底抽巷工作面煤层水力割缝增透技术应用

针对大平煤业3号煤层透气性低的特点,采用水力割缝技术进行试验。通过连续观测瓦斯抽采浓度、抽采流量和抽采纯量等参数变化情况,对间隔割缝和全部割缝两种方式的实施效果进行对比分析。结果表明,间隔割缝效果优于全部割缝效果,可为矿井制定合理的水力割缝参数提供数据基础。

周向超前割缝辅助碟形滚刀楔裂破岩性能

碟盘滚刀基于底切破岩模式而具有较好的硬岩破碎性能,为进一步提高煤矿井下硬岩巷道机械化掘进效率,以碟盘滚刀为对象,探究了周向超前割缝预裂岩石辅助碟盘滚刀楔裂破岩性能。通过碟形滚刀楔裂破岩实验,明确了碟形滚刀楔裂破岩机理,揭示了周向超前割缝对岩石断裂特性的影响机制,并以滚刀载荷、岩石破碎体积和破岩比能耗为指标综合评价了切削参数和割缝参数对滚刀破岩性能的影响,采用正交试验得到了各因素对破岩性能的影响显著性及滚刀最优破岩性能时对应的参数匹配关系。结果表明:根据滚刀载荷波动和岩石断裂造成的声发射振铃变化特征可将碟形滚刀楔裂破岩过程划分为3个阶段,即压密阶段、应力积聚阶段和崩落阶段;相同切削厚度条件下,与无割缝条件相比,割缝深度和割缝宽度分别为16 mm和3 mm时碟形滚刀破岩载荷和滚刀应力分别降低40%和20%。基于三因素四水平正交试验得到的破岩性能最优条件下切削厚度、割缝深度和割缝宽度的匹配关系为30、16和3 mm,其中切削厚度对碟形滚刀破岩性能的影响最为显著,割缝深度次之,割缝宽度的影响程度最小。滚刀破岩载荷和岩石破碎体积均与切削厚度呈正相关关系,破岩比能随着切削厚度的增加先减小后增大,在30 mm切削厚度下得到最小值;各指标随着割缝深度的增加均呈现出先减小后增大的变化规律,最佳割缝深度为16 mm;当割缝宽度超过3 mm时,各指标受缝宽的影响不显著。周向超前割缝预裂岩石对提高碟形滚刀楔裂破岩性能具有较好提升效果,同时益于改善碟形滚刀受载条件、延长刀具服役寿命,进而为碟形滚刀掘进装备的设计提供一定的指导和参考。

网格化磨料射流割缝辅助截齿破岩试验研究

针对煤矿岩巷掘进过程中截齿破岩能力不足、效率低、磨损快等问题,提出了网格化磨料射流割缝辅助截齿破岩方法,并进行了正交化物理模拟试验,研究了工况参数对破岩效果的影响。结果表明:(1)磨料射流对岩石预制割缝,能够显著提高截齿单位时间的破岩体积,且试验中网格尺寸和割缝深度取值越大,破岩效率越高。(2)当射流割缝辅助破岩时,截齿等效应力峰值和均值均显著降低,有效减少截齿磨损。(3)网格化磨料射流辅助截齿破岩参数的优选工况组合为:横向和纵向网格尺寸分别为44、30 mm,喷嘴进给速度为600 mm/min。研究成果为网格化磨料射流辅助机械截齿破岩技术推广应用提供了理论基础与数据支撑。

瓦斯抽采钻孔割缝注浆堵漏防渗效果实验研究

为解决瓦斯抽采钻孔密封质量不佳问题,通过工业CT扫描观察钻孔内部封孔效果,划分钻孔漏气形式,建立钻孔漏气模型,并提出割缝注浆新型封孔方法。通过对不同割缝数量注浆试样的渗透率及单轴抗压强度研究,确定了最佳割缝数量。实验结果表明:随着割缝数量的增加,注浆后试样的渗透率在缓慢减小,而抗压强度呈下降趋势;综合考虑,合理割缝数量为2条。采用新型割缝注浆封孔方法,有效地提高了瓦斯抽采钻孔封孔段的良好密封性,提高煤矿井下瓦斯抽采效率,保障煤矿安全高效生产。

