大直径高位定向孔一次钻扩技术及瓦斯抽采效果分析

针对“U”型通风回采工作面采动卸压瓦斯常规治理方式存在的综合效率低、治理成本高等问题,以山西晋城矿区某煤矿生产工作面为研究对象,提出采用φ200 mm大直径高位定向钻孔进行采动卸压瓦斯治理;基于该煤矿顶板大直径高位定向钻孔成孔技术难点分析,选型了关键钻进装备,包括ZDY20000LD型定向钻机、BLY460型泥浆泵车和多动力扩孔钻具;开发了复合强排渣定向钻进技术与多动力一次扩孔技术,实现了复杂地层条件下φ120 mm高位孔定向钻进与φ200 mm一次钻扩成孔,综合成孔效率较常规多次分级扩孔方式提高50%以上。瓦斯抽采效果表明:距煤层顶板30~40 m、距回风巷道40 m区域范围是采动裂隙密集发育区,钻孔平均瓦斯抽采体积分数保持在40%以上、最大瓦斯抽采纯量10.94 m^(3)/min,效果显著。

近距离薄煤层群首采层卸压瓦斯协同抽采技术研究

为有效解决近距离薄煤层群开采首采层上、下邻近层大量卸压瓦斯涌入的治理问题,以某煤矿为研究对象,采用理论分析和数值模拟的方法,研究近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯运移规律,并根据富集特征确定卸压瓦斯抽采钻孔的空间位置。研究结果表明:首采层开采覆岩导气裂隙带最大发育高为10.3~23.2 m。设计超大直径顺层预抽钻孔高0.8 m,宽2.08 m;顶板定向长钻孔终孔最优抽采位置为垂直距离开采层顶板15.0~23.0 m,水平距离回风侧20.5~27.5 m;2条埋管抽采最佳错距为距底板高1.1,1.7 m,深入采空区11.3,20.8 m。优化后的布置参数应用于现场实践,试验工作面回采期间上隅角瓦斯体积分数保持在0.7%以下。研究结果能够实现近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯高效抽采,保证矿井安全高效生产。

基于地面大口径钻孔抽排的老空水害防治技术

为了安全高效治理矿井老空水害,在井下不具备疏放老空水的条件下,采用了地面大口径钻孔和接力抽排水的方案对老空水害进行治理。选取位于老空积水区最低点的水仓作为地面钻孔的终孔位置,施工三级变径的大口径钻孔。下设的一级套管对钻孔在松散层中进行了固井,二级套管对老空区及采动破坏范围上覆含水层进行了隔离,采用无线随钻测斜和定向钻进技术,保障了大口径钻孔的准确透巷。钻孔中下设潜水泵将老空水抽至地面,然后采用管道增压泵将老空水接力排至矿井水处理厂,实现了老空水抽排过程中不落地。通过对抽排水量和老空水位的观测,验证了基于地面大口径钻孔和接力抽排老空水的效果。结果表明:采用地面大口径钻孔和井下潜水泵联合地面增压泵接力抽排关闭矿井老空水效果较好,具有安全性和可靠性高、排水和水处理费用低等特点。

