规律。抽放时,工作面向采空区的漏风流,在下游回风段形成了上、下分流。模拟试验中,在扩大抽放流量时,能加大工作面向采空区的总体漏风量,而降低了采空区向工作面的漏回风量;随着抽放流量的增大,工作面与采空区风流交换平衡点向回风侧移动。由此给出抽放流量等于总漏回风量的绝对安全抽放关系准则,为确定瓦斯抽放流量及抽放浓度提供依据。     

高位定向钻孔在上隅角瓦斯治理的研究应用

为了有效解决上隅角瓦斯治理难题,以王家岭矿12318综放工作面为研究对象,基于关键层和"O"型圈理论,确定高位定向钻孔的合理层位。通过对比高位定向钻孔与穿层钻孔的抽采效果,试验表明:相较于普通穿层钻孔,高位定向钻孔有效孔段高达90%,辅助时间降低80%,抽采浓度提高50%,抽采纯量为穿层钻孔的4倍,上隅角瓦斯浓度降至0.31%～0.48%,降本增效显著,证明了高位定向钻孔替代普通穿层钻孔治理上隅角瓦斯的可行性和优越性。     

高位钻场长钻孔在淮南刘庄煤矿瓦斯抽采中的应用

刘庄煤矿东二采区121102工作面所开采的11-2煤层为非突出煤层,但在工作面回采期间,存在瓦斯突出的可能。为防止工作回风巷尤其是上隅角瓦斯超限,确保工作面的正常生产,同时兼顾瓦斯资源的抽采利用,施工了最大长度496m,钻孔直径133mm的瓦斯抽采孔。实际应用表明,该孔投入使用后,整个工作面回采过程中均未发生过瓦斯超限现象,说明利用大口径长距离钻孔取代巷道抽放瓦斯是完全可行的。本文介绍的高位钻场长钻孔的设计、施工和瓦斯抽采情况,可以为今后同类工作面中长钻孔的施工提供借鉴。     

高瓦斯特厚煤层下分层千米钻孔瓦斯抽采技术

针对高瓦斯特厚煤层开采上分层时工作面瓦斯频繁超限的问题,依据上分层开采时,下分层在采动应力作用下的破坏程度及卸压瓦斯运移规律,以亭南煤矿205工作面为试验背景,对下分层千米钻孔瓦斯抽采进行研究。采用理论计算和FLAC3D数值模拟,确定下分层塑性破坏最大深度约为13 m,千米定向钻孔布置的最佳区域在工作面底板以下6~9 m。通过对不同位置千米钻孔在工作面推进过程中的瓦斯抽采量进行现场监测,结果表明,6~9 m的千米钻孔抽采效果最为明显,钻场瓦斯抽采量随工作面推进成指数上升,最终增长到68%左右。千米钻孔瓦斯抽采技术实现了对高瓦斯特厚煤层下分层卸压瓦斯长时间、高浓度抽采。      

大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及实践

针对高强开采井田王家岭煤矿综放工作面瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯积聚问题,基于岩层控制关键层理论,对顶板垮落走向与倾向采动裂隙发育进行研究。采用数值模拟的方法研究采空裂隙随工作面推进的演化过程,分析顶板裂隙发育高度,确定大直径高位定向长钻孔最佳布孔层位及钻孔结构,并进行工程实践。结果表明,依据关键层理论计算及采动裂隙数值模拟预测层位布设大直径高位定向长钻孔,抽采效果较好,单孔最大抽采纯量2.10 m3/min,最大抽采体积分数31.39%,4个定向长钻孔累计抽采瓦斯纯量28.99万m3,工作面上隅角瓦斯体积分数最低下降至0.46%,瓦斯治理效果显著,解决了上隅角瓦斯超限问题,保障了工作面的安全回采。      

