淮南矿区高位定向长钻孔大直径筛管瓦斯抽采技术

为解决高位定向长钻孔在治理采空区瓦斯中,瓦斯抽采通道易堵塞影响瓦斯抽采效果的问题,提出了高位定向长钻孔内全孔段下筛管技术,通过对高位定向长钻孔全孔段下不同直径筛管技术研究,在潘三矿开展现场试验,试验结果表明,全孔段下φ73 mm大直径筛管能够有效提高高位定向长钻孔瓦斯抽采效果,不仅提高了钻孔瓦斯抽采稳定性和有效抽采孔段比例,而且钻孔平均瓦斯抽采浓度由19%提高至45%,形成了适用于淮南矿区顶板高位定向长钻孔大直径筛管治理采动卸压瓦斯技术,显著提高淮南矿区采动卸压瓦斯治理效果。

顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法

顶板瓦斯抽采巷因具有大流量和连续抽采的优点,被广泛用于高瓦斯或突出矿井回采工作面瓦斯治理。如何确定合理的顶板巷布置位置,以高效抽采采空区卸压瓦斯,是保障工作面瓦斯治理效果的关键。为此,在深入分析顶板瓦斯抽采巷布置原则及其布置位置影响因素的基础上,提出了一种基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法;采用灰色关联分析法确定了GA–BP神经网络模型的预测指标,并设计开发了顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测系统。研究结果表明:①工作面的采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度等5个物理指标是顶板瓦斯抽采巷布置位置的主控因素,且其权重值排序由大到小依次为采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度。②随着遗传代数的增加,GA–BP神经网络适应度不断减小,且当遗传代数为60时其适应度变化基本稳定,表明GA–BP神经网络初始权重和偏置效果较好。③在当前训练样本数据集的前提下,基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置的预测结果与实际工况值的相对误差仅为0.43%~11.27%,在可接受的范围内。该研究可为顶板瓦斯抽采巷精准设计提供一定的参考。

基于开采高度对工作面覆岩裂隙演化影响的钻孔瓦斯抽采研究

采动覆岩裂隙演化规律对层间瓦斯运移起主导作用,研究覆岩裂隙发育分布规律对于提高瓦斯抽采效率至关重要。以甘肃省魏家地矿西2107综采工作面为工程背景,采用UDEC模拟软件建立不同采高的数值模型,利用分形几何理论分析了工作面覆岩近场裂隙演化与不同开采高度的关系,确定了钻孔瓦斯抽采最优工作面高度,并通过理论经验公式、覆岩裂隙窥视情况与现场瓦斯抽采结果对其验证。结果表明:采动裂隙总数随着采高增大而增大,但不同阶段增大的幅度皆不相同,覆岩裂隙不断向覆岩四周呈“伞状”发育;不同开采高度的工作面覆岩近场裂隙均经历产生、扩张贯通、压实稳定的3个阶段,且采高越大,压实区范围越小,适当增加采高,有助于提高覆岩瓦斯抽采效果;当采高选择4 m时,顶板裂隙在位于10 m与40 m位置处的裂隙发育密度与范围均明显大于其他区域,该区域与布置高、低巷双位一体的协同抽采巷最佳位置相一致。

王家岭煤矿综放工作面上覆岩层运动规律及卸压区瓦斯抽采试验研究

为实现低瓦斯高涌出矿井综放工作面安全高效开采,以王家岭煤矿为背景,结合物理相似模拟实验、UDEC数值模拟和微震监测,系统分析了王家岭煤矿综放工作面上覆岩层运动规律,在此基础上,开展了现场卸压区瓦斯抽采试验。研究结果表明:随工作面推进,煤层顶板上覆岩层垮落高度距煤层底板距离增大,离层裂隙距顶板距离增大,空洞高度减小;采空区两侧瓦斯运移通道的裂隙多于压实区的裂隙。初次来压前,采空区垂直应力随工作面的推进而降低;初次来压后,采空区垂直应力随工作面的推进而增大。在进、回风巷顶板,煤层、采空区顶底板共发生2 572个微震事件,工作面前方50 m范围内应力集中较大,应注意超前支护防范。12301工作面周期来压步距20~26 m,采动裂缝带高度90~110 m,周期来压4~6次。现场卸压区瓦斯抽采试验中,合理层位工作面瓦斯抽采量是其他层位工作面瓦斯抽采量的1.5倍,且工作面上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%,瓦斯治理效果显著。

