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。

下向钻孔水渣输运机制与高效抽采试验研究

为了解决煤矿下向钻孔水渣积存导致瓦斯抽采效果差的问题,基于水力排渣、压风排水的分步输运方式,提出下向钻孔高效循环排水排渣新思路,计算水渣输运关键参数,研发下向钻孔水渣输运抽采一体化装备,并在义安煤矿开展现场试验。结果表明:下向钻孔水渣输运抽采一体化装备能有效排出粒径8 mm以内的煤岩屑,无外来水补充10 min内可排净孔内积水;经过排水排渣作业后,抽采单孔瓦斯体积分数由0提高到60%~85%;钻孔内有外来水源补充时,可采用不定期排水排渣,延长钻孔高效抽采时间,通过长时间效果考察可知,抽采体积分数提高了2.8~12.6倍。研究表明,下向钻孔水渣输运抽采一体化装备能够高效排出下向钻孔内的水渣,完成排渣、排水、抽采3种作业状态的快速切换和循环作业,提高下向钻孔抽采效率,为下向孔水力化增透技术和瓦斯高效抽采提供技术保障。

基于多源数据的三维地质建模——以东莞市滨海湾新区为例

由于地质结构的复杂性、地质数据的多源异构性,复杂地质体的快速自动化建模一直是三维地质建模领域的研究难点。本文以东莞市滨海湾新区为例,使用MAPGIS 10.0软件,采用基于多源数据约束的钻孔自动建模和基岩产状下推建模融合的建模方法,并在区域分界面-基岩顶面的约束下实现第四系地质体与基岩地质体的无缝拼接,实现了复杂层状地质体的快速自动构建。对于建模区域第四系地质体的构建,采用针对层状地质体建模的多源数据约束钻孔自动建模方法,以钻孔为基础数据,采用不规则三角网构建第四系地质界面,同时加入地质剖面、地质图、数字高程模型等多源数据作为约束,弥补了钻孔分布的不均匀性,使建立的模型更加符合实际地质情况。对于浅层基岩地质体的构建,使用基于基岩地质图、断层和产状信息的基岩产状下推建模方法,在保证建模效果的前提下,提高了建模效率和自动化程度,并能准确地反映断层等地质现象。计算的实际孔与模型孔的地层厚度差值表明构建的三维地质模型精度较高,可为东莞市滨海湾新区城市地质工作提供重要的基础数据支撑。

煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术试验研究

为了研究煤矿上下行钻孔瓦斯抽采技术的适应性以及瓦斯抽采效果,在保德煤矿81309工作面开展了上下行钻孔瓦斯抽采技术现场试验。试验结果表明,在同等瓦斯治理效果条件下,上行钻孔抽采的平均瓦斯浓度、瓦斯抽采纯量、百米钻孔抽采量要比下行钻孔高;在相同抽采条件区域范围内,上行钻孔抽采瓦斯浓度比下行钻孔高1.134倍,上行钻孔抽采平均纯瓦斯流量比下行钻孔高1.296倍;在同等抽采、地质条件煤层区域范围内,上行钻孔比下行钻孔具有更好的抽采稳定性和抽采效果。试验研究结果将对煤矿瓦斯治理方案中优选上下行钻孔瓦斯抽采技术提供一定参考。

穿含水层下向钻孔瓦斯压力测定技术研究

针对赵庄煤矿8-1煤层下向瓦斯测压钻孔穿越2层灰岩含水层时,围岩松软、易破碎、易垮落,难以成孔,真实煤层瓦斯压力难以测定,通过分析穿含水层钻孔各封孔方法的适用条件,结合赵庄煤矿实际地质条件,在同一测压地点布置2个测压钻孔,1号钻孔采用全孔注浆-二次扫孔-注浆封孔方法进行封孔测压,结果未能成功堵水,测得水压0.98 MPa;2号钻孔采用双套管带压注浆封孔方法进行封孔测压,经试验,该方法较好地封堵了含水层裂隙、支固松软围岩,准确测得8-1煤层原始瓦斯压力为0.40 MPa。

