Numerical simulation and experiment analysis of improving permeability by deep-hole presplitting explosion in high gassy and low permeability coal seam

Created a new damage model for explosive for LS-DYNA3D,taking advantageof the Taylor method aimed at the high gassy and low permeability coal seam,and numericallysimulated and analyzed the deep-hole presplitting explosion.The entire processof explosion was represented,including cracks caused by dynamic pressure,transmissionand vibration superposition of stress waves,as well as cracks growth driven by gas generatedby explosion.The influence of the cracks generated in the process of explosion andthe performance of improving permeability caused by the difference of interval between.explosive holes were analyzed.A reasonable interval between explosive holes of deepholepresplitting explosions in high gassy and low permeability coal seams was proposed,and the resolution of gas drainage in high gassy and low permeability coal seam was putforward.

煤层顶板间接压裂裂缝扩展机制及影响因素

碎软低渗煤层在我国普遍发育,制约煤层气单井产气量提高和产业发展。间接压裂是通过在邻近层产生垂直裂缝沟通煤层进而实现煤层有效改造的一种压裂方式,可以有效应对钻井塌陷、煤粉产出、压裂液滤失和煤层厚度薄等不利因素。通过间接压裂物理模拟试验和扩展有限元数值模拟分析,揭示煤层顶板间接压裂裂缝扩展影响因素,明确裂缝扩展机制,以期为间接压裂技术提供指导。通过直接压裂煤层和不同起裂位置、垂向应力和施工排量影响下间接压裂试验表明,起裂压力高,更易产生长裂缝,且受原生裂缝影响程度减小;但起裂点距离煤层越远,起裂所需能量越大,高破裂压力会对煤层造成粉碎性破坏;大施工排量下,起裂压力对应升高,起裂时间变短,原生裂缝影响程度变小。考虑地应力、起裂位置、岩石力学和施工排量等参数的数值模拟结果显示,在模型参数设置条件下,最大水平主应力和垂向应力差在<4 MPa,煤层与顶板有效应力差>3 MPa、弹性模量差<15 GPa的地层和岩性组合适合间接压裂,起裂位置距离煤层最优距离为<6 m,施工排量需要根据力学性质、断裂能密度等参数确定最优范围。

松软煤层底板爆破致裂增透模拟试验研究及应用

针对松软煤层爆破增透钻孔施工困难,爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实的问题,提出在底板岩层开展爆破作业,达到松软煤层增透进而增加瓦斯有效抽采时间的目的。为了监测跨界面应力波传播规律及煤层损伤状况,在实验室构建了物理模型并开展了煤层底板爆破相似模拟试验。同时使用数值模拟的研究方法对煤层底板爆破过程中煤、岩体内部的损伤及裂隙的演化过程进行补充。结果表明:松软煤层底板爆破裂纹沿爆破孔向四周岩体扩展,爆破孔位置和底板煤岩交界面以及煤层内部的破坏较为严重,产生跨界面损伤裂纹。爆炸应力波从松软煤层底板岩层传播到松软煤层时,岩体和松软煤体的交界面产生透射压缩应力波和反射拉伸应力波,透射波作用于松软煤体,使煤层裂隙增加;反射波反作用于岩体,在煤岩交界面形成交叉裂纹,使底板岩层裂隙和松软煤层裂隙贯通,有利于松软煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。潘一东煤矿现场应用表明,煤层底板爆破增透后瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升,抽采纯量从0.06 m^(3)/min提高到1.46 m^(3)/min,增加了23.33倍;瓦斯浓度从爆破前的10.46%上升到45.50%左右,增加了3.34倍,并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部松软煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

三软煤层沿空留巷顶板结构模型及合理支护研究

为了揭示三软煤层沿空留巷围岩变形机理,探索适用于三软煤层巷道围岩控制的新技术,通过切顶沿空留巷物理相似模拟实验,研究了不切顶普通支护、切顶高强支护和切顶普通支护3种条件下顶板岩层断裂演化过程,构建了三软煤层切顶留巷顶板结构力学模型,给出了支护阻力计算方法,在韩城矿区象山煤矿进行了现场工业性试验验证。研究表明:切顶技术切断了顶板的应力传递,巷内采用高强支护,使顶板形成稳定的“短悬臂-砌体梁”结构。现场监测结果显示,不切顶普通支护的留巷顶底板平均移近量1000~1200 mm,两帮平均移近量600~700 mm;切顶高强单体支护的留巷顶底板平均移近量200~300 mm,两帮平均移近量200~300 mm;切顶组合式支架支护的留巷顶底板平均移近量50~100 mm,两帮平均移近量100~200 mm。组合式支架高强支护能够较好地控制三软煤层沿空切顶留巷围岩变形,可实现留巷二次复用无返修。

