卸压-排放瓦斯一体化综合技术研究及应用

中平能化集团十三矿与中国矿业大学联合攻关,对高突矿区煤层巷道掘进过程中的消突技术进行了研究,采用卸压排放瓦斯一体化技术,研究高瓦斯高应力条件下煤层巷道掘进工作面防突技术,提出相应的治理技术措施,使煤层巷道掘进工作面实现快速掘进的目的。

卸压-排放瓦斯一体化综合技术研究及应用

中平能化集团十三矿与中国矿业大学联合攻关,对高突矿区煤层巷道掘进过程中的消突技术进行了研究,采用卸压排放一体化技术,研究高瓦斯高应力条件下煤层巷道掘进工作面防突技术,提出相应的治理技术措施,使煤层巷道掘进工作面实现快速掘进的目的。

高压射流钻割一体化卸压技术在石门揭煤防治煤与瓦斯突出中的应用

高压射流钻割一体化卸压技术是指在瓦斯抽采钻孔施工完成后,再利用高压射流在钻孔内割缝,破解钻孔周围产生的瓶颈效应,从而达到卸压的效果。在白龙山煤矿一井一号101采区一区段运煤斜巷C3石门揭煤防治煤与瓦斯突出过程中,使用了高压射流钻割一体化卸压技术。结果表明,瓦斯钻孔施工完成后,再在钻孔内割缝可消除应力集中,提高单孔出煤量,扩大钻孔的卸压范围;经孔内割缝操作后,煤层内残余瓦斯含量已经低于突出危险临界值,在效果检验孔施工过程中未出现异常瓦斯动力现象,消除了煤与瓦斯突出危险性,取得了明显的防突效果。

新集二矿1~#煤层开采采空区侧向卸压瓦斯排放宽度研究

为研究工作面回采后本煤层卸压范围和瓦斯自排放宽度,针对新集二矿1~#煤层瓦斯地质赋存条件,对210108工作面采空区侧向煤体的瓦斯含量、钻屑量及钻屑解析指标进行考察研究,并结合数值模拟结果,确定了工作面卸压带宽度。现场测试数据及数值模拟结果表明:1~#煤层210108工作面瓦斯卸压宽度范围为0~12 m;采空区侧向垂直应力在距离采空区0~10 m范围内为应力降低区;结合现场实际情况综合确定该面卸压宽度为10 m。

坚硬煤岩体“钻-切-压”一体化释能减冲技术研究

为解决葫芦素煤矿坚硬煤岩体的冲击地压问题,结合21103工作面冲击地压显现特征,详细分析了工作面冲击危险的全局影响因素与局部影响因素,得出了坚硬煤岩体的冲击地压发生机理。分析表明:坚硬煤层是21103工作面冲击启动的主要内部条件,坚硬顶板是21103工作面冲击启动的主要外部条件,通过降低煤岩体系统内弹性能、增大系统破坏时所消耗的能量的方式,可破坏系统内外的蓄能条件,达到释能减冲的目的。设计了坚硬顶板水力压裂、顶板深孔预裂爆破、顶板水力切缝与坚硬煤体大直径钻孔卸压、煤体卸压爆破相结合的'钻-切-压'一体化释能减冲方案,采用水力压裂作为坚硬顶板的基础卸压措施,采用煤层大直径钻孔作为坚硬煤体的基础卸压措施,煤层卸压孔直径设为150 mm,钻孔间距设为1 m,采用煤体卸压爆破作为补充卸压措施,其实施原则包括:小孔径、高钻孔密度、小炸药线密度等。实践结果表明:该技术方案能够减弱强矿震的破坏力,有效减少冲击地压事故的发生,起到'释能减冲'的效果,具有一定的推广价值。

