高瓦斯煤层大直径钻孔卸压增透瓦斯渗流时空演化机理

矿井瓦斯抽采面临抽采率低、有效抽采周期短、瓦斯预抽体积分数不达标等困境。为实现高瓦斯低透气性煤层的精准卸压增透,以顺和煤矿2404典型深井高瓦斯低透气性煤层工作面为研究对象,基于长时力学效应理论建模、COMSOL数值分析和现场试验等方法,构建了大直径钻孔卸压煤层瓦斯运移多场耦合模型,提出了大直径钻孔瓦斯有效抽采半径的判定指标——残余瓦斯压力不超过0.22 MPa,揭示了大直径煤层钻孔卸压增透机理及瓦斯运移规律:单一大直径钻孔煤层瓦斯压力呈以钻孔圆心为对称中心的椭圆分布,即由钻孔圆心向外瓦斯压力逐渐增加,随着抽采时间延长,抽采达标区域逐渐扩大。钻孔周边应力转移特征为:随着抽采时间增加,单一大直径钻孔周边点的垂直应力呈现先增后降趋势。进一步提出了高瓦斯低透气性煤层大直径钻孔卸压增透抽采技术。模拟确定了钻孔有效抽采半径,孔间距6.0 m、直径300 mm钻孔卸压增透效果最好,其两侧3.0 m内平均渗透率为1.58×10^(-15)m^(2),远大于初始值1.15×10^(-17)m^(2)。现场应用表明,大直径钻孔瓦斯抽采远优于普通钻孔,300 mm大直径钻孔瓦斯体积分数最大值为47.2%,75 mm原钻孔最大瓦斯体积分数最大值仅为10.6%,且大直径钻孔5.0%以上高瓦斯体积分数抽采天数提高了40.2%,有效解决了小直径瓦斯钻孔治理难题,为高瓦斯煤层高效精准卸压增透强化抽采提供了有效途径。

煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理

煤层厚度变化是影响大直径钻孔卸压效果的重要因素之一。基于等效弹性模量原理建立了大直径钻孔卸压弹性力学模型,以某矿不同工作面为工程背景,研究了不同煤层厚度条件下大直径钻孔卸压煤体应力分布特征和能量释放规律,探讨了煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理。研究结果表明:当大直径钻孔卸压参数相同时,薄煤层中原岩应力、钻孔切向应力及其塑性区范围均大于厚煤层;大直径钻孔周边应力峰值随煤层厚度增加呈非线性减小趋势,当煤层厚度由1 m增加到9 m,应力峰值由23.2 MPa降低到20.2 MPa,降低12.9%;大直径钻孔卸压释能率随着煤层厚度增加呈减小趋势,当煤层厚度由1 m增加到9 m,大直径钻孔卸压释能率由68.7%降低到45.8%,即相同大直径钻孔卸压参数条件下薄煤层卸压效果更好;当大直径钻孔卸压参数相同时,钻孔切向应力随着煤层厚度增加而减小,导致煤体破碎区和塑性区范围以及存储弹性能释放量减小,即钻孔卸压释能率降低。某矿1208工作面和1203工作面煤层厚度分别为9.08、4.95 m,虽然两工作面采取了相同的大直径钻孔参数,但1208工作面巷道围岩变形破坏更为严重,对大直径卸压钻孔参数优化后,煤体平均钻屑量由2.48 kg/m下降到1.76 kg/m,表明随着煤层厚度增加,需采取减小钻孔间距、增大钻孔直径等措施来达到更好的卸压效果。

沿空留巷动压区锚索主动支护技术研究

为解决车集煤矿深部工作面高矿压条件下沿空留巷变形严重问题,根据2611工作面生产地质资料,采用经验计算和FLAC^(3D)数值模拟等方法开展矿压分析、大直径锚索主动支护数值模拟,由结果可知,车集煤矿2611工作面锚杆+普通锚索+大直径锚索加强支护手段支护效果远优于其他支护形式。通过工程实践:2611下巷沿空留巷动压段超前支承压力影响范围约50 m,工作面后约150 m,沿空留巷切顶卸压大直径锚索主动支护技术,适用于车集煤矿深部工作面沿空留巷支护,能够有效控制围岩应力,将巷道变形控制在合理范围内。