深部高瓦斯煤层爆破致裂增透裂纹扩展规律研究

针对深部高瓦斯煤层在地应力作用下爆破增透时裂纹扩展规律尚不明确的问题,首先根据爆破应力波的传播和叠加,从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律;然后通过室内试验研究了不同地应力条件下单孔爆破裂纹扩展特征,在此基础上,对不同侧压系数下双孔爆破裂纹扩展机理以及贯通过程进行数值模拟研究,并结合ImageJ图像识别软件和LS-Pre-Post软件,以裂纹密度和扩展长度为量化指标表征地应力对裂纹发育程度的影响;最后根据室内试验和数值模拟研究结果,给出考虑地应力影响下的煤层爆破致裂增透爆破孔布置方案建议。单孔爆破室内试验结果表明:地应力可以减小爆破荷载引起的拉应力,从而抑制裂纹扩展;在非静水地应力条件下,与较大主应力方向正交的拉应力受到削弱,导致该方向的裂纹扩展受到抑制,使裂纹优先向高应力方向扩展;双孔爆破数值模拟研究结果表明:侧压系数不为1时,爆生裂纹扩展呈现出方向性,主裂纹倾向于向较高地应力方向扩展,造成爆破裂纹区域呈椭圆形,长轴和较大地应力方向一致。根据室内试验和数值计算结果,在深部煤层进行爆破致裂增透时,宜沿较大地应力方向钻孔,有利于提高爆破致裂增透效果。研究成果对深部高瓦斯煤层爆破增透时了解裂纹扩展机理以及优化炮孔布置方案具有指导意义。

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。

松软厚煤层超高巷道围岩失稳因素分析与控制技术

安阳主焦煤矿2301综放工作面回风巷沿煤层顶板布置,但在回采过程中,存在上端头三角煤损失和巷道底板煤层无法回收问题。为此,提出了回风巷超前底煤回收工艺,但面临着超前超高回采巷道围岩控制问题。支承压力高、煤体软弱、巷道超高和超前架反复支撑等因素导致超高巷道变形严重;结合回收底煤工艺和巷道变形破坏特征,提出了主被动联合支护、强化巷帮支护的控制策略和强力锚网索+超前超高液压支架联合支护方法。采用离散元数值模拟方法,分析了不同支承压力下巷道围岩塑性区、位移和应力场分布特征,验证了支护方案的合理性。现场工业性试验表明,补打锚杆、强化超前支架护帮等措施,能够有效控制巷道片帮现象。采用超高巷道围岩控制方法可多回收煤炭资源2.44万t,直接经济效益2.19亿元,具有较强的技术经济前景。

高应力软弱厚煤层沿空巷道矿震风险控制

矿震是深部高应力回采巷道失稳的重要原因,以余吾煤业N2106回风巷为例,开展了高应力软弱厚煤层沿空巷道矿震风险控制研究,研究结果表明:(1)巷道对回采扰动的敏感性极强,最大影响范围为397 m。(2)大能量微震事件密集分布于巷道煤柱帮侧围岩,巷道底煤和两帮是容易出现破坏的部位。(3)巷道失稳破坏的临界应力条件为18.41 MPa,单位长度巷道煤体释放能量为2.29×10^(6)J,顶板释放最大能量为8.6×10^(7)J。(4)提出采用应力和能量的协同控制策略对矿震进行防治设计。

金达煤业9、10号煤层耦合高应力场回采巷道支护研究

金达煤业9、 10号煤层属于近距离煤层,上覆9号煤层基本采空,9号煤层的开采活动导致10号煤层顶板的完整性受到了严重的破坏,由于9号煤层开采形成的保护煤柱在其底板的一定范围内形成了集中应力,从而导致10号煤层工作面顶板极易冒落,且支护困难。因此,针对近距离煤层的开采,探讨了耦合高应力场的巷道支护方式及其参数,提高了矿井生产的安全性。