高位定向钻孔分层布置与瓦斯抽采效果分析

为了提高顶板高位定向钻孔在采空区及上隅角瓦斯治理的效果,提出了高位定向钻孔分层布孔方案,在曙光煤矿开展现场试验,对不同层位高位定向钻孔瓦斯抽采数据和高位定向钻孔整个瓦斯抽采周期内瓦斯抽采效果分析研究,结果表明高位定向钻孔在整个抽采周期内瓦斯抽采效果总体呈波动状态,中间孔段由于处于顶板裂隙带内,瓦斯抽采效果较稳定,两端孔段由于处于钻孔造斜孔段未进入顶板裂隙带内及受前后钻场钻孔搭接影响,瓦斯抽采效果波动较大。为提高高位定向钻孔瓦斯抽采效果,可采用大角度开孔或大角度螺杆马达造斜以降低造斜孔段长度,并增加相邻两钻场钻孔搭接长度,从而降低两端孔段比例,提高中间孔段比例。     

采场覆岩裂隙发育及高位钻孔优化设计——以祁南煤矿34_下2工作面为例

为了有效地提高高位钻孔的瓦斯抽采效果,采用数值模拟方法分析了祁南矿34下2工作面开采过程中覆岩的裂隙发育规律和离层率变化规律。判定了煤层上覆岩层冒落带和裂隙带分布范围;确定了钻孔法距参数的最佳范围为距32煤层顶板12~22 m的岩层区域。研究成果可为其他工作面高位钻孔的优化设计提供参考。     

大直径高位钻孔瓦斯抽放技术在特厚煤层矿区的应用

针对郭家河煤矿1303工作面瓦斯涌出量大、上隅角及回风流瓦斯超限的问题,通过对高位钻孔瓦斯抽放原理及参数进行分析计算,并结合工作面生产情况,应用实践了常规高位钻孔及大直径高位钻孔瓦斯抽放技术。实践结果表明,大直径高位钻孔抽放效果远胜于常规高位钻孔,并有效地解决了瓦斯超限问题,改善了工作面的安全生产状况。     

底板梳状长钻孔替代穿层钻孔瓦斯抽采技术可行性

底板岩巷穿层钻孔抽采技术和本煤层定向长钻孔抽采技术是目前高瓦斯和突出矿井回采工作面最为主要的瓦斯治理措施。晋城矿区赵庄矿煤层具松软低透气性特点,主要采用岩巷穿层钻孔消突为主,本煤层顺层钻孔消突为辅的瓦斯治理方法。但底板岩巷穿层钻孔存在工程量大、施工周期长及成本高等缺点,本煤层钻孔存在钻孔抽采不均匀、钻孔覆盖密度不足等技术缺陷。为对比考察底板梳状长钻孔与底板岩巷穿层钻孔的抽采效果,在赵庄矿1307采面开展了2种瓦斯治理方法。结果表明:抽采条件和抽采范围相同条件下,5个底板梳状长钻孔的瓦斯抽采总量占到底板岩巷穿层钻孔瓦斯抽采总量的75.4%,而底板梳状长钻孔的经济投入仅占底板岩巷穿层钻孔经济投入的29.2%。由此得出,研究区梳状长钻孔替代穿层钻孔的瓦斯抽采技术是可行的。该研究为底板梳状长钻孔替代底板岩巷的技术可行性提供了实践参考,为松软低透的高瓦斯和突出矿井的瓦斯治理提供了更为经济可行的治理方案。      

松软煤层瓦斯钻孔失稳分析及动态密封技术

松软煤层钻孔在钻进及抽采瓦斯过程中,容易发生钻孔形变、缩径、坍塌甚至堵孔等工程问题,造成瓦斯钻孔成孔率低、密封性差、服务时间短及瓦斯抽采阻力大等抽采问题。针对上述技术难题,基于松软煤层的构造演化过程,分析了自重应力、构造应力、采动应力及瓦斯应力等因素对松软煤层瓦斯钻孔稳定性的影响,得出了松软煤层钻孔的多应力耦合作用失稳机制。同时,针对松软煤层瓦斯钻孔失稳规律,提出以护孔为基础,自适应动态密封为关键的"护-封"一体化松软煤层瓦斯钻孔密封技术。工程试验结果表明,该技术可使单孔瓦斯抽采体积分数增加至90%以上,单孔瓦斯体积分数提高2~3倍,且抽采浓度稳定。      

