石门揭煤局部防突措施研究进展及展望

随着矿井开采深度的增加,瓦斯突出问题日益凸显,如何快速安全地进行石门揭煤,是保障煤矿安全生产的重要目标。选取中国知网数据库中近30年相关文献为样本,基于图谱分析法,分析了石门揭煤局部防突领域中的研究热点;对防突措施的研究进展和不足之处进行了系统探析,分析发现低温冷冻技术从降低煤层储能及提高煤体强度2个角度实现防突。煤与瓦斯突出事故的发生是煤层储能失稳后突破了煤体抵抗能力导致的,基于目前局部防突领域存在的技术难题以及人工冻结存在的不足,结合智能化技术,提出智能“钻-抽-注”一体化措施,通过信号基站及局域网络进行实时监控及预警,实现精准防突;通过建立多物理场耦合模型、理论分析及工程实践验证3方面相结合,掌握冷冻条件下煤岩体瓦斯赋存状态及运移规律,为低温冷冻技术在石门揭煤局部防突中的应用提供理论依据;借助智能液氮冻结系统,实现“一孔多功能”,为石门揭煤局部防突工作提供新的选择和支持,从而快速、安全揭开突出危险性煤层。

石门揭煤作业中定向长钻孔瓦斯抽采防突技术的应用

研究专注于煤矿工作面瓦斯防突技术的应用,特别是定向长钻孔瓦斯抽采防突技术在石门揭煤作业中应用。旨在评估这一技术在防止瓦斯突出方面的有效性,以确保煤矿安全和生产符合相关法规。为确保工作面的安全推进,在工作面前方的煤层区域设置检验钻孔,用于测定残余瓦斯压力和含量,并确保其符合标准。研究结果显示,实际操作中的残余瓦斯含量和压力均满足相关标准,5个检测钻孔的瓦斯压力平均值为0.522 MPa,瓦斯含量为4.5 m3/t,满足瓦斯含量小于8 m3/t、瓦斯压力小于0.74 MPa的要求。表明该技术可以有效防止瓦斯突出。另外,采用钻屑瓦斯解吸指标法进行突出危险性评估,结果显示在揭煤阶段的工作面不再有突出危险,可以继续进行揭煤工作。

石门揭煤突出模拟实验台的设计与应用

基于石门揭煤过程中采掘应力场与瓦斯突出关系研究的需要,针对目前石门揭煤突出模型还处在实验室研究的阶段,而大部分都未能综合考虑瓦斯压力、地应力、煤的物理力学性质等对突出的影响,研制出一套能够综合考虑地应力、瓦斯压力及煤体结构的石门揭煤突出模拟试验系统。为取得准确、客观的试验效果,进行了密封、快速开启装置及氮气平衡系统等关键技术的设计,介绍了试验系统的主要组成结构、功能。利用该实验台进行石门揭煤突出试验,试验结果反映出在突出过程中地应力和瓦斯压力的变化情况,可为研究和揭示煤与瓦斯突出机制、突出过程中地应力和瓦斯压力的变化规律提供新的技术手段。

石门揭煤钻孔布置优化分析及应用

为优化突出煤层石门揭煤钻孔布置,在理论分析射流割缝影响半径的基础上,提出基于高压脉冲水射流割缝技术的钻孔布置的新工艺。在理论分析圆形紊动射流结构的基础上,研究了射流冲击破碎煤体时射流速度分布,基于动量守恒定律得出射流作用于煤体的应力分布。并选取重庆某煤矿K1煤层煤体制作原煤煤样进行孔隙率测试和单轴压缩实验,得出煤体的初始损伤和煤体力学参数,基于损伤力学对煤体发生损伤破坏的门槛值进行了计算,得出射流冲击煤体的最大深度和钻孔切缝后影响半径,并应用于重庆某煤矿+175N2号石门揭煤工程。应用结果:钻孔数量减少32个,减少钻尺718.4 m,钻进工程量减少35.7%。

