构造煤层顶板爆破跨界面致裂增透机制研究及应用

深部煤炭开采地质条件恶化,原生煤在多期构造运动作用下形成松软低渗高瓦斯构造煤层,煤层钻孔施工困难,爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实。针对目前构造煤层顶板爆破致裂增透关键技术没有得到根本突破问题,构建试验模型进行煤层顶板爆破相似模拟试验和数值分析,监测跨界面应力波传播和宏观三维裂隙演化形态,再现了爆破应力波传播和煤岩体内部损伤破坏过程。研究表明:(1)构造煤层爆破损伤范围主要集中在爆破孔和煤层上下煤岩交界面附近煤体;构造煤顶板爆破产生跨界面致裂卸压裂纹,爆破损伤沿爆破孔向四周岩体扩展,最后蔓延到煤层底板,爆破孔位置和上部煤岩交界面以及煤层内部的损伤较为严重。(2)爆破应力波从构造煤层顶板传播到煤岩交界面时发生波的透射和反射,透射的压缩应力波破坏煤体;反射的拉伸应力波反作用于煤岩交界面区域岩体。(3)爆破累积损伤产生的跨界面交叉裂纹卸压,使顶板岩层裂隙和构造煤层裂隙贯通,有利于构造煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。现场应用表明,煤层顶板爆破瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升,瓦斯抽采纯量从爆破前的0.07 m^(3)/min提高到1.73 m^(3)/min,体积分数从10.46%上升到68.50%,并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部构造煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

高瓦斯中硬煤层超高压水力割缝卸压增透技术及应用

为了提高高瓦斯中硬煤层卸压增透及瓦斯抽采效果,研究了顺层长钻孔超高压水力割缝技术,分析了其卸压增透机理,开展了超高压水力割缝现场试验,确定了等效割缝半径和有效瓦斯抽采半径,考察了超高压水力割缝技术的应用效果。研究结果表明:超高压水力割缝技术具有切割速度快、切割半径大等特点,相当于在钻孔周围煤体开采极薄保护层,平均单刀割缝时间9 min,单刀出煤量0.32~0.42 t,等效割缝半径为1.55~1.78 m;超高压水力割缝组单孔平均抽采浓度76.5%,单孔平均抽采纯量为0.089 m^(3)/min,分别是普通钻孔的4.58倍和4.05倍,是水力冲孔的1.2倍和1.43倍,可见该技术可以大幅度提高卸压增透及瓦斯抽采效果。

低透气性突出煤层群首采层水力割缝卸压抽采技术研究

针对中近距离松软低透气性突出煤层群抽采防突难题,以皖北矿区任楼煤矿突出煤层群瓦斯地质条件为工程背景,在对松软煤层水力割缝卸压增透机制、首采层割缝工艺参数等研究的基础上,提出了首采层煤巷条带水力割缝卸压增透、煤层群瓦斯联合抽采的综合治理技术,优化了钻孔布置方式,并进行了工程应用。结果表明:割缝实施后钻孔的瓦斯抽采浓度、单孔日均抽采纯量分别是常规钻孔的4.27倍、3.94倍,煤层透气性提高了22~31倍,首采层72号煤层割缝后的防突有效半径可提高至5 m以上,检验抽采半径5 m处的瓦斯含量指标为4.13 m 3/t,在有效解决首采层煤巷条带瓦斯灾害的同时,钻孔工程量降低了2/3以上。

上保护层双工作面开采卸压增透效应研究

针对中兴煤业2#煤层煤与瓦斯突出、被保护层工作面长度大、抽采能力有限等问题,提出了上保护层双工作面开采方式。通过理论计算、数值模拟和现场实测相结合的方法,研究了采用该方式时被保护层工作面的垂直应力和垂直位移的分布规律,分析了2#煤层的卸压效果。结果表明:随保护层工作面长度的增大,卸压比例总体呈减小的趋势,当保护层工作面长度为110 m时,被保护层工作面的垂直应力和垂直位移的卸压比例分别达到91%和87.4%。卸压后现场实测2^(#)煤层最大残余瓦斯含量和最大残余瓦斯压力分别降低为5.37 m^(3)/t和0.44 MPa,孔隙率增加到4.05%,煤层透气性系数增加到1.08 m^(2)/(MPa^(2)·d),最大膨胀变形量大于3‰,各指标均表明卸压增透效果显著。