卸围压条件下含瓦斯水合物煤体应力-应变特性试验研究

随着开采强度和能源需求的增大,煤矿开采深度逐年递增,煤与瓦斯突出等动力灾害愈加频繁,强度也越来越大。瓦斯水合固化防突技术通过中高压注水和向水中添加有利于水合物形成的促进剂的方法,使煤层中大部分瓦斯气体转变为固态水合物,从而促使煤层赋存瓦斯气体压力降低,同时水合物的生成提高了煤体强度,理论上可减弱或消除煤与瓦斯突出危险性。瓦斯水合固化后突出煤体力学性质测定是瓦斯水合固化技术应用的关键问题之一。此外,大范围煤炭开采对采掘空间煤岩体形成反复扰动,加卸载条件对含瓦斯水合物煤体力学性质影响较大。鉴于此,笔者开展常规三轴、卸围压下含瓦斯水合物煤体应力-应变特性研究,为瓦斯水合技术在煤与瓦斯突出防治的应用提供一定的理论依据。首先,采用含瓦斯水合物煤体原位生成与力学性质测定一体化装置在3种围压(12,16,20 MPa)和2种饱和度(50%,80%)下开展了含瓦斯水合物煤体常规三轴试验,根据常规三轴试验得到的峰值强度确定卸围压起始轴向应力,之后开展相同条件下含瓦斯水合物煤体卸围压试验。结果表明,相同围压下,较高含水量煤样具有较大的饱和度;卸围压条件下含瓦斯水合物煤体应力-应变曲线与常规三轴条件下具有显著差异,常规三轴条件下应力-应变曲线呈应变硬化型,而卸围压开始后应力-应变曲线会经历一个应力平台阶段;卸围压条件下含瓦斯水合物煤体能承载的最大应力较低;应力平台时间随围压和饱和度的增加近似线性增大,并且围压和饱和度越小,应力平台持续时间越短,煤体越易发生破坏;建立了饱和度和围压对应力平台持续时间耦合影响的多元线性回归方程,并对方程进行了检验,取得了较高的拟合度;卸围压条件下煤样破坏形式以剪切破坏为主、伴随劈裂破坏;随着围压增大,煤样破坏更为显著。相比于常规三轴下的含瓦斯水合物煤体,卸围压下含瓦斯水合物煤体能承载的最大应力较小,其破坏更具突然性、更易发生、破坏程度也更为剧烈。围压和饱和度越大,煤样应力平台持续时间越长,即煤岩发生破坏失稳前的时间越长,较难发生煤与瓦斯突出等动力灾害。

朱集西矿11-2煤层采空区自然卸压排放带宽度考察研究

通过对朱集西矿11-2煤层采空区侧向煤体钻屑量和残余瓦斯含量测试,分析了钻孔不同深度钻屑量、残余瓦斯含量分布规律,残余瓦斯含量下降率与距采空区距离存在V=0.8473e-0.036L的关系,研究得出了采空区自然卸压排放带宽度。经采用钻屑量及钻屑解吸指标法在沿空掘进工作面实践证明,实测的预测指标均为超过规定的临界值,验证了排放带宽度的合理性。研究成果有效地指导了该矿11-2煤层接续工作面的合理开采,提高了煤巷掘进速度,保障了矿井的安全生产。

基于有限流场的瓦斯卸压排放带宽度确定方法

为确定煤巷掘进工作面瓦斯卸压排放带宽度,分析了煤巷瓦斯在有限流场单向不稳定流动的规律,建立了瓦斯在有限流场单向不稳定流动的数学模型并求出其解析解,推导出煤巷瓦斯卸压排放带宽度的计算公式并对计算公式在现场进行应用和验证。结果表明:煤巷瓦斯卸压排放带宽度与煤层原始瓦斯压力、煤层透气性系数成正比,与煤壁初始瓦斯涌出强度、煤壁瓦斯涌出衰减性系数成反比,采用公式计算值与现场测定结果相符。