松软煤层水力割缝缝槽形态控制技术研究及应用

为解决松软煤层(f>0.2)超高压水力割缝期间缝槽发育难控制、易垮孔等问题,通过理论分析手段,分析了割缝缝槽周围煤体应力分布规律,获得了割缝缝槽周围煤体塑性区分布影响因素。研究了高压水射流破煤规律,得到了影响割缝缝槽形态的主要因素为割缝压力、喷嘴直径及煤体自身硬度。提出了基于松软煤层特点的超高压水力割缝缝槽形态控制技术,获得了控制松软煤层缝槽深度、宽度以及发育速度的关键参数为割缝压力、喷嘴直径及压力调节速度。通过现场应用表明,针对松软煤层其缝槽形态控制合理参数为:割缝喷嘴直径2.5~3.0 mm,割缝压力70 MPa,割缝调压间隔3~5 min。验证了松软煤层水力割缝缝槽形态控制技术适用性,可效提高松软煤层水力割缝施工成功率及安全性。

某综采工作面松软煤层开采矿压显现规律分析及控制措施

顶板松软的巷道极易出现岩层破碎下沉、煤壁片帮和支架压架等严重问题。为解决松软巷道围岩破碎和支护方案不合理等问题,对某煤矿4156综采工作面开采过程中的应力显现进行研究。采用现场实测的方法,对回采进程中支架实时观测到的载荷及围岩形变量进行分析。研究结果表明,在倾角影响下位于工作面上部支架的载荷明显小于工作面下部;受到超前采动应力影响的巷道出现严重收缩,结合围岩形变趋势得出超前采动应力影响范围,并提出具有针对性的加强支护措施。研究结果可为相似地质条件下煤层开采巷道支护及支架选型提供参考,同时可保障工作面安全高效开采。

碎软煤层高速螺旋钻探装备研制与实践

针对王坡煤矿碎软煤层钻孔施工排渣难、事故率高、成孔难等问题,设计了高转速履带式钻机、配套螺旋钻杆及三角梯齿钻头,能够有效地解决在钻进过程中出现的卡钻、塌孔等问题。现场工业性试验表明,该套钻探装备有效解决了施工过程中存在的排渣难、喷孔顶钻等问题,提高了钻孔成孔率,为矿井本煤层瓦斯抽采提供了重要支撑。

高应力软岩巷道非对称变形规律及围岩控制技术研究

为了缓解高应力软岩巷道围岩变形严重的问题,以西部某煤矿区某软岩巷道为研究对象,在分析其工程地质概况的基础上,开展了高应力软岩巷道非对称变形规律及围岩控制技术研究,分析了煤层倾角对巷道非对称变形规律的影响,提出了采用改性树脂类注浆材料进行注浆加固的围岩控制方案,并进行了现场应用。结果表明:煤层倾角的变化对巷道顶板、底板及左右两帮的位移量影响较大,进而使巷道产生非对称性变形的现象;改性树脂类注浆材料能够显著提升目标高应力软岩巷道岩石的强度,起到良好的加固效果;目标高应力软岩巷道采用注浆加固措施60 d后,顶板、底板及左右两帮的位移量均比较小,围岩巷道变形现象得到了较好的缓解,现场应用效果较好。

高应力区软岩煤层巷道掘进支护优化

基于长平煤矿53101巷掘进期间受地质构造应力影响,围岩出现破碎、巷帮垮落现象,分析了围岩破碎机理,对垮落巷帮采取柔性注浆加固技术,对顶板采取“桁架锚索+L型拉棚+梯形钢棚”联合支护,从现场实际应用效果来看,通过对巷帮及顶板采取联合支护技术后,提高了巷道围岩稳定性,两帮最大收缩量为0.32 m,顶底板移近量为0.21 m,取得了显著应用成效。

软煤厚煤层工作面底三角煤高效回收技术

针对软煤厚煤层沿顶掘进顺槽底三角煤丢失严重问题,设计2次落底、2次顶部充填工艺,采用速凝早强高水充填材料,混合浆约15 min失去流动性,30 min完全固化,3 d达最终强度3.8 MPa。效果考察表明:每天一班充填,可以满足5 d的推进需求,实现了底三角煤安全高效回收,实际经济效益达到1610万元,延长了矿井服务年限,缓解了采掘衔接紧张。

