煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面:①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段,密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa,煤心直径达到38 mm;②针对不同煤层地质条件,发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶(底)板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术;③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中,顺层定向长钻孔取样深度达到516 m,密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中,穿层钻孔密闭取样深度达到209 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍;在安徽淮北矿区碎软煤层中,顶(底)板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍,密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法;④在瓦斯含量测试方面,除了传统解吸法测试,发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备,可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量,一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展,并能实现随钻密闭取样。在测试上,应根据实际情况确定合理的解吸终止限,并将测试装备和密闭取样装备进一步结合,以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段,是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

软硬复合煤层厚度比对卸荷破坏的控制作用

在煤炭开采和煤层气抽采相关工程中,软硬复合煤层的卸荷破坏问题是围岩支护和煤层增透改造所面临的共性问题。为了探求复合煤层卸荷过程中的力学特性及破坏过程中的能量演化规律,基于能量耗散方程及煤岩损伤模型,采用PFC数值模拟和室内试验相结合的方法,研究了新田煤矿4^(#)煤层复合煤层在不同软分层厚度比下的煤体变形破坏方式、力学特性及能量耗散和声发射规律,最终得到新田煤矿4^(#)软硬复合煤层厚度比对卸荷破坏控制规律;并在现场利用水力冲孔加以验证。结果表明:在三轴压缩下,不同厚度比对复合煤体变形破坏方式的作用表现在主裂纹的转移、剪切拉伸裂纹数量变化、剪切面卸荷破裂带变化上;复合煤体的应力-应变曲线以厚度比0.45(软分层厚度/复合煤层厚度)为分界点,产生“阶梯式”的平缓与剧烈变化,并与围压大小相关联;复合煤体卸荷破坏的本质是颗粒间黏结键的断裂,厚度比对耗散能的大小以及煤体颗粒间黏结键的断裂产生积极作用;且现场水力冲孔的结果与模拟结论呼应。

基于RFPA-3D的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟

水力压裂裂缝的几何形态是评价压裂效果的主要因素,煤层受割理、层理和天然裂隙的影响,非均质性较强,对于垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力共同影响下的煤层水力压裂缝扩展规律还未形成系统认识。利用RFPA-3D数值模拟软件,研究非均匀分布的硬煤层和软煤层,在垂向主应力不变,不同水平主应力差下水力压裂三维裂纹的扩展过程和延伸规律,研究发现硬煤层水平主应力差接近时,水力压裂缝在煤层中延伸没有优势方位,形成网状缝;水平主应力差较大时,水力压裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展,其他分支裂缝初始阶段沿着最小水平主应力方向延伸,随后逐渐向最大水平主应力方向靠拢。软煤层水力压裂初始阶段,注入段附近煤层以井筒为中心向四周挤压,煤层被挤压形成一个“大肚子”区域,待煤层挤压到一定程度,煤层开始起裂、裂缝扩展;水平主应力差接近时,注入段煤层压实后,起裂形成网状缝;水平主应力差较大时,注入段煤层压实后,压裂缝沿最大水平主应力方向以及与最大水平主应力方向成45°夹角方向产生两条优势裂缝。研究成果在安徽芦岭井田Y-01煤层气水平井组进行应用,日产气突破10000 m^(3)。

倾斜软硬交互岩层双基本顶切顶留巷围岩控制技术研究

对倾斜软硬交互岩层双基本顶切顶留巷围岩控制难题,阐明了该地质条件下采空侧-顶板-实体煤帮综合护巷机理,针对性地提出了采空区侧“U型钢插顶插底+高强锚索补强+金属网挡矸护帮”、留巷顶板“槽钢桁架锚索+切顶锚索+单体柱撑顶”、实体煤帮“槽钢桁架锚索强力锚固”的综合控制技术;提出了布孔形式、布孔间距及角度、布孔深度、装药参数及封泥长度等爆破切顶参数。现场结果表明:9.5 m深度的切顶孔利于倾斜软硬交互岩层切顶留巷围岩控制,切缝侧顶板与实体煤帮稳定后的最终变形量约为192 mm与119 mm,保证了下工作面安全回采。

官地矿软煤和硬煤瓦斯解吸规律试验研究

文章通过在官地矿借助高压注水模设备,研究软煤和硬煤在外加水分含量和吸附平衡压力不同时的瓦斯解吸相关参数的变化规律。试验结果发现:外加水分阻碍软煤和硬煤的瓦斯解吸,对于软煤,外加水分具有更强的阻碍软煤的瓦斯解吸能力;在外界条件一致时,软煤的瓦斯解吸速度一直比硬煤高;在控制吸附平衡压力恒定条件时,持续增大外加水分含量,软煤和硬煤的瓦斯扩散系数均呈现出减小趋势。

