煤层瓦斯抽采单双排钻孔最优布孔研究与应用

为减少定向长距离钻孔的打孔数量,保证瓦斯有效抽采的同时提高整体施工效率,以沙曲二号煤矿九采区为工程背景,建立基于达西定律的流固耦合模型,应用数值模拟软件,分析不同孔间距对于有效消突体积的影响。结果表明:顺层长钻孔合理的布孔方式与数量对煤层抽采效果起重要作用,间距过小会造成资源浪费,间距过大会产生空白抽采区域;单、双排钻孔的最优布孔间距不同,单排钻孔间距在10 m时有最大的瓦斯消突体积,双排钻孔交错排列时,孔间距在13 m时有最大的瓦斯消突体积;双排交错打孔方式,增加孔间距的同时,减少扰动对于周围钻孔的影响,从而降低钻孔失稳概率,钻孔总进尺分别缩短18.18%与33.33%。

低渗煤层大直径钻孔瓦斯抽采参数优化研究

针对低渗煤层瓦斯抽采存在预抽难度大的问题,提出大直径钻孔预抽能够降低低渗煤层瓦斯含量的方法。但由于低渗煤层对气固耦合效应影响敏感,抽采中渗透率变化过程不明确,导致大直径钻孔抽采参数设计依据不足。首先分析了低渗煤体渗透率演化的主控因素,建立了煤层瓦斯运移理论模型,模拟研究了大直径钻孔不同工况下对低渗煤体的瓦斯抽采效果,对比分析不同孔径、负压、孔间距下煤层瓦斯渗流规律。结果表明钻孔孔径越大造成的煤体卸压区越大,瓦斯抽采量越高,瓦斯残余含量也越小,但抽采效果增加幅度逐渐降低。负压越大瓦斯抽采量越大,但差别较小,因此负压对提升抽采效率影响较小。受渗透率演化的影响,不同钻孔间距下瓦斯抽采总量差别较大,在间距为3 m时,40~120 d阶段内抽采量最高,后期抽采量缓慢下降。间距5 m时抽采总量最高,抽采范围内的瓦斯残余含量降低较多。现场优化抽采后的瓦斯抽采纯量与模拟结果一致,表明了研究结论可靠。该研究结果可为煤矿井下大直径钻孔瓦斯抽采参数设计提供理论依据与应用参考。

厚煤层双排顺层钻孔瓦斯抽采方法模拟及应用

为提高三元煤业3#煤层井下瓦斯抽采效率,首先采用Fluent软件对单排钻孔模型正确性进行验证,然后针对8 m厚煤层分别用单排、双排钻孔进行数值模拟,结果表明:单排钻孔的瓦斯抽采影响半径在2.5 m左右,有效半径为1.7 m,只能影响到钻孔周围的部分区域;采用双排钻孔后,瓦斯流场基本将8 m厚的煤层全覆盖且钻孔周围的瓦斯压力比单排钻孔周围的瓦斯压力小得多。通过三元煤业3#煤层7.83 m厚煤层双排钻孔的应用,实测瓦斯预抽率达到70%,抽采效果较好。双排钻孔可提高厚煤层瓦斯抽采率及覆盖率,可有效降低突出煤层的突出危险性,确保煤矿井下安全生产。

缓倾斜煤层高位定向长钻孔抽采卸压瓦斯技术研究

为探究缓斜煤层覆岩采动裂隙时空演化及卸压瓦斯富集区的变化特征,采用物理相似模拟和现场监测方法,分析采动覆岩裂隙演化和裂隙分布特征;研究卸压瓦斯富集区演化特征,确定高位定向钻孔的合理布置参数方案,并进行效果检验。结果表明:试验工作面沿煤层走向垮落带高度13 m,裂隙带高度68.5 m,沿工作面倾向裂隙网络受煤层倾角影响,工作面断裂角为54°~59°,裂隙发育的开度自工作面向上逐渐增大,瓦斯运移通道呈现出明显的非对称性特征;高位定向钻孔全生命周期瓦斯抽采过程依据其抽采体积分数可分为抽采初期、抽采中期和抽采末期3个阶段,其中抽采初期抽采体积分数偏低,抽采中期为钻孔抽采生命周期内的高效抽采阶段,进入抽采末期抽采体积分数呈现急剧下降的趋势;高位定向长钻孔抽采技术实施后,工作面上隅角、回风巷瓦斯体积分数均小于0.8%,瓦斯抽采效果良好,高位钻孔的布置方式较为合理。

