低透气煤层无泵式钻扩一体化增透技术与钻具研究

针对在低透气煤层常规机械掏穴、水力冲孔等增透施工中存在的施工效率低、掏穴装置稳定性差以及需要配备高压泵等问题,提出了无泵式钻扩一体化增透施工技术,研制了配套的双通道送水器、双通道钻杆和造穴装置,并进行了现场工业性试验。结果表明:钻扩一体化增透施工技术在煤矿井下静压水条件下,可实现一趟下钻完成先导孔和机械掏穴的同时作业,解决了常规掏穴装置刀翼开合不稳定、必须配套高压泵的问题,降低了该技术的使用成本;研发的双通道送水器、双通道钻杆和造穴装置工作灵活稳定且可靠性高,造穴段单孔直接扩大至原常规钻孔孔径的4.4倍,显著提升了瓦斯抽采效果,该技术的成功应用为煤矿井下低透气煤层瓦斯抽采钻孔施工提供了技术支撑。

急倾斜煤层老采空区地基稳定性评价

为了保障采空区地表土地高效利用,掌握采空区地基稳定性现状对后期城市规划、确保人民生命财产安全意义重大。以唐山市某煤矿下伏急倾斜煤层老采空区为研究对象,在明确老采空区地质条件、煤层开采情况下,综合采用瞬变电磁法、三维高密度电法探测手段,并在重点区域布设钻探工程加以验证;结合本地实际经验及地质调查成果资料,运用概率积分法计算得出研究区地表残余变形,进而掌握研究区地基整体稳定性。结果表明:①研究区内存在多处残留采空空洞,其分布特征与煤层露头分布走向相关性较好;②研究区未来地表沉降变形将以残余变形为主,地表最大残余下沉量为300.68 mm,地基稳定性为欠稳定—基本稳定。鉴于采空区分布及地表残余变形计算结果,综合分析认定研究区地基稳定性较差,为保证土地后续安全利用,需采取高效治理措施。该研究方法可为急倾斜煤层老采空区探测及地基稳定性评价提供技术参考。

定向钻冲一体化成孔技术研究

水力冲孔增透是煤矿瓦斯治理的一种重要技术手段,为了解决中深孔水力冲孔施工效率低、存在冲孔盲区等问题,采用定向钻冲一体化成孔技术一次性完成定向钻孔和冲孔施工,以实现定点水力冲孔消突作业。分析了有线定向钻冲和无线定向钻冲一体化钻具的优劣势,阐述了其钻孔工艺及工作参数,并通过现场施工验证了采用定向钻冲一体化技术的成孔效果。

含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采技术研究及应用

为研究水力割缝强化瓦斯抽采技术在含夹矸煤层中的应用,通过理论分析得出,与普通钻孔相比,水力割缝钻孔可通过增加煤层渗透率、煤体暴露面积、瓦斯流动通道3个方面强化瓦斯抽采,并建立了考虑孔隙率和渗透率变化的煤层瓦斯流动控制方程。以东庞矿21218工作面为工程背景,采用COMSOL数值模拟软件建立了含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采数值模型,通过对煤层瓦斯流动控制方程进行解算,研究了不同割缝高度、不同钻孔间距条件下,水力割缝瓦斯抽采钻孔的瓦斯压力分布规律,从而确定了上煤层割缝0.3 m、下煤层割缝0.1 m、钻孔间距7.5 m的水力割缝瓦斯抽采钻孔施工参数。基于上述参数,在东庞矿21218工作面现场施工28组、每组7个水力割缝钻孔,对含夹矸煤层瓦斯进行抽采作业,结果表明:与普通钻孔相比,水力割缝钻孔的每百米巷道施工工程量减少了28.51%,瓦斯抽采纯量由11.53万m^(3)提升至21.43万m^(3),增幅为85.86%,巷道掘进期间掘进工作面平均瓦斯体积分数由0.06%降至0.01%,瓦斯抽采效果好,且有效提高了瓦斯抽采效率。

