小断层附近煤与瓦斯突出危险性预测

煤与瓦斯突出危险性预测关系到瓦斯治理措施的有效实施。为提高煤层隐伏小断层附近瓦斯治理的效果,结合煤与瓦斯突出的主要影响因素,提出了小断层附近煤与瓦斯突出危险的动态分析方法,包括瓦斯地质条件勘查、瓦斯地质数值建模、采动应力场演化及煤与瓦斯突出预测等流程。以古汉山煤矿14171采煤工作面为例说明该方法实施过程,在瓦斯地质条件精细勘查基础上构建数值模型,开展了工作面开采前,以及开采过程中的采动应力场数值模拟分析,发现煤层在开采前应力集中区出现在断层端部偏一侧部位、在开采过程中沿断层走向一侧范围出现应力集中,预测在小断层端部偏一侧15 m范围内有煤与瓦斯突出危险,开采距断层小于21 m范围内煤层存在煤与瓦斯突出危险,煤与瓦斯突出危险带的分布范围为区域防突措施评判和工作面预测提供了理论指导。现场实施的检验钻孔表明,瓦斯解吸指标Δh2和钻孔瓦斯涌出初速度指标q在开采距小断层8~20 m范围内出现异常增大现象,该范围煤与瓦斯突出危险性大,与煤与瓦斯突出动态分析的结果基本吻合,佐证了该方法的有效性。研究成果为复杂构造带煤与瓦斯突出预测开辟了新思路,为相似地质条件下矿井开展瓦斯治理工作提供了技术借鉴。

爆破扰动不含断层煤岩及逆断层煤岩裂隙演化对比实验

为分析爆破应力波在不含断层煤岩以及逆断层构造煤岩中的传播衰减规律,采用理论分析、相似模拟实验和数值模拟相结合的方法研究爆破应力波对不含断层煤层和逆断层构造煤岩的损伤破坏特征。研究结果表明:爆破应力波传播到构造区域时,透射的压缩波作用于松软煤体和断层面岩体;反射的拉伸波反作用于坚硬岩体,使得逆断层模型中的相应测点的水平测值比不含断层煤层模型增大约10%,垂直测值减小约15%,在靠近松软煤体一侧岩体内形成贯通裂纹。爆破振动的累积损伤使不同煤岩介质交界面破坏最为严重,最终裂纹扩展到逆断层下盘煤层内,造成煤体损伤。研究结果可为防止爆破诱导含断层区域发生瓦斯突出事故提供有效参考。

支撑体软硬煤分层非同步变形诱发煤与瓦斯突出机理

大多数煤与瓦斯突出地点都存在软硬煤层同时存在的情况,软硬煤层同时存在时掘进面的非同步变形是煤与瓦斯突出灾害的显著特征。研究了软煤分层不同厚度下掘进面煤体受扰动的应力场、变形场演化规律,提出了煤与瓦斯突出支撑体模型,揭示了支撑体软硬分层非同步变形诱导煤与瓦斯突出机理。结果表明,支撑体的失稳过程是软煤分层失稳到整体失稳的动态发展过程,在高垂向应力和高水平构造应力的作用下,支撑体内软煤分层受扰动最早产生破坏变形,导致支撑体变薄进而导致硬煤分层垂向方向产生大的破坏变形,进一步导致硬煤分层和周围储能体失去连接,支撑体整体将会失稳。支撑体总体的失稳是突出启动的标志。基于支撑体模型揭示了煤与瓦斯突出发生发展的机制及各突出特征之间的内在联系,为煤与瓦斯突出的防治和监测预警提供了新的理论方法和依据。

碎软煤层条带定向长钻孔水力压裂强化瓦斯抽采技术研究

为解决艾维尔沟矿区碎软突出煤层瓦斯抽采难的问题,阐述了定向长钻孔水力压裂消突机理,建立数值模型研究了水力压裂渗流场和应力场耦合规律及水力压裂效果的影响因素。研究表明:煤层注水压裂过程中,渗流引起煤炭内部有效应力场改变、煤体骨架发生变形,改变了煤体的物理力学性质,又进一步影响了水的渗流过程,渗流场和应力场相互作用、相互影响;注水压裂时间、注水压力、地应力和渗透率对水力压裂效果都有明显影响;煤的浸润过程靠压裂孔中的高压水来支撑,注水压力越高,压裂初期孔隙压力增长速度越快,较长的压裂时间和较高的注水压力有助于提高煤体孔隙压力、降低有效应力;地应力的增大会导致煤体颗粒受到压迫、颗粒间隙变小、煤体渗透率降低,需要提高注水压力才能取得较好增透效果。现场应用过程中,4号煤层采取水力压裂措施抽采109 d后,预抽率达14.4%,残余瓦斯含量下降了5.2%~34.6%,水力压裂影响半径为20~25 m,有效影响半径为18~19 m。

