倾斜碎软煤层群煤层气协调开发关键技术-以艾维尔沟矿区为例

为了明确与倾斜碎软煤层开采条件相适配的煤与煤层气协调开发关键技术,基于倾斜碎软煤层群瓦斯难抽采与煤层群非对称采动特征,形成了与之匹配的非对称卸压时空协同“三孔四区五量”煤与煤层气协调开发模式,明确了非对称采动下煤与煤层气协调开发策略,阐明了井上下联合煤与煤层气协调开发时空协同机制。针对倾斜碎软突出首采煤层消突困难的问题,优化了倾斜碎软煤层下向长钻孔施工工艺,研制了钻头电磁波无线随钻测量系统,实现了更高精度的钻孔轨迹防偏。针对非对称采动区地面井防护缺乏针对性的难题,阐明了非对称采动覆岩卸压破坏时空演化特征,获得了非对称采动下覆岩采动裂隙演化特征,确定了倾斜煤层地面井井位安全位置,研发了能够兼顾地面井稳定性和抽采效率双因素的采动区地面三开套管结构。应用结果表明:时空协同的“三孔四区五量”模式能够实现煤层气高效抽采,保障倾斜煤层群的抽掘采接替平衡;倾斜煤层下向钻孔递进式抽采方式拓展了递进式抽采的应用范围,破解了倾斜煤层煤层气抽采过程中的时间不协调问题;优化后的采动地面井维稳结构能够适应非对称采动作用,实现了采动区地面井煤层气高效抽采。上述成果在新疆焦煤集团艾维尔沟矿区得到推广应用,初步形成符合艾维尔沟矿区主要高瓦斯矿区倾斜煤层特点的煤层气抽采关键技术和典型模式。

煤矿井下碎软煤层气动定向钻进技术与装备研究

【目的】我国煤层赋存地质条件复杂,碎软煤层分布广泛,高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井众多,目前采用钻孔瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的有效措施。碎软煤层常规回转钻进存在轨迹不可控、成孔深度浅、抽采盲区大,常规定向钻进卡埋钻事故多、成孔困难、钻进效率低等问题。【方法】系统阐述了煤矿井下碎软煤层钻进技术的发展历程与应用现状,研制了气动螺杆钻具、定向钻机、随钻测量系统、除尘泵车、空压机或制氮机、油雾润滑装置等组成的煤矿井下气动定向钻进装备,并配套开发了气动定向钻进工艺和筛管完孔技术等关键技术,解决碎软煤层定向钻进成孔难题,保障瓦斯抽采效果。利用该成套技术与装备在两淮、山西、贵州等地区煤矿进行的碎软煤层定向钻孔试验。【结果和结论】研究表明:(1)气动定向钻进技术是碎软煤层钻孔瓦斯治理的有效技术手段,其钻进深度普遍达到200 m以上,最大钻孔深度达607 m,且可有效控制钻孔轨迹在目标煤层中延伸,煤层钻遇率达90%以上。(2)现场试验表明,气动定向钻进成孔效果好、施工效率高,最大效率达到3 594 m/(台·月),有力推动气动定向钻进技术从小规模试验到大规模的工业化推广应用。结合此成套技术与装备的应用现状和煤矿安全高效生产对钻探技术装备的发展需求,提出煤矿井下气动定向钻进技术与装备的拓展应用方向以及向自动化、智能化和集约化方向发展的现实需求和必然趋势。

碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律模拟研究

针对碎软突出煤层瓦斯抽采效率低的问题,提出采用大直径钻孔抽采瓦斯以降低煤层瓦斯含量、预防瓦斯突出灾害。以瓦斯吸附运移、煤体变形和损伤的控制方程为基础,建立碎软含瓦斯煤层应力损伤—渗流耦合模型,反映瓦斯与煤层的耦合响应。利用COMSOL Multiphysics软件模拟研究碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律,分析钻孔附近损伤区域内瓦斯含量变化及不同钻孔间距的抽采达标情况,对大直径钻孔间距进行优化。研究结果表明:大直径钻孔周围煤体中出现了较大范围的损伤破坏区,其渗透率大幅度增高,使瓦斯能够快速从损伤区域的煤体内运移至抽采钻孔中,为碎软煤层瓦斯高效抽采创造了条件。确定钻孔间距6 m、孔径300 mm的大直径钻孔进行瓦斯预抽,煤层瓦斯含量小于6.2 m^(3)/t,满足抽采达标条件,同时可降低施工费用。