矿山地面救援应急响应与大直径钻孔关键技术

【目的】大直径救生孔多次在矿山地面钻探救援中得到成功应用,但在快速出动、跨区域救援等应急响应方面仍有短板,在应对复杂地层时大直径救生孔的工艺适配性不足。【方法】从应急救援整体角度出发,以救援时效为指标,就响应能力提升、复杂地层成井工艺等关键技术进行总结。构建了矿山地面钻探救援应急处置流程,明确了预案启动、响应动作和响应速度3个方面的提升内容,建立了跨区域救援层次化出动机制和钻前技术保障响应机制。分析了大直径救生孔松散层、基岩层钻进工艺特点,提出了针对破碎、高涌水等复杂地层施工难点的解决方案,指出了救援提升过程中的典型问题。【结果和结论】研究表明:(1)科学的矿山地面钻探救援应急响应机制是提高救援效率的重要方式之一,通过采用跨区域救援层次化出动机制和钻前技术保障响应机制,可有效提高应急响应效率2.3倍。(2)形成了复杂地层条件下大直径救生孔高效成孔的解决方案,并应用于济宁九顶山矿大直径救生孔工程试验,完钻孔深403.2 m,终孔孔径580 mm,平均机械钻速2.5 m/h,从应急响应到救援提升总用时311.95 h,救援整体时效性提升47%。(3)就救援时效性而言,救援准备阶段的提升效率要优于救援实施阶段,且应急响应能力的提升途径更易实现,因此在钻探工艺和装备提升不大的情况,矿山救援队应着重提升应急备战和快速反应能力。研究结果可满足400 m以浅矿山地面应急救援需求,可指导矿山救援队建立应急响应机制,为大直径救生孔的施工设计提供参考,对矿山地面钻探应急救援具有指导意义。

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。

大直径瓦斯抽采钻孔穿越保护煤柱围岩变形损伤规律

为探究大直径钻孔穿越保护煤柱的钻孔围岩破坏规律,采用ABAQUS进行数值模拟分析,在软件中嵌入Concrete damage model屈服准则,并分析了塑性准则下的煤体、泥岩的抗压强度、抗拉强度与损伤因子演化规律。以平舒煤矿81117工作面为例建立数值模型,探究了钻孔开挖以及工作面采动条件下的煤柱围岩应力、位移、损伤特征。结果表明:煤体与泥岩的抗压、抗拉强度与损伤因子具有相同规律的演化形式,但泥岩具有更高的强度特性。钻孔开挖对保护煤柱的损伤影响较小,而工作面的采动作用将会导致围岩出现明显的变形损伤,回采300 m时,钻孔的位移量约为-0.08 m,回采600 m时,钻孔的位移量达到0.32 m,巷道顶底板与煤柱塑性区存在贯通破坏风险。

煤层顶板高位大直径定向钻孔瓦斯抽采技术研究

在煤层瓦斯抽采工程中,在钻场这些关键区域,布置了6个高位钻孔,这些钻孔布局合理位置精准,能最大限度地抽取邻近层和采空区中的瓦斯。充分考虑瓦斯运移规律,将钻孔层位选定在砂质泥岩与细砂岩的交界面,距离煤层顶板约30~65 m,以确保钻孔能够最大限度地抽取瓦斯。通过这一高位大直径定向钻孔技术,成功实现了对煤层顶板瓦斯的长期、稳定抽采,使采空区瓦斯涌出量得到了有效控制。在测试结果中,钻场内1#~6#孔平均抽采混量为9.76 m3/min,单孔的最大抽采混量为33.992 m3/min,得出高位大直径定向钻孔在瓦斯抽采过程中具有显著效果,对于提升煤矿瓦斯治理水平具有重要意义。随着煤化工行业的快速发展,提升其技术水平具有重要作用,因此需加强这方面研究,才可以更好地实际应用。

大直径钻孔治理采空区瓦斯的设计参数研究

针对联络巷与定向长钻孔网络复杂,治理采空区困难等现状,以平舒煤矿为背景,采用大直径钻孔穿越保护煤柱抽采采空区瓦斯,解决上隅角瓦斯体积分数超限问题。依托Fluent数值模拟软件建立大直径钻孔抽采采空区瓦斯模型,探究钻孔间距、钻孔数量、距离上隅角位置、抽采排量等参数对瓦斯抽采效果的影响,通过分析采空区瓦斯分布与回风巷中心线位置,沿工作面走向距离瓦斯体积分数分布曲线,对采空区瓦斯抽采效果进行评判。结果表明:合理抽采参数为钻孔间距L=30 m,钻孔数量n=4个,钻孔距离上隅角位置d=15 m,抽采排量Q=20 m^(3)/min.经15号煤层工作面60 d工程监测表明,采用大直径钻孔抽采瓦斯可以使上隅角瓦斯体积分数由0.6%~1.1%稳定至0.6%,验证了治理技术在平舒煤矿应用的可靠性。

