低透气性松软煤层大孔径机械造穴及松动爆破综合瓦斯治理研究

针对单一煤层开采、煤层透气性差及瓦斯难以治理的问题,松河煤业公司采用大孔径机械造穴及松动爆破综合治理瓦斯技术,增加煤层低透气性松软煤层透气性、提高瓦斯治理难度,能高效治理煤层瓦斯及降低防突预测指标难度,降低瓦斯灾害事故,且施工时间和经济成本略有降低,可在同类煤层条件的矿井进行应用。

卸压条件下松软煤层水力造穴瓦斯治理技术及效果分析

为探究松软煤层切眼掘进过程中存在的瓦斯抽采效率低,瓦斯异常突出、瓦斯浓度频繁超限等问题,提出了松软煤层中上覆关键层分段水力压裂与煤层水力造穴相结合的立体瓦斯治理方法,借助COMSOL软件,分析了不同覆岩条件和水力造穴间距对于瓦斯抽采的效果。同时,基于山西某矿8003切眼工作面进行现场试验,验证了瓦斯抽采效果,有效解决了松软煤层掘进过程中瓦斯抽采效率低、瓦斯异常突出等动力现象频发的问题,整体提升了松软煤层掘进工作面瓦斯治理水平。

基于多场耦合数学模型的机械造穴数值模拟研究

通过构建机械造穴瓦斯运移应力场、渗流场及裂隙场多场耦合数学模型和几何模型,结合鹤煤九矿煤层参数,利用COMSOL多物理场数值模拟软件,针对不同造穴直径、抽采时间和造穴长度等参数下的瓦斯抽采运移规律开展了数值模拟,结果表明:首先,机械造穴可增大围岩的塑性区半径、煤层渗透率与孔隙率,扩大瓦斯抽采半径和影响范围,提高了煤层卸压增透效果,使抽采达标时间大幅缩短;其次,实施机械造穴工艺时,增加造穴长度对于增加瓦斯抽采有效影响范围优于增加造穴半径。该研究为煤矿井下现场实施机械造穴技术提供了科学依据。

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%。

低渗透煤层机械造穴卸压增透瓦斯抽采技术的应用研究

为解决低渗透煤层瓦斯抽采治理难题,以毛家庄矿8203工作面为工程背景,阐述了机械造穴卸压增透瓦斯抽采技术。在建立机械造穴卸压增透瓦斯抽采计算模型后,研究了钻孔造穴直径、钻孔间距及瓦斯抽采负压等参数对低渗透煤层卸压增透的影响规律。研究表明,钻孔造穴直径越大,煤层卸压增透效果越好,钻孔间距越大,影响范围越大,卸压效果随之降低,瓦斯抽采负压越大,对瓦斯抽采效果越好,但对煤层的卸压效果影响较小。应用此技术进行现场试验,抽采瓦斯效果良好,可为低渗透煤层瓦斯抽采治理提供借鉴。

顺层长钻孔水力造穴卸压增透瓦斯抽采技术研究

针对长平矿“三高、三多、三软、一低”的地质特征,拟采用顺层长钻孔水力造穴卸压增透技术对煤层进行改造,依托COMSOL数值模拟软件对水力造穴半径参数与抽采时间参数条件下的瓦斯压力分布状态进行分析,确定抽采参数。在3^(#)煤层开展工业试验进行对比分析,对水力造穴出煤量与平均抽采瓦斯纯量的内在机理进行探究。结果表明:0.4 m的水力造穴半径和90 d的抽采时间是最优参数,对比分析未进行水力造穴卸压的Z2钻孔与进行水力造穴卸压的Z1、Z3钻孔瓦斯浓度数据表明,Z1、Z3钻孔的浓度明显低于于Z2钻孔约8%~13%;瓦斯抽采纯量与出煤量表现为先上升后下降的二次函数关系,主要受煤层非均质性影响,坚硬区域煤层的渗透性较低,限制了出煤量与瓦斯的抽采效果,松软区域煤层中钻孔易发生塌孔或蠕变变形,从而限制了瓦斯的抽采效果。

