煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面:①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段,密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa,煤心直径达到38 mm;②针对不同煤层地质条件,发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶(底)板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术;③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中,顺层定向长钻孔取样深度达到516 m,密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中,穿层钻孔密闭取样深度达到209 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍;在安徽淮北矿区碎软煤层中,顶(底)板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍,密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法;④在瓦斯含量测试方面,除了传统解吸法测试,发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备,可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量,一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展,并能实现随钻密闭取样。在测试上,应根据实际情况确定合理的解吸终止限,并将测试装备和密闭取样装备进一步结合,以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段,是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

软硬交错倾斜煤层下煤矿钻孔机器人钻杆系统振动特性研究

煤矿钻孔机器人钻杆系统振动特性的研究是钻进轨迹预测及控制的重要前提。考虑水平钻进过程中钻杆系统与煤层交互约束的复杂机制,搭建煤矿钻孔机器人钻进实验平台及振动监测系统,开展不同软硬煤层及煤层倾斜角度下的水平钻进实验;采用经验模态分解方法对采集数据进行分解、滤波和重构处理,以消除噪声干扰,进而研究软硬交错倾斜煤层下钻孔机器人钻杆系统振动特性。研究结果表明:钻孔机器人无论是在硬→中硬→软煤层还是软→中硬→硬煤层中钻进,钻杆系统的纵向、横向、扭转振动幅度均随煤层倾斜角度的增大而增大;同一煤层倾斜角度下,钻孔机器人在软→中硬→硬煤层中钻进较在硬→中硬→软煤层中钻进时,钻杆系统的纵向、横向及扭转振动幅度更大;煤层倾斜角度较小时,软硬交错煤层对钻杆系统振动特性的影响较大,煤层倾斜角度较大时,煤层倾斜角度对振动特性的影响大于软硬交错煤层的影响;较大的砂石对钻杆系统振动产生一定影响。

软硬复合煤层瓦斯抽采穿层钻孔变形塌孔特征规律研究

为探究软硬复合煤层瓦斯抽采钻孔的变形规律,采用自主研发的“一种全角度瓦斯抽采钻孔稳定性动态监测装置”进行了现场监测,系统分析了硬煤、软煤、软硬复合煤层瓦斯抽采钻孔的变形情况,并采用COMSOL数值模拟手段对试验结果进行验证,结果表明:钻孔浅部竖直方向应变敏感程度滞后于水平方向,且呈交替性增大特征;钻孔应变衰减阶段前,存在一种短暂的伪平衡状态,其实质是煤体内部应力集聚,后突然释放而造成钻孔塌孔;在相同的外部载荷条件下,软弱界面将软硬复合煤层分割为两个相对独立的应力环境,煤层在软弱界面处发生介质突变和应力突变;硬煤层钻孔较软煤层钻孔的各部位变形小,二者均表现为浅部变形大、深部变形小,最终达到稳定环向应变,软硬复合煤层穿层孔在浅部变形与二者相近,穿层孔深部和软弱界面交叉截割形成应力集中区,应力集中区范围沿软弱界面和钻孔径向同时延伸并逐渐衰减,这种衰减呈不明显的非线性特征。

软硬复合煤层厚度比对卸荷破坏的控制作用

在煤炭开采和煤层气抽采相关工程中,软硬复合煤层的卸荷破坏问题是围岩支护和煤层增透改造所面临的共性问题。为了探求复合煤层卸荷过程中的力学特性及破坏过程中的能量演化规律,基于能量耗散方程及煤岩损伤模型,采用PFC数值模拟和室内试验相结合的方法,研究了新田煤矿4^(#)煤层复合煤层在不同软分层厚度比下的煤体变形破坏方式、力学特性及能量耗散和声发射规律,最终得到新田煤矿4^(#)软硬复合煤层厚度比对卸荷破坏控制规律;并在现场利用水力冲孔加以验证。结果表明:在三轴压缩下,不同厚度比对复合煤体变形破坏方式的作用表现在主裂纹的转移、剪切拉伸裂纹数量变化、剪切面卸荷破裂带变化上;复合煤体的应力-应变曲线以厚度比0.45(软分层厚度/复合煤层厚度)为分界点,产生“阶梯式”的平缓与剧烈变化,并与围压大小相关联;复合煤体卸荷破坏的本质是颗粒间黏结键的断裂,厚度比对耗散能的大小以及煤体颗粒间黏结键的断裂产生积极作用;且现场水力冲孔的结果与模拟结论呼应。