割缝筛管缝宽优化数值模拟

对于割缝筛管缝宽的选择,大多数是基于经验公式,对防砂效果会产生较大的影响。利用CFD-DEM耦合方法研究不同因素对割缝筛管防砂性能的影响规律,结合正交试验确定各因素影响筛管性能指标的主次顺序,建立筛管防砂性能的回归方程模型,得到割缝筛管缝宽最优选择方式。结果表明:流通性能与挡砂性能最主要的影响因素为缝宽尺寸,抗堵塞性能主要受到流体黏度的影响;使用缝宽优化模型得到的最优解在整体防砂性能上优于经验公式的缝宽尺寸。研究结果可为特定储层条件下油气井防砂性能的预测与防砂介质的精度优化提供参考和借鉴。

临空巷道煤柱割缝爆破切顶联合卸压技术研究

坚硬顶板下临空巷道存在着高应力集中、大变形、难支护等问题,以葫芦素煤矿21105工作面为工程背景,分析了坚硬顶板下工作面回采期间上覆顶板破断规律,研究了临空巷道围岩变形机理,提出了临空巷道“顶板爆破+煤柱割缝”联合卸压巷道变形控制方法,采用FLAC3D软件模拟了卸压前后临空巷道围岩应力分布规律。在葫芦素煤矿21105工作面回风巷采取“顶板爆破+煤柱割缝”联合卸压措施后,临空煤柱深基点应力峰值降低36.1%,浅基点应力峰值降低19.1%,试验区域微震日均能量降低67.0%,日均微震总能量降低35.7%,采取卸压措施后临空巷道顶底板移近量减小60.1%,两帮移近量减小41.6%,巷道变形得到有效控制。试验结果表明临空巷道“顶板爆破+煤柱割缝”联合卸压技术可有效降低煤柱应力,减少巷道变形,为坚硬顶板下临空巷道变形控制提供了一种新的治理手段。

水力割缝对不同厚度“三软”煤层巷道围岩扰动影响研究

赵家寨煤矿开采煤层在水力割缝过程中受到较大扰动,围岩强度降低,导致煤厚较大且分布不均的“三软”煤层巷道更加难以控制。基于14205工作面岩石力学参数,理论分析确定水力割缝合理参数,借助COMSOL Multiphysics构建不同煤厚条件下水力割缝模型,数值模拟得到了水力割缝对煤层应力、位移影响规律。结果表明:顶煤厚度对于受水力割缝扰动后巷道顶板稳定性有着重要影响,应力特征的主要影响因素为割缝的形态、位置,煤层越厚其变形量越小,水力割缝对煤体的损伤范围主要与割缝位置相关,巷道受扰动范围为两帮各5 m,托顶煤为2 m厚时,顶部煤体受破坏程度最大,巷道稳定性最差,当托顶煤厚度超过4 m时巷道稳定性得到良好改善,在煤体损伤范围内巷道顶部变形量最大,需要加强支护力度。研究结果为不同厚度“三软”煤层水力割缝扰动下巷道围岩稳定性分析提供基础。

松软煤层水力割缝缝槽形态控制技术研究及应用

为解决松软煤层(f>0.2)超高压水力割缝期间缝槽发育难控制、易垮孔等问题,通过理论分析手段,分析了割缝缝槽周围煤体应力分布规律,获得了割缝缝槽周围煤体塑性区分布影响因素。研究了高压水射流破煤规律,得到了影响割缝缝槽形态的主要因素为割缝压力、喷嘴直径及煤体自身硬度。提出了基于松软煤层特点的超高压水力割缝缝槽形态控制技术,获得了控制松软煤层缝槽深度、宽度以及发育速度的关键参数为割缝压力、喷嘴直径及压力调节速度。通过现场应用表明,针对松软煤层其缝槽形态控制合理参数为:割缝喷嘴直径2.5~3.0 mm,割缝压力70 MPa,割缝调压间隔3~5 min。验证了松软煤层水力割缝缝槽形态控制技术适用性,可效提高松软煤层水力割缝施工成功率及安全性。

