突出煤层分层切削钻孔瓦斯释放特征及应用研究

【目的】突出煤层钻进过程中的喷孔瓦斯超限是威胁矿井高效生产的安全隐患,分层切削钻进方法有助于在孔内削弱喷孔瓦斯压力,但分层切削形成的梯形钻孔周围瓦斯释放特征不明,限制了分层切削钻具结构设计和应用效果。【方法】以不同层间距、层厚差的分层切削钻孔为研究对象,建立数学模型分析钻孔周围瓦斯流动规律,并定量描述了分层切削钻孔瓦斯流量与层间距、层厚差之间的关系,在此基础上,通过数值模拟分析了分层切削钻具瓦斯释放调控机制,优化了分层切削钻具结构,并开展了现场钻进工业性试验。【结果和结论】结果表明:(1)多次切削成孔方式使钻孔的揭露面积逐渐增大,有效控制了瓦斯释放面积,进而调控了瓦斯释放流量,通过合理设计钻孔层厚差Hj与层间距Li,能够将瓦斯释放流量降低18.3%以上。(2)在一定层间距范围内,双层切削钻具调控效果将优于三层切削钻具,直径为63.5 mm刻槽阻尼钻杆在推力140 kN和扭矩4600 N·m作用下,最小安全系数为3.009,满足强度设计要求。(3)优选双层切削钻具,其揭露直径73 mm,终孔直径113 mm,层间距0.8 m,通过工业性试验,钻遇高压瓦斯富集区时,孔口瓦斯体积分数降低了37.7%,孔口瓦斯体积分数均未超过0.5%。表明分层切削钻具调控钻孔周围煤体瓦斯释放量、削弱瓦斯释放强度的作用显著,为预防钻孔喷孔瓦斯超限问题提供了新的解决思路。

底板穿层钻孔水力冲孔技术在突出煤层瓦斯治理中的应用

为有效提升底板穿层钻孔瓦斯治理效果,以山西省A煤矿3301轨道运输顺槽瓦斯治理为工程研究背景,提出将水力冲孔技术应用于轨道运输顺槽底抽巷穿层钻孔中,并分析了工程应用效果。现场应用后,底板穿层钻孔瓦斯抽采效率得以显著提升,有效解决了穿层钻孔消突时间长、瓦斯治理制约巷道掘进等问题,为3301轨道运输顺槽安全高效掘进创造了良好条件。

平煤十三矿突出煤层群保护层选择论证

在突出矿井开采煤层群时,为了有效防治煤与瓦斯突出的风险,确保平煤十三矿己_(16-17)-14060工作面煤层群开采时的安全,必须采用开采保护层防治突出措施,选择合理可行的首采保护层。依据保护层选择和开采的基本原则,从己_(16-17)煤层、己_(15)煤层的矿井煤层赋存情况,煤与瓦斯突出危险程度,保护层开采效果,是否破坏被保护层开采条件和经济效益五个方面论述比较。结果表明,选择己_(16-17)煤层作为矿井首采保护层较合理,运用AHP法(层次分析法)构建了一个保护层选择模型,该模型进一步论证了将己_(16-17)煤层作为首选保护层开采的可行性和合理性,对平煤十三矿工作面的安全生产发挥了重要作用,为矿井的安全开采提供了可靠的依据。

保护层开采工作面瓦斯综合治理技术研究

针对矿井回采煤层瓦斯含量高、压力大等问题,提出先回采下覆厚度较薄、瓦斯治理难度相对较低的6号煤层。将6号煤层作为保护层开采,从而消除下覆9号煤层、上覆2号及5号煤层的突出危险性。针对6号煤层10601工作面回采期间上邻近层、下邻近层以及采空区瓦斯涌出量大等问题,提出综合采用高位钻孔、高抽巷、采空区埋管、强化本煤层抽采等方式进行治理。现场应用后,10601工作面回采期间回风隅角、回风流瓦斯浓度分别控制在0.43%、0.32%以内,采面瓦斯涌出量大问题得以较好解决。

水力冲孔消突效果及其主要影响因素分析

通过考察水力冲孔过程中的冲孔水压、水流量、每米煤孔冲出煤量以及冲孔前后煤巷掘进期间效检超标率等参数,深入分析了水力冲孔防突技术措施的消突效果及其影响因素.研究表明：在突出煤层中采用水力冲孔措施,可以较好地提高煤体强度和透气性,有效消除或降低煤体的弹性潜能和瓦斯潜能等突出潜能,减少和消除煤层的突出危险性.

