煤矿井上下联合抽采瓦斯关键技术研究及应用

为解决煤矿井下压裂增透效果较差难以高效抽采瓦斯的问题,提出了煤矿井上下联合抽采瓦斯的模式,建立了基于地面井与井下钻孔抽采的方法;利用地面老井和井下钻孔通道,形成了一套长距离、多拐弯、大排量及可携砂的地面压裂井下对接技术。获得了水力压裂裂缝破裂扩展规律,给出了不同条件下煤层水力压裂裂缝形态,得到了压裂半径理论计算公式。提出了井上下联合地面井位置优选原则,给出了基于井上下联合的水力压裂设计方案。在寺河矿开展了井上下联合2个压裂孔的增透抽采试验,试验结果表明:1#压裂孔累积抽采量为50.31万m^(3),2#压裂孔的顺层考察孔2和顺层考察孔3抽采瓦斯纯量分别为238.35万m^(3)和129.29万m^(3),压裂孔及对比考察孔抽采效果分别提高6.34倍、43.8倍及31.37倍,压裂后平均抽采量比原始钻孔提高33.14倍,压裂后煤层具有较好的增透抽采效果。实现了井上下联合抽采瓦斯,对于同类型的矿井具有较好的指导价值。

水力压冲一体化增透抽采瓦斯技术

现有的水力压裂、水力冲孔、水力掏槽、水力割缝等煤矿井下水力增透技术工艺复杂、适应条件单一、劳动强度大,而钻冲一体化、钻扩一体化、水力冲/压一体化等技术对硬煤增透效果不理想,且存在工序繁琐、不能连续作业等问题。针对上述问题,提出了一种水力压冲一体化增透抽采瓦斯技术,在钻进过程中利用高压水射流定点(定向、分段)对煤层实施水力增透作业,可实现集打钻、对软煤水力冲孔及对硬煤水力喷射压裂的一体化作业。揭示了水力压冲一体化增透原理,即通过水力冲孔将软煤层的部分煤体冲出,实现软煤层出煤卸压增透,对硬煤层进行定点水力喷射压裂,实现硬煤层造缝增透;研制了水力压冲一体化钻具,满足高泵压、大排量的要求,具备较强的破岩和排屑能力,其工序简单、可操控性强;给出了高压水射流冲孔和水力喷射压裂时的钻具操控方法,探讨了钻进时冲压工艺和退钻时冲压工艺。在某矿16101底抽巷使用水力压冲一体化钻具进行了现场工程试验,结果表明:在软煤段进行水力冲孔作业,比传统水力冲孔缩短时间60%~80%,而单孔出煤量增加了约2倍,单孔平均百米瓦斯抽采纯量提高了1倍;在硬煤段进行水力喷射压裂作业,单孔平均百米瓦斯抽采纯量比传统水力冲孔提高了2倍。

综采面大直径高位抽采瓦斯钻孔布置优化研究

针对矿井采空区上隅角瓦斯抽放难的难题,本文提出大直径钻孔瓦斯抽采技术,以孔代巷对采空区上隅角瓦斯进行抽采,采用数值模拟软件对不同抽采负压及钻孔直径下钻孔瓦斯流量进行分析,确定最佳抽采负压为-30KPa,最佳钻孔直径为130mm。确定施工参数后对大直径钻孔抽采瓦斯抽放进行工业化试验发现,当使用大直径钻孔进行上隅角瓦斯抽采时,上隅角瓦斯浓度维持在0.2%,抽放效果较佳,保障矿井的安全生产。

钻孔抽采瓦斯关键参数影响规律数值模拟分析

为了提高现实瓦斯抽采效率问题,针对平煤股份十矿24080工作面瓦斯赋存情况以及煤岩体的力学特性考虑影响瓦斯抽采效果的因素,采用单一变量法对抽采瓦斯的时间、负压、钻孔直径、钻孔间距影响抽采效率参数进行模拟研究,利用COMSOL多物理场模拟软件设置煤岩体固体力学和达西定律瓦斯渗流模块构建流固耦合模型并进行数值模拟研究。结果表明:通过1~180 d的瓦斯压力云图变化得到瓦斯抽采效果与时间呈现正相关的关系;在负压为15~25 kPa的范围进行间隔5 kPa梯度模拟,通过瓦斯压力云图等值圈及其重叠面积大小判断,改变抽采负压不仅能够一定程度上加速单孔瓦斯抽采速率,也能够使相邻钻孔产生促进抽采的扰动,在合适的扰动下能够改善瓦斯抽采效果;在钻孔直径为75 mm、95 mm、115 mm、150 mm时,对应的有效抽采半径分别为1.57 m、1.68 m、1.81 m、1.87 m.相邻设置钻孔之间的有效抽采相应增大0.11 m、0.13 m、0.06 m.说明在一定程度内钻孔直径越大,越有利于瓦斯抽采,但考虑到钻孔成型后,其受到地应力和开采扰动等影响,较大的孔径更易发生变形或塌孔,不利于瓦斯抽采;通过1 m、2 m、3 m的钻孔间距设置与分析抽采30 d时的多孔抽采瓦斯煤层瓦斯压力分布规律得到瓦斯压力下降程度指标,当压力下降超过50%认为该区域是强影响区,在此条件下的钻孔间距设计较为经济合理。