基于压力恢复曲线的富水煤层瓦斯测压结果修正

为了探究下向孔内水对煤层瓦斯压力测定结果的影响,提出了基于瓦斯压力恢复曲线的富水煤层测压结果的修正方法。通过对测压钻孔周围瓦斯压力和水压力曲线分布的分析,发现测压钻孔内瓦斯压力恢复曲线为双曲线形,水压恢复曲线为直线形。针对不同形态的恢复曲线可以用此法剔除钻孔内水压对测压结果的影响,得出煤层瓦斯压力的真实值。在平煤一矿丁6煤层进行现场应用,并根据朗格缪尔公式反演出的瓦斯压力与修正压力进行对比分析,结果表明两者平均误差为0.08MPa,满足实际使用的精度要求,验证了此方法的可靠性。

倾斜煤层瓦斯测压穿层钻孔设计参数计算方法

为了准确确定穿层测压钻孔参数,以宏远煤矿15号煤层巷道及其高抽巷为原型,建立了穿层测压钻孔的几何模型,根据模型中穿层测压钻孔与倾斜煤层的空间层位关系,探讨了伪倾角对钻孔长度计算的影响,并得出钻孔长度和岩孔段长度计算的几何公式。基于Excel数据处理软件,编写穿层测压钻孔长度计算程序,发现理论长度与实际长度的误差不大于1 m,验证了计算公式的准确性,说明采用该计算公式可以提高设计效率和现场施工的准确性。

寺家庄矿下向穿层钻孔有效抽放半径研究

文章介绍了瓦斯抽放钻孔有效抽放半径的测试方法,并通过采用压降法确定了寺家庄矿下向穿层钻孔的有效抽放半径,为抽放钻孔的设计提供了科学依据,提高了区域防突措施的有效性。

下行超深钻孔快速测定煤层瓦斯压力技术

通过对下行孔测压的封孔方式分析研究,研制出一套用于下行超深钻孔测压的瓦斯压力测定仪。分析了下行孔测压仪的结构组成、工作原理,在实验室对密封装置的各个部件进行检漏试验,证明了该封孔装置具有良好的密封效果。在花秋二矿采用下行孔测压仪进行了煤层瓦斯压力测定研究,提出一种采用高压注浆结合下行孔测压仪的技术方法。

多孔并联式压风排水技术的研究及其在瓦斯抽采中的应用

针对下行钻孔在瓦斯抽采过程中积水排出难和排水效率低的问题,提出了一种多孔并联式压风排水技术。根据两相流理论得出压风排水适用的条件及排水管在钻孔内的最大允许长度,设计了基于"压风排水"的下行钻孔封孔工艺和多孔并联式的排水系统。在余吾煤业公司S2107高抽巷的应用表明:试验钻孔瓦斯抽采浓度最高可达71%,单孔平均瓦斯抽采纯量为0.078 m3/min,单孔平均瓦斯抽采纯量与普通抽采孔相比提高了3.39倍。该技术不仅解决了下行钻孔内积水难以排出的问题,还实现了封孔、排水和瓦斯抽采的一体化,提高了瓦斯抽采效果。

下向穿层孔水力割缝施工工艺研究与应用

针对常规下向穿层钻孔松软煤层卸压、增透和抽采效果差的问题,优选了下向穿层钻孔水力割缝配套装备,研究了下向钻孔水力割缝施工流程、工艺和下向钻孔"分组分排吹"的排水排渣工艺。在潘三煤矿1672(1)运输巷进行了60个下向穿层水力割缝钻孔的效果考察。应用结果表明:水力割缝后煤孔段等效直径增大至370 mm,钻孔煤壁暴露面积比未割缝的钻孔增加了2.3倍;水力割缝钻孔百孔抽采瓦斯纯量达0.5~0.7 m^3/min,比未割缝钻孔的百孔抽采纯量提高了70%以上;下向钻孔"分组分排吹"的排水排渣能有效排出水力割缝残留在孔内的煤(岩)渣和积水,为钻孔抽采提供有利条件,下向穿层钻孔水力割缝技术为煤矿下向孔条带抽采消突提供了有效手段。