厚煤层泥岩底板巷道底鼓控制技术应用分析

山西汾西正旺煤业31103综放工作面运输巷受矿压、底板软岩等多因素影响底鼓问题突出,给巷道使用及采面正常回采带来困难。若采用巷道底板卸压槽、底板注浆以及底板锚索等方式治理底鼓,则面临耗时长、影响巷道正常使用等问题。经分析研判,决定采用降低运输巷围岩应力为主的底鼓控制技术,即通过切顶卸压改善运输巷围岩受力与降低底板受力的方法。结合现场实际,拟定了切顶卸压技术实施方案,实际应用后,巷道底鼓量控制在102 mm以内,底鼓问题得到有效控制。

上保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性

保护层开采在低渗透高瓦斯近距离煤层中得到广泛应用,研究保护层开采扰动下的煤岩强扰动力学行为与渗透特性为进一步更加高效安全的开采被保护层煤层提供了理论支持。选取平煤集团十二矿上保护层己14煤层工作面己14-31010和被保护层己15煤层工作面己15-31030为研究对象,进行相似模拟试验和保护层开采过后被保护煤层受力分析。通过相似材料模拟试验获取保护层开采方式下被保护层的受力情况,上保护层开采过程中,煤层压力先增大后减小,采空区重新压实稳定后,应力状态近似恢复到原岩应力状态。通过对保护层开采后的被保护煤层受力分析获取煤层变形后的应力状态,上保护层开采过后,被保护层煤层产生变形,煤层上部分膨胀变形,应力小于原岩应力;下部分煤层压缩,应力大于原岩应力。结合二者的结果获取保护层开采方式下室内试验中被保护层煤层应力加载路径。依据被保护层煤层应力加载路径,设计进行采动耦合应力路径下的煤样渗流试验。试验结果表明:上保护层煤层开采过程中,同等试验条件下,被保护层煤层可承受的上保护层开采扰动应力越大,被保护层煤层开采过程中的煤体破坏应力峰值越大,体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样和N组煤样应力应变曲线与常规保护层卸荷三轴试验相比,扩容点出现位置明显提前;同等应力状态下,水压越大,煤样的体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样初始围压为35MPa,围压对渗透率的影响大于轴压的影响,N组煤样初始围压为20MPa,围压、轴压交替对渗透率产生主要影响,渗透率曲线呈现“W”型。两组试验中,扰动应力最大的试样破坏前的渗透率普遍大于其他试样的渗透率。

三软厚煤层综采工作面采动应力分布规律研究

由于采动应力会导致煤层顶板垮断冒顶、巷道底鼓以及冲击矿压和煤与瓦斯突出发生,因此采用现场应力测试和数值模拟相结合的方法,研究了焦家寨煤矿三软厚煤层综采面采动应力分布规律,结果表明：距离工作面0—12 m为超前支承压力降低区、12—40 m为增高区、40 m以外为稳定区,应力集中系数为1.4-1.7;侧向支承压力在0—14 m形成应力降低区,在14—36 m形成应力增高区,36 m以外进入应力稳定区。

近距离采空区下松软破碎煤层巷道锚杆锚索支护技术研究

在地质力学现场测试和岩石成分分析的基础上,分析了近距离采空区下松软破碎煤层巷道破坏的主要原因和影响因素,指出原有锚杆支护系统预应力偏低、护表构件不合理是造成巷道破坏的主要原因,提出了采用高预应力全长锚固锚杆和锚索支护并加大护表构件的面积和强度的方法进行此类巷道的支护。以红庙煤矿五区5-2S一片工作面回风巷为工程实例,详细介绍了高预应力锚杆锚索支护方案并进行了现场工业性试验。研究结果表明,高预应力锚杆锚索支护系统能够控制此类巷道的强烈变形,支护效果比较理想,为类似条件下巷道支护提供了有效手段。

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透数值模拟

针对高瓦斯低透气性煤层,采用Taylor方法建立了一个新的LS-DYNA3D爆破损伤模型,对深孔预裂爆破进行了数值模拟研究,再现了爆破过程中,动压冲击震裂、应力波传播与叠加以及爆生气体驱动裂纹扩展的整个过程,分析了爆破孔间距对爆生裂纹和爆破增透效果的影响,提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破的合理间距为5-6 m,为高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽放提出了解决方案.