碎软煤层定向钻孔防瓦斯套铣打捞技术

针对碎软煤层定向钻孔套铣打捞,孔壁失稳塌孔造成瓦斯异常涌出的技术难题,提出了碎软煤层定向钻孔防瓦斯套铣打捞技术。在现有套铣打捞技术基础上,分析了碎软煤层套铣打捞孔内瓦斯异常涌出原因、涌出通道和涌出量,优化了套铣打捞钻具内抽采瓦斯管路系统,将套铣打捞过程中打捞钻具内积聚瓦斯进行抽采并卸压;开发了套铣打捞孔口密闭抽瓦斯系统和套铣打捞加杆防瓦斯装置,实现套铣打捞全程负压抽采、密闭排渣和密封加杆。利用该技术成功处理1起孔深362 m的碎软煤层定向钻孔卡钻事故,事故处理中通过打捞钻具内抽采瓦斯管路系统,实现了打捞钻具内积聚瓦斯的抽采和卸压,通过孔口密闭抽瓦斯系统和加杆防瓦斯装置,实现了孔口和打捞钻杆末端口涌出瓦斯的密闭抽采,整个打捞过程中未发生瓦斯超限事故。

煤矿极软煤层注水防尘技术应用实践研究

以A煤矿为例,介绍一种极软煤层注水防尘技术。通过该技术进行注水防尘时,需要根据煤矿极软煤层特点选择最佳的注水工艺,合理设置注水,并设计最佳的注水参数。通过该注水防尘技术的应用,可大大降低极软煤层空气中的粉尘率,提高降尘效果,有利于构建更加安全的井下作业环境,确认该注水防尘技术的应用价值。

三软煤层巷道过构造影响区围岩支护技术

文章以某矿21105运输巷过F31断层为工程背景,针对断层影响区因巷道围岩破碎、构造应力复杂等原因导致巷道围岩变形控制难度更大的问题,结合现场条件,构建以U型钢架棚支护为核心的围岩控制方案,并通过采用锚网索方式提高围岩稳定性、发挥围岩自稳能力。现场应用结果表明,21105运输巷支护完成围岩变形量在短时间内即趋于稳定,顶底板最大收敛量为66 mm,围岩变形不会影响采面后续生产。

三软煤层巷道过构造影响区围岩支护技术

围岩变形量大、支护难度高等问题是三软煤层巷道在地质构造影响区内面临的重大问题,也是矿井需要解决的现实问题。本文以21105运输巷过F31断层为例,对原支护方案(锚网索)运输巷围岩变形特征及存在问题进行分析,提出对断层影响区三软煤层的巷道支护技术方案。

浅部三软煤层巷道锚杆支护参数对比及优化

针对五举煤矿三软煤层工作面回采巷道围岩变形量大、底鼓严重问题,根据矿井实际地质条件,通过工程类比分析对巷道支护参数进行初步设计,并应用数值模拟对锚杆(索)具体参数进一步确定,进而对深埋软岩巷道支护方案进行优化。优化参数为顶板锚杆与帮部锚杆预紧扭矩不小于300N·m,顶板锚索与帮部锚索张拉力不小于200 k N。现场应用结果表明,高强度锚杆(索)及其合理配套与布置对改善应力分布,巷道围岩变形控制效果显著。

三软煤层条件下工作面浅孔注水钻孔设置方式探索

针对告成煤矿三软煤层生产过程中,煤尘比较突出、劳动作业环境恶劣和容易诱发煤尘事故等问题,在23041综采工作面进行了工作面浅孔注水伪斜钻孔设置方法的试验和探索,并将该方法与现用的注水垂直钻孔设置方法进行了对比试验。实践证明,工作面浅孔注水伪斜钻孔设置方法可减少综采工作面生产过程中粉尘的产生量,对促进安全生产具有重要意义。

三软煤层大采长、大采宽综采工作面贯通测量设计及贯通施测精度对矿山工程进度的影响研究

本文针对三软煤层大采长、大采宽综采工作面的贯通测量设计及其施测精度对矿山工程进度的影响进行了研究。首先介绍了研究背景和意义,指出了贯通测量对矿山工程进度控制的重要性。然后,详细描述了三软煤层大采长、大采宽综采工作面的概况,以及贯通测量设计的原理、方法和关键技术与流程。接着,对贯通施测精度进行了评价指标的提出,并分析了影响贯通施测精度的因素。同时,研究了贯通施测精度与矿山工程进度之间的关系,并提出了提高贯通施测精度的措施和误差计算的方法。最后,总结了研究结果并给出了未来的展望。

三软煤层托顶煤巷道支护技术

针对一矿井井下巷道施工中遇到的工程技术难题,采用钻孔触探法在巷道施工现场对煤层及顶板岩体进行了强度测试,并以工程现场调查为基础,定义了技术难题,分析了三软煤层托顶煤巷道的变形特征。针对三软煤层巷道在截割过程中顶煤冒落的难题提出超前管棚加固的控制方法,并配套采用双层加固、强护表预紧力扩散和平顶U型棚加固的方法形成成套的围岩控制技术开展工业试验。实践结果表明,该技术在三软煤层托顶煤巷道中能够有效控制围岩变形破坏。