下向钻孔抽采被保护层煤巷条带瓦斯的工艺技术研究

针对皖北矿区祁东煤矿中近距离上保护层沿空留巷开采时被保护层煤巷条带瓦斯抽采问题,采用理论分析、现场试验等方法,研究了下向抽采钻孔的排渣、成孔、护孔、封孔、排水等工艺,并进行了下向钻孔排水工艺、瓦斯抽采效果考察,总结出瓦斯抽采、钻孔排水等成套技术。

突出煤层群多次采动对底板穿层钻孔瓦斯抽采的影响

为揭示突出煤层群多次采动对底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采效率的影响,利用Flac软件模拟分析沙曲二矿3、4、5号煤层下行开采过程中底抽巷顶板煤岩层卸压特征和围岩塑形区扩展特征,并现场实测钻孔瓦斯抽采效率。研究表明:3号煤层采动引起底抽巷顶板煤岩层卸压程度达59%以上,卸压作用最为显著,对钻孔瓦斯抽采浓度与抽采纯量的提升幅度最大;随着采动叠加作用影响,卸压程度减小,提升幅度也减小;4号煤层开采期间底抽巷顶板围岩塑性区范围扩张达到3.1 m,超过钻孔封孔长度,钻孔瓦斯混量开始逐渐增大,随采动次数增加,顶板围岩塑性区范围进一步扩展,钻孔瓦斯混量呈现逐步增大趋势;多次采动作用下钻孔瓦斯抽采体积分数和抽采纯量总体上呈逐渐下降趋势。

深井强突出煤层揭煤下向钻孔瓦斯抽采成套技术

为解决顾桥矿-943—-1 000 m北翼二水平回风斜巷及深部进风井井筒在穿过6煤时的瓦斯涌出异常问题,针对深井存在的煤层松软、透气性低、地应力高、瓦斯压力和瓦斯含量高等特点,提出在顶板巷施工下向穿层钻孔,配套使用掏穴、全程套管跟管钻进、快速封孔等工艺,并进行了现场应用。结果表明:回风斜巷揭6煤措施孔共抽采瓦斯17.2万m3,揭煤区域预抽率45.3%,揭煤区域原始瓦斯压力5.18 MPa,残余瓦斯压力0.22 MPa,原始瓦斯含量10.24 m3/t,残余瓦斯含量5.06 m3/t,残余瓦斯压力和瓦斯含量均未超过国家规定和该矿区的临界值。该技术也成功应用于深部进风井井筒揭6煤,大幅度缩短了工期,实现了深井强突出煤层的安全高效揭煤。

基于卸压开采的下向穿层钻孔抽采瓦斯技术

为了实现下伏被保护层的卸压瓦斯抽采最大化，本文提出了保护层开采采用“Y”型通风沿空留巷技术，同时配合下向穿层钻孔的立体式抽采瓦斯技术，优化确定了下向钻孔的技术参数、施工时间、粉尘防治等工艺难题。工程实践表明，下向穿层钻孔单孔抽采瓦斯纯量可达0．2m^3/min，最大约0．45m^3/min，浓度高达60～90％，高效稳定时间约20～30d，可实现卸压瓦斯的抽采最大化。

软弱泥岩巷道底板下向钻孔锚注加固技术研究

针对厚层软弱泥岩巷道底鼓控制难题,结合顺和煤矿西翼轨道大巷工程地质条件,对比分析了巷道帮顶注浆加固原理和底板注浆加固原理,提出了软弱泥岩巷道底板防止钻孔塌孔的下向深孔施工技术,根据等效开挖的概念确定了合理的底板注浆加固深度及锚注孔间排距参数。结果表明:厚层软弱泥岩巷道采用7.5 m长的底板锚索进行下向深孔注浆加固较为合理,注浆孔排距取2.5 m,间距取1.3 m的效果较好。由于底板浅部岩层软弱破碎程度高,下向一次深孔的难度极大且成孔效果差。先对浅部破碎岩层进行浅孔预注浆,滞后一定时间再进行下向深孔注浆,能够有效降低软弱泥岩巷道下向钻孔的施工难度并提高成孔效果。软弱泥岩底板锚注加固技术在顺和煤矿取得成功应用,巷道底鼓问题得到了有效控制。