松软煤层近水平孔解卡机理研究

为了减少松软煤层卡钻事故的发生,分析了近水平孔卡钻的原因及卡钻的形成过程,并建立了各阶段的卡钻力学模型。通过对卡钻主要影响因素的分析,得出解卡的关键在于减小岩屑堆积的密实度和提升排渣效率,以此指导了L型螺旋槽钻杆的结构及功能设计。通过对U型槽螺旋钻杆、三棱钻杆和L型螺旋槽钻杆的排渣性能进行试验对比,验证了L型螺旋槽钻杆的排渣性能最优。通过现场试验验证了L型螺旋槽钻杆较市场上常用的U型槽螺旋槽钻杆更优。

软分层水力冲孔掏煤防突技术试验研究

为了消除煤层突出危险,增加煤层的透气性,提高瓦斯抽采效率,对胡底煤矿1305底抽巷进行软分层水力冲孔掏煤试验,考察冲出煤量和区域消突效果,并进行了对比分析。试验结果表明,软分层水力冲孔掏煤技术可行,能有效消除煤层突出危险,增加煤层透气性,提高瓦斯抽采效率,实现工作面安全快速掘进和回采。

顺层水力造穴卸荷增透机制及在掘进工作面瓦斯抽采中的应用

以新景矿3号煤层掘进工作面顺层水力造穴强化瓦斯抽采为工程背景,采用FLAC 3D数值模拟软件对顺层水力造穴的卸荷增透机制进行数值分析;研发出履带式钻冲一体化水力造穴装备,建立了高低浓度瓦斯抽采系统,并对顺层水力造穴技术在掘进工作面瓦斯抽采过程中的应用情况进行了系统性考察。数值分析结果表明,采用新技术后,造穴洞室四周煤体渗透率显著改善;造穴半径越大,造穴长度越长,煤体的卸荷增透区域效果越好。现场应用情况表明,采用新技术后,掘进工作面的瓦斯抽采效果显著改善,钻孔工程量降低了75.0%,平均瓦斯抽采纯量和平均瓦斯抽采浓度分别提高了4.6倍和1.5倍,巷道掘进过程中实测的钻屑指标K 1值和S值均显著降低。

松软突出煤层钻进困难的原因分析

在分析煤层深孔钻进困难原因的基础上,提出"钻穴"概念,分析了"钻穴"对钻进的影响。在分析"钻穴"类型及成因的基础上,建立"钻穴"内流体排渣模型,采用数学方法,分析钻孔深度和"钻穴"的关系。结果表明:在纯流体排渣情况下,松软、突出煤层的钻孔深度几乎与钻机动力大小无关,而取决于危害型"钻穴"的发生位置和"钻穴"的体积大小。基于对"钻穴"的新认识,提出流体与机械协同排渣的新观点,以此克服或减轻"钻穴"的危害,并发明了"双动力低螺旋钻杆"。

瓦斯抽采钻孔棱状钻杆排渣原理数值模拟

为分析棱状类钻杆应用于松软突出煤层钻进存在优势的原因,基于流体力学理论,建立了棱状钻杆排渣模型,采用有限元方法,应用标准κ-ε模型方程进行计算,对钻杆旋转与周边流体相互作用的流场特征进行分析。结果表明,在钻杆棱角处形成"低压高速区",棱边处形成"高压低速区",钻杆棱边壁面流体产生速度、压力波动差,从而在"高压低速区"钻杆壁面形成强烈的"压差涡流"现象,减少了钻屑在孔底堆积致使钻孔堵塞的概率。应用棱状钻杆在松软突出煤层中施工钻孔,钻进深度提高34.6%,钻进效率提高21.1%,钻孔达标率由9.8%提高到48.3%,试验期间,钻杆强度可靠,未出现丢钻、断钻现象。

