“三软”单一煤层水力冲孔卸压增透机理及现场试验

水力冲孔是实现"三软"煤层瓦斯高效抽采的有效途径之一。通过应力应变-煤体结构-渗透率的耦合实验,揭示了"三软"煤层渗透率随煤体结构和应力变化的演化规律,发现软煤在卸压后渗透率得到大规模提升。以Hoek-Brown准则为理论依据,通过数值模拟,发现水力冲孔出煤后的卸压增透范围显著增加。采用自主研发的"瓦斯抽采孔水力作业机",在郑煤集团大平煤矿21141底板抽放巷进行了水力冲孔试验,使得水力冲孔更加安全、高效,并使得老孔的修复成为现实。现场试验充分检验了装备的可靠性和理论分析的准确性,显著提高了煤层瓦斯的抽采效率。      

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。     

井下高压水射流切割煤层增透效果数值模拟

针对井下高压水射流切割煤层增透技术,利用FLAC3D数值模拟软件,建立三维有限元模型,对不同煤体结构（软煤、硬煤）、切割深度和切割环数等因素的卸压增透效果进行数值模拟分析。模拟结果表明:在水力切割相同半径下,软煤的卸压范围约为硬煤的1.8倍,变形量约为硬煤的2.6倍;水力切割半径由0.5 m增至1 m时,煤体中应力降低为90%的区域和煤体变形量分别提高到1.56倍和1.66倍;相邻切割缝槽之间出现了交互影响,钻孔的卸压范围和煤体变形量显著增大,水力切割区域煤体呈现整体卸压状态。将数值模拟的卸压范围与理论公式计算结果进行了对比,二者之间的误差为0.46%~9.84%,表明采用数值模拟技术研究水力切割增透效果是可靠的。      

突出煤层CO2气相压裂高效抽采防突掘进技术

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重影响煤矿安全生产。尽管近10年来这一灾害事故大幅度减少,但恶性事故依然发生,给矿工生命和煤矿安全生产造成严重损失。国内外现阶段的防治瓦斯突出技术,如水力压裂、水力割缝、水力冲孔、深孔爆破、密集钻孔等,不同程度地解决了防突安全掘进,但对于一些高瓦斯低渗透突出煤层,上述技术还难以从根本上解决消突安全快速掘进。所以,防突技术仍然是我国煤炭领域亟待攻关的重大科技难题。选取山西寿阳县新元煤矿31002工作面为试验案例,介绍CO₂气相压裂技术方法,并探讨其防突掘进效果。新元煤矿开采的山西组3号煤层为低渗透突出煤层,前期主要采用密集钻孔预抽瓦斯防突措施,抽采达标时间长,掘进速度慢。高效抽采瓦斯,防止煤与瓦斯突出,保障煤巷安全快速掘进,是新元煤矿安全高效生产的重大技术难题。在新元矿采取的气相压裂措施概况如下:在掘进工作面前方实施双钻孔气相压裂;完成9个瓦斯抽采钻孔以覆盖巷道两侧各15 m安全范围;全部11个钻孔联网抽采3~5 d,防突参数K₁值达标后恢复掘进。试验数据表明,气相压裂抽采防突技术措施的强化抽采效果显著,抽采效率大幅度提高,煤炮等动力现象减少,K₁值降低,掘进割煤时巷道瓦斯浓度得以降低和均化,保障了连续安全掘进。实践证明,CO₂气相压裂技术能够实现连续安全快速掘进理技术,在全国类似瓦斯地质条件煤矿中具有推广应用意义。      

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。      

软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯数值模拟及试验

水力冲孔是煤层瓦斯增透抽采的主要技术措施,其主要以出煤量考察卸压效果,但是也存在出煤量大、卸压不均一、应力易集中等问题。因此,提出软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术,考虑瓦斯压力压缩和煤基质吸附瓦斯膨胀对本体变形的影响,建立应力场、裂隙场、渗流场耦合条件下的多物理场理论模型,并结合COMSOL数值模拟软件对软煤夹层水射流分支数、卸压影响范围内煤体的瓦斯压力和瓦斯含量变化规律进行了研究。研究表明:当水射流分支长半轴为2 m,短半轴为0.22 m时,水射流分支数为6个时较为合理;在相同出煤率情况下,相同时间内瓦斯压力和含量均随着与钻孔距离的增加而减小,抽采180 d,水射流层状卸压有效抽采半径约为常规水力冲孔有效抽采半径的2.14倍,且在有效影响范围2 m时,水射流层状卸压瓦斯含量降低量为7 m3/t,而常规水力冲孔瓦斯含量降低量为4.1 m3/t,水射流层状卸压瓦斯降低量为常规水力冲孔的1.71倍;在新义煤矿现场试验中发现,当水射流层状卸压出煤率为常规冲孔出煤率的0.29~0.71倍,抽采较高浓度瓦斯时长仍是常规水力冲孔的2倍。软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术的提出,对未来煤矿井下软煤夹层水力冲孔技术的发展有着重要的意义,为井下瓦斯的治理提供了新的方法和方向。      