我国煤层造穴增渗技术研究现状与进展

我国主要煤矿区主采煤层渗透率普遍较低,严重制约了井下瓦斯治理和地面煤层气开发效果的提高。煤层造穴是低渗煤层增渗改造的一种有效技术途径。对我国煤层造穴增渗技术研究现状进行了梳理和总结,重点介绍了水力造穴、机械造穴、空气动力造穴、爆破造穴4种造穴技术的发展现状,分析了各种技术的基本原理、装备组成、工艺流程、现场应用情况,总结了其适用条件和优缺点,并结合煤矿科技发展需求分析了煤层造穴增渗技术的发展趋势。

顺煤层钻孔水力造穴塑性影响半径的数值模拟

为确定顺层水力造穴钻孔的有效抽采半径,以黄岩汇煤矿为工程背景,基于瓦斯抽采气-固耦合模型,采用Comsol Multiphysics数值模拟方法,模拟分析不同造穴半径下钻孔周围塑性损伤情况,并以此确定了有效抽采半径与造穴半径之间的对数函数关系,综合考虑安全因素和现场施工条件,得出最优造穴半径为0.4 m时有效抽采半径为3.4 m;成果用于黄岩汇煤矿15117轨道顺槽单孔瓦斯抽采试验,为现场瓦斯抽采提供理论依据和数据支持。

巷帮钻场扇形钻孔水力造穴增透促抽技术研究

针对低透气性煤层煤巷掘进工作面掘进过程中瓦斯涌出量大的问题,采用数值模拟结合现场考察的方法,以中煤昔阳黄岩汇煤矿为工程背景,研究了巷帮扇形钻孔水力造穴增透促抽技术。结果表明:巷帮钻场扇形钻孔采用水力造穴增透技术后,越靠近巷道煤壁侧的洞穴周围瓦斯压力越低,水力造穴卸压增透效果越明显;随着洞穴逐渐靠近原始应力煤层区域,受原始煤层应力的影响,越接近原始煤层应力区域,瓦斯压力相对来说越高。经过水力造穴后,试验矿井造穴钻孔与未经过水力造穴的钻孔相比,抽采浓度和纯量分别提高了4.3倍和2.09倍左右;受造穴影响钻孔与未经过水力造穴的钻孔相比,抽采浓度和纯量分别提高了1.23倍和1.15倍左右。这些表明巷帮钻场扇形钻孔水力冲孔造穴能够对顺层钻孔煤层抽采瓦斯、卸压增透有着明显作用。

机械造穴增透技术在硬煤层穿层抽采钻孔的应用研究

针对当前焦作矿区低渗透硬煤层穿层钻孔水力冲煤效率低、影响区域瓦斯治理工程进度的问题,改进了两翼机械水刀造穴装置,利用不同水压控制活塞移动前端出水与机械刀臂打开,实现机械和高压水联合造穴。通过现场试验,考察机械造穴装置的造穴压力、造穴粒径、造穴影响范围、冲煤速度、冲煤效率、每米冲煤量等关键参数。结果表明,机械造穴冲孔的冲煤速度、冲煤效率和造穴影响范围均有所提高。

石门揭煤流态造穴钻孔技术研究与应用

传统揭煤工艺施工穿层钻孔预抽揭煤区域煤层瓦斯,采瓦斯时间长,单孔瓦斯浓度不高,钻孔流量小导致工作面抽采效率低,致使石门掘进进度缓慢,制约煤矿高质量发展。为了改善当前问题,实现安全高效快速揭煤,提出一种石门揭煤流态造穴钻孔技术。现场实践表明:该技术能够有效降低煤层钻孔工程量,降幅为58.19%,缩短揭煤周期至6个月,并将回风流瓦斯维持在标准范围内。

瓦斯抽采孔离心式机械造穴增透机制及装备研发

目前瓦斯抽采中比较成熟的机械造穴增透装置大部分需要以高压水(气)、连杆或者液压油缸等作为驱动刀臂开合的动力,在井下长钻孔中对动力设备要求较高。研制了一款利用钻杆旋转带动产生的离心力作为打开动力的离心式机械刀,通过调节钻杆转速来控制刀臂打开角度;根据初步试验及力学数值模拟分析,针对刀具整体结构、内部齿条、轴销、刀臂等薄弱部位材质进行优化。在山西某矿N1100回风巷进行了工业性试验,对比机械造穴和水力造穴施工时间及抽采纯量,验证了离心式机械刀结构设计的合理性和可靠性。结果表明:机械造穴试验孔达到了良好的造穴及抽采效果,该装备能够降低瓦斯抽采孔造穴增透对高压设备的依赖,单穴作业时间较水力造穴缩短近1/2,瓦斯抽采量提高了1.67倍。

