基于孔间直流电透视的煤层底板采动破坏电阻率时移变化规律与机理

煤层采动过程中,底板应力状态的改变会产生变形与破坏,而不同煤层采动过程中底板破坏具有一定的规律。目前基于直流电阻率法的煤层底板水害监测主要集中于底板变形与破坏的电阻率响应特征上。为了研究工作面回采过程中煤层底板的电性时移变化特征,采用孔间直流电透视观测系统和时移电阻率反射系数法,通过数值模拟和现场试验揭示了煤层底板采动破坏电阻率时移规律。首先,针对典型地电模型,对比单独反演和时移电阻率变化率的结果,验证了孔间直流电透视时移方法的可靠性。然后,针对煤层底板采动破坏,分析了采动过程中底板承压水导升与底板破坏带的电性响应规律与特征,并讨论了时移电阻率反射系数确定煤层底板破坏深度的可行性,为野外施工提供理论依据。最后,通过现场监测试验,获得工作面回采过程中煤层底板的电性变化特征,并采用时移电阻率反射系数R确定了工作面底板岩层的破坏深度为15 m。结果表明:利用孔间直流电透视法获得的煤层底板采动破坏电阻率时移特征可在一定程度上消除了监测数据中的地层因素和随机噪声影响,且时移电阻率反射系数可用来确定煤层底板破坏深度。该方法将探测目标从单一的研究地质异常转换到对煤层采动过程中工作面底板破坏的全生命周期动态监测,进而实现了工作面底板结构破坏的精细刻画。

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。

担水沟煤矿特厚煤层开采底板导水破坏带深度实测研究

为了研究特厚煤层开采对工作面底板破坏深度的影响,通过在担水沟煤矿9204工作面底板2个观测钻孔,运用直流电法观测分析工作面回采过程中底板岩体视电阻率的变化特征,结合工作面与测点的空间位置关系,得出采动影响下的底板破坏深度,并将其与未考虑煤厚因素影响的统计公式和理论公式的计算值进行比较分析。结果表明,工作面实测底板破坏深度为17.3 m和18.3 m;实测底板最大破坏深度小于统计公式值7.81%~12.90%,大于理论公式值24.81%。探讨其机理认为,相对于工作面斜长、采深等因素,煤厚因素对底板破坏深度影响较低;且工作面底板下17 m赋存有一厚层隔水砂质泥岩,不易产生导水裂缝,降低了底板导水破坏深度。

复杂地层顺层定向钻孔轨迹设计方法优化

金泰煤矿M6煤层具有顶底板破碎、视倾角由双倾角控制(XZ视图倾角17°、YZ视图倾角3°)、煤层厚度薄且厚度变化差异大(1.08~1.68 m)的复杂产状特征,在顺层定向钻孔施工中,钻孔平面拐弯段采用原有的轨迹设计方法存在轨迹实控难度大、易偏离煤层进入不稳定顶底板而无法钻进、多分支孔施工降低施工效率和无效进尺的难题。本文基于视倾角计算公式,引入钻孔沿工作面走向倾角参数,针对钻孔平面拐弯段优化轨迹设计方法,并在金泰煤矿开展验证试验。结果表明:优化的钻孔平面拐弯段轨迹设计方法相对于原有轨迹设计方法,能够保持钻孔沿煤层中部钻进,克服煤层厚度变化干扰,实现钻孔平面拐弯段精确沿煤层钻进,有效进尺率分别为48.82%、76.72%和100%。8~10号试验钻孔瓦斯监测数据均呈现出较好的瓦斯抽采效果。

地面定向钻孔对煤层底板加固注浆改造技术

为解决井下作业环境对工作面底板含水层治理施工的空间限制与安全影响,保证工作面采掘安全,以吕梁山矿3-303工作面为例,分析研究其地质及水文地质条件,提出采用地面施工定向钻孔的方法改造煤层底板隔水层的厚度和隔水性能;设定采区和工作面的治理范围,选取合适的钻孔终孔设计层位,并下设多级套管避免塌孔堵孔后钻孔报废,通过注浆加固,改造隔水层的厚度和隔水性能;改造后的工作面煤层底板隔水层音频电透的视电导率分布较为均匀,底板改造效果良好。

近距离煤层采空区下开采底板破坏规律研究

为研究近距离煤层上层煤采空区对下层煤采动底板破坏的影响,以塔山矿8199工作面为例,通过统计公式和塑性力学公式预计工作面底板破坏深度;采用双向加载相似模拟试验分析顶板有无采空区对底板破坏的影响;利用“专门电极电缆直流电法”现场观测采动过程中底板视电阻率变化,获得底板最大破坏深度。结果表明:8#煤底板破坏深度受顶板采空区和底板岩性组合的双重影响;顶板采空区的存在使8#煤开采时底板初始应力减小,应力集中程度减弱,回采过程中直接顶垮落步距减小,易形成“短砌体梁”结构,顶板周期来压伴随着底板裂隙的扩展;工作面底板实测最大破坏深度17.1 m,相比于统计公式和塑性力学公式,预测值分别减小11.4%和7.8%,塑性力学公式相对适用性更好。