高瓦斯矿井综采工作面初采瓦斯综合治理措施及效果研究

本文以贵州肥田煤矿210701综采工作面的瓦斯概况为研究对象,提出了应用高负压本煤层抽采、卸压及高位拦截钻孔、低负压抽采和风排瓦斯4种瓦斯综合治理措施,研究结果表明多种治理措施合理有效的联合利用能更大程度的完成瓦斯治理的目标,为贵州肥田煤矿高产高效高瓦斯矿井治理瓦斯提供了一个合理的瓦斯综合治理方法。

深部低透气煤层高压水力割缝技术应用及效果分析

深部煤层开采时,煤体透气性低、瓦斯压力大,采前瓦斯抽采困难,严重制约煤矿企业的安全生产。为了提高深部矿井低透气性煤层的瓦斯抽采效率,防治煤与瓦斯突出危险,提出采用顺层钻孔高压水力割缝技术的煤层增透方案,并将该技术应用于平顶山十矿己_(15-16)-24130工作面。结果表明,实施水力割裂后钻孔内瓦斯流量大幅提升,变化最小的检验孔瓦斯流量由0.08 m^(3)/min提升至0.12 m^(3)/min,升高50%;高压水力割缝孔布置间距为8 m、水力割裂半径为1 m时,割裂孔的影响半径为4 m;高压水力割缝后距割裂孔1.5 m和4.0 m处煤层透气性分别为2.76 m^(2)/(MPa^(2)•d)、1.28 m^(2)/(MPa^(2)•d),相较割裂前煤层透气性分别提升了145.3倍和67.15倍。

穿层钻割一体化卸压增透技术数值模拟分析及应用

通过分析应用穿层钻割一体化后煤体应力变化情况,指出穿层钻割一体化技术是煤层卸压增透的重要手段。利用FLAC软件研究分析了5m和10m两种布孔方式煤体应力变化对整体卸压的影响。研究得出,10m布孔方式与5m相比,虽然卸压强度降低,但是具有卸压范围广,单孔利用率高,有效影响范围大,对开采前期的瓦斯预抽更有价值。在实际应用中,间排距增大到10m后,单孔瓦斯流量提高了3~6倍,预抽时间缩短一半的情况下,即可满足8m3/t的开采条件,保障了煤矿的安全高效的开采。

基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术及应用

针对我国高瓦斯煤层赋存特点及目前煤矿区域瓦斯治理过程中存在的问题,采用理论研究、数学建模和现场测试相结合的方式,研究了基于区域瓦斯治理的高瓦斯低透气性煤层卸压增透技术及改善瓦斯流动与解吸方式,建立了高压射流割缝卸压范围内瓦斯流动毛细管模型,并且通过对割缝主体影响区、边界影响区消突时间的对比分析,得出了割缝影响区内任一点消突的判据和割缝卸压范围内整体消突时间。最后,结合笔者多年从事瓦斯抽采的研究和科研成果,提出了基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术,开发了相应的配套设备和材料,在国内有关矿井进行了应用。应用结果表明,该技术可显著提高抽放钻孔的单孔有效影响范围,减少区域瓦斯治理需要的钻孔数量,缩短区域抽采时间,提高区域抽采效率。

基于田口方法的钻割一体化喷嘴结构参数优化

为解决钻割工艺中喷嘴易堵死的难题,采用田口方法,在单因素实验的基础上,优化适合松软煤层的大直径喷嘴几何参数,以期为喷嘴设计提供参考依据。研究结果表明:出口直径、出口圆柱段长度、收缩角对出口轴心速度影响的显著性:收缩角>出口直径>出口圆柱段长度。出口直径与出口圆柱段长度、收缩角与出口圆柱段长度均存在较强的交互作用。优化后喷嘴性能得到显著改善,田口方法结合有限元方法能在较短时间内,通过少量实验,为喷嘴结构参数优化提供一种经济、可靠的解决方案。

基于煤层卸压增透的水力割缝最优出煤量研究

针对钻割一体化技术在高瓦斯松软煤层应用时,割缝钻孔出煤量过多容易引发喷孔和塌孔的问题,通过对不同出煤量割缝钻孔的瓦斯抽采效果进行分析,确定割缝钻孔最优出煤量的方法,得出了割缝钻孔存在最优出煤量的结论,以王行庄矿瓦斯抽采为例,对割缝钻孔出煤量最优值的确定方法进行了说明。