造穴-CO_(2)气相压裂复合技术造缝卸压增渗机理研究

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重,目前增透主要采用静力型技术和动力型技术,不同程度地解决了瓦斯治理难题。为获得更好的复合造缝卸压增渗效果,开发出造穴-气相压裂复合技术,综合采用185 MPa高压力CO_(2)冲击煤样、数值模拟、光纤应变监测3种技术手段,研究造穴-气相压裂复合技术的瓦斯治理机理。结果表明:①煤样在CO_(2)气相压裂应力波作用下,在煤基质表面新形成损伤坑(DM)和三翼型裂隙(TRW)典型显微构造。②煤层在静力型和动力型荷载复合作用下近钻孔中心范围内煤层中原始的裂隙被重新打开,形成以钻孔为中心的放射状多尺度、张剪性破坏为主的裂缝,该裂缝能够充分均化应力集中区,并使得煤层产生不可逆的破坏,其应力扰动范围为24 m。③在有效的气相压裂-造穴复合技术影响范围内,造穴孔有助于提高气相压裂应力波的能量利用效率,避免能量耗散在无效的震动区,充分导通压裂孔与造穴孔多尺度裂缝,使得煤层裂缝区域范围大、连续性强、卸压充分。研究为解决煤层低渗、难抽、高地应力的问题提供了参考。

低渗煤层瓦斯抽采顺层钻孔水力造穴卸压增透效果研究

为了揭示水力造穴参数对钻孔瓦斯抽采效果的影响规律,指导煤层水力造穴增透技术施工参数的合理选择。建立了煤层损伤-应力-渗流耦合模型,分析了不同造穴参数下煤层卸压增透效果,展开了顺层钻孔水力造穴现场工程试验,考察了不同造穴参数下钻孔瓦斯抽采效果,结果表明:采用水力造穴技术形成的孔穴能够有效降低其周围煤体应力,提高煤层渗透率,增加瓦斯钻孔抽采效果;造穴半径越大煤层的卸压程度越大,进而煤层渗透率增幅就越大,但在实际工程中过大的造穴半径会使得孔穴稳定性差,钻孔塌孔堵塞瓦斯涌出通道会使得钻孔瓦斯抽采量有所降低,试验矿井最优造穴半径为0.6 m;造穴间距对它们之间的应力降低区范围有着较大的影响,在一定距离条件下孔穴卸压有着明显的叠加效应,造穴间距越近叠加效应越明显,煤层应力越小,卸压增透效果越好。试验钻孔穴间距由8 m减小到6 m时,单孔平均瓦斯抽采纯量增加389.16%。

突出煤层群上保护层煤柱留设合理宽度研究

上保护层开采是突出煤层群矿井防治下伏煤岩体煤与瓦斯突出的有效技术措施之一。为了研究确定上保护层工作面煤柱留设的合理宽度,基于陕北某矿井21采区的下3薄煤层上保护层为工程背景,以保护层所留设煤柱的自身稳定性及对下伏煤岩的卸压增透效果为研究基础,通过理论分析和数值模拟相结合的研究方法,综合考虑矿井安全生产及经济效益方面因素,优化确定下3薄煤层保护层留设煤柱的合理宽度为15~20 m。

低渗透煤层机械造穴卸压增透瓦斯抽采技术的应用研究

为解决低渗透煤层瓦斯抽采治理难题,以毛家庄矿8203工作面为工程背景,阐述了机械造穴卸压增透瓦斯抽采技术。在建立机械造穴卸压增透瓦斯抽采计算模型后,研究了钻孔造穴直径、钻孔间距及瓦斯抽采负压等参数对低渗透煤层卸压增透的影响规律。研究表明,钻孔造穴直径越大,煤层卸压增透效果越好,钻孔间距越大,影响范围越大,卸压效果随之降低,瓦斯抽采负压越大,对瓦斯抽采效果越好,但对煤层的卸压效果影响较小。应用此技术进行现场试验,抽采瓦斯效果良好,可为低渗透煤层瓦斯抽采治理提供借鉴。