特厚煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯抽采技术及应用

为解决大佛寺煤矿特厚煤层透气性和瓦斯赋存差异性较大而导致的矿井抽掘采接替问题,提出“分段压裂延展裂隙+整体压裂沟通网络”的定向长钻孔水力压裂技术,通过增加煤层渗透性来提高矿井瓦斯抽采效率,并在40103工作面进行工程应用试验。共完成4个定向长钻孔分段水力压裂施工,累计压裂工程量2190 m,最大泵注压力17.83 MPa,累计压裂注水量4535 m 3,总压裂时间10853 min。相比于未压裂的预抽钻孔,压裂后瓦斯抽采浓度提高了2.20~4.22倍,百米抽采流量提高了4.93~11.03倍。试验结果表明,通过水力压裂后煤层渗透特性增加,瓦斯抽采效果显著提升,初步证实了长钻孔水力压裂强化瓦斯抽采技术的适用性,为彬长矿区的矿井瓦斯高效抽采提供了技术支撑。

丁集矿碎软煤层气动定向钻孔瓦斯治理技术研究与试验

为了解决丁集煤矿采用底板穿层钻孔进行碎软煤层瓦斯治理存在底板岩巷工程量大、成本高,常规回转穿层钻孔轨迹不可控,补孔多、钻孔工程量大的问题,提出利用气动定向钻进技术进行顺层瓦斯治理的新模式。针对丁集煤矿1212(1)工作面煤层瓦斯及地质特点,开展了构造挤压破碎带钻进技术、气动定向钻进技术、筛管完孔技术和封孔技术研究,利用ZDY6000LDB定向钻机及其成套装备在丁集煤矿1212(1)工作面运顺进行了I期现场试验,成功施工了48个孔深166 m以上的顺层气动定向钻孔,监测期间,瓦斯平均抽采浓度35.2%,累计瓦斯抽采纯流量达到734 382 m3,达到了试验预期。试验表明,该技术与装备能够满足丁集煤矿碎软煤层顺层瓦斯治理需求,为丁集煤矿安全高效生成、矿井降本增效提供了可靠的技术支撑,也为煤层条件类似矿井提供了新的技术借鉴。

彬长矿区“井上下”立体防治冲击地压新模式

随着煤矿开采强度的不断增大,矿井逐渐向深部转移,冲击地压灾害日益严峻。而深部冲击地压矿井往往存在一层或多层坚硬厚岩层,这些坚硬顶板厚度较大,整体性强,突然断裂时会释放大量弹性能,易引发冲击地压事故,严重制约矿井安全生产。以陕西彬长矿区孟村矿为例,针对矿区内煤层埋藏深、普遍存在多种坚硬厚岩层的特殊情况,提出针对性治理措施:对顶板上方0~80 m范围内厚度超过10 m的坚硬厚岩层进行破断、弱化处理,对煤层上方0~30 m范围的低位岩层采取顶板深孔爆破预裂措施,对煤层上方30~60 m范围内的中位坚硬岩层采取顶板定向长钻孔水力压裂措施,对煤层60 m以上高位坚硬岩层采取地面水平井分段压裂措施;使高、中、低位顶板产生的裂缝在垂向上实现贯穿,将顶板“切割”成相对规则的“块状”结构,使上覆岩层应力由“硬传递”转化为“软传递”;并结合煤层大直径孔卸压、煤层爆破等煤层卸压措施,形成了区域与局部相结合、煤层与岩层全覆盖的“井上下”立体防治模式。工程实践证明:采用“井上下”立体防治模式后,工作面103 J以上微震事件降低88%,周期来压强度降低23%,来压持续时间缩短61%,防冲效果良好。该技术模式的成功应用可为类似地质条件下冲击地压矿井灾害治理提供借鉴。

新安矿底板灰岩水害超前探查治理技术研究与应用

为了解决新安矿采用常规回转钻进方式进行底板灰岩水害超前探查钻孔施工存在轨迹无法有效控制、钻孔深度小、存在治理空白区域的问题,提出了利用大功率定向钻进装备施工定向长钻孔来解决以上问题的技术方案,为了保证超前探查效果,进行了目标层精准定向钻进技术研究,同时,针对灰岩层出水后常规注浆加固方式存在的水泥堵孔问题,研究了孔内局部注浆加固技术。利用成套装备与技术,成功在新安煤矿15150综采工作面下部底板巷施工了2个孔深超过500 m的超前探查长钻孔,探清了该底板岩巷掘进方向前500 m范围底板奥灰含水情况,并在1#孔深280 m处成功实施了孔内局部注浆,注浆压力达到8 MPa,总注浆量达到514 t,在煤矿井下首次实现了孔内局部注浆,并取得了良好的注浆加固效果,为该底板岩巷的安全掘进提供了安全保障。

