勘探钻孔煤层瓦斯压力测试方法探讨

介绍了KZWY91 1 0 0 0型钻孔煤层瓦斯压力测定仪的结构及技术特征 ,通过对勘探钻孔中实际测试结果分析 ,概括了测试不同情况下压力曲线类型 ,研究了该仪器在测试中影响条件。

钻孔煤层瓦斯压力测试的方法研究

本次研究通过对前期大量钻孔瓦斯压力测试工作以及测试成果的总结,由钻孔煤层瓦斯压力测试原理引入,分析其瓦斯压力测试工作存在的几种影响因素,在前人的基础上,提出了钻孔煤层存在3中理论曲线,并结合实践工作中瓦斯压力测试成功曲线以及失败案例,对压力曲线进行一定的总结,分析了几种常见的压力曲线形成原因,为后期的钻孔瓦斯压力测试工作能否顺利进行提供一定的参考。

孔间距对深部煤层钻孔周围裂隙演化及封孔深度的影响

为提高深部低渗透煤层瓦斯的抽采效率和效果,最易实现的方法是缩小钻孔间距,但在实际应用中存在瓦斯浓度衰减快的问题。为剖析其本质原因,以某矿深部煤层钻孔为背景,采用ABAQUS软件对不同间距钻孔形成过程中的裂隙分布情况进行分析。结果表明:巷道松动圈裂隙带分布在巷道周围7.3 m范围内;钻孔施工后,钻孔裂隙区与巷道裂隙区发生叠加;钻孔间距为2、1、0.5 m对应的钻孔间裂隙沟通长度分别为8、10.5、17 m,裂隙沟通效应显著,形成了钻孔漏风通道。通过拟合发现,随着钻孔间距的减小,钻孔裂隙沟通面积的增量呈线性增加,而封孔深度呈指数增长。现场试验表明,当钻孔间距为0.5 m时,封孔深度18 m的钻孔比封孔深度为9 m的钻孔瓦斯纯流量增加1.65倍,有效提高了瓦斯抽采效果。

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。

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。

煤层钻孔内注入液氮过程中的传热传质规律及煤损伤分析

低温流体液氮向煤层钻孔内注入过程中的传热传质规律及煤损伤分析,是目前液氮在煤层增透领域应用中亟待研究的关键问题。通过利用流量计、内视镜、热电偶、质量天平和超声探测仪,可视化分析了液氮注入过程中煤钻孔内液氮的初始累积过程和液位状态变化,探究了不同注入速率下钻孔内液氮的实际液位、净液位和注入效率随注入时间的变化规律,并对3个不同时刻下的煤体进行超声损伤检测。研究发现,液氮初始累积时会在钻孔底部煤的交界面处形成明显的莱顿佛洛斯特效应,随着钻孔底部煤温的不断降低,辐射换热系数不断减小,进而蒸汽膜厚度随之降低。不同注入速率下,1 m长钻孔内液氮的净液位最大增加量均为35 cm左右,这意味着,向长钻孔内注入液氮时,应实施分段注入,仅增加液氮注入时间会造成液氮的浪费。实际液位与净液位比值的变化规律均为先降低然后趋于稳定,稳定状态下2者的液位比相近。不同注入速率下液氮注入效率随注入时间的变化规律,均为降低—升高—稳定—降低。低速注入速率下的液氮注入效率更高,提升注入速率后单位体积液氮所相变的氮气,在钻孔内换热时间更短、向钻孔外排出温度更低,进而增大了液氮损耗,使注入效率变低。超声波测试结果表明,液氮能够渗入裂缝内部,使裂缝两侧在冷冲击的作用下冻缩,增加原有的裂缝宽度并使缝尖受到裂缝两侧冻缩力的作用拉伸扩展变形,形成新的裂缝。

穿煤层钻孔定向水压致裂的数值仿真

选取鸡西城山煤矿现场实例,利用RFPA2D-Flow软件模拟了穿煤层钻孔定向水压致裂全过程.分析了应力、水压的分布与变化规律,研究了损伤区域、卸压区域的形成与扩展过程.对穿煤层钻孔定向水压致裂前后煤层瓦斯抽放过程中瓦斯抽放效果及压力分布进行了对比研究.结果表明,实施定向水压致裂后压裂孔与控制孔之间的卸压区成为主要的瓦斯渗流通道,使瓦斯抽放效果显著提高.