下向穿层钻孔条带预抽瓦斯技术研究

针对潘三矿17181(1)运输顺槽面临的煤与瓦斯突出问题,结合11-2煤层透气性系数低、裂隙水发育等特点,为提高穿层钻孔条带预抽效率,运用掏穴增透和深孔松动爆破进行增透的同时,通过采用钻场注浆防水,钻孔自动排水等措施,降低水对穿层钻孔条带预抽煤巷瓦斯的影响。通过效果考察对比,结果表明:抽采69天后,累计抽采瓦斯14.91万立方,抽采率达到51.5%,平均抽采浓度35%,百孔抽采纯量1.2m3/min,能够达到条带预抽瓦斯消突的目的。

巷道下向小孔径锚固孔钻进产渣特征及高效钻头设计

煤矿巷道下向锚固孔钻进是巷道围岩锚固控制的重要环节,成孔质量与锚固效果成正比。长期以来,小孔径下向锚固孔排渣困难是高质量快速成孔的瓶颈问题。因此,为了降低钻渣生成尺寸,提高排渣效率,利用理论分析、数值模拟、实验室实验及现场测试相结合的方法,研究了现有PDC两翼式钻头产渣尺寸及其周边钻渣运移特征,研发了一种小孔径下向锚固孔高效破岩钻头,优化了钻头进出液通道尺寸,并对设计钻头工作性能进行了分析验证。结果表明:现有PDC两翼式钻头在钻孔底部均会形成中心岩柱结构,其尺寸随钻头刀片间距的增加而增加。中心岩柱是大尺寸钻渣的主要来源,中心岩柱尺寸越大,产生的粒径>2.5 mm的钻渣平均尺寸也越大。改变刀片结构,消除孔底中心岩柱,可降低钻渣生成尺寸;现有钻头结构会造成钻渣局部聚集,导致钻渣上返能量损失;设计的高效破岩钻头因其结构优势较普通钻头更能够减少液渣混合流的能量损失,使钻渣具有更高的上返速度,更有利于钻渣顺利排出;高效破岩钻头的主副刀片会使钻孔底部形成平台结构,保证了孔底岩石均为切削破坏,消除了孔底中心岩柱,使钻渣平均尺寸明显低于其他类型钻头,也具有更高的破岩效率;现场试验结果表明,高效破岩钻头有效降低了钻渣生成尺寸,具有更高的成孔速度及排渣效率,工作性能良好。

五虎山煤矿010910工作面下隅角瓦斯治理

针对五虎山煤矿010910工作面下行通风条件下,现有瓦斯治理技术对采空区瓦斯治理不彻底,造成工作面下隅角瓦斯频繁超限的问题,在分析了工作面瓦斯涌出来源及下隅角超限原因的基础上,选取大直径钻孔抽采、高位钻孔抽采等瓦斯治理技术,解决了工作面下隅角瓦斯超限问题,确保了该工作面的安全高效回采。

下向瓦斯抽采钻孔自动排水技术试验及装置的开发

针对矿井在采用下向钻孔抽采瓦斯过程中,由于岩石和煤含水多,钻孔内的积水无法有效地排出抽采通道的问题,开发设计了1套下向钻孔抽采瓦斯自动排水工艺及装置。介绍了该工艺及装置的技术特点、工作流程,并在兴山煤矿进行了现场试验,结果表明:该工艺解决了下向钻孔积水后瓦斯抽采效果较差的难题,提高了下向钻孔瓦斯抽采效率,减少了抽采巷道和钻场工程量,提高了瓦斯抽采钻孔利用率。