深部煤岩工程多功能物理模拟实验系统——煤与瓦斯突出模拟实验

深部煤岩工程多功能物理模拟实验系统可开展煤与瓦斯突出、水力化煤层增透、地下工程围岩变形破坏、超临界二氧化碳压裂等煤岩体工程问题的物理模型实验。从煤与瓦斯突出角度,基于地应力、瓦斯压力、煤体性质、地质构造及开采扰动等突出影响因素,分析对比总结了系统在煤与瓦斯突出实验方面的功能与特色。该系统由主体装置、模型成型及就位系统、液压伺服加载控制系统、抽气注气系统、模拟开挖系统和数据采集及监测系统6部分构成,具有以下特色:(1)主体装置采用"外圆内方"的钢筒式结构,有效增大了承载系统的刚度和承载能力,荷载不外传,避免了局部应力集中的产生;(2)装置内部可容纳模型尺寸大(2060 mm×1200 mm×1200 mm),能模拟地质构造,相似程度高,边界效应小;(3)模型腔内储气空间大,气源的连续供给能力强,还原真实条件下卸压带瓦斯向突出区域运移过程;(4)环向布置20根液压拉拔器密封,确保主体装置拉杆受力均匀,装置最大密封气压高达5 MPa;(5)采用432个小油缸加载,实现了三向独立均布或非均布加载,最大加载应力10 MPa,加载过程中气压和固压互不干扰;(6)自动控制模拟开挖,还原井下掘进扰动行为,保证煤与瓦斯突出前兆信息的获取。利用该实验系统成功开展了石门揭煤诱发煤与瓦斯突出模拟实验,监测了实验过程中温度、气体压力、煤岩体应力和声发射数据的实时变化情况,为研究煤与瓦斯突出发生机理、预测方法、控制技术等方面问题提供科学的实验数据。

构造带石门揭煤诱导突出的力学特性模拟及声发射响应

为揭示地质构造区域石门揭煤诱导突出的机理,运用自行研发的大型三维煤与瓦斯突出模拟试验系统,对石门揭露断层构造带煤层的过程进行了相似模拟,同步采集分析了突出全过程的应力变化规律及揭煤过程的声发射响应规律,并对构造带揭煤突出过程的能量耦合跃迁失稳过程进行了理论分析。结果表明:在构造带掘进巷道的推进过程中,巷道上方的岩层和煤层均会经历应力增大和减小的过程,但构造区域煤层的应力集中系数大于岩层区域,呈现较强的应力敏感性;在开挖时和突出的过程中,声发射信号能较好地反映煤岩动态变化;在巷道掘进过程中,构造区域煤层不断积聚弹性能和瓦斯内能,并相互耦合逐步达到能量的极限平衡状态,一旦揭煤扰动到该系统,就会引起能量的耦合跃迁失稳,从而诱发突出。

近距离煤层群水射流割缝卸压石门快速揭煤技术分析

针对西南地区高瓦斯近距离突出煤层群层间距小于7m时,石门揭煤工作面前方多层煤层需统一消突管理,常规超前钻孔工程量大,严重制约了煤矿安全生产和采掘工作面接替等问题,提出采用穿层钻孔水射流割缝防突技术,一次性对石门工作面前方煤层群统一卸压增透,快速安全揭煤的思路。以贵州雷公山煤矿为例,采用FLAC3D模拟了不同缝槽布置方式以及缝槽间距对煤层群卸压效果的影响。研究表明:多煤层煤孔中部均布置一个缝槽,同一煤层内缝槽间距为4m,可使石门揭煤工作面前方控制范围内煤体整体卸压。现场应用证明:采用水射流割缝技术,预抽达标时间缩短约39d,钻孔工程量减少610m,钻孔数量减少30个,可实现快速安全揭煤。

圭嘎拉隧道石门揭煤岩柱安全厚度及动力特性

为解决煤系地层公路隧道施工中瓦斯气体泄漏、爆炸及煤层突出、挤出、压出等地质灾害问题,以西藏拉泽高速公路圭嘎拉隧道为研究对象,采用结构力学理论,结合岩柱爆破损伤范围大小和地应力与煤层瓦斯压力作用下岩柱安全厚度,得出不同煤层倾角隧道石门揭煤的岩柱安全厚度计算式,得到圭嘎拉隧道石门揭煤岩柱安全厚度;运用数值模拟法建立煤系地层公路隧道石门揭煤动力学模型,研究石门揭煤掏槽爆破微差间隔时间对煤层及其顶底板的动力特性,获得煤层与顶底板动力响应特征。结果表明:圭嘎啦隧道石门揭煤安全厚度2.8 m是合理的;随着微差间隔时间增加,动力响应强度降低,石门揭煤爆破最佳微差间隔时间为50 ms;随着煤层倾角增大,动力响应强度增强,应适当减小急倾斜和倾斜煤层揭煤深度,可适当增大缓倾斜煤层揭煤深度。

基于面波的巷道揭煤超前探测试验研究

为实现对揭煤巷道前方煤层界面的探测,研究面波在巷道中的速度变化,以潘二煤矿为例,利用面波具有能量强,S波遇不连续界面反射的特点,开展了地震波超前探测的试验研究。通过分析巷道面波在巷道中的传播特征和对激发震源的要求,使用可控震源激发巷道面波、微震监测系统连续记录;利用面波在巷道中的走时,应用直达波和反射波的时间差计算巷道面波和S波速度,实现掘进工作面与煤层距离的计算。试验结果表明:地震波超前探测法可以准确探测巷道掘进工作面与煤层界面的距离,与钻探距离相比,测量误差不超过0.5 m,可为石门揭煤前地质构造探测提供一种新途径。