基于蝶形理论的工作面超前钻孔解危机理与技术应用

针对采动工作面超前应力集中导致冲击动力灾害问题,通过数值模拟研究了具有普适性的采动空间应力分布规律,分析了非均匀应力场作用下孔洞围岩塑性损伤机制,获得了孔洞围岩塑性区RPP扩展特性,解释了应力场演化期间孔洞围岩塑性区蝶化-劣化趋势效用下工作面超前大直径卸压钻孔的作用机理。研究结果表明,当推进长度大于两个见方时,采空区周边应力趋于稳态,沿采空区最小主应力P 3受应力卸载影响,在采空区边界处出现拐点;垂直采空区30 m内最大主应力P 1急剧增加,显著影响距离可达90 m,围压比在采空区10 m内变化明显,轴向侧压系数变化较稳定,垂向侧向系数在近采空区出现较大波动;孔洞围岩在非等压应力场呈现RPP扩展特性,即在围压比持续增大时孔洞围岩塑性区将出现圆形-椭圆形-蝶形的演化规律,其敏感性越发强烈并最终表现为塑性劣化,围岩失稳,能量释放,解释了工作面前方大直径钻孔卸压机理。基于此,在某矿沿工作面倾向布置孔径600 mm、间距7.5 m、贯穿工作面的大直径卸压钻孔,现场应用后电磁监测结果显示工作面前方整个压力显现较弱,卸压作用明显。

煤层防冲卸压钻孔动载响应规律及其极限性

冲击危险性巷道围岩遭受外界动载荷扰动,常导致冲击地压发生。为了探索煤层大直径预卸压钻孔在动载扰动条件下的防冲卸压作用,综合采用理论分析、实验室试验以及数值模拟等方法,开展煤层防冲卸压钻孔动载响应规律及其极限性研究。结果表明:大直径钻孔卸压区内的煤体形成弱结构,增大了衰减动载的能力,降低了冲击发生的可能性。低动载扰动下,孔洞裂隙扩展,声发射累计事件随着扰动周期增加呈上升趋势;较高动载扰动下,钻孔煤样损伤破裂程度加剧,声发射事件以高能量为主。随着动载能级和扰动周期增加,应力集中区、弹性高能区与钻孔之间的距离缩短,影响范围增大,围岩运动趋势增强,弹性能集聚程度增加;在低动载能级扰动下,钻孔发挥耗能卸压防冲的作用,能够维护围岩的稳定性,在高能级动载扰动驱动下,大直径钻孔防冲失效,钻孔孔壁易发生动力失稳破坏,造成围岩失稳。总体上大直径卸压钻孔存在弱化结构,能够耗能减冲,降低动载扰动程度,但在高能、高频动载扰动下,卸压钻孔围岩运动趋势增强,破裂响应程度剧烈,防冲效能存在极限性。