基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术及应用

针对我国高瓦斯煤层赋存特点及目前煤矿区域瓦斯治理过程中存在的问题,采用理论研究、数学建模和现场测试相结合的方式,研究了基于区域瓦斯治理的高瓦斯低透气性煤层卸压增透技术及改善瓦斯流动与解吸方式,建立了高压射流割缝卸压范围内瓦斯流动毛细管模型,并且通过对割缝主体影响区、边界影响区消突时间的对比分析,得出了割缝影响区内任一点消突的判据和割缝卸压范围内整体消突时间。最后,结合笔者多年从事瓦斯抽采的研究和科研成果,提出了基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术,开发了相应的配套设备和材料,在国内有关矿井进行了应用。应用结果表明,该技术可显著提高抽放钻孔的单孔有效影响范围,减少区域瓦斯治理需要的钻孔数量,缩短区域抽采时间,提高区域抽采效率。

钻孔造穴卸压增透一体化成套技术装备研究及应用

探讨钻孔造穴卸压增透一体化成套技术在潞安环能股份公司下属矿井的应用。实践证明,钻孔造穴卸压增透一体化成套技术极大提高了矿井生产的安全可靠性,经济效益和社会效益显著。

水力冲孔煤层瓦斯分区排放的形成机理研究

为了探究水力冲孔之后煤层中瓦斯的分布规律,基于潘三矿13-1煤层的赋存条件,介绍了水力冲孔后瓦斯压力考察的现场试验。并结合RFPA2D-Flow软件模拟水力冲孔后煤层裂隙发育的过程,研究了水力冲孔对煤层地应力和瓦斯压力分布的影响。结果表明:水力冲孔卸压增透就是在冲孔孔洞周围煤体重新构建不稳定平衡状态的过程;水力冲孔之后会在孔洞周围由近及远依次形成瓦斯充分排放区、瓦斯排放区、瓦斯压力过渡区和原始瓦斯压力区;在冲孔的卸压增透区域会经历应力升高、裂隙发育、应力快速释放和恢复平衡的过程。

钻割一体化防突设备原理与应用

煤与瓦斯突出是制约煤矿安全生产的重要因素之一。钻割一体化设备是将高压磨料射流技术与钻孔施工技术相结合的治理煤矿煤与瓦斯突出的新型装备。文章详细说明了该设备的结构组成,工作原理以及防治煤与瓦斯突出的机理;并且通过对现场的应用分析,证明了该设备对煤体增透卸压,扩大瓦斯排放有效影响范围,提高瓦斯抽放效果有着积极作用。

我国水力冲孔卸压增透技术研究进展

随着科技日新月异的变化,高瓦斯低渗透煤层提高抽采效率的有效措施之一——水力冲孔技术飞速发展,但也遇到了前所未有的挑战。本文简要回顾了水力冲孔技术的发展历程,系统介绍了钻-冲一体化、水力压裂与冲孔联合增透、水力冲孔与预裂爆破联合增透等新型技术的技术原理及现场应用情况,总结分析了该领域存在的关键问题,并对下一步研究方向进行了初步探讨。本文认为,多场耦合实验、影响半径测定、钻-冲-割一体化推广以及联合增透应是未来研究与探索的重点与难点。

冲击地压矿井水射流联合水力压裂宽煤柱卸压技术研究

针对冲击地压矿井宽煤柱会积聚大量弹性能从而容易引起地压灾害事故的问题,基于理论分析和现场试验,对葫芦素煤矿21103工作面区段煤柱进行了"钻-切-压"一体化卸压技术研究,通过布置钻孔进行射流切缝和压裂对区段煤柱弱化卸压,增大了区段煤柱内塑性区宽度,减少了弹性能量积聚,同时为减少煤柱卸压对巷道支护产生的负面影响,在21103工作面临空回风巷进行了定向水力压裂切顶,减少了侧向采空区悬露顶板向区段煤柱上的应力传递。"钻-切-压"一体化卸压技术与定向水力压裂切顶技术的联合应用,在21103工作面临空回风巷内取得了良好的实践效果,解决了区段煤柱内塑性区宽度增加同时对巷道支护不利这一矛盾。

