Outburst control in soft and outburst prone coal seam using the waterjet slotting technique from modeling to field work

The paper discussed a comprehensive numerical simulation and field work by the usage of waterjet slotting tech- nique to prevent the occurrence of outbursts in soft and outburst prone coal seams. This was based on the geological and ge- omechanical conditions of Jinjiachong Colliery, Guizhou Province, associated with varied waterjet slotting parameters such as slotting penetration, slotting thickness and slotting distance along the length of borehole. Also, to understand the variation of internal stress of coal seams after waterjet slotting application, the internal stress levels were compared with and without slot- ting application, and the results indicate that the internal effective stress levels can be reduced to 70% and 45% for the vertical and horizontal stresses, respectively, and the gas concentration can be increased up to 5 times when the waterjet slotting is ap- plied.

松软薄煤层条带消突下斜定向钻孔成孔护孔技术研究与应用

针对松软薄煤层煤巷条带消突长距离下斜钻孔,存在成孔难、易钻遇煤层顶底板、积水堵塞瓦斯抽采通道的难题,提出了氮气排渣下斜定向钻进成孔与护孔技术,采用高压氮气排渣、大功率气动螺杆钻具定向、“波浪式”轨迹控制和三层管护孔排水技术,在河南省平煤股份一矿开展现场试验,完成8个孔深超300 m下斜定向长钻孔,煤层钻遇率90%以上,全孔段下三层护排水管,平均下入深度302 m,支管平均抽采纯量1.66 m^(3)/min,平均瓦斯浓度17.5%。试验结果表明:该技术可有效解决松软薄煤层下斜钻孔长距离定向成孔、全孔段筛管护孔和排水的技术难题,提高了钻孔成孔深度和煤层钻遇率,实现了下斜孔全孔段护孔和排水,保障了瓦斯抽采效果,为松软薄煤层煤巷条带长距离消突提供技术保障,在类似地层条件具有广泛的应用推广价值。

上保护层开采下特厚突出煤层沿空巷道合理位置研究

基于上保护层开采下特厚煤层瓦斯地质条件,综合理论分析、数值模拟、工程实践等方法,对采空区侧向应力分布特征、突出危险性预测指标变化规律及沿空巷道合理位置进行了研究。结果表明:上保护层开采后裂隙岩体存在应力恢复效应,应力恢复后采空区侧向应力峰值会向采空区方向移进;根据采空区侧向不同距离下的煤体突出预测指标测试结果划分了充分卸压排放区、有效卸压排放区及危险区域,结合工程类比、数值模拟结果、隔绝采空区气体需要,确定了沿空煤柱留设宽度为5~7 m;调整后巷道掘进期间突出预测指标及回风瓦斯浓度最大值分别为0.16 mL/(g·min^(1/2))、0.22%,与未调整之前相比降幅分别达到66%、35.3%,保证了巷道安全掘进,验证了沿空煤柱留设的合理性。

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。

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。

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。

留窄煤柱沿空掘巷在突出煤层中的应用研究

为了降低煤巷掘进过程中的突出危险性,提高巷道掘进效率,在水城矿区C11突出煤层中实施了41113回风平巷留5 m煤柱沿空掘巷技术,同时采用锚网喷支护,最高掘进进度达145 m/月,瓦斯涌出量为1.58 m3/min,瓦斯浓度为0.54%,钻孔效验指标K1值为0.384 1 m L/(g·min1/2),Smax值为2.5 kg/m。该技术的应用表明:留窄煤柱沿空掘巷仅需采用安全防护措施掘进,减少了防突工程量,提高了巷道的掘进速度,增加了煤炭资源回采率,确保了突出煤层的安全高效生产。

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。

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。

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。

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。

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。

“三软”突出煤层穿层钻孔水力压裂增透抽采瓦斯技术研究

告成煤矿为煤与瓦斯突出矿井,其主采二1煤层为突出煤层,且较难抽放。为有效解决低透气性突出煤层瓦斯治理难题,开展了穿层钻孔水力压裂增透抽采瓦斯技术研究。研究表明:穿层钻孔水力压裂可显著提高煤层透气性,并使瓦斯抽采浓度及纯量大大增加,有效解决了低透气性煤层瓦斯难以抽采的问题,可作为高瓦斯矿井、突出矿井瓦斯治理的常规手段之一。

严重突出“三软”煤层快速揭煤技术的研究及应用

通过分析石门揭煤工作面各种防突技术措施的优缺点,研究石门揭煤的突出机理,同时根据新义煤矿的特点,提出了严重突出"三软"煤层快速揭煤的防突技术。该技术主要采用巷旁截流、巷内交叉钻孔抽放结合短导硐震动爆破的方式,实现了快速揭开严重突出"三软"煤层,极大地缩短了揭煤工期,缓解了矿井的采掘接替状况,取得了显著的经济效益。

新型泡沫除尘系统在井下突出软煤层钻孔中的应用

通过对泡沫除尘技术原理及其优越性的分析,提出了泡沫除尘法在突出软煤层钻孔的应用并对井下除尘系统的结构作了设计,为改善工人工作环境、提高除尘效率和增强井下工作安全性提供了一个有效途径。

强突松软近距离煤层群石门揭煤防突技术研究

为了研究强突松软近距离煤层群石门揭煤防突技术,安全、顺利地揭煤,基于海孜矿Ⅱ32主运石门地质条件和瓦斯赋存状况,对近距离煤层群9+8煤层实施密集预抽钻孔抽采瓦斯与低压水力冲孔卸压增透相结合的措施,防治煤与瓦斯突出。结果表明:低压水力冲孔冲煤率达到4.5%;冲孔后瓦斯抽采流量为未冲孔的10倍以上;整体瓦斯抽采率达到71.7%,比以前提高了约1.6倍,卸压增透效果明显。预抽钻孔抽采后,9煤、8煤的残余瓦斯压力,分别为0.3MPa、0.22MPa,残余瓦斯含量分别为5.23m3/t、5.13m3/t,防突效果显著,可安全、顺利地揭开9+8煤层。