瓦斯抽采SCMC-Bent基封孔水凝胶漏失特性及黏度演化机制

为实现瓦斯抽采钻孔漏气裂隙的有效动态封堵,防止负压驱动下浆液在裂隙中漏失,以羧甲基纤维素钠(SCMC)与钠基膨润土(Bent)为主料,通过引入系列添加剂制备了SCMC-Bent基封孔水凝胶,并测试了该水凝胶黏度的演化过程。然后通过开展负压作用下的浆液运移实验,研究了SCMC-Bent基水凝胶在煤颗粒间裂隙网中的运移及漏失特性。最后测试了SCMC-Bent基封孔水凝胶pH演化过程,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)及X射线衍射(XRD)表征了其微观结构,进而揭示SCMC-Bent基水凝胶黏度演化的微观机制。研究表明:①在恒温条件下,SCMC-Bent基水凝胶的黏度随时间呈现“先上升、后降低”趋势;水料比越大,SCMC-Bent基水凝胶的黏度越低、越早发生后期黏度下降。②水料比越高的水凝胶在裂隙网络中运移越快,但负压作用下却越早发生漏失;相较其他水料比,水料比10∶1的水凝胶在负压抽气第24天仅运移41 mm,更容易长时间密封漏气裂隙。③SCMC-Bent基水凝胶内部的蒙脱石层结构随时间先增多后减少,存在中间产物(SCMC-CXP)插入蒙脱石层间的现象,SCMC-CXP插入量随时间先增多后减少并随水料比增大而减少;蒙脱石层与层间SCMC-CXP形成了类似“三明治”的夹层结构,在水凝胶体系中逐渐形成了由蒙脱石层、层间SCMC-CXP、层外SCMC-CXP组成的三维网络。④三维网络结构的形成是造成SCMC-Bent基水凝胶黏度前期升高的原因;但随时间持续,中蒙脱石层结构减少且SCMCCXP大分子链断裂,导致了三维网络结构消散进而致使水凝胶黏度降低;另一方面,高水料比削弱了SCMC-CXP在蒙脱石层间的插入量及大分子间的相互作用、增强了三维网络结构的过水能力,进而导致水凝胶黏度下降。

矿井瓦斯抽采参数调控实验教学系统研制

为了满足工程流体专业相关课程的教学需求,自主研发了煤矿井下瓦斯抽采参数调控实验教学系统,可实现不同管道阻力、漏气程度、抽采负压等条件下瓦斯-空气流动规律的实验模拟。该系统由井下煤层抽采环境和瓦斯压力状态子系统,井下瓦斯抽采管网、阀门、动力结构子系统,气体体积流量、瓦斯体积分数、气体压力等气体参数采集子系统以及参数上传和数据分析处理子系统四部分组成;利用单片机控制各个阀门的开度、泵的转速,实时监测各个区域流经的气体体积流量、瓦斯体积分数、气体压力等数据。该系统可以开展工程流体专业相关课程的教学实验,培养学生对专业的认识,提升学生的动手能力。

远距离下保护层开采卸压增透效应及瓦斯抽采方案

针对深部远距离下保护层开采后上覆被保护层卸压及瓦斯治理难的问题,以朱仙庄煤矿Ⅲ1031工作面工程条件为背景,采用相似模拟和数值模拟相结合的方法,研究了远距离下保护层开采过程中覆岩的应力演化规律、变形破坏特征和卸压增透效果。结果表明:保护层开采,产生延伸至被保护层的纵贯式穿层裂隙,基本顶发生平均步距15 m左右的周期破断,煤层压力先减小,采空区中部重新压实后,应力开始逐渐恢复;在围岩内形成应力增高区域,而应力在向采空区中部演化时,则以近似于弧状的应力递减圈形态发育。因煤层采动在采空区两侧形成离层裂隙发育区,为瓦斯流动提供通道,被保护层也因此得到卸压,其卸压率达到0.91,增透率增幅为5%~20%,被保护层出现明显卸压增透效应。为解决保护层开采后瓦斯需卸压抽采的问题,设计了穿层钻孔、顺层钻孔、高位钻孔配合拦截钻孔和采空区埋管的瓦斯抽采方案。