煤矿巷道磨料射流泄压增透新方法初探

针对坚硬煤层纯水射流冲孔泄压破岩效率低、施工操作复杂等难题,依据磨料射流高效破岩机理和石油工程钻采工艺,提出了煤矿巷道井下磨料射流深穿透泄压增透技术和连续送进磨料射流径向钻孔泄压增透技术2种新方法,并结合理论分析和试验研究等方法探讨了工艺的可行性,通过自主搭建的高压磨料射流试验系统,开展了旋转磨料射流破岩室内试验。试验结果表明:旋转磨料射流在坚固性系数为2的煤层及顶板致密砂岩中均可高效破岩钻孔;在喷射压力为30 MPa的条件下,可形成直径为50~60 mm的孔眼,且孔壁光滑、形状规则、孔眼结构稳定;层理对煤岩的成孔特征和破坏模式影响较为显著。研究结果可为坚硬煤层水力冲孔高效泄压提供新思路。

航天固体推进剂对煤储层致裂增透试验研究

高瓦斯低渗透性的煤储层严重制约煤炭和煤层气的高效生产,必须对煤储层进行致裂增透。航天固体推进剂爆燃能够产生大量的高能气体冲击煤储层,可以达到致裂增透煤储层的目的。为研究航天固体推进剂致裂煤体特性,首先以民用航天固体推进剂配方为基底,研发了一种用于煤储层致裂增透的固体推进剂,并对其性能、感度、耐压和耐温性能进行了测试,然后采用模拟煤样开展了航天固体推进剂致裂试验,并对试验过程中的孔壁压力和模拟煤样内应变进行了监测,最后根据试验结果分析了模拟煤样的破坏特征。结果表明:航天固体推进剂性能良好,具备防水、耐压和不产生CO等优点,能够适应煤矿井下的环境。试验过程中孔壁压力时程曲线呈现急速升压阶段、缓慢升压阶段和非线性降压阶段,孔壁压力上升时间约为18 ms;孔内压力峰值较低且分布不均匀,孔中压力峰值为118.1 MPa,孔底压力峰值为85.3 MPa。航天固体推进剂致裂过程中,模拟煤样内产生的应力波由压缩相和拉伸相组成,应力波强度较低、持续时间长并且随距离的增大衰减缓慢。航天固体推进剂致裂煤储层以高能气体的准静态作用为主,应力波能量的利用率较高。研究结果为航天固体推进剂在煤层气开采领域的应用提供了参考。

基于CO_(2)相变致裂的高瓦斯煤层增透消突快速掘巷技术研究

为了有效解决平山煤矿11009工作面轨道巷瓦斯突出、煤层透气性差、抽采效果达标时间长、掘巷速度慢等工程难题,本文总结分析了巷道快速掘进的影响因素,提出了液态CO_(2)相变致裂增透消突-快速掘巷一体化技术,并给出了其致裂增透技术原理,优化了矿井抽采技术方案,确定了液态CO_(2)相变致裂增透技术参数及效果评价指标。研究结果表明:通过布置直径94 mm压裂杆20根/孔,每根压裂杆内充1.5 kg的液态CO_(2),并沿巷道掘进方向顺层布置,煤层压裂后的钻孔瓦斯抽采浓度较长时间内维持在40%以上,巷道回风流瓦斯浓度稳定在0.3%以内,煤层瓦斯含量平均减少6.09 m3/t,最高减幅达到58.83%,每百米巷道掘进瓦斯治理时间可减小33 d,瓦斯抽采效果与巷道掘进速度显著提高,可有效解决该巷道瓦斯抽采效果差、巷道掘进速度慢的问题。

冲击地压煤层复合多灾协同防治技术及应用

矿井深部开采过程中呈现出冲击地压、瓦斯、自然发火等多灾害共生、耦合等特点,灾害之间具有诱发、转化、耦合等关联现象,且致灾机理复杂。不同灾害的单项治理措施隶属于不同部门,导致治理措施协同效果差及治理尚缺乏针对性的技术方法。基于此,讨论了冲击地压多灾害共生及致灾的现状,提出了冲击地压复合多灾的概念及灾害复合方式,结合各灾害治理中用到的水力化措施及其时空关系,提出了冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法并在唐口煤业6304工作面进行了工业性试验。通过对顺层长钻孔顺序实施钻进、水力割缝、水力压裂、瓦斯抽采、煤层注水、压注阻化剂等技术措施,实现局部高应力的有效释放、煤岩力学性质的改变,煤层透气性的大幅度提高,煤体注水湿润半径的增大和煤体含水率的增加,降低煤炭自燃的危险性,实现了多种灾害协同防治。