石门揭煤发生突出的危险性研究

应用初始释放瓦斯膨胀能指标法和综合指标法,对石门揭煤的突出进行了危险性分析。经计算证明,与常用的预测方法相比,该方法跳出了只依靠单一指标进行预测的圈子,而是将影响突出的多个因素综合考虑,提高了预测的准确性。研究结果表明,马家沟煤矿10水平在石门揭煤条件下具有发生煤与瓦斯突出的危险性。

石门揭煤高角度断层围岩注浆加固理论研究与应用

石门揭煤时,断层的存在会增大发生灾害的危险性,尤其是高角度断层对煤层和瓦斯赋存特征影响较大。做好石门揭煤过程中高角度断层加固工作可以有效防范灾害的发生。从理论上分析了注浆加固对高角度断层围岩力学性能的影响,视浆液为宾汉流体,基于平板渗流模型,考虑浆液自重,建立了高角度断层内浆射流模型,推导出浆液的扩散半径表达式。将该理论应用于鹤煤八矿-655 m水平轨道石门揭煤点处30F4高角度断层注浆加固。结果表明,通过注浆加固提高了断层围岩的整体性和稳定性,有效预防了断层可能引发的灾害事故,实现了石门安全揭煤。

强突松软近距离煤层群石门揭煤防突技术研究

为了研究强突松软近距离煤层群石门揭煤防突技术,安全、顺利地揭煤,基于海孜矿Ⅱ32主运石门地质条件和瓦斯赋存状况,对近距离煤层群9+8煤层实施密集预抽钻孔抽采瓦斯与低压水力冲孔卸压增透相结合的措施,防治煤与瓦斯突出。结果表明:低压水力冲孔冲煤率达到4.5%;冲孔后瓦斯抽采流量为未冲孔的10倍以上;整体瓦斯抽采率达到71.7%,比以前提高了约1.6倍,卸压增透效果明显。预抽钻孔抽采后,9煤、8煤的残余瓦斯压力,分别为0.3MPa、0.22MPa,残余瓦斯含量分别为5.23m3/t、5.13m3/t,防突效果显著,可安全、顺利地揭开9+8煤层。

公路煤系地层隧道揭煤全岩断面爆破掏槽优化研究

全岩断面爆破掏槽好坏直接决定公路煤系地层隧道揭煤全岩断面爆破效果。通过理论分析确定了公路煤系地层隧道揭煤全岩断面掏槽形式为二阶二段掏槽,并分析了其爆破成腔力学机理。以某高速公路隧道为研究对象,基于理论计算,给出了煤系地层隧道揭煤全岩断面二阶二段掏槽技术参数。采用数值分析方法,建立了公路煤系地层隧道揭煤全岩断面二阶二段掏槽计算模型,对不同掏槽参数的掏槽效率和爆破振动效应进行了分析,得到了揭煤全岩断面最优掏槽参数为:中心孔装药直径32 mm,一阶孔垂深1.2 m,一阶孔倾角70°,二阶孔垂深2.4 m和二阶孔倾角75°。在其他掏槽参数不变的情况下,进行了一阶掏槽孔参数的现场爆破试验与测试,其结果为:一阶孔装药直径由32 mm增大到35 mm时,槽腔岩石破碎程度增大不明显,约为3.5%,但爆破振动速度增大显著,约为27.5%,不利于振动控制;一阶孔深度为由1.2 m增大到1.4 m时,爆破槽腔体积减小,约为12.5%,不利于槽腔形成;一阶掏槽孔倾角由70°增至75°后,掏槽效率降低,约为8.2%,不利于掏槽。现场爆破试验结果与理论研究结论一致。研究结果为该隧道全岩断面掏槽爆破设计提供了重要依据。

瓦斯喷孔过程声发射响应规律研究

为预防石门揭煤过程中可能诱发的突出危险,基于声发射监测系统,对某矿石门揭煤过程中瓦斯喷孔时的声发射活动进行了测试和分析。分析研究结果表明,声发射强度通常在喷孔发生前2～3h迅速升高,峰值强度可达到无突出危险时的2～3倍,在喷孔发生前又突降至较低水平;喷孔越严重,声发射强度值越高;声发射强度变化的幅度能够反映喷孔严重性,喷孔动力现象越明显,瓦斯体积分数变化越剧烈,煤岩体声发射强度增长率越大且峰值强度越高。该分析研究结果对石门揭煤中突出危险性的监测预报有重要的参考意义。