基于帷幕注浆理论的瓦斯抽采钻孔封孔技术研究及应用

瓦斯抽采钻孔封孔效果直接决定了矿井瓦斯治理效果,是高瓦斯突出矿井安全生产的重要保障。为解决主焦煤矿2301工作面瓦斯抽采底板巷围岩裂隙发育、钻孔封孔难题,基于矿井防治水经验提出瓦斯抽采钻孔帷幕注浆封孔技术。首先通过数值模拟和钻孔窥视法确定了2301工作面底板巷松动圈范围为0.8~1.7 m。然后根据矿井注浆扩散半径设计施工帷幕注浆钻孔,利用巷道围岩帷幕注浆技术提高瓦斯抽采钻孔的封孔效果。经过现场应用取得了良好效果,71.1%的瓦斯抽采浓度较原抽采浓度得到大幅提高,对类似地质条件的瓦斯抽采岩巷钻孔封孔具有很好的指导意义。

基于两堵两注通管直连技术的瓦斯抽采研究

为解决“两堵一注”封孔工艺及传统连管方式在孟津煤矿实施存在的弊端,提出了“两堵两注”通管直连技术,提高了瓦斯抽采浓度,延长了瓦斯抽采时间。为此,采用巷道松动圈理论分析了该矿合适的封孔长度;采用离散元数值模拟方法建立巷道模型,分析了巷道周围应力分布,确定了钻孔的最佳封孔深度;开展了“两堵两注”封孔地面实验和通管直连技术现场实验。结果表明:孟津煤矿二1煤层工作面顺层瓦斯抽采钻孔封孔长度至少为6.75 m;该矿12070工作面穿层钻孔最佳封孔深度为15~30 m;“两堵两注”技术能有效对抽采钻孔进行封堵;通管直连技术在现场应用中大幅度提高了瓦斯抽采浓度,延长了瓦斯抽采时间。

曲线拟合与分段函数组合法在瓦斯抽采量预测中的研究与应用

为减少矿井煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的发生,将井下瓦斯及时抽出是必要的,因此对瓦斯抽采量进行准确地预测愈发重要。在神经网络法、多元线性回归法等预测方法的基础上,根据瓦斯抽采量在时间效应下变化波动大的特性,提出了曲线拟合与分段函数组合法。此方法以瓦斯抽采量衰减为界将瓦斯抽采分为前、后2个阶段,根据实测数据作抽采纯量随时间变化曲线并对变化曲线进行拟合,根据拟合曲线列出预测瓦斯抽采量的计算公式,用于对抽采量进行预测。分别对九里山矿、古汉山矿进行后段抽采量预测与实际的比较,其中九里山矿得到后段预测值的最小相对误差为0.63%,最大相对误差为2.34%,古汉山矿得到后段预测值的最小相对误差为0.09%,最大相对误差为3.23%。表明曲线拟合与分段函数组合法对井下瓦斯抽采量预测是可行的,对井下瓦斯治理具有重要的意义。

定向长钻孔瓦斯抽采负压变化规律及监测控制技术研究进展

【意义】近水平定向长钻孔是煤矿瓦斯灾害防治的重要技术途径和有效手段,负压是影响定向长钻孔瓦斯抽采效果的重要因素。【进展】从孔内负压衰减机制与分布规律、瓦斯抽采参数监测技术、瓦斯抽采智能调控系统等3个方面系统总结了近水平定向长钻孔瓦斯抽采技术研究进展,其中在孔内负压衰减机制与分布规律方面,总结了负压对瓦斯抽采影响机制、负压衰减机制、负压分布规律等基础理论研究成果;在瓦斯抽采参数监测技术方面,基于不同原理,阐述了超声波式、激光式、孔板式、循环自激式等不同类型的孔口瓦斯监测仪器现状,以及以束管法为主的孔内瓦斯监测手段;在瓦斯抽采智能调控系统方面,介绍了瓦斯抽采智能调控理念与技术装备研究上取得的成果,以负压、流量、浓度等抽采参数为分析调控对象,基于智能算法与PLC控制技术,初步实现井下管网智能调控,提高了瓦斯抽采效率。【展望】指出当前研究存在定向长钻孔内负压变化规律不清、正负压耦合作用机制不明,缺乏孔内长距离的瓦斯抽采参数监测手段和瓦斯多参数监测方法,瓦斯抽采调控系统智能化程度低等不足。同时提出瓦斯抽采定向长钻孔研究的未来发展趋势,包括基于定向长钻孔特殊结构分析的负压抽采与正压扩散耦合机制、基于光纤传感的孔内瓦斯多参数监测系统、基于机器学习的瓦斯抽采参数精细调控方法等研究方向,为近水平定向长钻孔瓦斯治理工程设计、施工、抽采与效果评价提供支撑。

