煤矿井下穿层钻孔多方位极小半径冲孔技术

碎软煤层渗透性差,瓦斯含量高、压力大,常规穿层钻孔抽采瓦斯时单孔抽采范围小,需密集布孔,钻孔工程量大,易造成采掘接替紧张。基于此,提出穿层钻孔多方位极小半径冲孔造穴抽采瓦斯技术设想,设计了能够固定方向极小半径弯曲的冲孔钻具,通过孔口钻机的推送和孔底施加给射流喷头的阻力实现钻具的固定方向弯曲冲孔,通过动力头握持钻具旋转、固定实现弯曲方位的控制,以此形成穿层钻孔多方位极小半径多分支孔。分析了固定方向弯曲短节弯曲角度、短节长度和钻具曲率半径的关系,为短节的设计提供理论支持;通过测试试验获取了固定方向弯曲钻具的抗拉强度和耐压参数;理论分析了多方位冲孔的可行性,设计了工艺流程;采用试制的钻具在地面进行了模拟试验,在1个主孔中完成了不同方位4个分支孔的冲孔造穴,分支孔孔深6~8 m,证明了技术设想的可行性和钻具结构设计的合理性,能够达到穿层钻孔多方位极小半径冲孔功能要求。

异形多通孔催化剂工程研究(III)——12孔及24孔颗粒固定床传热参数测定

对两种薄片结构的异形多通孔催化剂颗粒的传热特性进行实验研究。在一可同时测定轴向和径向温度分布的壁冷式固定床中测定了12孔及24孔异形多通孔颗粒的温度分布,利用所测实验数据对拟均相二维模型进行了径向有效导热系数和壁给热系数的计算。将得到的传热参数与雷诺数相关联,并与相似条件下圆柱形及单孔环柱形催化剂颗粒的传热参数进行比较。结果表明,12孔及24孔异形多通孔颗粒能有效改善固定床传热性能。

穿层孔水压爆破法提高煤层透气性的研究

研究了峰峰矿务局牛儿庄矿开采2号大煤前、在野青底板巷道中向2号煤层打穿层钻孔进行水压爆破的工艺技术,分析了水压爆破致裂、传统水力压裂和传统爆破造缝各自的特点和水压爆破致裂煤体的机理,观测了爆破前、后钻孔瓦斯流量的变化和钻孔自然流量的衰减规律.试验结果表明,钻孔水压爆破可以有效地提高煤层的透气性,爆破前、后钻孔的自然流量提高3倍以上.

孔状可渗床面的流动阻力

当流动的床面由松散的颗粒层组成时,由于在颗粒层中存在着孔隙,水流能够渗透到孔隙中去,并在主流带动下沿孔隙通道流动.孔隙流的存在,破坏了一般的床面流动壁面上流速为零的无滑动条件,从而改变了整个水流的流动结构,影响到河道中水流的流速分布和阻力规律.本文根据输沙试验中观察到的物理现象,建立了这种流动的物理图形,并从理论上分析了这类流动的规律,得到了孔状可渗床面流动的速度分布和阻力计算公式,最后用实验资料对所得成果进行了初步验证.研究成果不仅对改进冲积河流阻力计算有重要作用,对于类似床面的流动规律研究也有参考价值.

大平煤矿穿层钻孔瓦斯抽采负压优化研究

针对大平煤矿在瓦斯抽采过程中出现的瓦斯抽采浓度低、有效预抽期短等不利于瓦斯抽采的现象,提出了大平煤矿穿层钻孔瓦斯抽采负压优化研究课题。采取综合分析试验钻孔不同抽采负压作用下孔口瓦斯参数衰减与孔内瓦斯浓度衰减结合的方法确定抽采负压。经21上部探巷现场试验分析表明:大平煤矿21上部探巷试验区域合理抽采负压范围为-25～-35 kPa,最佳抽采负压确定为-30 kPa。

基于围岩应力-裂隙特征的封孔深度优化研究

钻孔的封孔深度直接影响到整个抽采系统的效率发挥,其合理的封孔深度是确保高效抽采的关键。以底抽巷穿层抽采钻孔为研究对象,采用数值计算和超声波探测法对钻场围岩破裂范围进行了分析实测,基于钻进速率曲线分析得到了围岩应力集中边界位置。通过基于抽采效果对比实验确定了最佳封孔深度位置。结果表明,穿层抽采钻孔封孔深度应大于围岩应力集中区边界。

单一厚煤层条件下穿层钻孔水力冲孔参数优选与应用

为提高层外卸压瓦斯抽采效率,探索适合潞安矿区3~#煤层的水力冲孔参数,通过对不同冲孔煤量钻孔的抽采效果进行对比分析,得出了水力冲孔的合理煤量为0.15 t/m;结合施工工艺及地质条件优选出了合理煤量下的最佳冲孔压力12 MPa和最佳冲孔时间15 min/m,形成了1套适合3~#煤层水力冲孔的技术参数。