厚煤层采空区定向长钻孔抽采瓦斯参数优选

针对曙光煤矿2304工作面采空区瓦斯积聚导致巷道瓦斯浓度较高的问题,基于“O”形圈理论和“竖三带”分区理论,分析得出了瓦斯气体渗流效率横向和纵向最大区域分别位于承压碎胀区内和裂隙区内,理论确定了其重合区域为大直径长钻孔终孔位置抽采最佳区域,最终采用数值计算方法定量分析了2304工作面钻孔不同层位和不同间距对抽采效果的影响。结果表明:当钻孔位于顶板上方38 m、水平距离回风巷20 m、钻孔间距6 m时,上隅角和回风巷瓦斯浓度分别为0.21%和0.14%,较之优化前分别降低了68.9%和70.4%,抽采平均浓度达到51.12%,抽采总纯量达到了18.6 m^(3)/min。综合得出,优化后的抽采方案在保证巷道瓦斯浓度较低的同时,大幅提升了抽采效率。

石门揭煤工作面立体抽采瓦斯治理技术研究

煤矿安全生产事故中,煤与瓦斯突出是一种特别危险的灾害形式。在煤矿开采过程中,由于煤层受到工作面采动的影响,在地应力或瓦斯压力的作用下,瓦斯往往通过煤层中的裂缝和孔隙大量涌出,发生煤与瓦斯突出的现象。煤与瓦斯突出不仅会造成重大人员伤亡和财产损失,还会对矿井生产经营造成严重影响。因此,快速、高效的对石门揭煤区域煤层瓦斯治理技术进行研究具有重要意义。

双重介质多孔模型下多钻孔抽采瓦斯效果研究

为了研究含瓦斯煤体中负压钻孔的抽采效果,同时了解多钻孔布孔时钻孔的有效抽采范围,以某矿为研究背景,基于孔-裂隙双重介质多孔模型下的瓦斯流动理论,构建了气-固耦合模型,结合该煤矿实际生产情况,运用COMSOL数值模拟软件,研究了单一顺层钻孔抽采时的有效抽采半径,并以此布孔间距为设计前提,研究了多钻孔并排布孔时对有效抽采范围的影响。研究结果表明:该煤矿抽采时长为150 d时,其有效抽采半径约为1.1 m;以1.56 m,2.20 m,3.00 m,4.00 m和5.00 m为布孔间距进行研究时,受钻孔间的相互影响,煤层瓦斯抽采效果均有不同程度增强,可以根据煤层构造情况以及矿井实际生产状况,设置不同的布孔间距。

我国低渗煤层井下注气驱替增流抽采瓦斯技术进展及前景展望

我国大部分矿区煤层渗透率较低,注气驱替增流抽采瓦斯技术是提高低渗煤层瓦斯抽采效率的有效方法之一。分类梳理了我国低渗煤层瓦斯赋存特征,总结概括出高资源储量、低含气饱和度、多储层压力并存、低渗透性和复杂分区性5个特点。利用差异置信法、灰色关联法、置信区间计算法,分析了我国煤层瓦斯对井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的适用性,获得6个影响注气驱替瓦斯效果的直接因素,影响度依次为:煤体普氏系数>瓦斯压力>渗透率>灰分>瓦斯含量>朗格缪尔压力常数;建立了适用于井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的煤层参数筛选评价方法。根据注气驱替煤体瓦斯增流机制的不同,从气体因素、注能改性两方面厘清了注气驱替煤体瓦斯增流机制,气体因素增流机制包括:充能携载、分压促解、稀释促扩散、竞争吸附;注能改性增流机制包括:充能扩孔、促解扩孔、充能拓孔、脉冲气流损伤孔隙结构/展布裂隙网络。总结了注气驱替气源、工艺参数对瓦斯驱替效果的影响规律,简要介绍了井下注气驱替增流抽采瓦斯关键技术与装备、应用模式及应用效果。展望了我国井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的未来发展趋势,具体包括:多学科深化注气驱替增流抽采瓦斯理论、多方法协同注气驱替增流抽采瓦斯技术、注气驱替增流抽采瓦斯工艺参数精准化、注气驱替增流抽采瓦斯装备智能化、煤层注-抽-掘-采衔接布局协调化。