煤层顶板高位大直径定向钻孔瓦斯抽采技术研究

在煤层瓦斯抽采工程中,在钻场这些关键区域,布置了6个高位钻孔,这些钻孔布局合理位置精准,能最大限度地抽取邻近层和采空区中的瓦斯。充分考虑瓦斯运移规律,将钻孔层位选定在砂质泥岩与细砂岩的交界面,距离煤层顶板约30~65 m,以确保钻孔能够最大限度地抽取瓦斯。通过这一高位大直径定向钻孔技术,成功实现了对煤层顶板瓦斯的长期、稳定抽采,使采空区瓦斯涌出量得到了有效控制。在测试结果中,钻场内1#~6#孔平均抽采混量为9.76 m3/min,单孔的最大抽采混量为33.992 m3/min,得出高位大直径定向钻孔在瓦斯抽采过程中具有显著效果,对于提升煤矿瓦斯治理水平具有重要意义。随着煤化工行业的快速发展,提升其技术水平具有重要作用,因此需加强这方面研究,才可以更好地实际应用。

穿层定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯技术研究与创新

煤巷消突采取传统穿层掩护方式周期长、工程量大,为确保掘进工作面能够安全高效完成区域防突措施工程,决定开展穿层定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯技术研究,在北二采区6#底板防突巷施工穿层定向长钻孔,替代以往底板防突巷施工穿层钻孔预抽煤层瓦斯的区域防突措施,取得了防突掘进工作面瓦斯超前治理、精准防控、抽采达标的效果,实现了消突与掘进接续的高效衔接。

特厚煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯抽采技术及应用

为解决大佛寺煤矿特厚煤层透气性和瓦斯赋存差异性较大而导致的矿井抽掘采接替问题,提出“分段压裂延展裂隙+整体压裂沟通网络”的定向长钻孔水力压裂技术,通过增加煤层渗透性来提高矿井瓦斯抽采效率,并在40103工作面进行工程应用试验。共完成4个定向长钻孔分段水力压裂施工,累计压裂工程量2190 m,最大泵注压力17.83 MPa,累计压裂注水量4535 m 3,总压裂时间10853 min。相比于未压裂的预抽钻孔,压裂后瓦斯抽采浓度提高了2.20~4.22倍,百米抽采流量提高了4.93~11.03倍。试验结果表明,通过水力压裂后煤层渗透特性增加,瓦斯抽采效果显著提升,初步证实了长钻孔水力压裂强化瓦斯抽采技术的适用性,为彬长矿区的矿井瓦斯高效抽采提供了技术支撑。

软硬复合煤层瓦斯抽采穿层钻孔变形塌孔特征规律研究

为探究软硬复合煤层瓦斯抽采钻孔的变形规律,采用自主研发的“一种全角度瓦斯抽采钻孔稳定性动态监测装置”进行了现场监测,系统分析了硬煤、软煤、软硬复合煤层瓦斯抽采钻孔的变形情况,并采用COMSOL数值模拟手段对试验结果进行验证,结果表明:钻孔浅部竖直方向应变敏感程度滞后于水平方向,且呈交替性增大特征;钻孔应变衰减阶段前,存在一种短暂的伪平衡状态,其实质是煤体内部应力集聚,后突然释放而造成钻孔塌孔;在相同的外部载荷条件下,软弱界面将软硬复合煤层分割为两个相对独立的应力环境,煤层在软弱界面处发生介质突变和应力突变;硬煤层钻孔较软煤层钻孔的各部位变形小,二者均表现为浅部变形大、深部变形小,最终达到稳定环向应变,软硬复合煤层穿层孔在浅部变形与二者相近,穿层孔深部和软弱界面交叉截割形成应力集中区,应力集中区范围沿软弱界面和钻孔径向同时延伸并逐渐衰减,这种衰减呈不明显的非线性特征。