煤矿井下穿层钻孔高效钻进方法

针对煤矿井下穿层钻孔遇到的钻进效率问题,为了便于煤矿井下工艺技术试验研究,将顶底板岩层按硬度系数f划分成3种等级:较硬岩(4≤f<8)、坚硬岩(8≤f<15)和极硬岩(f≥15),针对不同等级岩石研究与之相适应的钻进方法,并总结相应的最优工艺参数。通过大量的现场试验,总结出了适用于较硬岩的高强度PDC钻头回转钻进方法,试验钻进效率提高了1.6~2倍;适用于坚硬岩的回转冲击钻进方法,试验钻进效率提高了约50倍;适用于极硬岩的冲击回转钻进方法,试验钻进效率提高了约4~25倍。

“三化一工程”瓦斯抽采精细化管理

针对焦作矿区高瓦斯低透气性单一厚煤层,实施底板岩巷穿层钻孔抽采全掩护区域措施期间,矿井单产单进低、抽-掘-采接替紧张的难题,开展基于"三化一工程"瓦斯抽采精细化管理,并辅以钻孔施工作业防护系统等保障措施,进一步规范瓦斯抽采措施、提高瓦斯治理效果,在缩短瓦斯治理周期的同时,实现矿井瓦斯治理目标从"区域消突"到"安全高效"的根本转变。通过在古汉山矿16采区实施验证,煤巷掘进速率提升45%,工作面产能提升85%。

底板穿层钻孔煤层段留置筛管技术

为解决穿层钻孔施工过程中常出现的喷孔、塌孔、抽采周期短等难题,借鉴成熟的套管钻井或跟管钻进护壁技术,提出将随钻留置筛管钻进技术应用于强突出煤层钻孔施工,介绍了其工艺方法和配套的筛管、传扭装置、悬挂构件、相关钻具等装备,并进行现场应用。应用结果表明,采用该技术共施工16个试验孔,留置筛管成功率达到87.5%,钻孔喷孔强度显著减弱,并通过与常规钻进工艺在钻孔实际钻屑量与计算钻屑量的比值对比,说明在控制孔喷方面具有较大提升,保障了后续瓦斯抽采的效果。

松软煤层穿层孔挠性钻具强造斜机理与过程研究

增加松软煤层穿层孔煤孔段的长度可以提高穿层孔单孔瓦斯抽采效果,利用挠性钻具组合施工煤孔段可以达到延长煤孔段的目的。本文建立了挠性钻具施工的力学模型,研究了强造斜的运动学特征,并提出了造斜过程的运动学曲线;根据力学模型及运动学特征,研究了强造斜钻进工艺,尽可能增加钻孔煤层钻遇率。

基于COMSOL Multiphysics的钻孔周围瓦斯流动规律数值模拟

对钻孔抽采瓦斯所使用的数学理论模型进行研究探讨,分别对钻孔抽采下的瓦斯平面径向稳定渗流和平面径向不稳定渗流计算模型进行了研究。以大黄山煤矿抽采钻孔为研究背景,运用数值模拟软件COMSOL Multiphysics,以穿层钻孔为例,分别对不同抽采时间(15、30、45 d)、不同孔径(94、180、300 mm)钻孔抽采条件下,钻孔附近的瓦斯流态进行了模拟,得到瓦斯流速场和瓦斯压力分布规律,对模拟结果进行分析最终确定合理的瓦斯抽放钻孔直径和抽放时间。

水力割缝钻孔喷孔机制及割缝方式的影响

为有效治理水力割缝钻孔喷孔现象,系统分析了喷孔发动机理,提出"强水快割"和"细水慢割"2种水力割缝方式,通过FLAC3D数值模拟和现场工程实践,着重研究了不同割缝方式对喷孔的影响。结果表明:"强水快割式"水力割缝快速、剧烈地破坏大范围高应力煤体,引起的煤体力学参数和位移变化均比"细水慢割"式大,试验现场大量煤和瓦斯从孔口喷出。最后权衡煤体消突和喷孔可控2个方面,确定15 MPa、160 r/min为试验矿井最佳割缝水压和钻机钻速。

穿层水力造穴钻孔瓦斯抽采效果数值模拟研究

根据在寺家庄矿统计水力造穴措施出煤量,将冲孔形状简化为直径0.7 m的圆柱体,以弹性力学和瓦斯流动理论为基础建立瓦斯流动流固耦合力学模型,借助COMSOL Multiphysics进行求解得出造穴后瓦斯抽采有效半径和合适的布孔间距,经现场验证,模拟结果与现场实测基本一致,说明了水力造穴瓦斯抽采参数可以采用简化的冲孔形态结合流固耦合力学模型进行数值模拟。