基于RFPA-3D的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟

水力压裂裂缝的几何形态是评价压裂效果的主要因素,煤层受割理、层理和天然裂隙的影响,非均质性较强,对于垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力共同影响下的煤层水力压裂缝扩展规律还未形成系统认识。利用RFPA-3D数值模拟软件,研究非均匀分布的硬煤层和软煤层,在垂向主应力不变,不同水平主应力差下水力压裂三维裂纹的扩展过程和延伸规律,研究发现硬煤层水平主应力差接近时,水力压裂缝在煤层中延伸没有优势方位,形成网状缝;水平主应力差较大时,水力压裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展,其他分支裂缝初始阶段沿着最小水平主应力方向延伸,随后逐渐向最大水平主应力方向靠拢。软煤层水力压裂初始阶段,注入段附近煤层以井筒为中心向四周挤压,煤层被挤压形成一个“大肚子”区域,待煤层挤压到一定程度,煤层开始起裂、裂缝扩展;水平主应力差接近时,注入段煤层压实后,起裂形成网状缝;水平主应力差较大时,注入段煤层压实后,压裂缝沿最大水平主应力方向以及与最大水平主应力方向成45°夹角方向产生两条优势裂缝。研究成果在安徽芦岭井田Y-01煤层气水平井组进行应用,日产气突破10000 m^(3)。

倾斜软硬交互岩层双基本顶切顶留巷围岩控制技术研究

对倾斜软硬交互岩层双基本顶切顶留巷围岩控制难题,阐明了该地质条件下采空侧-顶板-实体煤帮综合护巷机理,针对性地提出了采空区侧“U型钢插顶插底+高强锚索补强+金属网挡矸护帮”、留巷顶板“槽钢桁架锚索+切顶锚索+单体柱撑顶”、实体煤帮“槽钢桁架锚索强力锚固”的综合控制技术;提出了布孔形式、布孔间距及角度、布孔深度、装药参数及封泥长度等爆破切顶参数。现场结果表明:9.5 m深度的切顶孔利于倾斜软硬交互岩层切顶留巷围岩控制,切缝侧顶板与实体煤帮稳定后的最终变形量约为192 mm与119 mm,保证了下工作面安全回采。

官地矿软煤和硬煤瓦斯解吸规律试验研究

文章通过在官地矿借助高压注水模设备,研究软煤和硬煤在外加水分含量和吸附平衡压力不同时的瓦斯解吸相关参数的变化规律。试验结果发现:外加水分阻碍软煤和硬煤的瓦斯解吸,对于软煤,外加水分具有更强的阻碍软煤的瓦斯解吸能力;在外界条件一致时,软煤的瓦斯解吸速度一直比硬煤高;在控制吸附平衡压力恒定条件时,持续增大外加水分含量,软煤和硬煤的瓦斯扩散系数均呈现出减小趋势。

中厚煤层“两软一硬”回采巷道支护优化

针对渝阳煤矿N2810工作面回采巷道工字钢架棚支护方式效果差的问题,根据其"两软一硬"(底板及煤层松软)的特定地质条件对支护方案进行优化设计,最终确定支护方案为锚网带索梁耦合支护。矿压监测结果表明:试验段内顶底板相对移近量较架棚段减少了358 mm;两帮相对移近量较架棚段减少了118 mm;试验段内浅基点的最大离层量较架棚段减少了26 mm,深基点的最大离层量较架棚段减少了14 mm。试验效果充分说明了锚网带索梁耦合支护方案应用于中厚煤层"两软一硬"特定地质条件的可行性和优越性。

大倾角硬顶软底软煤走向长壁综放开采集成技术

针对硬顶软底软煤大倾角煤层埋藏条件复杂、开采难度大的条件,通过工作面"三机"配套、超前预爆破、回采工艺、巷道优化布置、矿山压力监测、工作面安全管理保障技术集成体系的应用,解决了该类煤层走向长壁综放开采难题,取得了良好经济社会效益。

坚硬顶板松软薄煤层刨煤机开采可刨性研究

依据目前国内外刨煤机开采实践,提出了煤层可刨性综合指标计算方法,将薄煤层可刨性划分为5类,即极易刨、易刨、一般、难刨和极难刨.根据曹窑煤矿坚硬顶板松软薄煤层地质条件和矿压显现规律,计算出薄煤层可刨性综合指标值,表明该薄煤层的可刨性属于一般类型.最后优化出了薄煤层刨煤机开采设备配套方案,为曹窑煤矿进行刨煤机开采提供了理论基础.