中厚煤层“两软一硬”回采巷道支护优化

针对渝阳煤矿N2810工作面回采巷道工字钢架棚支护方式效果差的问题,根据其"两软一硬"(底板及煤层松软)的特定地质条件对支护方案进行优化设计,最终确定支护方案为锚网带索梁耦合支护。矿压监测结果表明:试验段内顶底板相对移近量较架棚段减少了358 mm;两帮相对移近量较架棚段减少了118 mm;试验段内浅基点的最大离层量较架棚段减少了26 mm,深基点的最大离层量较架棚段减少了14 mm。试验效果充分说明了锚网带索梁耦合支护方案应用于中厚煤层"两软一硬"特定地质条件的可行性和优越性。

大倾角硬顶软底软煤走向长壁综放开采集成技术

针对硬顶软底软煤大倾角煤层埋藏条件复杂、开采难度大的条件,通过工作面"三机"配套、超前预爆破、回采工艺、巷道优化布置、矿山压力监测、工作面安全管理保障技术集成体系的应用,解决了该类煤层走向长壁综放开采难题,取得了良好经济社会效益。

坚硬顶板松软薄煤层刨煤机开采可刨性研究

依据目前国内外刨煤机开采实践,提出了煤层可刨性综合指标计算方法,将薄煤层可刨性划分为5类,即极易刨、易刨、一般、难刨和极难刨.根据曹窑煤矿坚硬顶板松软薄煤层地质条件和矿压显现规律,计算出薄煤层可刨性综合指标值,表明该薄煤层的可刨性属于一般类型.最后优化出了薄煤层刨煤机开采设备配套方案,为曹窑煤矿进行刨煤机开采提供了理论基础.

“三软”不稳定厚煤层复采工作面矿压显现特征研究

为提高资源回收率,在豫西"三软"煤层矿区,进行煤层复采,回收残留煤炭。通过矿压观测与分析,获得了复采区工作面支柱工作阻力大于原始煤层区;工作面来压较明显;复采区工作面来压步距较短;复采工作面压力分布不均匀等矿压显现的重要特征,为复采采场支护和工艺技术研究提供了基础资料。

大倾角三软不稳定煤层综放面推进缓慢原因与解决对策

长山子煤矿1125综放工作面回采大倾角三软松散不稳定煤层,顶板围岩破碎且伴有淋水。工作面自初采以来4个月推进速度极其缓慢(机巷与风巷分别累计推进仅20 m和38.3 m),其主要原因是顶板淋水、煤层夹矸、支架倾倒以及综采队经验不足等。提出了解决1125工作面推进缓慢的对策。

义马煤田冲击地压原因分析与防治对策

为得到义马煤田矿井发生冲击地压的原因,并制定冲击地压防治措施,对该煤田'两硬一软'的煤层地质结构、采深、巨厚坚硬砾岩顶板、构造应力等地质因素导致矿井冲击地压进行了研究,并指出了义马向斜的轴核部煤层埋深达600~1 200 m、上覆岩层厚、地应力集中是发生冲击地压的主要原因;提出了加强巷道支护并在其两侧进行深孔注水和卸压爆破,使围岩形成'两强一弱'的支护结构、避免工作面走向与构造主应力方向垂直等防治冲击地压的对策措施。结果表明:义马煤田冲击地压属于重力-构造类型;采取针对性的综合措施后,冲击地压发生的频次减少,冲击程度降低。

软、硬煤层残余瓦斯含量区域效果检验临界值研究

针对软、硬煤层瓦斯含量区域突出危险性效检指标临界值存在较大差异这一工程实际。建立软、硬煤样相关参数关系模型,对基于残余瓦斯含量的区域防突措施效果检验指标临界值进行研究。结果表明:同一煤质软煤和硬煤瓦斯吸附量差别不大,但随着煤的变质程度降低,软、硬煤瓦斯吸附量差值先减小后增大。对存在软、硬分层的煤层,建议采用0.74MPa时软、硬煤瓦斯含量测值的小值(取整)作为煤层残余瓦斯量指标的临界值。此研究因地制宜地确定符合矿井实际的突出预测指标临界值和区域措施效果检验指标临界值,对降低防突成本具有重要意义。