低渗煤层瓦斯抽采顺层钻孔水力造穴卸压增透效果研究

为了揭示水力造穴参数对钻孔瓦斯抽采效果的影响规律,指导煤层水力造穴增透技术施工参数的合理选择。建立了煤层损伤-应力-渗流耦合模型,分析了不同造穴参数下煤层卸压增透效果,展开了顺层钻孔水力造穴现场工程试验,考察了不同造穴参数下钻孔瓦斯抽采效果,结果表明:采用水力造穴技术形成的孔穴能够有效降低其周围煤体应力,提高煤层渗透率,增加瓦斯钻孔抽采效果;造穴半径越大煤层的卸压程度越大,进而煤层渗透率增幅就越大,但在实际工程中过大的造穴半径会使得孔穴稳定性差,钻孔塌孔堵塞瓦斯涌出通道会使得钻孔瓦斯抽采量有所降低,试验矿井最优造穴半径为0.6 m;造穴间距对它们之间的应力降低区范围有着较大的影响,在一定距离条件下孔穴卸压有着明显的叠加效应,造穴间距越近叠加效应越明显,煤层应力越小,卸压增透效果越好。试验钻孔穴间距由8 m减小到6 m时,单孔平均瓦斯抽采纯量增加389.16%。

突出煤层瓦斯抽采顺层钻孔设计效果分析

针对突出煤层工作面预抽钻孔预抽浓度低、钻孔衰减系数大、瓦斯预抽时间长等难题,以某煤矿111805工作面为研究对象。通过对该工作面地质条件、瓦斯赋存状态及开采工艺的综合分析,对111805工作面钻孔布孔方式以及管径最优参数进行研究,并利用数值模拟软件进行辅证。结果表明:顺层钻孔抽采瓦斯在30 d后有效抽采半径为2.33 m,50 d后有效抽采半径为3 m。对模拟数据进行回归分析,得到的抽采有效半径r与抽采时间t的线性拟合关系,通过结合实际分析,确定抽采钻孔方式为顺层钻孔设计,布置间距约为4 m,瓦斯抽采管径为Ф200 mm抽采管连网抽采。以此为依据,得出工作面瓦斯抽采钻孔最佳布置参数。研究成果为突出煤层工作面预抽钻孔设计提供了参考依据。In response to the challenges of low pre-drilling pre-extraction concentration, large drilling decay coefficient, and long gas pre-extraction time in the working face of outburst-prone coal seams, a study was conducted with the 111805 working face of a coal mine as the research object. Through a comprehensive analysis of the geological conditions, gas occurrence state, and mining technology of the working face, the optimal parameters of drilling layout and pipe diameter for the 111805 working face were studied, and numerical simulation software was used for auxiliary verification. The results showed that the effective extraction radius of the gas extraction from the in-seam drilling was 2.33 meters after 30 days and 3 meters after 50 days. Through regression analysis of the simulation data, a linear fitting relationship between the effective extraction radius r and the extraction time t was obtained. By combining with practical analysis, the drilling method was determined to be in-seam drilling design, with a layout spacing of approximately 4 meters and a gas extraction pipe diameter of 200 mm connected in a network for extraction. Based on this, the optimal layout parameters for gas extraction drilling in the working face were derived. The research results provide a reference for the design of pre-drilling in outburst-prone coal seam working faces.