高压水射流割缝揭穿煤层关键参数研究

针对高瓦斯低透气性煤层石门揭煤过程中瓦斯抽采难的现状,提出了高压水射流割缝提高煤层透气性方法。在理论分析射流轴向速度的分布规律基础上,得出射流冲击力与煤体力学性质耦合作用关系;通过分析煤体颗粒运动、受力状态,得出钻孔倾角、水量与煤体颗粒流速之间的关系;基于连续损伤力学分析出煤体产生损伤破坏的临界值,确定了高压水射流割缝煤体有效半径;并将该技术在平顶山某矿-380mS4石门进行现场试验,试验结果表明钻进工程量减少了38.2%,瓦斯预抽率提高了2.86倍,预抽时间缩短了57.1%,预抽面积增加了2.05倍。

浅谈复杂地质条件下的石门揭煤技术

煤与瓦斯突出极易在石门揭煤过程中发生,突出事故一旦发生,将摧毁巷道设施、通风系统,使矿井内充满瓦斯与煤粉,造成瓦斯窒息,威胁作业人员人身安全。当地质条件较复杂、矿井技术水平不高的小型矿井,在石门揭煤时应施工超前探孔、排放孔、揭煤前后加强支护的技术措施,从而保证石门的安全揭煤。该揭煤技术现场技术人员易掌握,施工方便、揭煤成本较低。

基于圆内接多边形的优化揭煤钻孔布置方式研究

为了解决煤矿瓦斯抽采过程中,利用"三花眼"布孔方式缩短抽采钻孔间距,有效消除了瓦斯空白带,同时带来的钻孔数量增加和部分区域重复抽采问题。通过理论计算,提出了圆内接多边形的设计方案,并优选出了最佳实施方案。同时结合石门揭煤实例进行优化,结果表明,利用圆内接六边形进行钻孔优化布置(即当有效抽采半径为R时,沿煤层走向施工抽采钻孔间距为31/2R,沿煤层倾向施工抽采钻孔间距为1.5R),比传统设计防突钻孔的工程量减少了3792m,降低率为23%,具有重要的理论意义和实用价值。

深水平强突出煤层石门揭煤技术的探讨

采用水力压冲技术,在区域防突措施钻孔施工前先对原始煤体进行水力掏穴,冲出大量煤体和瓦斯,对原始煤体进行卸压增透,以增加煤层的透气性系数,再对卸压后的煤体施工区域防突措施钻孔。将此技术应用在新庄孜煤矿-812 m南边界石门揭B11b煤层中,使得B11b煤层原始瓦斯压力由2.8 MPa降到1.2 MPa,原始瓦斯含量由12.31 m^3/t降到8.5 m^3/t,煤层透气性系数由原来的0.004 83 m^2/(MPa^2·d)增加到0.683 1 m^2/(MPa2·d),水力压冲共计冲出煤粉量285 t,区域措施钻孔瓦斯抽采浓度达35%,瓦斯抽采总量135 316.8 m^3,抽采率63.9%,既缩短了揭煤工期,又保证了揭煤施工过程中的安全。

基于面积法优化缓倾斜煤层揭煤钻孔布置方式

为解决缓倾斜煤层石门揭煤过程中钻孔施工工程量大、抽采周期长、抽采效果不佳等问题,在对比分析前人提出的钻孔优化理念基础上,提出面积法优化缓倾斜煤层揭煤钻孔布置方式,并利用层次分析法,分别从安全可靠性、施工工程量、钻孔均匀性、工程投资、建设工期等5个指标对3种方案进行考察,优选出最佳揭煤实施方案。同时,通过COMSOL软件模拟面积法钻孔布置方案的可靠性。研究结果表明:利用面积法设计钻孔进行缓倾斜煤层揭煤设计是最佳区域防突方案,量化得分0.344,优于其他2种区域防突方案量化结果,且数值模拟得出煤层瓦斯压力抽采至0.74 MPa以下所需要的时间为67~85 d。该钻孔布置方式可为缓倾斜煤层石门揭煤提供理论指导。

微生物瓦斯消溶剂在石门揭煤中的研究与应用

瓦斯是威胁煤矿安全生产的主要因素,瓦斯消溶剂是利用甲烷氧化菌将瓦斯分解或转化为其他无害物质,消除或减少煤层中的瓦斯,降低瓦斯压力和瓦斯含量,从而达到消除煤与瓦斯突出危险性的目的。通过在寺家庄矿石门揭煤3次工程试验得知,经过24 h后,平均瓦斯含量分别下降3.64,2.24,3.81 m3/t。瓦斯消融微生物在分解甲烷的同时,能促进吸附在煤体中的甲烷快速解吸。通过与常规掘进方式比较,在注入瓦斯消溶剂试后进行掘进作业,施工钻孔数减少约92%,总的掘进工作天数减少59 d,揭煤效率提高3.1倍。瓦斯消溶剂是治理瓦斯的一种有效、环保的技术方法,对防治煤与瓦斯突出,促进高效安全生产具有重要现实意义。