高应力断层构造区巷道冲击破坏特征研究

断层构造区静动载应力耦合作用加剧了井下断层区围岩冲击危险性,断层构造区巷道围岩应力分布规律及冲击动载响应特征存在显著特殊性。目前对于断层构造区的冲击研究主要集中于工作面采场附近,但对于断层构造区巷道冲击破坏鲜有研究。以陕西某矿深埋高应力断层构造区巷道为工程背景,分析了断层构造区巷道围岩变形破坏力学特征:①断层面存在明显应力阻隔效应,正断层附近存在上盘应力集中区和下盘应力降低区2个特殊应力区。巷道由于断层面影响,巷帮静载集中应力呈现非对称分布特征,远离断层面侧应力集中程度大于靠近断层面侧,该侧巷道围岩冲击破坏危险程度增大。②断层面对于应力波传递产生明显阻隔作用,正断层上盘动载响应大于下盘动载响应,由于巷道两帮应力非对称分布特征,右帮动载响应明显大于左帮。基于上述特征,提出了断层构造区巷道围岩“卸(大直径钻孔卸压)−支(梯次加固成层式吸能防冲支护)”协同防冲控制技术,工程试验结果表明:①巷道围岩采取“卸−支”协同防冲处理措施后,巷道两帮应力集中区往围岩深部转移3~5 m,应力峰值降低18.5%~20.3%,巷道帮部围岩应力集中程度显著降低。②采用“卸−支”协同防冲处理措施前,巷道顶底板及两帮变形量分别为856,334,325,567 mm,巷道围岩变形破坏严重,采用“卸−支”协同防冲处理措施后,巷道围岩变形量降低35.69%~62.03%,巷道围岩稳定性增强。③钻孔煤粉量显著低于临界粉煤量,巷道围岩动力显现降低。

断层防水煤柱侧工作面“采帮钻孔+断顶卸压”防冲研究

大直径钻孔卸压是冲击地压煤层常用的卸压手段,但在断层附近施工大直径钻孔可能会出现断层导水或无法施工至设计孔深等问题,而断顶爆破卸压可以作为一种补充卸压措施。以某矿采煤工作面为工程背景,分析了煤柱应力特征,模拟研究了不同方案卸压效果,针对具体工况设计了卸压方案,并进行了现场应用。研究结果表明,受回采影响,靠近工作面采空区一侧的煤柱应力集中程度较高;对比分析了“采帮钻孔+断顶卸压”与“两帮钻孔卸压”效果,发现采用“采帮钻孔+断顶卸压”方案后煤柱应力降低较明显;将该方案进行了现场应用,工作面回采期间煤柱侧未发生应力预警,保证了工作面的安全回采。

BLY1000/16型煤矿井下钻探用泥浆泵车设计

现有的泥浆泵不能有效满足顶板高位φ200 mm及以上钻孔一次性成孔的需求,该需求主要表现为大流量、高压力的钻井动力介质和设备性能高可靠性等。采用大功率钻探设备集成化的设计理念,进行了泥浆泵单元、液压控制系统以及整车布局等设计,研发了BLY1000/16型煤矿井下钻探用泥浆泵车,主要配套大功率定向钻机用于顶板高位大直径钻孔施工。该泥浆泵车能自行走,移运便捷、集成度高。现场工业性试验表明:BLY1000/16型煤矿井下钻探用泥浆泵车可靠、高效地输出大流量、高压力的钻井液,满足了煤矿井下一次性大直径高位孔成孔的需求,有效保障了用于以孔代巷的大直径高位孔施工。

变直径卸压钻孔卸压参数模拟研究

常规大直径卸压钻孔对巷道浅部围岩扰动较大,增加了支护成本。以变直径卸压钻孔为研究对象,采用理论分析、数值模拟的方法,分析了变直径卸压钻孔卸压机理,讨论了变直径钻孔损伤形状、卸压半径、钻孔布置方式和钻孔长度等因素,同时比较了不同钻孔方案的优劣。结果表明:变直径钻孔在围岩浅部使用小直径钻孔,可以减小浅部围岩变形,对浅部围岩扰动更小,在煤层深部采用大直径,可以为煤体提供更大的能量释放空间,卸压效果好;在垂直应力大于水平应力的情况下,钻孔损伤为“蝴蝶”型,因此采用双排三花布置效果最佳;小直径段长度不超过应力降低区,其长度为3 m,其总长度不超过应力集中区,为25 m;变直径卸压钻孔可以在有效卸压的同时减小对巷道浅部围岩的扰动。