整体式三棱螺旋钻杆的研制及其应用

低透气性松软突出煤层钻孔施工一直是国内没有很好解决的难题,就目前的现场应用来看,三棱钻杆因其特殊的结构及钻进方式,在松软煤层施工瓦斯抽放孔时取得了一定的效果,但在极不稳定的软煤层中钻进,三棱钻杆容易扭断,易发生掉钻事故。为此,结合三棱钻杆、螺旋钻杆及宽叶片钻杆的优点,研制了在松软煤层钻孔施工中更具有优势的三棱螺旋钻杆,并通过现场试验验证了钻杆的使用效果。

水力割缝阀体实现切换的流体动力学分析

割缝阀体是水力割缝系统实现钻割一体化的关键部件。基于实体设计及流体动力学分析软件建立阀芯结构三维模型,对阀芯结构进行优化设计。研究结果表明活动阀芯动作的主动力来自流体对活动阀芯的前端面的压力,活动阀芯的截面为锥面加圆弧面过渡的形状为最优化结构,能够获得较大的沿轴向运动的力,且在曲面处速度波动小,阀芯不易产生振动,更有利于阀芯的移动。通过实验室试验,阀体工作状态良好,实现了预期目标。

钻割抽一体化技术在高瓦斯松软低透煤层区消突中的应用

针对王行庄矿煤层高瓦斯松软低透气性的现状,选择了钻割抽一体化增透措施,介绍了钻割抽一体化增透机理,研究了钻割抽一体化技术在高瓦斯松软低透煤层区域抽放消突措施中的应用效果,研究表明,实施水射流钻割抽一体化技术,割缝钻孔平均每孔出煤量7t,平均扩孔倍数为8.51倍;抽采一个月之后,割缝钻孔的平均瓦斯抽采纯量约为未割缝钻孔的8倍,割缝钻孔瓦斯抽采浓度约为未割缝钻孔的3.7倍,有效地提高了单个钻孔的影响范围。

基于区域瓦斯治理的钻爆抽一体化技术及应用

针对我国高瓦斯煤层赋存特点及目前煤矿区域瓦斯治理过程中存在的问题,理论分析了煤与瓦斯耦合作用下爆生裂隙形成机理,开发了新型抽放钻孔密封材料,采用理论研究、数值模拟和现场测试相结合的方式,研究了基于区域瓦斯治理的钻爆抽一体化卸压增透技术,通过控制爆破以及PD复合材料密封抽放钻孔的一体化技术,达到整体卸压、增透、抽放瓦斯和消除突出的目的,并在国内有关矿井进行了应用。

顺层钻孔水力割缝煤渣运移及排渣工艺技术研究

由于钻孔排渣空间狭小、煤体颗粒易堆积等原因,顺层钻孔在水力割缝过程中容易出现喷孔、堵孔及抱钻等现象,严重影响顺层钻孔割缝施工成功率及安全性。针对以上问题,研究了顺层割缝钻孔钻进时的钻孔形态,通过分析钻孔下沉现象,将割缝钻孔分为加速下沉段、倾斜下沉段及开孔段3个阶段,分析了各阶段钻孔堵孔模型及堵孔现象。研究得到割缝钻孔各阶段煤渣的运移情况:加速下沉段钻孔煤渣运移以水流升力及拖拽力为主,煤水混合两相流体通过钻杆旋转的扰动作用充分混合;倾斜下沉段则以钻杆外螺旋旋转动力为主带动煤渣运移。通过大量现场试验,得到了不同煤层坚固性系数条件下的割缝压力及钻杆转速参数。研究发现,随着煤层坚固性系数的增大其最优割缝压力随之增大,但合理钻杆转速随之减小,形成了包括合理选择割缝压力及钻杆转速参数、控制压力调节梯度、孔口返水返渣情况观测,以及延长割缝后低压洗孔时间等4个方面措施的顺层钻孔割缝排渣工艺技术。现场试验结果表明,割缝排渣工艺技术能有效避免割缝堵孔风险,保障顺层钻孔割缝安全实施,提高割缝成功率,大幅提高钻孔瓦斯抽采效率,有效推进了顺层钻孔水力割缝卸压增透技术的应用。