基于水力割缝增透技术提高煤层瓦斯抽放效率研究———以保安煤业为例

煤层瓦斯是一种宝贵的能源,但如果不加以控制,将成为煤矿开采中的一大灾害。井下煤层瓦斯抽采是降低瓦斯灾害风险最有效的方法之一,然而许多低透气性煤层,尤其是受构造作用严重破碎甚至粉化的构造煤层,瓦斯抽采难度较大。提高单一煤层瓦斯抽采效率的常规技术较多,但对于下部为软黏土构造煤亚层的特厚煤层,常规技术无法奏效。为加强对这类煤层的瓦斯抽采,提出了水力割缝瓦斯抽采技术,通过数值模拟分析了水力割缝后煤体的应力演化、塑性损伤、渗透率变化及瓦斯抽采情况。结果表明,采用水力割缝瓦斯抽采技术后,构造煤亚层中的大孔扩大了卸压增透范围,瓦斯抽采效率显著提高。

基于ZGF-100(A)型超高压水力割缝成套装备的煤层卸压增透效果考察试验

为了解决矿井深部区域高瓦斯难抽煤层抽采工作量大、抽采效果差的问题,提出了采用超高压水力割缝技术强化煤层瓦斯抽采。该技术可充分改变煤体结构,增加透气性,改善抽采效果。基于ZGF-100(A)型超高压水力割缝成套装备,以小宝鼎煤矿12393-2工作面作为试验区,开展了顺层钻孔水力割缝抽采效果考察试验。结果表明:在采用合理的水力割缝技术参数下,割缝组相较于普通组瓦斯抽采浓度提高约1.02倍,抽采纯量提高约2.36倍,抽采达标时间缩短约54.2%,抽采效果显著。

双排水力割缝钻孔参数优化研究与应用

为了实现工作面快速消突,提出布置双排瓦斯抽采钻孔,并实施水力割缝。通过数值模拟,研究不同割缝深度、孔间距、布孔方式对抽采效果的影响。结果表明:单孔有效抽采半径随割缝深度的增加而增加,但增速逐渐放缓,根据数据拟合结果,确定割缝深度为1.5 m;双孔抽采时,钻孔间距越小,瓦斯压力越低,最终确定钻孔间距为7 m;正方形布孔和菱形布孔均可以实现消突目的,正方形布孔覆盖面积大,选择该方式。现场试验表明,水力割缝正方形双排钻孔抽采效果良好,可以达到消突的目的。

高压水射流割缝钻头的研制与增透效果工程验证

为提高水力割缝增加煤层透气性的工作效率,设计研发了高压水射流割缝钻头。采用数值模拟探究了淹没条件与非淹没条件下的叶轮喷嘴导向角度与射流流场扩散角的演化关系以及喷头在旋转与非旋转条件下的射流流速分布特征,最终采用气体示踪法对新型钻头的割缝效果进行检验。结果表明:叶轮导向角大于45°后,非淹没射流扩散角的增大速率更快,表现出了明显的紊流特征。综合能量损失率、射流扩散角的影响,最终选取45°的叶轮导向角作为设计角度。喷头的旋转对于轴向与切向的射流速度具有促进作用,尤其对于切向射流速度提升效果更强,在钻头侧面安装多喷头相比于在钻头前方安装喷头可有效提升扩孔效率。瓦斯抽采影响半径达到4.5 m与9 m的时间与普通割缝钻头相比分别加快了6 d与17 d.

车集煤矿超高压水力割缝技术应用钻孔卸压增透技术效果评估

本论文深入研究了车集煤矿中超高压水力割缝技术与钻孔卸压增透技术的应用。通过探讨超高压水力割缝技术和钻孔卸压增透技术的基本原理,以及在车集煤矿开采中的具体应用,全面评估了它们对提高采矿效率和降低成本的效果。本研究建立了评估指标体系,通过实际案例深入分析技术应用效果,并展望了未来技术改进和发展趋势。这一研究为煤矿工程领域提供了有力的科学支持,有望在实践中推动超高压水力割缝技术与钻孔卸压增透技术的更广泛应用。