煤层钻孔机械造穴抽采瓦斯效果分析

为研究机械造穴钻孔对于瓦斯抽采效果的影响,以沙曲二号煤矿三采区4号煤层4304综采工作面为工程背景,采用数值模拟研究方法,对比分析了平行钻孔与机械造穴钻孔对于瓦斯有效抽采区域的影响。研究表明,采用机械造穴钻孔,可有效提高有效抽采区域体积,相比平行钻孔,有效抽采体积扩大了1.75倍。通过现场实验,对瓦斯抽采数据进行监测,应用造穴钻孔后,平均混合抽采流量提高了1.84倍,平均瓦斯抽采纯量提高了1.62倍。通过对机械造穴钻孔的应用和研究分析,为造穴增透的瓦斯抽采方案提供了理论参考。

瓦斯抽采钻孔漏气规律检测与煤层卸压影响分析

瓦斯抽采钻孔的变形破坏与裂隙网络发育会导致煤层瓦斯在抽采过程中发生逸散,从而降低瓦斯抽采效果。为探究瓦斯抽采钻孔的变形破坏特征与漏气特性,以黄陵一矿820工作面的本煤层瓦斯抽采工程为例,分析了抽采钻孔的随钻孔深度变化的应力分区特征与裂隙发育状态,采用钻孔漏气检测装置测定了回风顺槽的钻孔瓦斯浓度变化规律,对比研究了进风顺槽与回风顺槽的瓦斯浓度与纯量的演化规律。结果表明,抽采钻孔的裂隙发育程度随钻孔深度的不同应力分区逐渐变化;回风顺槽钻孔由于煤层卸压导致钻孔漏气性较高,存在3种瓦斯浓度变化趋势,分别为平缓型、16~19 m漏气型、19~23 m漏气型;进风顺槽的瓦斯浓度与纯量表现为负指数形式的衰减规律,由于煤层未卸压,煤层内裂隙网络发育程度较低,钻孔密封性良好,相较之下,回风顺槽的瓦斯浓度表现为线性衰减规律,且由煤层卸压导致瓦斯抽采钻孔的漏气程度较高。

瓦斯抽放钻孔抽采煤层群时各煤层瓦斯抽放比率探讨

在煤矿生产过程中,经常会遇到一个钻孔穿透2层及2层以上煤层,这时在对煤层群进行瓦斯抽放时,抽采瓦斯总量中各个煤层抽采的瓦斯数量无法确定,无法精准指导现场防治煤与瓦斯突出。因此,本文对这个问题进行简要探讨。

低透气性煤层瓦斯抽采钻孔布置优化研究

针对阳煤一矿煤层瓦斯预抽采效果不佳、抽采周期较长等问题,为进一步提高抽采效果,对群孔模式下高瓦斯低透气性煤层钻孔布置方式进行优化和探究。首先采用数值模拟方法,在群孔钻孔方式下分析各项参数包括抽采时间、钻孔孔径、钻孔间距、钻孔负压、煤层渗透率等因素对有效抽采半径的影响。然后研究群孔钻孔间相互作用对瓦斯运移造成的影响,并对群孔瓦斯钻孔的排列模式进行分析,综合对比菱形与矩形阵列排布瓦斯抽采效果。通过实践可以看出,钻孔菱形阵列排布瓦斯抽采效果要好于矩形阵列排布瓦斯抽采效果,同时在钻孔孔径为94 mm,孔距为2 m,透气性系数为0.2 m^(2)/(MPa^(2)·d),抽采负压为14 kPa的条件下,将群孔间距设在3 m时综合效果最佳。

煤层钻孔瓦斯抽放与漏气耦合模型建立及现场应用研究

煤层钻孔周围漏气导致抽采瓦斯质量差,瓦斯突出危险难以消除,还可能引起煤炭自燃、瓦斯爆炸等灾害。建立了基于基质收缩和有效应力对煤层渗透性影响的双介质耦合模型,对影响瓦斯抽采质量的关键因素进行了研究,瓦斯浓度随密封长度和钻孔直径的增大而升高,随抽采负压和煤层渗透率的增大而降低。因此,研发了新型钻孔密封技术,可以完全密封钻孔周围的各种裂缝,现场试验表明,改进后的密封技术瓦斯浓度是传统密封方法的1.91倍,且在后续的抽采阶段仍保持较高的抽采水平,应用效果较好。

