导向槽定向水力压裂煤层增透强化瓦斯抽采技术及应用

针对低透气性高瓦斯煤层预抽瓦斯困难问题,提出导向槽定向水力压裂煤层增透技术,通过理论推导计算煤层段扩孔后塑性区分布,分析穿层钻孔煤层段水压裂缝的起裂与扩展,揭示导向槽定向水力压裂煤层增透的力学机制,研发导向槽定向水力压裂煤层增透装备。在山西中兴煤矿进行现场应用,结果表明:利用水射流方法对穿层钻孔煤层段进行扩孔,使得煤中产生形似圆柱孔洞,穿层钻孔围岩塑性区半径与钻孔半径成正比,钻孔扩孔是增大塑性区范围的一种有效方法,裂隙扩展明显,瓦斯采出率提高。同时研发了一种导向槽定向水力压裂防突成套装备,主要部件有移动高压水力泵站、喷头、喷嘴、螺旋辅助排渣水射流高压钻杆、孔口防喷装置以及高压旋转接头,结合井下水力化作业远程监测和控制,现场监测结果表明,通过增透作业钻孔的方法,平均瓦斯浓度和瓦斯抽采混合量提高到常规孔的2.75倍和1.81倍,说明采取导向槽定向水力压裂措施的增透效果显著。

碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律模拟研究

针对碎软突出煤层瓦斯抽采效率低的问题,提出采用大直径钻孔抽采瓦斯以降低煤层瓦斯含量、预防瓦斯突出灾害。以瓦斯吸附运移、煤体变形和损伤的控制方程为基础,建立碎软含瓦斯煤层应力损伤—渗流耦合模型,反映瓦斯与煤层的耦合响应。利用COMSOL Multiphysics软件模拟研究碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律,分析钻孔附近损伤区域内瓦斯含量变化及不同钻孔间距的抽采达标情况,对大直径钻孔间距进行优化。研究结果表明:大直径钻孔周围煤体中出现了较大范围的损伤破坏区,其渗透率大幅度增高,使瓦斯能够快速从损伤区域的煤体内运移至抽采钻孔中,为碎软煤层瓦斯高效抽采创造了条件。确定钻孔间距6 m、孔径300 mm的大直径钻孔进行瓦斯预抽,煤层瓦斯含量小于6.2 m^(3)/t,满足抽采达标条件,同时可降低施工费用。

小窑火区下采空区有害气体防治技术研究

小窑火区下回采工作面易发生上隅角低氧和有害气体超限,严重制约着矿井安全生产。为理清采空区有害气体的运移规律,以达西定律、扩散定律、流体动力弥散定律为基础构建了采空区气体运移的数学模型,利用COMSOL Multiphysics反演了沙坪矿13102工作面采空区有害气体的运移过程。结果表明:新鲜风流从进风巷道以及工作面流入采空区,然后从上隅角流出,在风流的带动下CH_(4)和CO从上隅角流出,导致工作面上隅角CH_(4)和CO体积分数超限、工作面低氧,在此基础上提出上隅角埋管抽采和均压通风的措施防治工作面上隅角低氧、有害气体超限,数值模拟发现上隅角埋管抽采只能防治工作面低氧的问题,而均压通风既能够防治工作面低氧还能阻止采空区有害气体涌向工作面。

上保护层双工作面开采卸压增透效应研究

针对中兴煤业2#煤层煤与瓦斯突出、被保护层工作面长度大、抽采能力有限等问题,提出了上保护层双工作面开采方式。通过理论计算、数值模拟和现场实测相结合的方法,研究了采用该方式时被保护层工作面的垂直应力和垂直位移的分布规律,分析了2#煤层的卸压效果。结果表明:随保护层工作面长度的增大,卸压比例总体呈减小的趋势,当保护层工作面长度为110 m时,被保护层工作面的垂直应力和垂直位移的卸压比例分别达到91%和87.4%。卸压后现场实测2^(#)煤层最大残余瓦斯含量和最大残余瓦斯压力分别降低为5.37 m^(3)/t和0.44 MPa,孔隙率增加到4.05%,煤层透气性系数增加到1.08 m^(2)/(MPa^(2)·d),最大膨胀变形量大于3‰,各指标均表明卸压增透效果显著。