赵家寨煤矿三软煤层巷道智能化掘进系统研究

智能化掘进对煤矿企业安全、高效、稳定发展具有重要意义。根据赵家寨煤矿三软厚煤层实际生产条件,对三软煤层巷道掘进工艺进行简要介绍,并分析得到原有工艺下存在人工定位安全性低和以点代面(采用巷道某位置的围岩条件及应力环境)进行支护方案设计的工程现状。基于智能掘进技术的理论思想,设计了三软煤层巷道智能化掘进系统,包括控制系统、截割系统和支护系统。根据巷道设计参数及实际实时监测前方巷道围岩性质,并将监测数据上传智能巷道围岩智能控制系统(采用理论计算、数值分析等传统手段,实时确定掘进位置处围岩变形速度及最终变形量),确定合理巷道支护方式,实现三软煤层巷道掘进过程的安全、高效、合理、经济。

碎软煤层双管定向钻具自动加卸系统关键技术与应用

为提高双管定向钻进钻孔施工时钻具加装和拆卸的自动化水平,提高装卸效率,开发一种双管自动加卸装置,实现不同工况下钻具的全自动装卸,解决双管定向钻进过程中钻杆和套管的同时加装和拆卸的技术难题,完成装置结构和控制系统的设计,运用末端柔顺技术,限制施工过程中装置承受的载荷,明确控制程序关键边界条件,制定不同工况下钻具自动装卸施工工艺流程。在安徽淮北矿业祁南煤矿展开工业性试验,试验顺利完成4个钻孔的施工,共进尺1170 m。试验过程中双管自动加卸装置运行平稳,能够满足不同工况下钻具组合的加装和拆卸需求。将原本需要2~3人密切配合才能完成的钻具组合自动装卸工作,变为依靠程序控制自动完成,钻杆和套管同时装卸和单独装卸平均效率较人工装卸分别提高了350%和110%,保证了双管定向钻进综合施工效率,减少了作业工人数量,降低了工人劳动强度,保障了施工安全。试验结果表明:双管自动加卸装置运行稳定可靠,施工工艺流程合理,装置各项性能满足双管定向钻进需求。研究成果为双管定向钻孔施工钻具的自动装卸提供了技术和装备支撑,为双管定向钻进技术在煤层气开采相关领域的推广应用奠定了基础。

碎软煤层气动定向钻进影响因素研究与应用

针对碎软煤层中存在的钻进困难、事故频发、成孔深度浅、难以满足瓦斯治理要求等问题,开展了气动定向钻进在碎软煤层中的影响机制及应用效果研究。借助气固两相流、达西定律等相关理论,划分了气动定向钻进煤渣运移过程中的压力损失类型,建立了碎软煤层气动定向钻进风压、风量的计算公式。分析了风压、风量的影响因素及其作用,编绘了地质参数、钻孔设计参数和钻进工艺参数在典型条件下的风压、风量关系图版。山西某矿气动定向钻进技术现场应用表明,利用本文方法计算的风压、风量结果与实际吻合程度高;采用图表法分析了理论风压、风量与实测风压及风量的误差,获得了各因素对风压和风量的影响权重,发现粒径和倾角是风压和风量的主要影响因素,密度和孔深对风压和风量影响较小。

丁集矿碎软煤层气动定向钻孔瓦斯治理技术研究与试验

为了解决丁集煤矿采用底板穿层钻孔进行碎软煤层瓦斯治理存在底板岩巷工程量大、成本高,常规回转穿层钻孔轨迹不可控,补孔多、钻孔工程量大的问题,提出利用气动定向钻进技术进行顺层瓦斯治理的新模式。针对丁集煤矿1212(1)工作面煤层瓦斯及地质特点,开展了构造挤压破碎带钻进技术、气动定向钻进技术、筛管完孔技术和封孔技术研究,利用ZDY6000LDB定向钻机及其成套装备在丁集煤矿1212(1)工作面运顺进行了I期现场试验,成功施工了48个孔深166 m以上的顺层气动定向钻孔,监测期间,瓦斯平均抽采浓度35.2%,累计瓦斯抽采纯流量达到734 382 m3,达到了试验预期。试验表明,该技术与装备能够满足丁集煤矿碎软煤层顺层瓦斯治理需求,为丁集煤矿安全高效生成、矿井降本增效提供了可靠的技术支撑,也为煤层条件类似矿井提供了新的技术借鉴。