义马煤田冲击地压原因分析与防治对策

为得到义马煤田矿井发生冲击地压的原因,并制定冲击地压防治措施,对该煤田'两硬一软'的煤层地质结构、采深、巨厚坚硬砾岩顶板、构造应力等地质因素导致矿井冲击地压进行了研究,并指出了义马向斜的轴核部煤层埋深达600~1 200 m、上覆岩层厚、地应力集中是发生冲击地压的主要原因;提出了加强巷道支护并在其两侧进行深孔注水和卸压爆破,使围岩形成'两强一弱'的支护结构、避免工作面走向与构造主应力方向垂直等防治冲击地压的对策措施。结果表明:义马煤田冲击地压属于重力-构造类型;采取针对性的综合措施后,冲击地压发生的频次减少,冲击程度降低。

软、硬煤层残余瓦斯含量区域效果检验临界值研究

针对软、硬煤层瓦斯含量区域突出危险性效检指标临界值存在较大差异这一工程实际。建立软、硬煤样相关参数关系模型,对基于残余瓦斯含量的区域防突措施效果检验指标临界值进行研究。结果表明:同一煤质软煤和硬煤瓦斯吸附量差别不大,但随着煤的变质程度降低,软、硬煤瓦斯吸附量差值先减小后增大。对存在软、硬分层的煤层,建议采用0.74MPa时软、硬煤瓦斯含量测值的小值(取整)作为煤层残余瓦斯量指标的临界值。此研究因地制宜地确定符合矿井实际的突出预测指标临界值和区域措施效果检验指标临界值,对降低防突成本具有重要意义。

松软煤层坚硬顶板中水力压裂卸压增透技术研究

为了解决新安煤矿瓦斯治理难题,提高瓦斯治理水平和增强防突效果,在对该矿煤层赋存特征及煤层物理特性进行分析和研究的基础上,在井下开展了水力压裂技术措施。在14170工作面上巷顶板施工压裂钻孔以及导向钻孔来延长瓦斯抽采周期,提高瓦斯抽采浓度,增加瓦斯抽采流量。现场试验表明:该技术成功地解决了钻孔利用周期短、流量衰减速度快的难题,大幅度提高了瓦斯抽采的效果,对目标煤层进行了有效地卸压增透,有效地降低了施工区域的突出危险性。

硬顶软煤薄煤层滚筒采煤机设备配套研究

介绍了国内外薄煤层滚筒采煤机开采现状;根据我国缓倾斜采煤工作面围岩稳定性分类标准,针对曹窑煤矿薄煤层坚硬顶板和松软煤层地质条件,并依据国内类似条件下薄煤层开采成功的经验,得出曹窑煤矿薄煤层开采对滚筒采煤机配套设备的基本要求,据此研究出煤层厚度为0.8～1.4 m和1.1～1.9 m两种薄煤层条件下滚筒采煤机组的可行性配套方案。研究结论对于曹窑煤矿薄煤层实行机械化开采,提高矿井安全生产能力,延长矿井服务年限具有重要的作用。

南梁综采工作面矿压力规律

为研究南梁煤矿20203综采工作面矿压规律,通过实测工作面支架阻力、活柱下缩量、顶板移近量、顶板来压强度以及巷道变形参数等,获得了初次来步距、支架阻力的动载系数、老顶来压的强度等参数.研究结果表明:支架可以平衡顶板的压力,满足工作面开采时对支护强度的要求.总结了南梁矿浅埋煤层综采工作面的矿压显现规律,提出了提高支架初撑力等改善措施,为实现浅埋煤层综采工作面安全开采提供了可靠依据.

外加水分对软硬煤瓦斯解吸特征影响研究

目前有关软硬煤的研究主要集中在孔隙结构对其瓦斯吸附解吸特征的影响,而对外加水分条件下软硬煤瓦斯解吸特征差异的研究较少。针对该问题,利用煤层高压注水模拟实验装置,开展了不同吸附平衡压力、外加水分含量条件下的正交实验,分析了软硬煤在不同外加水分条件下瓦斯解吸量、瓦斯解吸速度及扩散系数的差异。结果表明:随着外加水分含量的增大,软硬煤的瓦斯解吸量均减小,但软煤的瓦斯解吸量始终大于硬煤;外加水分对软硬煤瓦斯解吸均起到了抑制作用,但对软煤的瓦斯解吸抑制效应强于硬煤;不同吸附平衡压力、外加水分含量条件下,软硬煤的瓦斯解吸速度都是在初始时刻最大,随着时间的延长及外加水分含量的增加,呈现出减小趋势;在吸附平衡压力相同、外加水分含量相近的情况下,软煤瓦斯解吸速度始终大于硬煤;在吸附平衡压力相同、外加水分含量相近的情况下,软煤扩散系数大于硬煤;同一吸附平衡压力下软硬煤的瓦斯扩散系数均随着外加水分含量的增大而减小。