浅埋近距离煤层群上覆采空区火灾及气体下泄防治研究

针对沙坪煤矿13103工作面浅埋近距离煤层上覆采空区煤层自燃和气体下泄问题,综合利用地面红外探测和同位素测氡等多种方法探测13103工作面上覆采空区自然发火状态,在此基础上用SF6气体进行漏风通道测定,并采用数值模拟方法分析了CO气体的下泄机理。研究结果表明:煤层自燃倾向性、复杂埋藏条件和老窑火区是发生煤层自燃的主要原因,在标定12个火区中心点和39 077 m2隐患区域基础上,发现地面、采空区火区和工作面三者裂隙相互连接是导致CO气体在工作面后半部分涌入工作面并在回风隅角处聚集的主要原因。同时,研究发现,采用井上下联防联控手段可消除上覆采空区内高温点,使得CO气体浓度稳定在0.05%以下,有效控制了采空区自燃和气体下泄问题,保障了13103工作面安全生产。

上覆采空区气体下泄防治技术研究与应用

为有效防治沙坪煤业13103工作面上覆采空区有害气体侵入,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分析研究上覆采空区有害气体运移规律,提出了上覆采空区有害气体下泄防治技术。模拟结果表明:回采50 m时,上覆采空区一氧化碳(CO)自上而下向工作面和进风巷方向扩散,由工作面中后部位置涌入工作面,在回风隅角处聚集。回采400m时,切眼侧CO范围较50m时增大,13103工作面靠近回风隅角处采空区CO积聚现象严重。在此基础上,提出均压系统和煤柱隔离相结合的上覆采空区有害气体下泄防治技术,并开展现场应用。现场试验表明:均压技术可有效阻止有害气体下泄,降低工作面有害气体浓度。

煤矿瓦斯灾害防治技术应用研究

煤矿在煤炭开采过程中会产生大量瓦斯,而瓦斯具有较大危害性,若浓度较高,不仅会使周边人员有瓦斯中毒的风险,而且遇见明火还可能造成瓦斯爆炸等安全事故,这严重威胁整个煤矿以及所有工作人员生命安全。煤矿瓦斯灾害不仅出现的概率大,而且危害也极其严重。根据相关数据调查可以得知,我国2001~2020年发生煤矿瓦斯突发事故484起,死亡3195人。因此,煤矿应当不断加强瓦斯灾害防治技术应用,通过矿井通风、瓦斯抽放等技术措施疏散瓦斯,控制煤矿井下各个区域瓦斯浓度,有效降低煤矿瓦斯灾害出现可能性,推动煤矿煤炭资源开采。

旋风除尘器内煤尘运移及捕获机理研究

为探究矿用旋风除尘器内部煤尘运动规律,提升除尘效果,采用RSM湍流模型和DPM颗粒流模型,对旋风除尘器内部流场以及煤尘颗粒的运动轨迹进行模拟研究。重点探究了风流速度为5、15、25 m/s时除尘器壁面压力以及煤尘颗粒运动分布情况,模拟了5、8、10、15、20、25μm煤尘颗粒的运动轨迹,并对比分析了除尘效率。实验结果表明:除尘器内部流场压力与风流速度成正比,速度越大压力越大,压力沿轴向和径向方向逐渐减小,压力和风速分布具有良好的对称性。当其他变量一定时,风流速度为15 m/s时除尘效率最高,可达到87.1%。最佳风流速度下,煤尘粒径与除尘效率成正比,粒径越大,除尘效率越高,当煤尘粒径小于10μm时,煤尘颗粒极易发生逃逸现象。