高位钻孔瓦斯抽采参数的优化

为防治综采工作面上隅角瓦斯超限,提高瓦斯抽采效率,以平岗煤矿为例对象,依据采动裂隙“O”形圈理论确定高位钻场及钻孔位置,采用COMSOL模拟软件分析钻孔参数对瓦斯抽采效果的影响,优化钻孔参数,并进行现场应用。结果表明:高位钻场位置为煤层上方20 m,钻场间距70 m,压茬长度不小于35 m,钻孔平距不大于37 m;钻孔仰角控制在-3°~6°,钻孔方位角控制在0°~16°,钻孔数量为4;现场应用表明,经钻孔抽采参数优化,抽采瓦斯纯流量由3.8 m^(3)/min提升至8.1 m^(3)/min;钻孔抽取瓦斯浓度由17.53%增加到45.99%,工作面上隅角瓦斯浓度由0.94%下降到0.33%,工作面瓦斯浓度由0.88%减少到0.27%,回风巷瓦斯浓度由0.83%下降到0.24%。

多场耦合条件下瓦斯抽采半径演化的数值模拟研究

为探究温度场、应力场、渗流场耦合条件下的瓦斯抽采半径演化规律,建立了孔隙率与渗透率方程、应力场方程和温度场方程,用于描述瓦斯抽采过程中多物理场耦合特性。采用COMSOL数值模拟软件模拟了不同抽采时间和温度条件下的瓦斯抽采半径的演化规律,并对比分析了三花眼与矩形布孔方式的瓦斯抽采效果。结果表明:抽采时间和温度对瓦斯抽采半径有显著影响,随着抽采时间的增加,抽采有效半径随时间呈现出前期快速增长,后期趋于平稳的趋势。高温煤层不利于瓦斯抽采工作的开展。矩形布孔方式下有效抽采半径为3.93 m,三花眼布孔条件下有效抽采半径为4.75 m,相比于矩形布孔方式可以大幅度提高瓦斯抽采面积。

以孔代巷瓦斯抽采工艺技术应用

为解决新源煤矿12214工作面上隅角瓦斯超限问题,考察了该工作面顶板岩性,研究了顶板裂隙带范围及其对采空区瓦斯流动聚积的影响,对瓦斯涌出量来源进行了分析,确定在不同层位施工一组共7个顶板高位定向长钻孔进行瓦斯抽采,并与一段高抽巷瓦斯抽采效果进行对比。结果表明:历经5个月回采,顶板高位定向长钻孔组与高抽巷平均抽采瓦斯浓度分别为17.24%、21.32%,抽采瓦斯纯流量分别为3.71、3.37 m^(3)/min,回采期间上隅角平均瓦斯浓度分别为0.42%、0.49%。研究表明,顶板高位定向长钻孔影响范围比高抽巷大,抽采瓦斯纯流量提高了10.09%,施工成本比高抽巷低,且施工效率更高,极大地缓解了高抽巷掘进速度对采煤工作面投产的制约,证明顶板高位定向长钻孔能够有效替代高抽巷进行矿井瓦斯抽采。

基于知识图谱、国标和评价通则的瓦斯抽采达标评判

在评价通则基础上,引入知识管理理论、知识图谱方法,更好地对标GB/T45001,是一个值得探索的领域。通过比较分析法与实例分析法发现:知识图谱、国标GB/T45001、评价通则三者,要素相似、流程相近、体系相通;对照国标GB/T45001,可以从要素角度增强安全评价指标体系的完整性;引入知识图谱,可以从流程角度增益安全管理的合理性;基于知识图谱,可以梳理瓦斯抽采达标评判指标体系中所涉及的流程,构建瓦斯抽采达标评判指标体系。该研究揭示了融合知识图谱、国标GB/T45001开展安全评价的基本原理,验证了根据此基本原理进行具体安全评价指标体系构建的可行性。研究成果有助于提高安全评价指标体系构建的科学性,同时为瓦斯抽采达标评判办法的修订完善提供理论依据。