井巷揭煤地面预抽辅助消突技术

井巷如何安全、高效揭穿突出煤层是防突工作不断探索的课题,地面预抽煤层瓦斯辅助消突不失为一种有效的解决途径。基于井巷揭煤突出机理和防突核心任务分析,研究了地面预抽辅助消突技术特点和适应性。工程应用表明,采用洞穴完井和水力压裂强化预抽,可有效降低井巷揭煤区煤层瓦斯含量和瓦斯压力,使揭煤区应力释放或泄压,破坏煤与瓦斯突出的物质基础和动力来源,从而变突出区域（煤层）为非突出区域（煤层）。地面预抽煤层瓦斯能够有效降低井巷揭煤防突工作难度,提高揭煤效率,适合复杂地质条件下石门、井筒揭煤防突工作。      

基于定向水力压裂增透的大断面瓦斯隧道快速揭煤技术

分析了瓦斯隧道揭煤特点,提出多孔割缝定向水力压裂增透方法,研发出射流割缝导向系统装置,在此基础上形成大断面瓦斯隧道揭煤综合防突技术体系,并应用于渝贵高铁特大断面瓦斯隧道揭煤工程。结果表明:(1)水力压裂裂缝的起裂受割缝缝槽导向明显,并始终沿定向孔割缝和水力压裂孔裂缝在煤层中共同形成的连贯塑性区持续扩展;(2)压裂后煤层透气性系数提高了35～187倍,平均瓦斯抽采纯量较本隧道邻近煤层普通压裂和邻近隧道同一煤层普通抽采工艺分别提高了4.28倍和12.73倍,揭煤时间比预期缩短了50%;(3)定向水力压裂有效弱化了高压水对围岩的损伤破坏,隧道拱顶沉降和水平收敛较常规压裂分别减少了18.3%和16.4%。     

基于定向水力压裂增透的大断面瓦斯隧道快速揭煤技术

分析了瓦斯隧道揭煤特点,提出多孔割缝定向水力压裂增透方法,研发出射流割缝导向系统装置,在此基础上形成大断面瓦斯隧道揭煤综合防突技术体系,并应用于渝贵高铁特大断面瓦斯隧道揭煤工程。结果表明:(1)水力压裂裂缝的起裂受割缝缝槽导向明显,并始终沿定向孔割缝和水力压裂孔裂缝在煤层中共同形成的连贯塑性区持续扩展;(2)压裂后煤层透气性系数提高了35～187倍,平均瓦斯抽采纯量较本隧道邻近煤层普通压裂和邻近隧道同一煤层普通抽采工艺分别提高了4.28倍和12.73倍,揭煤时间比预期缩短了50%;(3)定向水力压裂有效弱化了高压水对围岩的损伤破坏,隧道拱顶沉降和水平收敛较常规压裂分别减少了18.3%和16.4%。     

潘二矿下向卸压开采高应力演化特征试验研究

为研究深部近距离煤层群下向卸压开采高应力演化的特征,根据潘二煤矿深部近距离煤层群8煤和6煤地质与开采技术条件,设计了下向卸压开采的二维相似材料模拟试验模型,对8煤和6煤开采引起的采动应力进行监测。系统分析了8煤下向开采与6煤开采后的采场围岩采动应力、岩层运移及不规则煤柱对采动应力演化的影响,获得了近距离煤层群8煤下向卸压开采的顶底板采动高应力演化特征及6煤回采期间覆岩运移、采动应力裂隙演化和来压特征,得出了下向卸压开采不规则煤柱对采动应力、裂隙分布的影响规律。研究不仅为以采动高应力演化为主导作用的煤岩动力灾害防治提供了理论基础,也为卸压开采采场参数设计与优化提供了技术支撑。     

煤层水压致裂后煤岩应力解析

水压致裂后煤岩应力分布规律对水压致裂防冲效果起关键性作用。采用理论研究方法得出高压注水压致裂后及卸水后水区和气区的孔隙、瓦斯压力和煤体应力解析解。结果表明,致裂后水区孔隙压力沿径向变化不大,与注水压力接近;气区瓦斯压力沿径向呈递减趋势;在水区外围一定范围内形成瓦斯压力升高区;水区煤体环向应力将会减小,直到变为拉应力;气区煤体径向应力沿径向递减。卸水后水区孔隙压力、煤体径向应力沿径向呈递增趋势;气区煤体径向应力沿径向呈递增趋势,趋近于原始煤体应力;气区煤体环向应力沿径向呈递减趋势;气区孔隙压力沿径向呈递减趋势。这为煤层水压致裂预防冲击地压提供理论基础。      