松软低透气性煤层瓦斯抽采技术研究

本煤层顺层钻孔在治理松软低透气性煤层瓦斯时面临钻孔工程量大、治理耗时长、瓦斯抽采效率偏低等问题,以21303综放工作面为工程研究对象,提出将定向长钻孔应用到煤层瓦斯预抽中。利用定向长钻孔施工距离长、精度高以及钻孔孔径大优势实现煤层瓦斯高效预抽,钻孔布置不受采面回采巷道掘进影响。现场应用后,定向长钻孔瓦斯抽采纯量可达到0.90 m3/min,较本煤层顺层钻孔抽采纯量高6倍,瓦斯预抽效果显著,实现了松软低透气性煤层瓦斯高效抽采。

定向长钻孔在综放工作面采空区瓦斯抽采中的应用

针对23101综放工作面采空区瓦斯涌出量大问题,为实现采空区瓦斯持续抽采并减少瓦斯涌出量,提出将定向长钻孔应用到采面采空区瓦斯治理中。综合采用理论分析及数值模拟确定定向长钻孔布置层位。在采区回风大巷靠近23101回风巷20 m处布置钻场,施工5个覆盖整个采面推进范围的定向长钻孔,钻孔布置在顶板24~56 m的粉砂岩层中,与回风巷水平间距控制在15~48 m。现场应用后,采面布置的高位定向长钻孔瓦斯抽采浓度、纯量等参数保持稳定,采空区瓦斯涌出量大问题得以较好解决,采面各位置瓦斯浓度均在允许范围内,表明现场布置的高位定向长钻孔瓦斯取得较好瓦斯治理效果。

燕子山煤矿工作面煤层注水降尘工艺应用

以燕子山煤矿8202工作面为工程实例,拟采用煤层注水提高煤层含水率的方法力图降低工作面生产时的粉尘浓度。根据燕子山煤矿煤层赋存条件,在8202工作面实施长孔低压、短孔中压及二者综合的注水工艺,并对不同工艺的降尘效果进行了现场验证。应用表明,综合注水工艺下的煤层含水率为5.52%,较未注水原煤含水率增加了125.3%;综合注水工艺下的工作面粉尘浓度为22 mg/m^(3),较短孔中压或长孔低压注水分别降低了66.7%、58.5%,降尘效果显著。

孔间电阻率监测在注浆效果检测的应用研究

华北型煤田煤层底板岩溶水害防治的主要技术手段是对含水岩层进行注浆改造,目前注浆效果检测的手段主要是对注浆前后岩性特征进行分析,缺少对注浆全过程的跟踪动态监测,很难对注浆效果进行准确评价。针对上述问题,引入孔间电阻率监测系统对注浆改造岩层的电阻率变化特征进行全过程监测,以实现浆液扩散范围的精准探测。首先,采用改进电极和线缆装置将电阻率监测系统置于煤层底板长定向钻孔内,实现孔间的电阻率监测;然后,构建浆液扩散的地质模型,采用三维电阻率反演对模拟数据进行处理解释;最后,在煤矿井下注浆层位开展注浆全过程的孔间电阻率监测工程试验。模拟结果表明:孔间电阻率监测能识别浆液异常的扩散范围,根据电阻率随时间的变化趋势可推测浆液扩散范围,随着浆液逐渐扩散,异常区范围逐渐变大,异常强度逐渐增强。工程试验结果表明:通过钻孔将电阻率监测系统布置于注浆层位进行动态监测,监测数据经三维反演成像后能成功捕捉到浆液扩散导致的注浆层位电阻率变化特征,为煤矿注浆效果检测提供一种可行的技术方案。

特厚煤层工作面定向长钻孔以孔代巷瓦斯抽采技术

为解决高瓦斯特厚煤层采煤工作面瓦斯超限问题,研究了大佛寺矿井采煤工作面不同阶段瓦斯抽采效果,确定了高位定向钻孔抽采方式治理采空区瓦斯,分析了钻孔层位、平距及周期来压、涌水量对高位定向钻孔抽采效果的影响。结果表明,高位定向钻孔最大瓦斯抽采量达13.34m^(3)/min,可有效降低工作面瓦斯。