延期突出的机理与模拟试验

运用突出机理的球壳失稳理论结合现场实际情况分析了产生延期突出的各种原因，并根据分析的结果进行了延期突出的模拟试验．结果证明，突出是由具有突出危险的软煤突然暴露造成的，而延期的原因则是阻挡层的蠕变破坏或者破碎带的逐渐破坏引起突然冒落造成的．二者的耦合导致延期突出的发生．

瓦斯突出作用下煤岩体中冲击波传播规律的研究

通过40余次的煤与瓦斯突出模拟实验,揭示了冲击波的形成原因,据此建立起冲击波在煤岩体中的一维传播模型。根据应力波理论,分析了其主要的传播规律:①冲击波在煤体界面上传播时,折射进入煤体的冲击波应力值约为入射冲击波的两倍;②冲击波在单个层状煤体中传播时,冲击波会在单个层状煤体两端自由界面上出现反射,产生巨大拉应力,拉应力又将其撕裂成若干个更薄的层状体;③冲击波传播到构造煤和岩石(硬煤)组合介质中分界面上时,在交界面处产生强烈的透射和反射,反射波反向加载,煤体受到强烈压缩作用,当其超过软煤强度时,软煤被压裂破坏。从整个突出过程来说,拉应力对煤体的破坏起到主要作用。

关键层-应力墙瓦斯突出机理

认为瓦斯突出的发生和发展受控于赋存在岩石含瓦斯煤岩石体系中诸多因素的综合作用，并在此基础上提出了关键层应力墙的瓦斯突出机理。

混合煤样中软分层对煤与瓦斯突出的影响

在单一煤体吸附瓦斯的基础上,选用某煤矿硬煤和软煤,按照不同的厚度比进行分层混合,模拟煤层中软分层。运用Langmuir单分子层吸附理论,对混合煤样中软分层的吸附性质及其存在对煤与瓦斯突出的影响进行了研究。实验中利用自行研制的高压瓦斯吸附仪,对不同厚度比的混合煤样吸附瓦斯气体的等温吸附曲线、吸附常数a,b进行实验分析,并得出吸附量随压力的变化形态和吸附常数a,b随硬煤和软煤厚度比的变化形态。分析结果发现在软分层与其上覆硬煤层厚度近似相等时,发生突出的危险性最大,并通过理论分析说明了软分层的存在,煤层易发生煤与瓦斯突出的原因。为煤与瓦斯突出机理的研究提供了理论基础,开辟了新思路。

煤层群内多重保护层开采的防突试验研究

基于煤与瓦斯突出的煤层群开采所遇到的瓦斯问题,针对煤层群开采的特点,通过多参数的考察,对多重上保护层开采进行了试验研究,完善了保护层开采的基本理论;对保护效果、保护范围和合理参数进行综合分析、确定,得出了煤层群开采保护层过程中多重保护的具体指标和效果,建立了多重保护层效果考察及评价方法,对淮南矿区煤层群开采消除突出危险效果显著。研究成果对于类似条件突出矿井的保护层开采具有一定的指导意义和应用价值。

混合煤样中软分层对煤与瓦斯突出的影响

在单一煤体吸附瓦斯的基础上,选用某煤矿硬煤和软煤,按照不同的厚度比进行分层混合,模拟煤层中软分层。运用Langmuir单分子层吸附理论,对混合煤样中软分层的吸附性质及其存在对煤与瓦斯突出的影响进行了研究。实验中利用自行研制的高压瓦斯吸附仪,对不同厚度比的混合煤样吸附瓦斯气体的等温吸附曲线、吸附常数a、b进行了实验分析,并得出了吸附量随压力的变化形态和吸附常数a、b随硬煤和软煤厚度比的变化形态。分析结果发现在软分层与其上覆硬煤层厚度近似相等时,发生突出的危险性最大,并通过理论分析说明了软分层的存在,煤层易发生煤与瓦斯突出的原因。可为煤与瓦斯突出机理的研究提供理论基础和思路。