Researches of fracture evolution induced by soft rock protective seam mining and an omni-directional stereo pressure-relief gas extraction technical system: a case study

In the absence of a suitable coal seam to serve as the protective seam in deep mining, an innovative solution of using the soft rock seam as the protective seam mining has been put forward. Taking the Luling Coal Mine as the engineering background, theoretical analysis and similar simulation experiment were conducted to study the key technologies used in soft rock protective seam (SRPS) mining. This included the characteristics of the pressure-relief gas source and accumulation zone, and the pressure-relief gas extraction of the protected seam. The results show that after mining the SRPS, the pressure-relief gas rushing out of nearby coal seams has become the major gas source in SRPS mining. An omni-directional stereo pressure-relief gas extraction system was developed, which consisted of techniques such as buried pipes in the goaf, ground extraction wells, intercepting boreholes, and seam-crossing boreholes. During the investigation, the total pressure-relief gas extraction flow amounted to 29.5 m³/min, and the gas pre-extraction rate reached 66.6% for the overlying protected seams (seams 8 and 9). The investigation into the protective effects in the cut hole showed that the maximal gas pressure and content were 0.35 MPa and 4.87 m³/t, respectively. This indicated that drilling extraction boreholes in the gas accumulation zone played a key role in obtaining an improved pressure-relief gas extraction effect. Further, these findings suggested that SRPS mining (in combination with omni-directional stereo pressure-relief gas extraction technology) could turn dangerous coal seams into ones with much less gas content, and hence free from gas outburst.     

碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障,针对碎软煤层区域瓦斯高效抽采难题,以陕西韩城矿区3号煤层为研究对象,提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法,验证模式适用性,阐明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征,进而建立适用于500 m孔深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系,实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层5 m左右、多段均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础,在韩城桑树坪二号井开展2孔次的工程实践：压裂主孔深度588 m、距3号煤层2 m左右,单孔压裂6段,压裂范围探查深度381 m、压裂影响半径20 m以上;压裂后,钻孔抽采瓦斯平均体积分数40%以上、瓦斯抽采量1 m3/min以上,抽采效果是常规钻孔的4倍,120 d瓦斯抽采有效半径可达9 m,实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化应用技术思路。     

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。     

气相压裂增透技术在煤巷掘进工作面中的应用

针对高瓦斯低渗煤层煤巷掘进工作面瓦斯抽采钻孔施工量大、抽采周期长、抽采效率低等问题,提出了气相压裂增透瓦斯治理技术,介绍了气相压裂设备及技术原理,确定了工作面压裂施工方案,并对气相压裂后的预抽效果进行了考察分析。结果显示:气相压裂孔较普通钻孔抽采量提高了4倍,压裂影响区域内的预抽孔抽采量提高了2.4倍。实践证明,气相压裂技术适用于矿井高瓦斯松软低渗煤层的瓦斯抽采。      

高位定向长钻孔技术在桃园矿采空区瓦斯治理应用

针对工作面回采后采空区瓦斯易超限问题,采用螺杆马达结合随钻测量技术的定向钻进工艺,在桃园矿1029工作面施工了3个长距离煤层顶板大直径定向钻孔,最大孔深531 m,累计进尺1701 m（含分支孔）,通过精准控制钻孔轨迹,使钻孔沿煤层顶板裂隙带延伸,有效抽采煤层回采后采空区内瓦斯,总结了一套适用于采空区瓦斯治理的高位顶板长钻孔施工方法,保障了煤矿安全高效生产。     