叠加效应下多孔水力割缝联合抽采参数优化研究

针对低透高瓦斯煤层在水力割缝过程中存在割缝扰动范围不清、割缝钻孔最佳布孔间距不明确的问题,以贵州豫能高山煤矿1908工作面为研究背景,在建立水力割缝煤体瓦斯抽采流固耦合模型的基础上,借助COMSOL数值模拟软件对高山煤矿1908工作面水力割缝钻孔有效抽采半径、孔周瓦斯压力变化情况进行了研究,并依据模拟结果深入分析了水力割缝钻孔在多孔布置时,受孔间抽采叠加效应影响下有效抽采范围及孔间瓦斯压力变化情况,最终得出其最佳布孔间距及抽采时间。结果表明:(1)水力割缝钻孔单孔抽采效果随割缝深度显著提升,但钻孔有效抽采半径增速变缓,为得到最佳割缝深度,对各钻孔有效抽采半径进行三项式拟合,随着水力割缝深度的增加,有效抽采半径范围在快速增加后放缓且最终趋于平稳,并得出了高山煤矿最佳割缝深度为1.5 m,有效抽采半径达为3.1 m。(2)在相同抽采时间下,煤体内瓦斯压力随两孔距的缩短而降低,说明孔间距越小,孔间受水力割缝所造成的扰动越剧烈,抽采叠加效应影响越显著。(3)在保证消突达标的前提下,选择孔距为7 m进行水力割缝钻孔布置效果最佳。(4)原本在“正方形”布孔方式中,孔心位置可能出现抽采盲区的点最大瓦斯压力仅为0.67 MPa,小于临界值,“正方形”布孔较“正三角”布孔的有效覆盖面积更大且减少了抽采重复区域,从而减少了钻孔施工量,提高了瓦斯治理效率。(5)通过现场试验得出在60 d抽采周期内,水力割缝钻孔布置采用孔距为7 m的“正方形”布孔可有效提高瓦斯抽采浓度及抽采纯量,并达到了延长高效抽采周期的效果,且可消除孔间煤体瓦斯抽采空白带,实现孔间区域煤体消突达标。

碎软煤层超高压水力割缝增渗技术及应用

为了解决矿井高构造应力区域瓦斯抽采效果差、钻孔垮孔严重、瓦斯抽采浓度低等问题,以赵家寨煤矿14201工作面为研究对象,在预抽煤层瓦斯时采用水力割缝增渗技术,分析了该技术的增透原理,并在14201工作面回风巷进行了对比试验。结果表明:水力割缝增渗技术明显比未割缝抽采技术的渗透性好,增渗区域瓦斯含量明显降低,提高了瓦斯抽采浓度和抽采效果。采用水力割缝工艺后,瓦斯抽采日纯量平均为130 m^(3)/min,是未割缝区域钻孔的瓦斯抽采纯量51.42 m^(3)/min的2.5倍,同时割缝抽采28 d后,瓦斯含量由8.91 m^(3)/t降低到5.74 m^(3)/t,达到了突出煤层消突的目的。

煤岩体高压磨料水力割缝基本规律的试验研究

采用定向水力致裂技术控制坚硬顶板的效果随水力割缝预割缝槽长度的增加而增强,为进一步研究添加磨料后的水力割缝效果,采用高压磨料水力割缝试验系统,对煤岩体磨料水力割缝基本规律进行了试验研究,分析了泵注压力、割缝时间、磨料浓度和岩性变化对磨料水力割缝效果的影响规律。试验结果表明:割缝深度随泵注压力基本呈线性增加;随着割缝时间延长,割缝深度不断增大,但超过有效割缝时间T后,割缝深度不再变化;特定割缝参数条件下,磨料浓度越接近3.4%时,割缝深度越接近极限深度;同一材料不同影响因素下割缝宽度基本无变化;割缝效果(割缝深度、宽度)随岩石强度、结构致密性的增大而变弱。研究结果可为优化现场磨料水力割缝施工参数设计提供参考。