煤矿井下机械造穴卸压增透装置研究与应用

为解决现有增透技术的局限性,研发一种新型机械造穴卸压增透装置,集打钻、造穴于一体,操作使用方便快捷,适用于各种硬度的煤层。通过对装置机构模型进行受力分析,得到驱动水压与刀臂展开角之间的关系。经过煤矿井下现场试验后,结果表明:机械造穴后钻孔瓦斯抽采浓度是普通水力冲孔钻孔瓦斯浓度的2.1倍,机械造穴钻孔平均瓦斯抽采浓度最高是普通水冲孔钻孔的2.4倍。实践应用表明,机械造穴措施使煤层卸压更充分,极大地增加了煤层的透气性,有效提高了煤层瓦斯抽采浓度,可以更好地消除煤层的突出危险性。

区域性顺层水力造穴卸荷增透特征及其影响因素数值分析

中国松软低透煤层广泛发育,煤与瓦斯突出灾害严重,而区域性顺层水力造穴技术在此类煤层瓦斯治理方面具有广阔的应用前景。然而,当前对区域性顺层水力造穴的卸荷增透特征及其影响因素的研究不足,严重制约了该技术的工程应用。鉴于此,以新元矿3号煤层区域性顺层水力造穴强化瓦斯抽采为工程背景,基于FLAC^(3D)有限差分软件、Fish编程语言及考虑塑性损伤的渗透率演化模型,对区域性顺层水力造穴过程中四周煤体的卸荷增透特征及其影响因素进行了数值分析。结果表明:区域性顺层水力造穴过程中,四周煤体发生卸荷损伤,煤体渗透率大幅度增加,最大可增加为初始渗透率的467倍;同时,煤体的卸荷增透效果与造穴半径、造穴长度、造穴间距和钻孔间距等因素密切相关;随着造穴半径和造穴长度的增加,单穴的卸荷损伤增透区域逐渐扩大,而造穴间距和钻孔间距的减小将导致相邻造穴洞室之间煤体发生叠加卸荷损伤,其增透效果也将进一步增强。

构造煤层水力造穴卸压增透瓦斯抽采技术体系与应用

构造煤层具有渗透率低、煤层强度较低、瓦斯含量较高等特点,易出现堵孔、喷孔等现象,直接导致该类煤层瓦斯抽采难度较大。为解决构造煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题,分析了现有煤层增透技术及优缺点,介绍了一种区域性水力造穴卸压增透技术,提出了水力造穴卸压增透瓦斯抽采技术体系,具体包括水力造穴钻冲装备、煤水分离和煤量计量系统、高低负压独立瓦斯抽采系统。以试验采区为工程背景,介绍并分析了现有煤层增透技术及其优缺点,研究提出了区域性水力造穴卸压增透技术,形成了以水力造穴钻冲装备、煤水分离和煤量计量系统、高低负压独立瓦斯抽采系统为主的区域性水力造穴卸压增透技术体系。现场试验等间距7 m、8 m、10 m、12 m以及变间距水力造穴方案,分析不同钻孔直径的抽采效果,对比分析单孔及组孔的瓦斯抽采效果。研究结果表明,采用变间距水力造穴卸压增透技术,有效保障了煤体卸压增透效果,解决“掘进-抽采”不均衡问题,为解决构造煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题提供一种新技术。

新元煤矿煤层机械造穴钻孔有效瓦斯抽采半径测定

为保障新元煤矿3号煤层钻孔瓦斯抽采效果,需要科学、合理地确定瓦斯抽采参数,而钻孔有效抽采半径是其重要的参数之一,直接关系到预抽钻孔布置和预抽时间的长短。采用残余流量法和初始流量法综合考察,确定了新元煤矿3号煤层机械造穴有效抽采半径。通过现场实测得出,采用残余流量法测试2组机械造穴有效抽采半径分别为3.5、4.0 m;采用初始流量法测定3号煤层在单孔抽出率为45.94%时,抽采60 d后,其机械造穴有效抽采半径为5.55 m。