多构造三软煤层回采巷道覆岩运动及控制分析

针对近距离多重滑动构造三软煤层回采巷道变形破坏严重支护困难的问题,采用相似模拟实验与现场调研监测相结合的研究方法,研究了多重滑动构造三软煤层回采巷道上覆岩层运动特征与回采过程中巷道围岩应力分布规律,提出了多重滑动构造三软煤层回采巷道基本支护方案。研究结果表明,在滑动构造影响下,上覆岩层随着工作面不断推进产生裂隙至裂隙叠加发展至不同岩体之间开始产生离层,随后呈台阶式下沉垮落;巷道顶板的初次来压步距为20 m,周期来压步距为15 m,顶板的最终破断形式为台阶式;巷道主应力为水平应力,应力集中出现在巷道的上下两帮,受滑动构造的影响,巷道围岩应力集中不均匀表现为上帮应力集中程度大于下帮;滑动构造影响下,巷道顶底板围岩破碎且围岩变形呈现明显的方向性,巷道上帮的变形量大于下帮;采用U型钢棚+锚索联合支护能够有效控制巷道围岩变形。

孤岛工作面碎软煤层跟管护孔钻进工艺研究

针对孤岛工作面高应力碎软煤层钻孔易卡钻、塌孔导致钻孔成孔难度大、瓦斯抽采效果差的问题,开展跟管护孔钻进工艺研究。选取王坡煤矿3206孤岛工作面作为试验地点,分析得出该工作面需要采用大转矩、高转速钻机,以增强钻具排渣效果及孔内事故处理能力,同时需要考虑高应力区段钻孔护壁工艺及孔内高效排渣工艺。提出采用跟管护孔钻进工艺过高应力区,以达到护壁效果;采用螺旋钻进氮气辅助排渣工艺,以增强排渣能力,降低钻进过程中煤炭自燃的风险;钻孔穿过高应力区后,通过优化钻具组合,进一步提高钻孔在碎软煤层中的成孔深度。现场试验结果表明:相比于直接采用回转钻进施工钻孔,采用二级护孔钻进工艺施工钻孔平均孔深提高149%,采用三级护孔钻进工艺施工钻孔平均孔深提高114%,说明跟管护孔钻进工艺比回转钻进工艺更适合3206孤岛工作面碎软煤层钻孔施工;插接式螺旋钻杆施工钻孔成孔率高于丝扣连接式螺旋钻杆,螺旋钻进氮气辅助排渣工艺的成孔深度明显大于干式螺旋排渣工艺;?100/63.5-28 mm插接密封式螺旋钻杆及氮气辅助排渣工艺最适合3206孤岛工作面瓦斯预抽钻孔施工,平均孔深为100.6 m,成孔率为80%,瓦斯抽采效果优于其他钻具及钻进排渣工艺。

煤矿井下碎软煤层完孔筛管相位角研究

筛管完孔技术是煤矿井下碎软煤层进行瓦斯抽采的重要技术措施。针对目前完孔筛管抽采效率问题和下入筛管特点,建立了筛眼在不同相位角下的物理模型,采用数值模拟方法,分析了筛管内部流体抽采速度及抗围压强度,当筛管筛眼相位角为60°时,未见涡流减速区,流速最大且抗围压强度满足需求,并在山西某煤矿进行现场试验验证。结果表明:下入筛眼相位角为60°筛管钻孔较下入普通筛管钻孔的瓦斯抽采效果整体提升了19%左右,研究结果对煤矿井下瓦斯抽采孔筛管结构参数优化提供了一定的参考意义。

近距离三软煤层(17#煤层)开采关键技术研究

一直以来,三软煤层开采都是制约煤矿安全生产和高质量发展的重大难题。贵州盘江精煤股份有限公司火烧铺矿结合17#主采煤层这一典型的三软煤层实际,组织技术骨干进行开采关键技术攻关,并将形成的井巷施工工艺及支护技术、“三机”配套及安全高效回采工艺、工作面及两巷围岩控制技术等成果应用于综采工作面,真正实现了17#煤层安全、高效、经济开采,为我国三软煤层开采工艺技术革新提供了“贵州精煤”方案。

三软煤层综采工作面超前异型上架钢棚支护技术

针对嵩山矿2200工作面运输巷后期受采动影响剧烈,断面收缩非常明显,需多次翻修等问题,以嵩山矿2200工作面运输巷沿空留巷工程条件为背景,使用36U型钢棚替代Π型钢梁支护,再以打设锁梁锚索,在顶梁两侧各施工1根锚索(?21.6 mm×5.5 m),配合卡缆前盖进行加固顶梁,36U型钢棚支护配合锚索+锁梁锚索为主要研究点,通过现场典型工业性试验印证支护技术是否先进,支护参数是否合理,并可运用工业性试验的反馈信息进一步优化巷道支护参数,找到嵩山煤矿工作面超前段最优支护参数,以便全矿推广应用。研究减少了维修巷道工程量,减少了围岩松动圈的扩大,维修费用具体减少了385万元,减少了一个替棚茬口,为采煤工作面上、下三角区顶板的控制创造了条件。