半径卸压法石门揭开复杂构造区域突出煤层

利用石门探煤孔测定瓦斯压力来确定排放半径 。

瓦斯抽采钻孔“钻-割-封”技术研究及应用

为提高煤层透气性、改善抽采钻孔封孔质量,强化瓦斯抽采效果,消除煤层突出危险性,依据高压水射流破煤机理,提出"钻-割-封"技术,即对瓦斯抽采钻孔及封孔段周边煤体切割径向环形缝槽,然后注浆封孔。通过现场试验,验证采用"钻-割-封"技术钻孔的瓦斯抽采效果。现场试验结果表明:采用"钻-割-封"技术的抽采钻孔瓦斯浓度提高20%～30%,瓦斯抽采纯量相较于常规钻孔提高约1倍,实现煤层的卸压增透,提高了钻孔密封性。

矿井瓦斯“2-111”高效抽采新理念

陕煤集团所属的韩城、铜川、彬长、黄陵等矿区矿井均为高瓦斯矿井,同时还存在煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害,大大增加了矿井瓦斯治理难度。通过分析高压水射流割缝卸压和液态CO 2气相驱替原理及工艺,提出了“2-111”瓦斯高效抽采新理念,实现在单孔内开展2种技术作业,1次割缝卸压,1次气相脱附驱替及1次导向扩冲驱气的“2-111”瓦斯高效抽采新模式。案例分析表明,高压水射流割缝增透技术和液态CO 2驱替技术均能有效提高煤层瓦斯抽采效率,根据事件概率加法原理,“2-111”瓦斯高效抽采技术可大幅提高瓦斯抽采效率,具有广阔的推广应用前景。

孤岛工作面瓦斯渗透规律与排放宽度研究

孤岛工作面的开采对煤炭资源的利用,在经济层面和国家资源战略方面都有重要的意义。本文以伯方煤矿3205孤岛工作面为研究对象,采用数值模拟、理论分析和现场观测手段,分析研究了孤岛工作面回采期间煤层渗透性变化特征,并确定了工作面瓦斯排放宽度。研究表明:3205孤岛工作面回采期间,工作面塑性应变大小与离回采面距离呈反比,等效塑性应变值呈半弧形分布,前方煤体渗透性分布呈现渗透骤增、部分增加、降低明显以及原始渗透四个阶段,瓦斯卸压区宽度为3~4m,工作面前方应力峰值距工作面8m左右;工作面瓦斯排放宽度随着煤巷暴露时间的增大而增大,当煤巷暴露时间为180d时,瓦斯排放宽度为26m。

单一高瓦斯低透气性煤层“压封”一体化卸压增透技术

为提高单一高瓦斯低透气性松软煤层的瓦斯抽采能力,开发了一种利用静态破碎技术来压裂煤体、"强弱强"带压密封技术密封钻孔的"压封"一体化方法,并在常村矿2101采区进行了应用。结果表明:钻孔平均瓦斯抽采浓度由措施前的29.5%增加到措施后的62.5%,,掘进速度由措施前的56 m/月提高到了措施后的104 m/月,百米钻孔瓦斯涌出量和煤层透气性系数也分别提高近1倍。

顺层长钻孔超高压水力割缝增透技术研究与应用

为解决低渗透性中硬煤层顺层钻孔抽采半径影响范围较小、抽采效果较差等问题,研究了工作面顺层长钻孔超高压水力割缝技术。通过应力波效应研究了水射流破煤机理,分析了超高压水力割缝卸压增透原理,研制出工作压力达100 MPa的超高压水力割缝成套装置,实现了超高压状态下不退出钻杆的钻割一体化工艺和远程操作功能,考察了超高压水力割缝参数,形成了顺层钻孔超高压水力割缝工艺技术。现场试验得出:割缝钻孔平均单刀出煤量为0.32 t,等效割缝半径达1.51～2.08 m;割缝后钻孔瓦斯抽采浓度同比提高了1.44倍,瓦斯抽采纯流量提高了3倍,有效抽采半径为对比普通钻孔的3.6倍,钻孔施工时间缩短约30%,抽采达标时间缩短40%左右。应用表明,采用超高压水力割缝增透技术后,煤层的透气性明显改善,达到了快速卸压增透的目的。