煤矿井下深孔密闭保压取样装置研制

采用敞口式岩心管取样来测定深孔煤层瓦斯含量时煤样暴露时间长、煤样易被污染、瓦斯损失量难以计量导致测量误差大,而现有密闭保压取样大多需要二次扩孔、结构复杂、取样成功率低造成难以大规模推广应用。针对上述问题,研制了一种煤矿井下深孔密闭保压取样装置。该装置采用“两级活塞+双层套管+煤样筒”的整体结构设计,通过控制井下高压水泵注入装置内的注水流量及注水时间,实现球阀由取样前密闭到取样时开启,再到取样后密闭的动作转换,达到煤样被密闭在煤样筒内的目的,防止煤样被污染及取样过程中瓦斯逸散。采用敞口式岩心管常规取样方法和深孔密闭保压取样装置分别采集了4组同钻孔同深度处煤样,进行瓦斯含量测定对比分析,现场试验结果表明:深孔密闭保压取样装置的取样深度接近350 m;相较于常规取样方法,深孔密闭保压取样测得的瓦斯含量偏大5.4%~37%,且随着取样钻孔深度增加,偏大的程度增加,表明密闭保压取样装置能够提高深孔煤层瓦斯含量测试的准确性。

特厚煤层综放开采定向长钻孔瓦斯抽采技术

为了解决玉华煤矿特厚煤层综放开采条件下采空区瓦斯涌出量大的问题,开展特厚煤层综放工作面覆岩裂隙演化物理相似模拟实验。掌握特厚煤层采动覆岩裂隙分布特征、“三带”高度及底板应力变化规律,以此为基础设计试验工作面采空区瓦斯抽采钻孔的合理层位,最终以卸压瓦斯抽采效果为考察指标,利用定向长钻孔代替常规高位钻孔对抽采钻孔层位布置的合理性进行验证。结果表明,工作面冒落带高度22 m,冒采比2.2,裂隙带高度140 m,裂采比14。参考矿井实际顶板垮落情况,确定顶板定向长钻孔的3个合理终孔层位分别为7 m、15 m、40 m。通过瓦斯抽采效果对比得到定向长钻孔的瓦斯抽采浓度和有效抽采距离均比普通钻孔提高了1倍以上,抽采效果良好。

特厚煤层综放工作面冲击地压防治实践

以彬长矿区孟村煤矿为背景,针对煤层上覆坚硬难垮顶板瞬间破断诱发冲击灾害的风险,创新应用井上下立体联合卸压技术。通过地面L型水平井分段压裂对高位关键层坚硬顶板实施压裂改性,以及井下顶板定向长钻孔水力压裂及深孔预裂爆破对中、低位关键层坚硬顶板进行等距破断弱化,破坏岩层的整体性并降低破断强度。结合煤层大孔径钻孔卸压,阻断静载荷积聚及动载荷传递通道,从源头上消除(减小)冲击危险,开辟了冲击地压科学防控的新途径。实践表明,实施立体联合卸压方法消除了工作面上覆坚硬顶板岩层难跨悬顶积聚载荷,微震频次显著下降且杜绝了1×10^(4)J以上微震事件,为具有坚硬顶板破断诱发冲击地压风险的类似矿井提供了参考。

空气定向钻进螺杆马达润滑关键技术

采用空气定向钻进技术进行钻孔施工时,螺杆马达能否得到良好的润滑是影响其寿命的关键因素。结合空气螺杆马达的结构特点,介绍了2种支撑孔口润滑技术的关键装备,并给出了其结构组成和工作原理;结合装备的使用情况,分析了孔口润滑技术存在的不足;针对性的提出了螺杆马达孔底润滑技术,分析了该技术的优势;研制了一种空气螺杆马达专用孔底润滑钻杆。专用孔底润滑钻杆可以安装在螺杆马达前端,润滑距离不再受钻孔深度的影响,改善了润滑效果,减少润滑油液浪费。

沙曲一号煤矿煤岩体系瓦斯抽采技术优化

为优化煤岩体系瓦斯抽采钻孔布置方案,提高瓦斯抽采效率,以沙曲一号煤矿煤岩层为研究对象,建立了煤岩体系瓦斯抽采流-固-热耦合数值模型,设计了13种煤岩体系高位定向长钻孔布置方案,研究对比不同方案的瓦斯抽采效率。结果表明:在2^(#)煤层底板和5^(#)煤层顶板中同时布置钻孔只需9 d即可抽采达标;在4^(#)煤层和5^(#)煤层中同时布置钻孔抽取瓦斯总量最高;在5^(#)煤层顶板和5^(#)煤层底板中同时布置钻孔产气速率最高;综合分析,在5^(#)煤层顶板和5^(#)煤层底板中同时布置钻孔瓦斯抽采效率最高,对比在4^(#)煤层中布置钻孔,瓦斯抽采总量提升57%,抽采达标时间缩短13 d,可以达到快速消突的目的。