沙坪煤业浅埋煤层上覆小窑采空区灾害治理研究

沙坪煤业一盘区煤层埋藏浅,地表裂隙发育,矿区附近曾存在多个小窑,威胁工作面安全生产。为有效解决13102工作面上覆小窑采空区遗煤氧化及老窑采空区气体下泄隐患,根据地质资料,结合井上、下钻孔检测,将隐患范围圈定至工作面切眼200 m范围内及距切眼700~1000 m范围上覆小窑采空区。在回采前,地面钻孔采用注黄泥浆、注液氮的治理方法,对采空区进行降温处理;在开采过程中,异常区域采用应急均压系统防止矿界外小窑采空区气体下泄至工作面。结果表明,同位素测氡法结合井上、下钻孔探测的方法,可以较准确地圈定异常区域位置;开采前灌注黄泥浆、开采时注液氮的综合治理方式,有效降低了采空区内温度及一氧化碳浓度,消除了上覆采空区自然发火隐患。

大佛寺煤矿掘进面煤壁瓦斯涌出规律研究

本文从大佛寺煤矿40106工作面运输顺槽瓦斯涌出的特征和浓度分布入手,基于机掘巷道瓦斯涌出量是一个含多因素的复变函数,利用巷道测定法对40106运输巷掘进工作面煤壁的瓦斯涌出强度进行了实测研究,建立掘进工作面煤壁对瓦斯涌出量影响的数学模型为,得出了当巷道暴露时间为3～4个月时,掘进长度达900～1200m时,巷道瓦斯涌出量达到最大值,巷道长度再时,瓦斯涌出量基本趋于稳定值。

基于地面钻孔抽采技术的采空区瓦斯治理

采空区瓦斯治理是矿井瓦斯治理中的重要环节,由于受到采空区复杂因素制约,利用插管等抽采方法进行采空区瓦斯抽采并不一定能取得预期抽采效果。利用地面钻孔抽采技术抽采采空区瓦斯,设计合理的钻孔参数,选择合适的抽采设备,实例证明抽采效果显著,为采空区瓦斯治理提供了新思路及方法。

综放采空区特性与氧浓度分布关系研究

在现场束管监测实验的基础上,分析总结了综放采空区特性。根据计算流体力学原理,采用FLUENT数值模拟计算软件,针对综放采空区的不同特性,分别对采空区氧化带和窒息带的关键划分指标"氧浓度"进行数值模拟。将模拟结果与实测结果进行比较,讨论了在考虑综放采空区不同特性情况下的数值模拟结果对采空区自燃"三带",即"散热带"、"氧化带"和"窒息带"划分的影响。结果表明,综放采空区特性对于氧浓度分布起着非常重要的作用,在数值模拟过程中必须予以考虑;忽略采空区特性的数值模拟结果与实测结果存在较大差异;模拟结果的精确与否取决于对问题的了解程度和边界条件的设定精度。

水力冲孔技术在低透气性突出煤层瓦斯抽采中的应用

为了研究水力冲孔技术对余吾矿主采煤层的卸压增透作用,采用理论分析、室内电镜测试和现场工业性验证相结合的方法,结果表明:水力冲孔技术通过宏观裂隙和微观孔隙两个层面实现煤体的卸压增透;现场冲孔钻孔瓦斯流量衰减系数为0. 003,仅为普通钻孔的1/7;实施水力冲孔措施区域内,瓦斯抽采浓度明显优于普通钻孔区域内。水力冲孔技术可以有效强化煤层卸压增透效果,提高瓦斯抽采效率,保障工作面的安全生产。

近距离煤层下行开采下煤层回采巷道布置

针对某矿残留煤柱下煤层开采所遇到的回采巷道合理布置问题,通过理论分析、数值模拟和现场应用等研究方法,分析了某矿近距离煤层下行开采残留煤柱的底板破坏范围及对下煤层回采巷道稳定性的影响。利用土力学的太沙基理论并结合某矿3^(-2)号煤层及底板岩体的力学性质计算了残留煤柱下底板破坏范围,又运用数值模拟研究了残留煤柱载荷作用下外错5 m布置回采巷道的应力场与塑性区分布情况,并且对某矿3^(-3)号煤33305工作面掘进巷道进行了验证分析,最终验证了回采巷道外错5 m布置的合理性。