松软煤层坚硬顶板中水力压裂卸压增透技术研究

为了解决新安煤矿瓦斯治理难题,提高瓦斯治理水平和增强防突效果,在对该矿煤层赋存特征及煤层物理特性进行分析和研究的基础上,在井下开展了水力压裂技术措施。在14170工作面上巷顶板施工压裂钻孔以及导向钻孔来延长瓦斯抽采周期,提高瓦斯抽采浓度,增加瓦斯抽采流量。现场试验表明:该技术成功地解决了钻孔利用周期短、流量衰减速度快的难题,大幅度提高了瓦斯抽采的效果,对目标煤层进行了有效地卸压增透,有效地降低了施工区域的突出危险性。

硬顶软煤薄煤层滚筒采煤机设备配套研究

介绍了国内外薄煤层滚筒采煤机开采现状;根据我国缓倾斜采煤工作面围岩稳定性分类标准,针对曹窑煤矿薄煤层坚硬顶板和松软煤层地质条件,并依据国内类似条件下薄煤层开采成功的经验,得出曹窑煤矿薄煤层开采对滚筒采煤机配套设备的基本要求,据此研究出煤层厚度为0.8～1.4 m和1.1～1.9 m两种薄煤层条件下滚筒采煤机组的可行性配套方案。研究结论对于曹窑煤矿薄煤层实行机械化开采,提高矿井安全生产能力,延长矿井服务年限具有重要的作用。

高效辅助运输装备在煤巷掘进面的应用

三软不稳定煤层掘进面地质变化大、支护材料规格及重量不断增大,原有的辅助运输方式已制约快速掘进。在煤巷掘进面有轨区段采用无极绳连续牵引绞车运输,达到一部绞车不换绳钩的连续直达运输,在里段无轨区段采用电动单轨吊实现从料场到掘进面的机械运输,实现辅助运输安全高效,极大地减轻了职工的劳动强度。

南梁综采工作面矿压力规律

为研究南梁煤矿20203综采工作面矿压规律,通过实测工作面支架阻力、活柱下缩量、顶板移近量、顶板来压强度以及巷道变形参数等,获得了初次来步距、支架阻力的动载系数、老顶来压的强度等参数.研究结果表明:支架可以平衡顶板的压力,满足工作面开采时对支护强度的要求.总结了南梁矿浅埋煤层综采工作面的矿压显现规律,提出了提高支架初撑力等改善措施,为实现浅埋煤层综采工作面安全开采提供了可靠依据.

三软不稳定煤层一次采全高液压支架关键部件设计

针对如何实现塑里煤矿三软不稳定煤层一次采全高的安全高效开采,论述了液压支架设计和选型应注意的几个方面,使煤壁片帮、架前冒顶和支架钻底得到可靠控制。

三软不稳定厚煤层复采技术研究

国投煤炭教学三矿三软煤层炮采后,采空区留有大量残煤。分析了复采残煤的方法,确定了采用双输送机悬移支架放顶煤机采工艺复采残煤。在研究复采工作面矿山压力显现特征的基础上,评价了悬移支架适应性。针对煤层厚度变化大的特点,采用动态放煤工艺参数。煤炭复采取得了显著的技术经济效益。

“两软一硬”不稳定煤层综放工作面矿压规律研究

通过对云煤二矿综放工作面的矿压观测,探讨了"两软一硬"不稳定煤层综放工作面采场矿压显现规律,评价了其支架的适应性,为工作面顶板安全管理提供科学依据,对相似条件下放顶煤工作面的开采具有指导和借鉴意义。

外加水分对软硬煤瓦斯解吸特征影响研究

目前有关软硬煤的研究主要集中在孔隙结构对其瓦斯吸附解吸特征的影响,而对外加水分条件下软硬煤瓦斯解吸特征差异的研究较少。针对该问题,利用煤层高压注水模拟实验装置,开展了不同吸附平衡压力、外加水分含量条件下的正交实验,分析了软硬煤在不同外加水分条件下瓦斯解吸量、瓦斯解吸速度及扩散系数的差异。结果表明:随着外加水分含量的增大,软硬煤的瓦斯解吸量均减小,但软煤的瓦斯解吸量始终大于硬煤;外加水分对软硬煤瓦斯解吸均起到了抑制作用,但对软煤的瓦斯解吸抑制效应强于硬煤;不同吸附平衡压力、外加水分含量条件下,软硬煤的瓦斯解吸速度都是在初始时刻最大,随着时间的延长及外加水分含量的增加,呈现出减小趋势;在吸附平衡压力相同、外加水分含量相近的情况下,软煤瓦斯解吸速度始终大于硬煤;在吸附平衡压力相同、外加水分含量相近的情况下,软煤扩散系数大于硬煤;同一吸附平衡压力下软硬煤的瓦斯扩散系数均随着外加水分含量的增大而减小。