深部冲击地压煤层水射流割缝卸压参数优化研究

为确定深部冲击地压煤层高压水射流割缝卸压最优参数,采用数值模拟、理论推导剖析了高压水射流割缝卸压防冲原理,构建了钻孔间距、割缝半径等4个因素的参数优化理论模型,以某矿730采区集中巷为研究对象,基于动静载叠加原理,研究揭示了集中巷冲击地压机理,获得了各影响因素的理论参数值,并揭示了不同理论参数下应力、塑性区及冲击危险指数的异同。研究结果表明:各影响因素对高压水射流割缝卸压效果均有较大影响,且各因素之间存在显著的交互作用;采用卸压后平均垂直应力、弹性能密度、冲击危险指数及卸压成本为卸压参数的有效性及经济性指标,评估了不同参数卸压效果的优劣,获得该煤层物理力学性质下高压水射流割缝卸压最优参数;研究成果在730采区#3联络巷应用后,现场微震频次、总能量及微震空间集中度均大幅降低,为工作面安全回采提供了技术保障。

非穿透间隔割缝易碎盖结构设计及分析

发射箱盖需要满足轻质、结构紧凑等要求。为了满足性能需求,在易碎盖结构方面提出了新的设计方案,即非穿透间隔割缝复合材料易碎盖。针对承压与冲破两种工况展开了试验,分别建立了承压和冲破渐进损伤有限元模型,分析了结构参数对新结构易碎盖力学性能的影响,并探讨易碎盖冲破的损伤失效机理。结果表明,本文建立的有限元模型可有效预测承压工况下盖体的最大变形和冲破工况下盖体的冲破压力;盖体厚度的增大会导致易碎盖承压工况下最大变形减小和冲破工况下冲破压力的增大;而割缝宽度的增大,对承压工况下盖体最大变形的影响较小,但在冲破工况下易碎盖薄弱区会更早进入损伤失效阶段,对其冲破性能产生负面影响。

含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采技术研究及应用

为研究水力割缝强化瓦斯抽采技术在含夹矸煤层中的应用,通过理论分析得出,与普通钻孔相比,水力割缝钻孔可通过增加煤层渗透率、煤体暴露面积、瓦斯流动通道3个方面强化瓦斯抽采,并建立了考虑孔隙率和渗透率变化的煤层瓦斯流动控制方程。以东庞矿21218工作面为工程背景,采用COMSOL数值模拟软件建立了含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采数值模型,通过对煤层瓦斯流动控制方程进行解算,研究了不同割缝高度、不同钻孔间距条件下,水力割缝瓦斯抽采钻孔的瓦斯压力分布规律,从而确定了上煤层割缝0.3 m、下煤层割缝0.1 m、钻孔间距7.5 m的水力割缝瓦斯抽采钻孔施工参数。基于上述参数,在东庞矿21218工作面现场施工28组、每组7个水力割缝钻孔,对含夹矸煤层瓦斯进行抽采作业,结果表明:与普通钻孔相比,水力割缝钻孔的每百米巷道施工工程量减少了28.51%,瓦斯抽采纯量由11.53万m^(3)提升至21.43万m^(3),增幅为85.86%,巷道掘进期间掘进工作面平均瓦斯体积分数由0.06%降至0.01%,瓦斯抽采效果好,且有效提高了瓦斯抽采效率。

弯曲套损井整形修复中的打孔割缝应力释放研究

随着油田开发时间的延长,套管变形及损坏现象越来越严重,这不仅影响油水井的正常生产,严重时会导致油水井报废。在对弯曲套损井的整形治理中,由于地层应力没有得到释放,存在回弹现象,治理成功率较低。以弯曲套管管段为研究对象,在整形治理前对弯曲套损井采用打孔、割缝方式进行应力释放的仿真计算。对6 mm、8 mm和10 mm等不同孔径、不同孔数(3、6、9、12和15)的打孔模型及不同缝宽(6 mm、8 mm和10 mm)、不同缝数(1、2、3和4)的割缝模型进行屈服破坏仿真计算,获得使打孔或者割缝模型屈服所需的最大外载荷,以表征不同打孔和割缝方式的应力释放效果。通过研究计算,获得不同打孔和割缝方式对结构屈服强度的影响规律,明确打孔和割缝方式对结构的应力释放效果,为整形修复提供理论依据。