水力冲孔增透技术在单一松软低透煤层的应用试验

针对单一松软低透煤层瓦斯抽采浓度低、衰减速度快的问题,以河南平宝煤业有限公司首山一矿回采工作面为工程背景,开展了水力冲孔在低位巷穿层钻孔增透抽采中的试验。采用了现场考察的方法,对水力冲孔钻孔的布设、冲孔工艺参数和增透抽采的效果进行了考察。结果表明:水力冲孔钻孔的最大间距不应超过10m;水射流出口压力要达到3~7MPa;乳化液泵压力为10~12MPa;采用从钻孔下部煤岩交界面向上逐步缓慢回拉式的冲孔工艺;钻孔破冲出的煤量为0.7~1.5t/m时,可在钻孔煤段破冲成直径为0.8~2.6m的孔洞,为煤体形变提供了空间;水力冲孔增透后的抽放巷,日平均抽采量是仅采用穿层钻孔巷道的3.58倍。

水力冲孔增透技术在提高煤层瓦斯抽采效率方面的应用

为解决突出煤层低透气性导致的瓦斯抽采达标时间长的问题,以山西某矿2号煤层煤巷掘进工作面的超前瓦斯预抽为工程背景,采用水力冲孔增透技术对前方煤体瓦斯进行强化抽采。结果表明,采取水力冲孔增透技术钻孔的瓦斯抽采浓度明显高于普通钻孔,平均单孔抽采纯量均保持在普通钻孔的3倍以上;煤巷掘进期间的钻孔瓦斯解吸指标K_1值明显小于未实施水力冲孔措施的指标,水力冲孔增透技术能有效提高煤层透气性,从而大大提高煤层瓦斯抽采效率。

风力卸压增透技术在提高“三软”煤层瓦斯透气性方面的应用

在“三软”煤层中施工水力冲孔期间,极易发生喷孔、瓦斯超限、封孔困难、抽采浓度低、消突缓慢等难题,为了解决上述难题,在梁北煤矿二1煤层21071运输巷底抽巷施工穿层钻孔,穿煤结束后利用压风从顶板向下全段均匀冲孔,保证穿煤段全程冲孔。现场应用结果表明,实施高负压风力卸压增透作用后,抽采钻孔封孔联网预抽时,钻孔初始浓度均达到70%以上,90 d后稳定抽采阶段瓦斯抽采浓度仍在90%左右,钻孔单孔纯流量达0.02 m^(3)/min。与传统水力卸压技术相比,风力卸压技术不仅能有效改善松软煤层抽采瓦斯钻孔塌孔问题,降低过度浸润煤体堵孔概率和施工过程中喷孔概率,节约水资源,降低废水污染。实践表明,利用风力卸压增透技术来提高“三软”煤层瓦斯透气性能取得很好的效果。

复杂低渗高瓦斯煤层CO_(2)气相压裂强化增透技术研究

山西华晋吉宁煤业有限责任公司(吉宁煤矿)开采的山西组2号煤层为典型的复杂低渗难抽煤层,透气性系数为0.023m^(2)/(MPa2·d),瓦斯含量8~10.52m^(3)/t,存在“多分层,多夹矸,采前难抽,采中涌出大”的特点。为此,在吉宁煤矿2201掘进工作面开展185MPa高压力、大容量的CO_(2)气相压裂强化造缝、增透防突瓦斯治理技术,考察其瓦斯抽采和防突效果。结果表明:(1)CO_(2)气相压裂技术能有效提升裂孔瓦斯抽采效率,瓦斯抽采纯流量最大值为0.193m^(3)/min,平均值为0.138m^(3)/min。(2)与前期条带预抽防突技术措施相比,CO_(2)气相压裂技术实施后,煤层瓦斯抽采纯流量提高了4.6~9.7倍,瓦斯有效抽采时间缩短47天,月掘进速度由原来36m提高至80m,提高了2.22倍,瓦斯抽采成本降低为原来的50%。