煤层钻孔失稳破坏的数值模拟研究

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,煤层钻孔失稳破坏机理研究是破解该难题的基础与关键所在。为此,本文基于钻孔力学模型,运用数值模拟方法,对煤层钻孔周围的应力场、位移场分布规律进行了分析与探讨,得出了钻孔的破坏形式。研究表明:煤层钻孔主要以剪切破坏为主,孔壁处呈"V"状破坏和小部分拉伸破坏,孔周煤体深部呈共轭的"X"状剪切破坏;钻孔周围应力环境、煤层瓦斯压力、外界人为影响为影响钻孔稳定性的主要因素。

基于Hoek-Brown准则的煤层钻孔失稳破坏类型数值模拟研究

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。为深入探讨煤层钻孔失稳机制,引入Hoek-Brown强度准则及地质强度指标GSI,在考虑孔隙率与渗透率动态变化特性的前提下,在弹塑性本构方程中引入塑性流动因子,使瓦斯渗流场方程含有体应变、煤岩体变形场方程含有瓦斯压力项,进而建立了基于H-B准则的含瓦斯煤流固耦合动态模型;采用COMSOL软件对模型进行解算,探讨了不同侧压系数条件下不同煤体结构煤层钻孔周围塑性区分布规律,并对煤层钻孔失稳破坏类型进行了划分。研究表明:无论在何种侧压系数条件下,孔周塑性区分布范围皆随GSI值的增大而逐渐减小,2者遵循幂函数关系;塑性区分布形状因侧压系数、GSI值不同而差别较大;当GSI值较小时,在不同侧压系数条件下,塑性区分别呈扇形、椭圆、"X"状分布;当GSI值较大时,塑性区分别呈圆形、"V"状、"平底锅"状分布;煤层钻孔失稳破坏类型分为应力控制型破坏、结构面控制型破坏、软煤中的喷孔破坏3类,分别发生在高应力硬煤中(60≤GSI≤100)、强度中等的煤体中(30<GSI<60)以及软煤中(0≤GSI≤30),失稳破坏的主控因素分别为应力、结构面力学性质、煤体力学性质及瓦斯内能。

顺煤层钻孔瓦斯抽采时空演化规律研究

为研究顺煤层钻孔瓦斯抽采效果与抽采半径、抽采时间的关系,基于渗流理论、气体状态方程及瓦斯含量计算方程,建立了本煤层瓦斯抽采时空演化规律数学模型,基于仲恒煤矿1320-11工作面的工程背景,采用Comsol数值模拟,得到不同抽采时间下单个钻孔径向范围的瓦斯压力分布,分析了抽采半径与抽采时间的动态变化关系,进而推导出瓦斯抽采时空演化规律对数函数关系式,进行了不同抽采半径条件下的钻孔瓦斯抽采对比试验,求算并验证了当抽采半径小于2 m或抽采时间在180 d以内时,瓦斯抽采时空演化规律函数关系式的合理性与正确性,符合现场实际抽采规律。

煤层钻孔周围应力场的分析与模拟

煤矿瓦斯灾害一直是世界采矿业中的重大灾害之一,瓦斯抽采是积极防治的有效措施.为了研究地应力等因素对煤层钻孔周围应力的影响,从理论上分析了煤层钻孔周围的应力情况,并利用UDEC数值模拟软件对晋煤集团寺河矿工作面埋深370 m直径为95 mm的钻孔进行数值模拟,通过研究其周围应力场的变化规律,分析了钻孔周围的地应力等各种因素对煤层钻孔周围应力场的影响.

煤层钻孔失稳机理研究进展

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。尽管众多研究者在钻孔施工装备及工艺的改进方面开展了大量卓有成效的工作,但因煤层钻孔失稳机理尚未完全揭示,钻孔成孔工艺缺乏理论支撑,上述难题至今仍未破解。从煤体结构判识及分类、含流体煤力学特性、失稳机理三方面入手,系统介绍了煤层钻孔失稳机理的研究进展,探讨了该领域亟待解决的问题;最后指出,含流体煤卸载过程中,煤层钻孔在流-固-应力耦合作用下的失稳破坏机制研究,是破解煤层深孔钻进难题的重点方向之一。

大直径煤层钻孔注水压裂防治冲击地压数值模拟

为消除冲击地压危险性,采用数值分析方法模拟大直径煤层钻孔注水压裂过程,分析单孔不同侧压系数和多孔不同布置方式下注水压裂效果.研究结果表明:注水使煤层大范围卸压,产生的大量裂隙削弱煤体应力,水的作用改变煤体的物理力学性质,有效防治冲击地压发生;裂缝扩展方向与侧压系数相关,随侧压系数增大,裂缝扩展方向由竖直方向转为水平方向;不同钻孔布置方式卸压效果不同,沿垂直方向四方布置卸压范围比单排布置和三花布置高出35.8%和31.3%,四方布置更适合于冲击地压矿井厚煤层开采,分析结果对冲击地压矿井安全开采具有重要指导意义.

煤层钻孔孔壁稳定性分析

为深入探讨高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层钻孔孔壁失稳问题,从而为钻孔成孔工艺提供参考与借鉴、提高部分高瓦斯和突出矿井的瓦斯治理效果,分析钻孔所处应力环境、煤体结构、孔隙压力、钻进速度等因素对孔壁稳定性影响。基于H-B准则、地质强度指标(GSI)与岩石断裂力学理论,建立Ⅰ类煤层钻孔孔壁失稳的力学判据,探讨Ⅱ-Ⅳ类煤层钻孔孔壁失稳的力学条件,并分析钻孔周围"三带(区)"内孔壁稳定性。研究表明:H-B准则可作为破坏准则来判定Ⅰ类煤层钻孔孔壁是否发生失稳破坏;而Ⅱ-Ⅳ类煤层钻孔孔壁需同时满足3个条件,即煤体发生强度破坏、裂纹在应力作用下逐步扩展和裂纹在瓦斯压力作用下继续扩展直至相互贯通,才会发生失稳破坏;此外,卸压带易垮孔,峰后应力集中带易喷孔、顶钻,峰前应力集中带的孔壁失稳破坏的概率较低。