下伏煤层瓦斯压力消散数值模拟

平煤五矿己15煤层为低瓦斯煤层,下伏己16-17煤层为高瓦斯煤层,相对层间距比例1.0-4。己16-17煤层煤厚3.5m,为主采煤层。为降低己16-17煤层的瓦斯压力,实现安全高效生产,该矿以已15煤层为保护层,采用上保护层开采技术改变具有突出危险的煤层瓦斯赋存状态,降低被保护层的瓦斯压力。基于多孔介质流体流动理论,利用有限元数值模拟技术,模拟平顶山五矿超近上保护层的开挖过程,分析被保护煤层的瓦斯流动过程和煤层瓦斯压力的变化规律,论证保护层开采技术可以改变高突、高瓦斯煤层瓦斯赋存状态的可行性。     

Stress distribution characteristic analysis and control of coal and gas outburst disaster in a pressure-relief boundary area in protective layer mining

Coal and gas outburst disasters in coal seams are becoming more serious as coal mines extend deeper underground in China. Furthermore, the protective coal seam mining technology featured by economic efficiency has been proven to be the most effective and widely applied method for the prevention of coal and gas outburst disasters. However, the determinations of the protective area coal and gas outburst prevention in a pressure-relief boundary area are fundamental issues that research should be focused on. The technical method for determining stress distribution in pressure-relief boundary area during protective coal seam mining is put forward in this paper. The method is based on a stress-seepage coupled relationship within a gas-containing coal seam. The method includes complex lab experiments and on-site measurements at the Qingdong Coal Mine. The final data illustrate that the permeability and vertical stress in the pressure-relief boundary area of the coal sample form a negative exponential function relationship. Additionally, the permeability of the coal sample within the abovementioned area is significantly different compared with that located at the center of the pressure-relief area. In the pressure-relief boundary area, the gas pressure distribution gradient is 0.0375 MPa/m, while the vertical stress distribution gradient registers 0.56 MPa/m. Under this condition, coal and gas outburst disasters are prone to be triggered. Therefore, effective precautions against coal and gas outburst disasters can be put forward in accordance with stress distribution characteristics within the abovementioned “boundary area.”     

The Main Factor Controlling the Coal and Gas Outbursts in the Eastern Pingdingshan Mining Area

By analyzing the gas occurrence, it is found that ground stress plays a leading role in coal and gas outburst in eastern coal mines of Nos. 8, 10 and 12 in Pingdingshan Mining Area where show the most serious outburst hazards. According to the isograms of coal seam depth in F Group, the relationship between the distributions of the fold tectonic stress and the coal and gas outburst was simulated using the ANSYS program. The result shows that the stress concentrates near to the fault and the outcrop of the fault enhances the possibility of gas outburst. The shear stress in the north of the anticline is greater than that in the south. The shear stress direction on the north wing of the anticline is dextral and the coal seam in this area exhibits highest possibility for gas outburst. However, on the surrounding rock, the shear stress direction on the north wing of the anticline is sinistral. The regions with fold tectonic stress ranging from 1.44 to 4.47 MPa correspond to the sites with high risk of gas outburst. Ground stress is the main factor controlling the coal and gas outburst in the three mines. Currently, the distribution of coal and gas outburst in the three mines is in agreement with that of coal shear stress.     

基于力能分析的平煤五矿己四采区煤与瓦斯突出危险性预测

根据实测平煤五矿己₁₅煤层瓦斯含量和压力结果,从力能角度分析了地应力、瓦斯和煤强度对煤与瓦斯突出的影响,发现己四采区己₁₅煤层受地应力作用,煤体弹性潜能远大于瓦斯膨胀能,即以构造应力为主的地应力为其突出最主要的影响因素;结合己四采区地质因素和己₁₅煤层瓦斯可解吸量,确定该采区煤与瓦斯突出危险区的下限指标为原煤瓦斯含量达到5.4 m3/t,绝对瓦斯压力为0.79 MPa,该下限指标对应的煤层底板标高为–600 m。因此预测–600 m标高以浅为无突出危险区,–600 m以深为突出危险区。      

基于相似模拟和地质力学模型试验的突出装置研制及应用

国内外学者对煤与瓦斯突出过程及机制进行了大量的研究,但使用的均是型煤试验,很少涉及地质构造对突出的影响,而且数据监测均未深入到煤体内部。基于相似模拟试验思想和地质力学模型试验新思路,在实验室搭建了综合考虑地应力、瓦斯压力及煤体结构的大型石门揭煤的煤与瓦斯突出试验平台。该试验平台包括试验箱体和反力架、液压加载系统、密封系统、试验监测系统;设计了线充气和面充气系统,用来模拟煤层的瓦斯赋存差异。同时,利用该试验平台进行了石门揭构造软煤的相似模拟试验,研究了石门揭构造软煤过程中煤岩应力和位移的变化规律,以及突出过程中煤层内瓦斯压力和声发射的变化规律。结果表明,在巷道开挖过程中,掘进工作面前方存在明显的应力集中,且越靠近构造软煤应力集中现象越明显;突出发生的瞬间,在突出点附近的位移产生了突变;在突出发生前,声发射信号有一次降低;掘进工作面前方煤岩体应力释放,煤体裂隙增大,为瓦斯的快速放散提供了条件。