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。

大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术

地面钻井抽采采空采动区瓦斯技术在世界范围内的应用越来越广泛,然而仍存在着瓦斯流量和浓度偏低以及钻井稳定性差的问题。基于淮南矿业集团和澳大利亚的应用实践,开展了大直径地面钻井提高瓦斯抽采效果的理论与技术研究。通过对围岩采动影响和瓦斯抽采效果的数值模拟,参考瓦斯高效抽采范围的高位环形体理念,进行了抽采管径分别为244.5 mm和177.8 mm的大直径地面钻井设计和抽采瓦斯试验。试验结果表明:大直径地面钻井在抽采效果、控制工作面瓦斯涌出以及钻井稳定性上均明显优于普通钻井,瓦斯抽采总量可达316.7万m3,瓦斯纯量达170万m3,服务时间达106 d,能够有效地控制工作面回风瓦斯浓度;地面钻井布置于回风巷一侧在抽采效果上优于进风巷一侧,前者瓦斯抽采量和浓度分别高于后者33.7%和75.3%。

兰渝铁路木寨岭隧道炭质板岩段应力控制试验研究

结合在建的兰渝铁路木寨岭隧道炭质板岩段实际情况,寻找解决控制高地应力大变形的方法,通过在木寨岭隧道7#斜井进行超前大钻孔、超前导洞应力控制方法的现场试验,根据与原施工段监控量测结果进行对比,二者虽对变形的控制起到一定作用,但就其可行性而言,还需继续研究和完善。

软及硬煤层钻孔卸压效果对比分析研究

为分析冲击矿压矿井软煤层钻孔卸压效果比硬煤层好这一问题,通过采用有限元数值模拟软件FLAC对软及硬煤层的大直径钻孔卸压效果进行了分析研究,结果表明：当钻孔深度达到10~15 m时,软煤体内应力35 MPa,硬煤体内应力29 MPa,并且软煤体35 MPa的应力大于硬煤体29MPa的应力,从而说明软煤层中实施钻孔卸压效果较好,硬煤层中钻孔卸压效果较差,最后对张双楼煤矿7123工作面实施大直径钻孔卸压,卸压效果与数值模拟结果一致。

综采面顶板走向大直径长钻孔瓦斯抽采技术参数的研究

通过对采场上覆岩层运移规律的研究,分析了关键层、"O"形圈与瓦斯抽采最优汇集区域的关系,建立了瓦斯运移规律的数学模型,运用UDEC软件对该模型进行了数值模拟解算,确定了顶板大直径长钻孔瓦斯抽采的钻孔布置方式及合理参数,为实现煤与瓦斯高效、安全共采奠定了基础。

大径孔预抽煤巷条带瓦斯技术的优化及应用

针对孟津煤矿二2煤层弱突出危险性的特点,以及11031工作面胶带、轨道顺槽掘进速度缓慢的问题,研究不同孔径钻孔的卸压范围和抽放效果。采用大直径钻孔,钻孔分区式布置对现有区域消突技术进行优化,孔径113 mm的抽放钻孔单孔抽放瓦斯纯量为孔径94 mm的1.8倍。表明大径顺层长钻孔的应用,能够有效消除煤巷预抽条带瓦斯突出危险,提高掘进速度,确保掘进工作面的安全生产。

大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及实践

针对高强开采井田王家岭煤矿综放工作面瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯积聚问题,基于岩层控制关键层理论,对顶板垮落走向与倾向采动裂隙发育进行研究。采用数值模拟的方法研究采空裂隙随工作面推进的演化过程,分析顶板裂隙发育高度,确定大直径高位定向长钻孔最佳布孔层位及钻孔结构,并进行工程实践。结果表明,依据关键层理论计算及采动裂隙数值模拟预测层位布设大直径高位定向长钻孔,抽采效果较好,单孔最大抽采纯量2.10 m3/min,最大抽采体积分数31.39%,4个定向长钻孔累计抽采瓦斯纯量28.99万m3,工作面上隅角瓦斯体积分数最低下降至0.46%,瓦斯治理效果显著,解决了上隅角瓦斯超限问题,保障了工作面的安全回采。