“两软一硬”不稳定煤层综放工作面矿压规律研究

通过对云煤二矿综放工作面的矿压观测,探讨了"两软一硬"不稳定煤层综放工作面采场矿压显现规律,评价了其支架的适应性,为工作面顶板安全管理提供科学依据,对相似条件下放顶煤工作面的开采具有指导和借鉴意义。

玉溪煤矿软硬复合煤层水力冲孔参数优化试验研究

水力冲孔对于增加煤孔暴露面积、提高煤层透气性和瓦斯抽采效果具有重要意义。由于玉溪煤矿软硬复合煤体具有煤层强度和胶结性差异大的特点,导致冲孔时水力参数和冲孔效果差异性大,因此在玉溪煤矿中央辅运大巷进行了软硬复合煤体的水力冲孔试验,探究软硬复合煤层水力冲孔参数的最优化,并对试验结果进行了分析。结果表明,碎软区域出煤量随冲孔时间增加而增加,增加速率逐渐减小;完整区域出煤量随冲孔时间增加,先增加后趋于稳定;碎软区域泵量180 L/min,泵压16 MPa,冲孔40 min可达到要求;完整区域泵量200 L/min,泵压18 MPa,冲孔15 min可达到要求。

煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

“十三五”以来,围绕“我国煤矿井下煤层区域增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板岩层弱化区域治理”两大难题,将定向长钻孔与分段压裂技术结合,通过技术攻关与装备研发及工程试验,在煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术和装备研发及工程示范应用等方面均取得了明显进展。主要表现在如下4个方面:(1)开发了适合于煤矿井下煤岩层裸眼定向长钻孔不动管柱和动管柱两种分段水力压裂工艺技术与工具,不动管柱分段压裂工程应用钻孔长度突破了500 m,单孔压裂实现了5段;动管柱分段压裂钻孔长度工程应用突破了800 m,单孔压裂实现了17段。(2)研发了煤矿井下低压端加砂压裂泵组和高压端加砂压裂装置,低压端加砂泵组压力达到了70 MPa,排量达到90 m^(3)/h,携砂比达到20%;高压端加砂压裂装备耐压能力达到55 MPa,一次连续加砂压裂的砂量达到750 kg;低压端和高压端加砂装备均在现场进行了工程应用,应用结果表明装备均具有较好携砂压裂能力。(3)建立了碎软煤层围岩分段压裂和硬煤顺层钻孔分段压裂区域增透瓦斯高效抽采技术模式,前者在山西阳泉矿区和陕西韩城矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量均值分别达到了2811 m^(3)/d和1559 m^(3)/d,后者在陕西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了2491 m^(3)/d。(4)探索出了坚硬顶板强矿压煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂主动超前区域弱化治理的新模式,工程应用钻孔长度突破了800 m,坚硬顶板分段水力压裂治理后,顶板来压步距、动载系数和最高压力值较未压裂区分别下降了18.9%~70.6%,5.8%~7.9%,13.7%~19.4%,有效治理了工作面坚硬顶板引起的强矿压灾害。随着煤矿井下分段水力压裂技术改进和煤矿智能开采发展的实际需要,提出了煤矿井下大排量高压力智能压裂泵组、井下长钻孔裸眼分段压裂智能工具等装备和煤矿井−地联合分段水力压裂技术研发方向,以更好地推动煤矿井下水力压裂技术与装备发展,为煤矿安全高效绿色智能开采提供技术和装备支撑。

长平矿软硬复合煤体高效钻进技术研究

为解决长平矿煤层钻进成孔深度较浅的问题,进行了软硬复合煤体高效钻进技术研究。结合软硬复合煤层特点,提出运用中高速宽叶片高螺旋复合钻进技术进行钻孔施工的工艺。在研究螺旋钻具排渣机理的基础上,设计制造了Φ110/63.5 mm螺旋钻杆+Φ120 mm三翼合金钻头和Φ95/60.3 mm螺旋钻杆+Φ110 mm三翼刮刀PDC钻头2种不同的钻具组合;改进了ZDY6000LR钻机的高转速动力头;使用ZDY3000LG、ZDY6000LR钻机与设计制造的钻具组合进行钻孔施工,完成3期现场工业性试验,形成了以中高转速螺旋机械排渣为主、风力排粉为辅的螺旋复合钻进技术,使得长平矿孔深大于150 m的煤层钻孔达到了52%,进一步提高了长平矿软硬复合煤体顺层钻孔效率。