碎软煤层井下顶板长钻孔分段水力压裂瓦斯抽采技术研究

水力压裂技术被视为提升低渗透性煤层瓦斯抽采效率的核心手段。面对碎软低渗煤层中顺层钻进难度大、成孔效果不佳及瓦斯抽采效率低下等挑战,需开发煤矿井下碎软低渗煤层顶板定向长钻孔的水力加砂分段压裂技术。此次研究综合应用了煤田地质学、瓦斯地质学及岩石力学等多领域知识,通过理论分析、数值模拟、实地项目试验,探究了煤层顶板压裂裂缝的扩展特性与分段压裂技术的关键参数,同时,在代表性碎软低渗煤层中实施了场内验证。

高瓦斯薄煤层采煤工作面高位钻孔瓦斯抽采技术

为解决高瓦斯薄煤层回采工作面邻近层及采空区瓦斯涌出难题,基于采空区上覆岩层移动破坏的规律,在朱家店煤矿4号煤层顶板布置高位钻孔的措施对卸压瓦斯进行抽采,并对高位钻孔开孔位置、终孔位置、终孔高度、开孔距离等抽采参数进行了研究。结合高位钻孔抽采效果分析,得出4号煤层顶板裂缝带高度在12 m左右、401工作面的初次来压步距为20~30 m、工作面＂O＂形圈的周边宽度为30 m左右、每组高位钻孔开孔间距为8~12 m较为适宜。现场应用结果表明：通过向采空区裂缝带内施工参数设计合理的高位钻孔,单孔抽采瓦斯纯量在0.01~0.24 m3/min,上隅角瓦斯体积分数由原来的0.89%降到0.31%左右,采煤工作面回风瓦斯体积分数由原来的0.65%降到0.20%左右,杜绝了采煤工作面回风及上隅角瓦斯超限。

多煤层穿层钻孔瓦斯抽采有效抽采半径测定

为了解决煤矿瓦斯抽采过程中,测定多煤层穿层钻孔瓦斯抽采在考察区域及整个煤层的有效抽采半径时遇到的问题,分别提出了相应的解决方法:确定多煤层穿层钻孔瓦斯抽采各煤层瓦斯比例时,提出将煤层厚度、原始瓦斯含量、透气性系数的乘积作为抽采相关量,将抽采相关量归一化处理来计算,考虑了影响穿层钻孔瓦斯抽采量的主要因素;由考察区域推算整个煤层的有效抽采半径时,煤层瓦斯参数发生变化,钻孔在各煤层的瓦斯抽采量也发生变化,依据钻孔瓦斯抽采量与对应的抽采相关量成正比,推算不同煤层瓦斯参数的钻孔瓦斯抽采量。结果表明:针对青龙煤矿的实际条件,得到了16号煤层穿层钻孔在考察区域及整个煤层的有效抽采半径,为合理布孔提供了依据。

煤层渗透率各向异性对钻孔瓦斯抽采的影响

为揭示渗透率各向异性对钻孔瓦斯抽采的影响,假设煤层是一种孔隙-裂隙结构的弹性连续介质,构建各向异性渗透率方程;基于多物理场耦合理论,建立考虑气-水两相流的煤层流固耦合模型,结合试验测得的煤层不同方向上的渗透率,模拟确定煤层瓦斯抽采的合理钻孔间距和钻孔布置方向。结果表明:由于渗透率各向异性,在钻孔附近形成椭圆形的压降区域,该区域向煤层边界扩展,逐渐变为鼓形;在模拟工况下,抽采120天内达标的合理钻孔间距应为2.346~2.598 m;钻孔与最大渗透率方向的夹角越大,瓦斯抽采量越大,钻孔布置方向与煤层最大渗透率方向应保持较大夹角。

钻孔预抽煤层瓦斯影响规律研究

给定煤层多孔介质渗流边界条件,湍流计算选用k—ε模型,瓦斯在煤层中流动采用多孔介质模型,研究了在不同的抽采时间、负压、渗透率、煤层瓦斯压力及不同的钻孔直径等条件下钻孔的抽采半径及抽采量变化规律,研究结论对于现场预抽煤层瓦斯钻孔参数设计有理论指导意义。