高压磨料射流钻割一体化防突设备的研究

为了解决目前高瓦斯低透气性煤层消突困难的问题,从磨料射流的角度开发出一种新型防突设备。介绍了设备工作原理、设备总成,并通过实验室实验摸索了设备的主要运行参数,得出影响磨料射流割缝效果的主要因素——系统运行压力、割缝时间、磨料硬度及结构不规则程度。为设备进一步优化,提高割缝能力奠定基础。

松软低透煤层超高压水力割缝技术应用及效果分析

鄂尔多斯盆地西缘煤层松软破碎,煤层透气性差,瓦斯含量高,该类煤层钻孔钻进困难,瓦斯抽采效果差。针对现有割缝钻具在现场施工中需要进行2次下钻作业、施工效率低等问题,研制出1套不需退钻超高压钻割一体化工艺,并在鄂尔多斯西缘突出煤层开展现场试验。现场试验得出,割缝钻孔平均单刀出煤量0.289 t,等效割缝半径达1.605 m;超高压水力割缝后,平均瓦斯抽采混合量1.456 m^(3)/min,是未割缝钻孔的瓦斯抽采混合量0.764 m^(3)/min的1.91倍;瓦斯抽采平均日纯量226.43 m^(3)/min,是未割缝钻孔的瓦斯抽采纯量51.42 m^(3)/min的4.4倍;抽采时间为40 d钻孔的抽采总量为83462.57 m^(3),抽采率达到35.71%,割缝后抽采效果显著。

顺层长钻孔超高压水力割缝增透技术研究与应用

为解决低渗透性中硬煤层顺层钻孔抽采半径影响范围较小、抽采效果较差等问题,研究了工作面顺层长钻孔超高压水力割缝技术。通过应力波效应研究了水射流破煤机理,分析了超高压水力割缝卸压增透原理,研制出工作压力达100 MPa的超高压水力割缝成套装置,实现了超高压状态下不退出钻杆的钻割一体化工艺和远程操作功能,考察了超高压水力割缝参数,形成了顺层钻孔超高压水力割缝工艺技术。现场试验得出:割缝钻孔平均单刀出煤量为0.32 t,等效割缝半径达1.51～2.08 m;割缝后钻孔瓦斯抽采浓度同比提高了1.44倍,瓦斯抽采纯流量提高了3倍,有效抽采半径为对比普通钻孔的3.6倍,钻孔施工时间缩短约30%,抽采达标时间缩短40%左右。应用表明,采用超高压水力割缝增透技术后,煤层的透气性明显改善,达到了快速卸压增透的目的。

高压水射流环切割缝自卸压机制与应用

为解决深部矿井低透气性煤层瓦斯抽采难题,针对穿层钻孔提出了高压水射流环切割缝煤层自卸压增透技术。通过瓦斯流动理论分析普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动模式,分别建立了普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动微分方程,获得了高压水射流环切割缝自卸压技术改善煤层瓦斯流动机制;采用FLAC3D软件建模分析高压水射流割缝后钻孔周边煤体应力演化规律,基于煤体卸压程度及塑性区分布特征,确定了穿层钻孔合理化割缝参数;通过底板穿层钻孔高压水射流环切割缝技术现场考察,环切割缝后煤层变形量达到0. 136%,煤层透气性系数较原始状态提高了42倍,瓦斯抽采纯量相较普通钻孔提高3. 44～5. 32倍,同等条件下煤层抽采半径提高了1倍以上。理论研究与现场试验均表明,采用高压水射流切割在煤层内部形成环形缝槽,能有效改善钻孔煤体应力状态,增加煤层渗透性,提高瓦斯抽采效率。

高瓦斯低透气性松软煤层“钻割”一体化技术研究

通过对"钻割"一体化技术井下工程实施,制定优化了"钻割"一体化技术的实施工艺流程;通过现场工业性实验和实际考察,证实了"钻割"一体化防突措施具有扩大措施孔单孔有效影响范围,提高钻孔周围煤层的透气性,减少措施孔数目,减少工程量等特点,为高瓦斯低透气性煤层防突及瓦斯治理提供了新的思路和方案。