石门揭构造软煤消突与快速成巷技术研究

分析了石门揭开构造软煤带诱发煤体突出机理,针对石门揭煤发生突出的危险性大和强度高的问题,提出了构造软煤带深孔控制预裂爆破消突和快速成巷技术,并在芦岭矿进行了现场试验。结果表明:采取深孔爆破后24 h内,抽采瓦斯的体积分数和纯流量长时间保持为原来的2～3倍;采用大断面U型钢棚快速成巷技术,巷道断面增加41%,保证了安全生产。在石门揭煤期间,有效杜绝了瓦斯超限和突出事故,也未出现片帮、漏顶和冒顶事故,揭煤时间缩短5～8 d。

基于定向水力压裂增透的大断面瓦斯隧道快速揭煤技术

分析了瓦斯隧道揭煤特点,提出多孔割缝定向水力压裂增透方法,研发出射流割缝导向系统装置,在此基础上形成大断面瓦斯隧道揭煤综合防突技术体系,并应用于渝贵高铁特大断面瓦斯隧道揭煤工程。结果表明:(1)水力压裂裂缝的起裂受割缝缝槽导向明显,并始终沿定向孔割缝和水力压裂孔裂缝在煤层中共同形成的连贯塑性区持续扩展;(2)压裂后煤层透气性系数提高了35～187倍,平均瓦斯抽采纯量较本隧道邻近煤层普通压裂和邻近隧道同一煤层普通抽采工艺分别提高了4.28倍和12.73倍,揭煤时间比预期缩短了50%;(3)定向水力压裂有效弱化了高压水对围岩的损伤破坏,隧道拱顶沉降和水平收敛较常规压裂分别减少了18.3%和16.4%。

棱状钻杆应用于松软突出煤层钻进强度匹配研究

为解决棱状钻具的强度匹配问题,应用实体设计和数值分析软件,建立不同结构棱状钻具力学分析模型,对其进行强度分析,优化棱状钻具结构。分析结果表明,常规棱状类钻具整体强度匹配不合理,丝扣位置存在受力薄弱点,安全系数较低且整体分布不均衡。可采取加大接头直径、优化接头及棱边结构、应用摩擦焊接工艺等技术手段提高棱状钻具整体强度;改进后的棱状钻杆,整体安全系数分布均衡、波动小,钻杆整体力学性能得到了有效的提高。通过工程应用,解决了煤矿复杂条件煤层钻孔施工丢钻、断钻频繁的被动局面,平均深度超过了设计深度,钻进效率提高20%,未出现断钻、掉钻事故。

爆破扰动松软煤层对巷道围岩稳定性的影响

随着煤矿采掘深度的增加,爆破技术在煤矿井下的应用越来越广泛,但因爆破扰动松软煤层诱发的煤与瓦斯突出事故也不容忽视。为研究爆破扰动松软煤层的力学特征以及爆破震动效应对巷道围岩稳定性的影响,以巷道掘进爆破扰动松软煤层诱发煤与瓦斯突出为工程背景,根据相似理论在实验室搭建了爆破模拟试验系统,通过超动态应变仪监测爆破载荷作用下试样的力学特性,结合理论分析和数值模拟探讨爆破对巷道稳定性的影响。研究发现,当爆破孔从岩层进入松软煤层,在该试验条件下产生了类似突出的破碎抛掷过程;爆破裂纹扩展是导致巷道围岩破坏的根本原因,而松软煤层的存在会加剧巷道围岩的破坏程度,促使巷道围岩的裂隙进一步扩展发育,在煤矿井下一次爆破装药量大,炮孔数目多和需要多次爆破的情况下,爆破振动的累积损伤会最终影响到巷道的稳定。研究成果对揭示井下爆破扰动构造带煤岩诱导煤与瓦斯突出的发生机理具有重要的理论价值。

平煤十矿底板巷穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究

为了降低平煤十矿己15-16-24130工作面运输巷掘进中的突出危险性,基于实际工程背景,考虑瓦斯抽采中的瓦斯运移及煤岩变形等因素,建立了瓦斯抽采气固耦合模型,并利用COMSOL Multiphysics软件对平煤十矿己15-16煤层的底板巷穿层钻孔瓦斯抽采方案进行数值模拟,研究了瓦斯抽采对于降低掘进过程中突出危险性的影响。研究结果表明:在己18煤层开挖底板巷对己15-16煤层进行穿层钻孔瓦斯抽采,瓦斯抽采180 d后,己15-16-24130工作面运输巷附近煤层残余瓦斯压力及瓦斯含量分别降至0.315 MPa和3.84 m3/t;将底板巷穿层钻孔瓦斯抽采方案进行工程应用,实测抽采后的残余瓦斯压力及瓦斯含量在0.32MPa和3.17 m3/t,均小于平煤十矿煤与瓦斯突出防治规定的"双6"指标(残余瓦斯压力小于0.6 MPa,残余瓦斯含量小于6 m3/t),可有效降低运输巷掘进过程中的突出危险性。