顺煤层钻孔聚氨酯长距离快速封孔测压技术

顺煤层长钻孔采用聚氨醋封孔必须解决聚氨醋初始发泡时间、注入方式、封堵方式等关健工艺问题。通过在南庄12号煤层的现场试验，采用35 m封孔段长度、1： 1.25的聚氨醋黑白料配比、两堵一注封孔方式，侧得煤层瓦斯压力为0. 39～0.74 MPa，成功解决了顺煤层钻孔侧不出煤层瓦斯压力的问题，其最大侧值比瓦斯压力反演值低19.57%，说明聚氨醋封孔本煤层侧压仍存在技术难度大、侧值偏低等问题，但研究结果对于同类条件下瓦斯压力的准确侧定具有指导意义。

抽放瓦斯顺煤层长钻孔施工技术

介绍了抽放瓦斯顺煤层长钻孔试验情况。在试验中使用定向钻进技术施工了3个钻孔,有1个试验孔深度达509.03m,是目前国内最深的全煤层长钻孔,平均纯钻进时效24.4m/h。这些抽放孔的瓦斯涌出量均达到2.0～2.5m^3/min。

煤层干式钻孔粉尘质量浓度分布规律的数值模拟

干式钻孔过程中,风力排渣系统将钻屑沿钻孔环状狭缝高速排出,会产生高浓度粉尘.为有效地控制煤层干式钻孔粉尘污染,探寻影响粉尘分布的主要因素,确定出粉尘质量浓度较低的钻孔工艺参数配置,运用SolidWorks联合DesignModeler建模、Mesh划分网格、Fluent解算、CFD-Post后处理等手段,对不同边界条件下煤层干式钻孔粉尘质量浓度分布进行数值模拟,并与现场实测数据对比分析,两者基本吻合.研究结果表明:压风自环状狭缝喷出后速度急剧衰减,整体呈锥体分布,大颗粒钻屑喷出孔口后就地沉降,细小颗粒悬浮在空气中并随风流继续扩散;钻场内粉尘质量浓度沿程先急剧上升至一个最大值,后快速下降,再逐步缓慢降低;水平方向上,机道中央粉尘质量浓度最高、巷道中央次之、人行道中央最低;竖直方向上,粉尘质量浓度呈现出中间高、上下两侧低的分布规律;钻场风速、钻杆转速、供气压力、钻杆型式及钻孔类型是影响粉尘分布的5个主要因素;当钻场风速为0.5 m/s、钻杆转速为2 r/s、供气压力为0.8 MPa时,采用外平钻杆钻进斜平行预抽钻孔,可取得良好的减尘效果.研究成果可有效地指导现场钻孔作业和防尘装置研发.

煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔技术研究

确定了芦岭煤矿Ⅱ817工作面煤层预抽钻孔的合理封孔深度,揭示了煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔的作用原理,提出了煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔技术及工艺。研究表明,在突出煤层采取长距离压气带压注浆封孔技术,增加了封孔深度,采用注浆泵利用风力作用将封孔剂送入钻孔内密闭腔室,封孔剂膨胀时,其带压效应增加了封孔剂与孔壁的粘合度,并可渗入孔壁周围裂隙,阻隔外界空气的进入,显著减少孔内的漏风量。与原工艺相比,采用该技术后,瓦斯抽采浓度提高30%以上且维持高浓度时间较长,瓦斯抽采浓度衰减幅度小,显著提高了抽采效果。

全尺寸煤层钻孔稳定性的数值模拟研究

基于钻孔周围煤岩力学模型,建立全尺寸钻孔模型,运用FLAC3D进行数值模拟,模拟钻孔周围煤岩的应力、位移分布,并在试验地点进行效果检验。结果表明:钻孔周围煤岩剪应力呈"><"形状分布;钻孔孔壁顶部和底部位移较大,钻孔形状由圆形逐渐变成椭圆形;模型钻孔走向长度对模拟结果影响较小;采用区域措施消突效果考察,消突效果良好,钻孔孔壁稳定性较好。

钻孔流量法在本煤层钻孔抽采半径考察中的应用

为准确考察本煤层钻孔有效抽采半径,根据煤层瓦斯流动理论建立了钻孔瓦斯流量与时间的关系式,分析了在不同瓦斯赋存条件下进行试验考察的指标标准,并结合肥田煤矿为突出煤层开采的实际情况采用瓦斯含量和抽采率指标法确定抽采达标时间,最终得出抽采半径与抽采时间之间的相关关系为R=0. 7005lnt-2. 0749。考察结果表明:有效抽采半径随时间增加而增大,逐渐趋于极限有效抽采半径2m;抽采时间为37d、89d、168d、318d时对应的有效抽采半径为0. 5m、1m、1. 5m、2m。通过现场试验证明钻孔流量法可用于本煤层钻孔抽采半径考察。