薄煤层智能开采技术研究现状与进展

薄煤层储量占我国煤炭总储量的20%,受狭小采掘空间等特殊条件制约,薄煤层开采效益差、智能化水平低,产量仅占煤炭总产量的10%。基于薄煤层多样性赋存条件和提高工作面单产、卸压效果与采出率的不同开采需求,将薄煤层开采的技术需求分为3类:薄煤层长壁智能化综采、薄煤层保护层智能化开采和薄煤层高采出率开采技术。系统分析了我国薄煤层矿井开采设计、长壁综采装备、智能化开采技术、半煤岩巷道掘进和极薄煤层开采技术等方面的研究现状,详细介绍了3类薄煤层开采技术的研究进展,具体包括:①在长壁综采工作面智能化方面,提出了放大采区(面)尺寸、降低采掘高度的立体化设计方法,开发了薄煤层开采方法、设备配套等辅助决策专家系统,研制了大功率、矮机身半煤岩快速掘进机及其支护机具和矮型化超长综采工作面成套装备,研发了“基于煤层条件精准探测预设割煤轨迹+三机协同控制+视频监控”的智能化开采技术;②在高瓦斯薄煤层保护层智能化开采方面,揭示了卸压开采的应力-损伤-渗流耦合作用机制,提出了长壁面极限卸压采厚与钻采面卸压增透合理参数确定方法,研发了基于瓦斯浓度调控的智能割煤技术;③在提高薄煤层采出率方面,研发极薄煤层的长壁综采自动化技术和五钻头自动换钻螺旋钻采煤机,开发了不同种类的薄煤层沿空留巷技术。提高薄煤层采掘装备的适应性和控制精度,构建智能开采与灾害防控一体化理论与技术将是薄煤层智能开采技术的研究方向。

“三软”单一煤层水力冲孔卸压增透机理及现场试验

水力冲孔是实现"三软"煤层瓦斯高效抽采的有效途径之一。通过应力应变–煤体结构–渗透率的耦合实验,揭示了"三软"煤层渗透率随煤体结构和应力变化的演化规律,发现软煤在卸压后渗透率得到大规模提升。以Hoek-Brown准则为理论依据,通过数值模拟,发现水力冲孔出煤后的卸压增透范围显著增加。采用自主研发的"瓦斯抽采孔水力作业机",在郑煤集团大平煤矿21141底板抽放巷进行了水力冲孔试验,使得水力冲孔更加安全、高效,并使得老孔的修复成为现实。现场试验充分检验了装备的可靠性和理论分析的准确性,显著提高了煤层瓦斯的抽采效率。

极薄保护层钻采上覆煤层透气性变化及分布规律

为了分析极薄保护层钻采的卸压保护效果,采用相似模拟和现场试验相结合的研究方法,系统研究了被保护层卸压前后煤层透气性变化及分布规律。相似模拟试验研究表明,极薄保护层钻采后,被保护层产生卸压膨胀变形,煤层透气性增大,煤层透气性系数由3.80 m2/(MPa2.d)增大到7.11 m2/(MPa2.d)。上覆煤岩体移动稳定后,由于煤岩体应力逐渐恢复,煤层透气性系数降至5.61 m2/(MPa2.d),在保护层始采线前方和停采线后方的一定范围内上覆被保护层透气性比采空区中部大。随着被保护煤层逐渐被压实,煤层透气性有所降低,为了达到最佳的瓦斯抽采效果,必须在保护层钻采的同时进行卸压瓦斯抽采。现场实测极薄保护层钻采后被保护层透气性系数由0.047 m2/(MPa2.d)增加到18.928 m2/(MPa2.d),提高了403倍。

保护层开采卸压增透效应及其定量表征方法研究

保护层开采是高突矿井瓦斯治理的主要方式及开采方法,然而其卸压增透效果当前无法量化表征,缺乏评价体系。基于平板流体模型增透率理论,结合平煤十矿地质条件,通过离散单元法建立保护层开采数值模型,获得保护层开采不同距离时采空区下方的增透率图谱及被保护层的应力分布。结果表明:保护层开采过程中,采面前方15 m处支撑压力会出现应力峰值,随着采面的推进,增透率与现场瓦斯流量呈现正相关关系;在采空区下方,被保护层卸压及增透效应明显,且卸压区范围与增透率分布集中区域基本一致,均随采空区范围的扩大而增大。该研究成果证实了增透率理论可作为保护层开采卸压增透指标,为现场保护层回采设计、瓦斯抽采设计范围的确定提供更加科学的依据。