新密矿区低临界值瓦斯动力现象及机理

本文从区域构造演化及构造特征、"三软"煤层(顶、底板和煤层均破碎的煤层及组合)分布及瓦斯特性和构造煤瓦斯内能释放等方面探讨了新密矿区低临界值瓦斯动力现象发生的机理及地质控制作用。研究结果表明:新密矿区构造演化具有多期叠加改造的性质,中、新生代拉张裂陷环境中形成的重力滑动构造对"三软"煤层的普遍发育具有重要控制作用,"三软"煤层的形成及组合形式影响井田瓦斯赋存和构造应力环境的非均衡性;顺煤层断层、煤层流变的规模及构造煤的发育程度是低临界值瓦斯动力发生的主控因素;高应力环境下"三软"煤层中构造煤的初期内能释放是激发低临界值瓦斯动力现象发生的关键;对低临界值瓦斯动力区域的预测可以通过对煤层流变和瓦斯初期解吸能的研究来实现。

大倾角松软特厚煤层综放开采关键技术研究

针对大倾角松软特厚煤层综放开采存在的关键技术问题,借助FLAC数值模拟软件确定支架的合理支护强度应为0.6MPa。采用PFC数值模拟方法研究优化了放煤工艺确定放煤步距为1.2m时,顶煤采出率最高;放煤顺序为工作面上端从上向下放煤利于提高支架稳定性;其它部分从下向上放煤利于提高顶煤采出率。提出运用综合技术措施解决大倾角工作面防倒、防滑难题。经现场应用,取得了良好的经济与社会效益。

松软突出煤层水平钻孔反循环气力排屑机理

为了解决顺层钻进瓦斯抽放钻孔成孔难的问题,提出了松软突出煤层瓦斯抽放钻孔钻杆内孔反循环气力排屑新技术,建立煤屑颗粒在钻杆内孔的反循环气力输送数学模型,经仿真求解,分析了输送压力损失及固相速度的变化规律。结果表明,在顺层水平钻孔钻进过程中,煤屑在反循环气力作用下,气流速度在钻杆内孔中上部比较稳定,而在钻杆内孔下部靠近内壁处的气流速度明显下降且小于中心区域;在同一位置输送浓度越大,气流速度也越大;在输送浓度不同的情况下,随着输送气流速度的增加,钻杆内孔的压力损失先降低再增高,在钻杆内孔反循环气力排屑时存在最佳经济速度。

软煤钻杆研究进展及发展趋势

针对软煤钻杆研究及应用现状,基于不同的钻杆形式及排粉动力方式,介绍了不同钻杆的定义、适用范围、优缺点、排粉动力模型,并对软煤钻杆发展历程进行分析。通过对软煤打钻研究工作的分析,指出研究工作中的不足之处:软煤流变研究成果与软煤钻孔理论结合不足;排粉动力学及耦合排粉问题研究工作亟待深入;钻杆表面降阻问题未受足够重视;软煤钻孔孔壁固化研究发展缓慢;整体式成型技术有待推广。同时,指出了软煤钻杆的发展趋势,包括多动力耦合、多结构耦合、高强度钻杆、智能钻杆等方向。

松软煤层螺旋钻杆钻进中的吸钻卡钻力学机理

针对在突出松软煤层钻进过程中常出现的吸钻卡钻现象,以水平钻孔为例,通过分析螺旋钻杆钻进过程中钻粉在螺旋叶片间的运动规律,确定了当钻进产生煤粉量大于钻杆排出能力时,易因煤粉大量积压产生吸钻卡钻现象的力学机理。从控制钻进速度,减少钻粉生产量的角度提出了防止钻进过程中吸钻卡钻方法。计算出直径Φ42 mm和Φ75 mm两种钻孔施工时为防止吸钻卡钻的临界钻进速度。经过在鹤壁六矿2123上顺槽、2143下顺槽试验,取得了很好的效果,表明在突出松软煤层螺旋钻进成孔过程中控制钻进速度是可行的。