大直径顺层长钻孔预抽瓦斯消突效果分析

针对淮南矿区丁集煤矿11-2煤层以地应力为主导作用的压出类型的突出特征,以及煤巷掘进速度慢的问题,提出了大直径顺层长钻孔预抽瓦斯消突技术,采取该措施进行抽放后,效检超标率仅为5.38%,平均瓦斯体积分数为0.1%左右,最高不超过0.4%;另外通过施工长钻孔,基本能探出工作面前方落差小于3 m的较小断层,避免了一定的地质风险,平均月掘进进尺达170 m以上,最高可达212 m,缓解了采掘接替紧张的难题。

采空区瓦斯抽采高位钻孔施工技术及发展趋势

为了解决采用专用巷道和埋管法抽采工作面采空区瓦斯存在的施工成本高、效率低等问题,基于顶板高位钻孔抽采采空区和上隅角瓦斯抽采技术原理,提出由预抽钻孔和高位钻孔构建的煤与瓦斯共采体系,分析了现有回转钻进技术和滑动定向钻进技术施工高位钻孔的优点和不足,介绍了最新开发的复合定向及大直径回转扩孔钻进技术方法与试验应用情况,高位定向钻孔成孔深度达到1 026 m,成孔直径达到153 mm;同时针对当前高位定向钻孔存在的一次成孔直径小、二次回转扩孔速度慢、裸孔完孔易堵塞瓦斯抽采通道等问题,提出大直径一次成孔技术、复合扩孔钻进技术和筛管完孔技术的发展趋势,以进一步提高高位定向钻孔的一次成孔直径、钻进效率、钻孔深度和钻孔利用时间,降低施工风险,提高高位钻孔经济性和瓦斯抽采效果。

超前大钻孔应力释放方法在高地应力软岩隧道中的应用效果分析

新建兰渝铁路木寨岭隧道为双洞单线分离式特长隧道,全长19 km,施工过程中在高地应力和软弱围岩的共同作用下出现了难以控制的大变形问题,对施工安全和顺利进展都造成较大影响。为解决这一问题,通过现场试验的方式,采用超前大钻孔对地层高地应力进行预释放,以减小作用于支护结构上的压力,使支护系统受力处于安全范围内,达到控制变形的目的。对大钻孔施工及施工效果进行分析,试验表明超前钻孔对后期的变形发展有所遏制,但对隧道施工也会产生一定影响,其现场的应力释放效果及施工组织等方面还需进一步研究和完善。

不同侧压系数对巷道底板变形破坏影响及防治研究

基于N2105工作面位于褶曲构造区的进风平巷发生底板冲击地压事故为工程背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟、微震监测和井下试验等手段,对底板变形破坏机制与控制对策进行了研究。结果表明:褶曲构造区侧压系数λ值最小为1.56,最大为2.18,为强构造应力影响区;随着侧压系数的增大,底板应力集中大小和程度变大,且存在一突变点,当λ>1.5后巷道底板塑性区范围急剧扩大,底板围岩稳定性急剧恶化;巷帮大直径钻孔卸压能够有效抑制动静载组合叠加强度,对底板变形破坏有很好的防治作用。

综放工作面煤层大直径钻孔卸压防灾技术

煤矿综放工作面采动应力扰动剧烈,超前支承应力集中程度较高,易引发冲击地压等煤岩动力灾害。基于张小楼煤矿2341综放工作面生产地质条件,采用FLAC^(3D)模拟分析了工作面前方支承应力分布特征,并介绍了大直径钻孔卸压机理及技术实践过程。结果表明:工作面围岩最大支承应力达55.5 MPa,应力集中系数约2.5;大直径钻孔能有效增加煤体裂隙密度,降低煤体应力集中程度及应力梯度;工作面施工大直径钻孔卸压措施后,检测到的最大钻屑量为2.7~3.6kg/m,低于临界值4.8 kg/m,实现了工作面安全开采。