回采巷道防冲卸压与围岩大变形协调控制技术

以义桥煤矿3305工作面复杂条件回采巷道为工程背景,针对复杂应力条件下回采巷道冲击地压防治及围岩大变形控制难题,开展了防冲卸压与围岩变形协调控制方面的研究;从控制围岩稳定性角度出发,提出了巷道围岩锚固层卸压钻孔局部充填强化技术。理论分析表明:实施钻孔回填能有效减小钻孔周围煤体的破坏范围。进一步通过数值模拟确定了卸压与加固协同控制的钻孔充填关键参数。现场实践表明:采用大直径钻孔局部充填技术可以在实现煤体卸压的同时,实现巷道围岩稳定性控制的目的,有效降低了巷道使用期间的变形量和返修次数,相较于未实施钻孔回填,施工钻孔回填后,巷道两帮最大移近量减小了57.2%。

密集钻孔切顶卸压关键参数影响因素研究及应用

密集钻孔切顶技术主要通过对采场侧向顶板围岩结构进行改造,利用覆岩载荷和顶板自重切落基本顶,能够有效降低巷道顶板压力。通过统计国内部分矿井密集钻孔切顶卸压沿空留巷技术的应用案例,对钻孔关键参数及留巷效果进行了分析,并对密集钻孔切顶关键参数主要影响因素进行研究。研究结果表明:密集钻孔切顶适用于不同厚度的煤层,切顶效果取决于切顶高度、切顶角度、钻孔直径与间距是否合理。由于密集钻孔切顶时顶板在回采前未完全破断,在回采后,煤层厚度越大,顶板下沉回转在钻孔周围产生的拉伸应力就越大,密集钻孔顶板就越容易发生破断,煤厚的增加有利于顶板的自主破断。密集钻孔切顶高度随煤厚及基本顶厚度增加而增加;随煤厚增加切顶钻孔角度对切顶的影响逐渐减小,切顶角度呈现降低的趋势;密集钻孔孔径与孔间距二者共同作用影响密集钻孔顶板破断效果,D/B值(孔间距与孔径之比)在一定范围内随煤厚而增加,随基本顶强度增加而减小。根据统计结果采用工程类比法,并结合切顶钻孔主要影响因素研究结果,提出了密集钻孔切顶关键参数确定方法,并在赵家寨矿11210工作面回风巷进行了密集钻孔切顶留巷试验,现场留巷效果较好,证明该方法实用有效,具有一定的工程参考价值。

大直径救援井干孔透巷关键技术及应用

为了实现地面大直径救援井安全透巷,在大直径井覆盖层和基岩层常规泥浆正循环、多级扩孔钻进基础上,研究了影响大直径救援井干孔透巷因素,主要包括反循环环空压力控制、反循环透巷遇强-弱含水层、透巷段预留安全距离及高效固完井方式。通过重点分析预留透巷段干孔透巷钻进技术原理、干孔透巷反循环装置、透巷分段排浆排渣钻进、安全透巷工艺、透巷位置选择及透巷距离确定,形成了一整套针对大直径干孔透巷高效钻进关键技术体系,实践验证效果良好,为地面大直径救援井干孔透巷钻进提供了技术支撑。

特厚煤层孤岛工作面顺槽卸压技术应用

以8204-2特厚煤层孤岛工作面为工程实例,该工作面回采期间两巷煤岩体受采动应力叠加影响、围岩变形程度大、矿压显现强烈。为解决此问题,拟定对5204-2回风顺槽采用大直径钻孔卸压技术和锚索补强支护、对2204-2运输顺槽采用底板卸压槽卸压技术。该技术应用后,工作面回采巷道围岩变形得到了有效控制,避免了强冲击矿压的发生,实现了工作面的安全回采与快速推进。