综采面大直径高位抽采瓦斯钻孔布置优化

针对伯方煤矿3307采煤工作面在回采前期利用普通高位钻孔抽采采空区瓦斯时存在高位钻孔抽采流量小、瓦斯浓度低、抽采效果不达标的问题,为保证工作面瓦斯抽采质量,改用大直径高位钻孔抽采采空区瓦斯,根据采空区“三带”分布情况,对高位抽采钻孔布置方式、布置参数进行优化,优化后现场实践结果表明:单孔抽采浓度提升50%~80%,回风隅角瓦斯浓度下降至0.2%左右,抽采效果良好。

地面钻井抽采瓦斯技术研究

在分析煤矿瓦斯抽采理论、抽采技术等基础上,对地面钻井抽采瓦斯技术进行优化,并提出合理布置钻孔、“一井三用”等改进措施。通过在某煤矿工作面上的瓦斯抽放实践,上隅角瓦斯超限问题得到良好解决,证明该技术抽采采空区瓦斯的效果显著。

复杂地层底板梳状定向钻孔抽采瓦斯技术研究

为了解决发耳煤矿复杂地层条件下煤层厚度薄、煤质松软、瓦斯含量高、瓦斯压力大,难以实现瓦斯高效抽采的问题,以发耳煤矿+980 m水平运输延伸巷掘进期间的瓦斯治理为例,通过对其所处区域地层的煤层赋存状态和地质条件的分析,提出了底板梳状定向钻孔抽采瓦斯的技术方案,形成了复杂地层条件下以主定向钻孔为基础、多分支钻孔梳状扩展的定向钻进技术与工艺,开展了现场试验,并对单孔抽采效果进行了考察,结果表明:在+980 m水平运输延伸巷道掘进过程中,在5-2煤层底板下5 m处,共施工7个主定向钻孔,以主钻孔为主干又施工了56个梳状分支,钻孔连抽后,单孔平均瓦斯抽采浓度为26.64%,单孔平均瓦斯抽采纯量为0.33 m^(3)/min,取得了良好的瓦斯抽采效果。

水力冲压联合卸压增透抽采瓦斯技术在鹤壁矿区的应用

为了提高低透气性单一厚煤层瓦斯抽采效率,提出了水力冲压联合卸压增透抽采瓦斯技术,通过实验室压汞实验分析了鹤壁矿区不同煤体结构特征,基于硬煤和软煤的煤层赋存条件,分析了导控型水力冲压联合卸压技术原理,首先施工水力冲孔导向孔,然后进行水力压裂作业,使得瓦斯抽采单元产生较大幅度的塑性变形,孔隙裂隙网络发育,能够大范围提高煤体透气性。分别通过在鹤煤三矿和六矿的井下现场试验,抽采2个月采用水力冲压联合卸压增透技术可达到采用常规水力冲孔技术的2倍多,说明水力冲压联合卸压增透技术在鹤壁矿区取得较好的瓦斯抽采效果。

顶板高位定向钻孔抽采瓦斯治理技术应用研究

针对贺西矿回采工作面采空区上隅角瓦斯浓度高的问题,设计在3413工作面回风巷施工顶板高位大直径定向钻孔抽采采空区瓦斯,以孔代巷,解决回采工作面采空区瓦斯涌出量大的问题;结合采空区三带分布理论,确定了最佳布孔位置贺钻孔参数。实践证明,大直径顶板高位定向钻孔具有施工成本低、抽采效率高、定位好等特点,保证工作面安全回采。

塔山矿地面L型钻孔抽采瓦斯技术应用

为了验证地面L型钻孔抽采采空区瓦斯效果,以塔山矿8214综放工作面为研究对象,采用数值模拟和理论分析相结合的方法,确定了抽放钻孔布置位置和钻孔结构,设计了L钻孔抽采瓦斯方案。研究结果表明:塔山矿8214综放工作面垮落带高度为35m,裂隙带高度为60m,顶板最大悬露空顶长度为45m,垮落角为45°;钻孔应布置在距采煤工作面顶板40~60m,距帮26~30m,有效解决了工作面上隅角和低位抽采巷的瓦斯超限的问题;钻孔的终孔始终位于工作面上隅角的后上方,有效解决了钻孔与工作面推进在瓦斯治理中的时空匹配问题,达到了高效稳定治理采空区瓦斯的目的。