基于RFPA^(2D)的不同角度穿层钻孔水力压裂技术模拟研究

为了提高水力压裂技术在一些高瓦斯低透气性煤层的压裂效果,通过理论分析与现场实测,利用RFPA^(2D)数值模拟软件,构建与煤层夹角为30°,45°,60°和90°的底板穿层钻孔的水力压裂模型,并利用RFPA^(2D)数值模拟软件对4种角度穿层钻孔水力压裂技术模拟的压裂效果进行对比研究。结果表明:未改变压裂钻孔的角度前,钻孔壁周围会有未压裂部分,钻孔角度改变后,钻孔的影响半径扩大,煤体破裂半径增大,进而增大了煤层透气性,提高了瓦斯钻孔抽采率;在本模型条件下,最佳常规钻孔压裂角度参数为45°～60°,钻孔角度在45°～60°范围之间的压裂效果较好,而且45°钻孔的卸压带最宽,影响范围较大。

远距离下保护层底板穿层钻孔卸压瓦斯抽采研究

以桑树坪煤矿远距离下保护层11~#煤层开采保护主采3#煤层为研究对象,利用底板巷布置上向穿层网格式钻孔抽采被保护层卸压瓦斯,研究得出将3314底板瓦斯抽放巷布置在3#煤层底部法距15 m处较为合理。实际抽采数据表明,在远距离下保护层开采期间,采动影响能够有效卸压,提高被保护层的透气性,底抽巷预抽区域瓦斯预抽率约为65.6%。从卸压瓦斯抽采效果分析,11#煤层回采后保护层工作面前方10 m至保护层工作面后方60 m范围内对应的上覆3#煤层区域为最佳卸压瓦斯抽采区域。

深井预掘底板巷保护突出煤层掘进合理位置研究

为了研究深井无保护层开采条件的单一严重突出煤层煤巷条带区域瓦斯治理问题，运用FLAC3D模拟分析了底板巷道掘进时、工作面回采前后围岩应力分布特点，对采用底板巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯时的巷道合理空间位置进行了研究，结果表明：预掘卸压底板巷布置在待掘煤巷正下方、法距8~15 m位置是合理、可行的。丰城矿区曲江煤矿213底板巷位于待掘煤巷正下方平均垂距9 m，巷道中心线两侧15 m范围煤层的钻孔瓦斯流量、透气性系数均有不同程度增加，缩短了抽采时间，有效的降低了煤与瓦斯突出危险；同时，穿层钻孔采用非等间距布置方式，节约大量钻孔工程、成本降低、缓解采掘接替紧张局面。

突出煤层穿层钻孔钻扩一体化增透技术

随着瓦斯治理力度逐步加大,区域瓦斯治理工作成效显著,但煤层透气性低、瓦斯抽采效果差的问题依然很突出,针对该问题,在现场搜集并整理大量资料,分析煤层瓦斯含量分布情况,对焦作矿区实际瓦斯地质情况深入研究基础上,形成了一整套钻扩一体化钻具,并成功开展了现场工业性试验。应用效果显著,卸压范围增加了20倍左右,煤体卸压体积增加了近100倍左右,单孔瓦斯抽采量是未冲孔钻孔的2~3倍,抽采达标时间缩短1/3以上;水力冲孔影响范围为沿倾向上部达到6~7 m、下部2~3 m、走向达到6~7 m。

“Y”型通风沿空留巷下向穿层钻孔瓦斯抽采技术

"Y"型通风沿空留巷是治理煤层群瓦斯隐患的可靠方式,实现了沿空留巷下向钻孔在工作面回采前后连续进行瓦斯抽采,达到沿空留巷"一巷多用"的目的。对下向钻孔的施工方式进行了改进,并利用泥浆排渣方法,大幅提高了排渣效率及成孔率。研究发现,应避开工作面超前应力集中区域和回采覆岩移动影响范围,以获得较好的成孔效果。为获得较好的抽采效果,在布置下向抽采钻孔进行瓦斯抽采时,应使钻孔的终孔位置与巷道之间的距离大于10 m。

薛湖煤矿穿层钻孔水力扩孔瓦斯抽采增透技术

为研究薛湖煤矿穿层钻孔水力扩孔对瓦斯抽采效果的影响,采用FLAC^(3D)软件模拟穿层抽采钻孔扩孔0.6 t/m煤量前后钻孔瓦斯增透圈大小变化情况,现场实测2306工作面底抽巷穿层抽采钻孔冲孔0.6 t/m煤量与未冲孔钻孔在相同抽采时间内的瓦斯抽采量和有效抽采半径,并进行对比分析。结果表明,薛湖煤矿穿层抽采钻孔扩孔0.6 t/m煤量后,钻孔的瓦斯增透圈增大了62.5%,初始抽采纯量增加了100%,抽采75 d的抽采总量增加了70%,钻孔的有效抽采半径达到1.1 m所需时间缩短了77.2%,薛湖煤矿穿层钻孔水力扩孔可有效提高煤层抽采效率。