高瓦斯工作面采空区拖管抽采技术应用研究

为解决荆宝煤矿采空区埋管抽采技术效率低、经济效益差等问题,以3206综放面的采场条件为基础,基于采空区三区划分建立理论模型分析了涌出区抽采的必要性。通过Fluent数值模拟和现场工程试验对上隅角拖管抽采对采空区瓦斯影响及托管布设参数的合理性进行研究。结果表明:随拖管埋入采空区抽采,采空区涌入工作面瓦斯降低;当上隅角拖管距离巷道顶板0.2 m,距离回风巷外帮0.6 m,进入采空区深度为15 m时,采空区瓦斯抽采效果最好,能有效解决上隅角瓦斯超限问题,具有较强的实用性。

下向瓦斯抽采钻孔自动排水技术研究与应用

为解决下向钻孔由于孔内积水而造成瓦斯抽采效果差的问题,通过时控开关和电磁阀自动控制高压风,在封孔管上增设直达孔底的导风管,利用压风将瓦斯抽采钻孔内积水压入到排渣放水器内,从而能够达到定时清除孔底积水和杂质的目的。该技术应用于上良煤矿石门揭煤下向抽采钻孔,经考察表明下向瓦斯抽采钻孔自动排水技术能有效提高瓦斯抽采效果,该地质单元区域设定为每隔4 h进行一次压风排水效果最佳。

基于FLUENT的瓦斯抽采半径规律研究

针对某矿15号煤层在正式开采前需要确定瓦斯抽采半径所遇到的问题,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,全面地展现了矿井瓦斯抽采的成效,并应用FLUENT软件进行数值模拟,准确模拟出某矿15号煤层的瓦斯抽采半径,对经过现场实地测量测出的抽采半径和模拟出的结果进行对照和分析,验证了15号煤层瓦斯抽采半径为2.0 m的合理性。

基于损伤危险指数的巷道围岩损伤评价数值模拟

基于Mohr-Coulomb强度准则建立了损伤危险指标来评价巷道围岩的损伤程度,并通过Fish语言编写损伤危险指数程序代码,对N2105回风平巷在静载荷和动静载荷叠加作用下的围岩全部损伤危险指数进行了对比分析。结果表明:动静载荷叠加作用下,巷道围岩全部损伤危险指数均较静载荷作用下大,其相对应的损伤危险区面积呈现偏向动载源侧的不对称分布;垂直于顶板和靠近动载源侧右帮的锚杆几乎全部处于损伤危险区内,锚杆损伤失效诱发严重的矿压显现。微震监测和损伤危险指数数值模拟相结合的方法能有效地对巷道围岩支护体系做出评价。

高位钻孔抽采技术在工作面瓦斯治理中的应用

上良煤业工作面瓦斯涌出量大,已成为制约生产及安全的主要因素。测定了煤层瓦斯含量,根据分源预测法计算工作面瓦斯涌出量,分析工作面瓦斯涌出来源及构成;针对邻近层瓦斯涌出量占3303工作面瓦斯涌出量比例较大的特点,设计钻孔参数及抽采工艺,采用高位钻孔抽采技术抽采邻近层瓦斯,为工作面瓦斯治理提供技术保证。

本煤层斜向交叉钻孔瓦斯抽采技术研究与应用

为了解决七一新发煤业3003综采工作面本煤层透气性低以及瓦斯抽采效果不好的问题,根据本煤层斜向交叉钻孔瓦斯抽采的技术原理,研究了本煤层瓦斯抽采施工平行钻孔与斜向交叉钻孔的施工工艺,并对抽采效果进行比较。结果表明:斜向交叉钻孔百米钻孔瓦斯抽采量是平行钻孔的2.72倍;抽采80 d后,斜向交叉钻孔百米钻孔瓦斯抽采量衰减为平行钻孔的1.43倍,斜向交叉钻孔瓦斯抽采实用性较高。