高能气体预裂增透抽采瓦斯技术及实践

针对煤层瓦斯含量大、透气性系数低、瓦斯难抽采等问题,采用高能气体压裂增透技术在沁水煤田二叠系下统山西组3号煤开展抽采瓦斯实验。项目实施后,钻孔瓦斯自然涌出衰减系数降低5.93倍,煤层由难抽变为可抽;百米钻孔瓦斯自然涌出极限提高近4倍,煤层渗透率提高29.5倍,瓦斯抽采有效影响半径提升2.5倍以上;掘进面预裂孔平均瓦斯纯流量平均浓度提高5~7倍,平均纯量提高6倍;回采工作面瓦斯浓度提高3~6倍,钻孔平均单孔日抽采瓦斯量平均提高6.25倍;对掘进工作消突作用巨大,防突参数钻屑解吸指标K 1值超标同比下降86.7%.试验表明,高能气体压裂增透技术对煤层消突、提高瓦斯抽采率等产生了良好的效果。

钻孔抽采瓦斯量影响因素分析与工程实践

为了提高钻孔抽采瓦斯量,基于煤层瓦斯流动和层次分析法等理论,研究了钻孔抽采瓦斯量的影响因素及各影响因素重要度,同时现场考察了透气性系数变化对钻孔瓦斯抽采量的影响。结果表明:钻孔抽采瓦斯量影响因素有煤层透气性系数、煤层原始瓦斯压力、煤层厚度、抽采钻孔孔径和抽采时间等,其中煤层透气性系数是对其起决定影响作用的参数;重要度上煤层透气性系数对钻孔瓦斯抽采量的影响是抽采负压和钻孔半径的7.1倍;被保护层的透气性系数增大可大幅度提高了钻孔抽采瓦斯量。

松软低透煤层钻孔抽采瓦斯关键指标研究

为了研究钻孔孔径大小和瓦斯抽采负压高低2个指标对“三软”低透煤层瓦斯抽采的影响,通过在现场施工进行不同孔径钻孔,并采取不同负压进行瓦斯抽采试验,结果表明:孔径大小与抽采周期长度关系不明显,但与抽采瓦斯总量呈先上升、后下降的关系,其中94 mm孔径的钻孔瓦斯抽采总量最高。钻孔抽采负压越低,抽采周期越长;抽采负压越高,抽采周期越短。钻孔抽采负压并不是越高越好,合理的抽采负压在50 kPa左右。

采空区瓦斯地面井抽采瓦斯来源及储量预测研究

瓦斯是一种混合气体,主要成分为甲烷。对于瓦斯危害事故的防治、治理以及对于瓦斯资源的有效利用一直以来是困扰全世界煤矿生产单位以及研究学者的一大难题。近年来随着瓦斯抽采技术的不断发展,其作为治理瓦斯危害的有效手段被广泛利用,而准确地预测瓦斯储量是该项工作能顺利进行的基础。本文分析了李村煤矿老采空区的瓦斯赋存状态及分布范围,采空区瓦斯主要来自残留煤柱、遗煤和邻近煤岩层。利用分源预测法,通过建立瓦斯储量计算模型,预测06地面瓦斯抽采井采空区瓦斯最大可采资源量为643.2万m3,实际累计抽采量500余万m3。由地面井(钻孔)实际抽采数据可知,该模型对采空区瓦斯储量做出较为准确的预测,为该矿地面井采空区瓦斯抽采工作奠定了较为可靠的理论基础。

管内低浓度抽采瓦斯爆燃特性研究

自行设计了管内低浓度瓦斯爆燃实验系统,通过一系列实验研究了低浓度瓦斯爆燃特性,分析了不同初始压力、初始温度对瓦斯爆燃特性的影响。实验结果表明:火焰传播速度随着初始压力和初始温度的增大而增大,峰值超压随着初始压力和初始温度的增大而增大。

基于抽采瓦斯量测定地面钻孔有效半径研究

为了准确考察保护层开采条件下被保护层地面钻孔有效抽采半径,从而为合理布置地面钻孔提供依据,对现有测定地面钻孔有效半径存在的问题进行了分析。基于瓦斯流动理论和煤层瓦斯抽采量、抽采率等在防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害以及煤层气开发和利用的要求,在保证煤层瓦斯预抽率大于等于30%和煤层瓦斯含量小于等于8 m3/t条件下,提出了基于考察地面钻孔抽采瓦斯量测定地面钻孔有效半径的新方法,接下来应用该方法对地面钻孔有效抽采半径进行了计算。研究结果表明:基于钻孔瓦斯抽采量测试新集一矿北中央采区131105工作面地面1#、2#、3#和4#钻孔有效抽采半径分别为85 m、55 m、75 m和115 m,并验证了示踪技术法测定的地面钻孔有效抽采范围内抽采指标不达标。