煤层群多重开采上保护层防突研究

针对目前煤层群开采所面临的瓦斯灾害问题,基于一般的保护层开采理论,对煤层群中多重保护层开采进行分析研究,并对同组煤层的多重上保护层开采进行现场试验,通过多参数的考察,对保护效果、保护范围和合理参数进行了综合分析,确定所进行的煤层群开采消除突出危险效果显著,完善了保护层开采的基本理论。研究成果对于对类似开采条件的矿井防治煤与瓦斯突出及瓦斯综合治理具有一定参考价值。

构造煤特征及其与瓦斯突出危险性的关系

构造煤是发生煤与瓦斯突出的必要条件。13-1煤层是淮南煤田潘一井田的主采煤层,该煤层构造煤非常发育,通过计算构造煤在煤层中所占的比例和构造煤的厚度;分析构造煤的分层特征,研究该煤层的构造煤发育特征,并初步探讨了构造煤发育特征与瓦斯突出危险性之间的关系。

煤巷掘进迎头煤与瓦斯突出的突变机制分析

将巷道简化为圆形,并将掘进迎头视为圆形直立层裂体建立力学模型;导出了层裂体总势能函数的表达式,建立了圆形层裂体的折叠突变模型,得出了瓦斯突出起动的突变条件,并用有限元方法进行了数值模拟。研究表明,层裂体两侧压力差超过临界值将导致瓦斯突出,这对有效防止瓦斯突出具有重要指导意义。

开采保护层区域防突措施在煤矿中的应用

某煤矿为煤与瓦斯突出矿井,通过分析该矿煤层赋存条件、保护层性质、开采保护层须遵守的规定,以及其区域防突措施应当符合的要求,确定K17#煤层做为保护层,可以有效地让被保护煤层卸压,使瓦斯涌出,从而消除煤和瓦斯突出危险,为该矿的安全生产提供保证。

基于因子分析的开采层瓦斯抽采方法选择

基于煤与瓦斯的七个基本参数,应用因子分析方法,得到了反应本煤层抽放难易程度、突出危险性及瓦斯涌出量(不考虑邻近层影响)的三个因子。依据因子得分对开采层瓦斯抽放难易程度及煤与瓦斯突出危险性进行了分类,进而对开采层瓦斯预抽方法进行判断。结果表明,采用因子分析的方法进行开采层瓦斯预抽方法的选择与现场抽放设计基本一致,并且对于传统方法无法分类的情况也给出了合理的分类判断。采用该方法可以较客观、合理的选择开采层瓦斯抽采方法。

红菱煤矿开采保护层对煤岩体透气性的数值模拟

以红菱煤矿保护层开采为工程实例,通过开采11#煤层,对存在煤与瓦斯突出的7#煤层和12#煤层进行卸压,利用FLAC3D数值模拟中小同步开挖的渗透率变化情况,对保护层开采过程中煤岩体的渗透性进行了分析,得出了煤岩体透气性变化规律。结果表明:煤岩体的透气性随着工作面推进不断增强;开采保护层上覆岩体的渗透率明显比底板岩体的渗透率大;卸压效果越好,渗透率越大。

上保护层开采保护范围确定及数值模拟

针对传统保护层开采保护范围确定方法的局限性,结合某矿井保护层开采的实际情况,提出了一种新的保护层开采保护范围的确定方法(包括沿工作面布置方向和工作面推进方向的保护范围),即现场流量观测分析和含量对比法.通过流量观测分析和含量对比,结合工程实际情况进行计算机数值模拟来确定上保护层开采的"两向"保护范围;在含量测试取样过程中,采取了"大孔口钻杆扩孔,小孔口钻杆接岩芯管"的定点取样方法.研究结果表明:确定的保护范围符合现场实际情况;定点取样方法基本上保证了含量测值的准确性.

近距离保护层Y型通风工作面瓦斯抽采数值模拟研究

为了研究Y型通风近距离保护层采场的瓦斯浓度分布规律,以新庄孜煤矿62114保护层开采现场条件为基础建立模型,运用Fluent软件进行数值模拟研究。模拟获得了有抽采和无抽采条件下采场瓦斯浓度分布规律,为现场瓦斯治理工作提供了方向和理论依据。

大孔径穿层钻孔治理上隅角瓦斯超限技术

针对河南平宝煤业有限公司的地质条件,对采空区瓦斯涌出量进行了预测,提出了低位巷大孔径穿层钻孔治理采空区瓦斯的措施。有效地治理了采空区瓦斯涌出造成上隅角瓦斯超限的问题。