高瓦斯矿井综合瓦斯抽采技术实施应用

为解决山西安泽玉华煤矿采煤工作面风排瓦斯量大的问题,实施应用了本煤层瓦斯抽采、采空区瓦斯抽采以及高位定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采等综合瓦斯抽采技术,大大提高了瓦斯抽采效果,彻底解决了采煤工作面回风流瓦斯浓度偏高的问题,为矿井安全生产提供了安全保障,为高瓦斯矿井瓦斯治理提供了有益借鉴。

象山矿井12506工作面顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术

针对象山矿井12506工作面钻孔服务有效周期较短,钻孔瓦斯抽采浓度和抽采量不稳定的问题,研究采用顶板定向长钻孔来代替原有的瓦斯治理措施。通过确定高位顶板裂隙带抽采钻孔的最佳层位和有效控制范围,制定顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术应用方案。现场施工表明,在顶板定向长钻孔的瓦斯抽采模式下,1号钻场的抽采效果显著提升,抽采浓度在4%~25%,整体抽采浓度为12.7%,抽采纯量达到12.29 m^(3)/min;同样,2号钻场单孔抽采浓度在17%~22%,整体抽采浓度为20.3%,抽采纯量达到19.74 m^(3)/min。工作面上隅角瓦斯浓度降至0.4%,有效遏制了上隅角瓦斯超限事故,为矿井提供更有效的瓦斯管控,确保矿井安全运营,抽采效果达到预期目标。

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。

基于Three.js的井下瓦斯抽采钻孔三维可视化系统研究

瓦斯抽采长期以来是我国煤炭资源开采的重要方面,而抽采钻孔的设计是其中的关键环节,为解决实际工作面形成废孔、无效孔过多问题,开发了基于Three.js的井下瓦斯抽采钻孔三维可视化系统,并在宽沟煤矿I010203综放工作面瓦斯抽放计划进行了工程实践应用,并根据φ94 mm、φ113 mm钻孔孔径以及抽采天数提供了多种瓦斯抽采方案。实验结果表明,该系统充分发挥了在线三维可视化优势,提高了井下瓦斯抽采钻孔的管理效率,促进了煤矿企业的透明矿山、智慧矿山建设。

液态CO_(2)-水蒸气循环冲击煤体增透及瓦斯抽采效果模拟

【目的】为解决液态CO_(2)煤层增透技术应用时煤层内部孔隙水受冷凝结为冰阻塞瓦斯运移通道这一问题,提出液态CO_(2)-高温水蒸气冷热循环冲击煤体增透技术。【方法】利用低场核磁共振仪、煤岩渗透率自动测试仪、接触角测试仪和三维CT扫描仪分析液态CO_(2)-高温水蒸气冷热循环冲击煤体渗透率演化规律。【结果和结论】结果表明:(1)液态CO_(2)-高温水蒸气冷热循环冲击煤体T2曲线面积随冷热循环冲击次数增加而增加。(2)煤体渗透率增量与液态CO_(2)-高温水蒸气冷热循环冲击次数指数相关,循环冲击次数增加,煤体渗透性和润湿性均增强。(3)液态CO_(2)-高温水蒸气冷热循环冲击次数达到12次时,渗流孔体积比例增加23.57%,渗透率增加0.009 3×10^(-3)μm^(2),接触角减小39.45°。(4)煤体渗透性与渗流孔体积比例、接触角相关,渗流孔体积比例与煤体渗透率正相关,接触角与煤体渗透率指数相关。基于实验研究结果,利用COMSOL软件数值模拟低温液态CO_(2)-高温水蒸气冷热循环冲击煤层工程现场应用。依据试验结果确定恢复到室温25℃时的有效作用半径为0.719 8 m,以此数据模拟矿井煤层瓦斯抽采,结果显示煤层温度与瓦斯抽采效率成正比。试验及模拟结果揭示了液态CO_(2)-高温水蒸气冷热循环冲击煤体增透技术的现场钻孔布置及瓦斯抽采运移规律,为该技术下一步现场应用提供参考。