水力造穴技术在增加高瓦斯煤层透气性方面的研究应用

水力造穴技术是指采用高压水射流冲出煤层中大量煤炭及瓦斯,形成若干较大的洞穴,使得洞穴周围煤层透气性增加,从而大大提高煤层瓦斯抽采效果。影响水力造穴技术应用效果的主要因素有造穴尺寸(包括造穴长度、直径、造穴间距)、施工工艺(包括前进式造穴和后退式造穴)和技术参数(包括造穴水压、造穴时间、出煤量)。同时,分析了该技术在各矿井的应用推广效果,发现不同矿井之间的应用效果存在较大差异,甚至同一矿井不同地点的应用效果也存在较大差异,说明水力造穴技术应用效果与很多因素有关,需要进一步研究。

深部煤巷两帮造穴卸压围岩主应力差演化规律及应用

常规钻孔卸压、松动爆破卸压技术对煤巷浅部锚固围岩带来一定程度的损伤,不能解决卸压与锚固之间的冲突。本文采用强锚和卸压协同控制技术来平衡上述冲突。采用数值模拟方法研究不同卸压参量对煤巷围岩主应力差的响应演化规律,确定合理的卸压关键参数并讨论各参量影响程度。研究结果表明:1)当造穴深度较小时,主应力差峰值带不能有效转移至深部围岩;当造穴深度较大时,巷帮主应力差峰值带呈双高峰分布,造成无效卸压;当造穴深度为10 m时,巷帮新主应力差峰值带向深部围岩转移7.5 m且并未损害巷帮浅部锚固区域功能。2)增加造穴长度不会导致造穴孔洞起端至巷道壁之间主应力差形状及量值改变,仅能造成第二主应力差峰值位置及量值改变,且第二主应力差峰值位置的迁移程度远大于其量值的增长幅度。3)当造穴排距大于5 m时,相邻造穴孔洞间将出现主应力差高峰区域,导致相邻孔洞间卸压不充分;当造穴排距小于5 m时,各造穴孔洞产生的主应力差低值区域将互相连通,在巷帮深部形成一条连贯的主应力差卸压带。基于上述煤巷两帮造穴卸压围岩主应力差演化的规律获得了造穴最佳参数并将其应用于工程实践,现场应用结果表明强锚和卸压协同控制技术可有效解决深部煤巷围岩持续大变形控制的难题。

顺层水力造穴卸荷增透机制及在掘进工作面瓦斯抽采中的应用

以新景矿3号煤层掘进工作面顺层水力造穴强化瓦斯抽采为工程背景,采用FLAC 3D数值模拟软件对顺层水力造穴的卸荷增透机制进行数值分析;研发出履带式钻冲一体化水力造穴装备,建立了高低浓度瓦斯抽采系统,并对顺层水力造穴技术在掘进工作面瓦斯抽采过程中的应用情况进行了系统性考察。数值分析结果表明,采用新技术后,造穴洞室四周煤体渗透率显著改善;造穴半径越大,造穴长度越长,煤体的卸荷增透区域效果越好。现场应用情况表明,采用新技术后,掘进工作面的瓦斯抽采效果显著改善,钻孔工程量降低了75.0%,平均瓦斯抽采纯量和平均瓦斯抽采浓度分别提高了4.6倍和1.5倍,巷道掘进过程中实测的钻屑指标K 1值和S值均显著降低。

底抽巷穿层钻孔阵列式水力造穴技术研究与工程应用

水力造穴工艺是改善煤体透气性、提高抽采效率、缩短达标时间、实现降本增效的有效方法,传统的水力造穴工艺难以实现高效性、安全性与经济性的高度统一。因此,为进一步提高水力造穴技术的实用价值,提出了阵列式水力造穴方法,该方法通过增加造穴射流孔个数,将传统“一孔多穴多次造”改良为“一孔多穴同时造”,并开展了工程应用。结果表明,阵列式水力造穴技术不仅可以提高瓦斯抽采效果,而且在造穴方面兼有高效、安全和经济等特征。