Control of gas emissions in underground coal mines

A high level of knowledge is now available in the extremely relevant field of underground gas emissions from coal mines. However, there are still tasks seeking improved solutions, such as prediction of gas emissions, choice of the most suitable panel design, extension of predrainage systems, further optimization of postdrainage systems, options for the control of gas emissions during retreat mining operations, and prevention of gas outbursts. Research results on these most important topics are presented and critically evaluated. Methods to predict gas emissions for disturbed and undisturbed longwall faces are presented. Prediction of the worked seam gas emission and the gas emission from headings are also mentioned but not examined in detail. The ventilation requirements are derived from the prediction results and in combination with gas drainage the best distribution of available air currents is planned. The drainage of the gas from the worked coal seam, also referred to as predrainage, can be performed without application of suction only by over or underworking the seam. But in cases where this simple method is not applicable or not effective enough, inseam-boreholes are needed to which suction is applied for a relatively long time. The reason for this is the low permeability of deep coal seams in Europe. The main influences on the efficiency of the different degasing methods are explained. Conventional gas drainage employing cross measure boreholes is still capable of improvement, in terms of drilling and equipment as well as the geometrical borehole parameters and the operation of the overall system. Improved control of gas emissions at the return end of retreating faces can be achieved by installation of gas drainage systems based on drainage roadways or with long and large diameter boreholes. The back-return method can be operated safely only with great difficulty, if at all. Another method is lean-gas drainage from the goaf. The gas outburst situation in Germany is characterized by events predominantly in the form of ‘nonclassical' outbursts categorized as ‘sudden liberation of significant quantities of gas'. Recent research results in this field led to a classification of these phenomena into five categories, for which suitable early detection and prevention measures are mentioned.     

负角度定向长钻孔瓦斯抽采完孔工艺研究

定向长钻孔预抽煤层瓦斯是实现煤矿瓦斯区域超前治理的有效技术手段,受采掘部署影响,负角度钻孔（下向孔）在生产中应用广泛。中硬煤层成孔性好、通常无需护孔,但针对负角度长钻孔积水问题,现有常规方法均无法有效解决。以贵州龙凤煤矿9号中硬煤层下向长钻孔为研究对象,在同一区域施工2组定向长钻孔,钻孔平均倾角–8°,钻孔孔深240~363 m、垂深40.0 m,对比分析了长距离、大垂深定向长钻孔护孔和未护孔2种完孔工艺的瓦斯抽采效果差异。结果表明:在抽采前期,采取护孔工艺的负角度定向长钻孔平均瓦斯抽采量为2.09 m3/min,未采取护孔工艺的为1.87 m3/min,二者差别不大;但护孔工艺定向长钻孔瓦斯抽采量衰减系数是未护孔的61.54%,以抽采400 d为例,护孔工艺定向长钻孔瓦斯抽采总量是未护孔的1.40倍;经理论计算,采取筛管护孔工艺钻场抽采达标时间比未护孔钻场缩短了157 d。从长期抽采效果来看,在缺乏有效排水措施的前提下,采取护孔工艺能够有效提高负角度定向长钻孔的瓦斯抽采效果。      

穿层爆破在南桐矿瓦斯抽放中的应用与数值模拟

穿层抽放是一些高突矿井常用的瓦斯治理手段,在穿层抽放时采用爆破技术已被证明具有良好的抽放效果。以重庆市南桐矿穿层爆破为背景,建立了穿层深孔爆破数学模型;利用数值计算和现场实测抽放数据相结合的方法,分别研究了各爆破孔、控制孔动应力的变化以及爆破应力场强度与抽放效果的关系。研究结果表明,穿层抽放的特点决定了爆破孔与抽放孔的布孔方式。由于炮孔斜穿煤层,煤层各断面动应力场分布极不均匀,药包中心控制孔所受动应力为控制孔中最大。在南桐矿薄煤层试验条件下,药包长度为3.2 m的爆破孔平均破坏半径为0.57 m,较其他两排炮孔大20%以上。炮孔中药包长度是影响瓦斯抽放量的重要因素。爆破孔的平均单孔抽放量较控制孔高55%,爆破钻场较非爆破钻场平均单孔流量大49%。