冲击地压矿井掘进巷道卸压钻孔创新研究

大直径卸压钻孔作为一项常规的防冲预卸压措施,广泛应用于矿井冲击地压防治工作。然而冲击地压矿井掘进工作面的正常掘进期间如何保证滞后迎头10~30 m范围内和超前掘进头的卸压钻孔及时施工,防止卸压钻孔施工不及时形成应力集中,一直困扰着掘进防冲工作。系统阐述22311机巷安全通道掘进期间大直径钻孔卸压的创新设计施工和使用,实现超前掘进面施工卸压钻孔,在不影响卸压效果的前提下保证冲击地压巷道连续掘进。通过工程施工期间的多参量防冲监测数据分析,该卸压孔卸压效果良好,能有效避免巷道掘进期间应力集中,可供类似冲击地压巷道掘进期间卸压工程设计参考。

东曲煤矿大直径钻孔瓦斯抽采治理技术研究

上隅角瓦斯浓度超限问题严重影响煤矿安全生产工作,针对东曲煤矿瓦斯抽采流量低、工作面瓦斯浓度超限等问题,采用数值模拟方法对150 mm、250 mm、350 mm直径钻孔,以及-45 kPa、-30 kPa、-15kPa抽采负压的瓦斯抽采效果进行对比。以28802-2工作面为例,选取350 mm大钻孔与-45 kPa抽采负压进行30 d的瓦斯流量与浓度监测,结果表明瓦斯治理取得了良好效果。

基于巷道爆破的防冲击地压工艺的应用研究

为了解决山东李楼煤业有限公司井下采用大直径钻孔卸压所存在的卸压强度低、滞后性差等不足,提出了一种新的煤矿井下防冲击地压技术,对巷道围岩承压区域进行爆破,在巷道围岩区域处形成一个卸压保护区,从而实现削弱地压冲击的目的。根据实际应用表明,该方案能够将井下高应力区域面积降低71.4%以上,冲击能量降低到10^(4)以下。

基于震波CT探测的工作面冲击危险性评价及防治

为了提高工作面冲击地压防治效率,鉴于集中静载荷在冲击启动过程中的基础作用,以陕西某矿为工程背景,采用震波CT对工作面开展集中静载荷原位探测和冲击危险性评价,划分冲击危险区域,制定针对性防治方案。结果表明,煤层强冲击倾向性、开采深度大、上方厚硬顶板以及相邻工作面采空区顶板悬而不垮使工作面冲击危险性升高;工作面探测区域内煤层总体处于中等冲击危险等级,并准确划分了冲击危险区域。采用顶板爆破、煤层帮部及底板大直径钻孔卸压技术,切断力源,转移应力,由原来的“防治全巷道”转变为“防治重点危险区域”,提高冲击地压防治效率,得以保障工作面的安全回采。

七五生建煤矿冲击危险评价及防冲优化设计研究

冲击地压是深部煤矿亟待解决的重大问题之一,针对七五生建煤矿3_(上)219工作面存在的冲击地压问题进行了现场论证分析,该工作面冲击危险系数为0.48,鉴定为有弱冲击危险性,通过煤层大直径钻孔卸压法进行了工作面防冲卸压工作。结果表明,在3_(上)219工作面利用大直径钻孔卸压法可较大程度对煤层达到卸压目的,效果优良,保证该工作面安全稳定地生产。

大直径钻孔卸压机理室内及数值试验研究

钻孔卸压能够有效降低巷道上方及其周围岩体弹性能量的积聚,降低区域冲击危险性。因此,对大直径钻孔卸压机理及其合理参数的深入研究具有工程应用价值。通过室内试验研究孔径、孔间距及孔深等参数对试样强度的影响,以及分析不同参数影响下试样破坏形态;同时借助颗粒流PFC研究不同参数条件下试样裂纹扩展形态及裂纹数量。研究表明:裂纹扩展贯通导致的应力释放是钻孔产生卸压作用的根本原因,且孔径、孔深越大,钻孔周围裂纹数量越多,主控裂纹纹路越清晰,钻孔卸压效果越好;同样随着孔间距越小,试样破坏形态由独立型破坏转变为贯通型破坏,试样破坏强度明显降低,卸压效果明显。

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.