煤矿井下深孔密闭保压取样装置研制

采用敞口式岩心管取样来测定深孔煤层瓦斯含量时煤样暴露时间长、煤样易被污染、瓦斯损失量难以计量导致测量误差大,而现有密闭保压取样大多需要二次扩孔、结构复杂、取样成功率低造成难以大规模推广应用。针对上述问题,研制了一种煤矿井下深孔密闭保压取样装置。该装置采用“两级活塞+双层套管+煤样筒”的整体结构设计,通过控制井下高压水泵注入装置内的注水流量及注水时间,实现球阀由取样前密闭到取样时开启,再到取样后密闭的动作转换,达到煤样被密闭在煤样筒内的目的,防止煤样被污染及取样过程中瓦斯逸散。采用敞口式岩心管常规取样方法和深孔密闭保压取样装置分别采集了4组同钻孔同深度处煤样,进行瓦斯含量测定对比分析,现场试验结果表明:深孔密闭保压取样装置的取样深度接近350 m;相较于常规取样方法,深孔密闭保压取样测得的瓦斯含量偏大5.4%~37%,且随着取样钻孔深度增加,偏大的程度增加,表明密闭保压取样装置能够提高深孔煤层瓦斯含量测试的准确性。

高位定向长钻孔技术在平煤八矿的试验及应用

平煤股份八矿为煤与瓦斯突出矿井,通过施工高位定向长钻孔进行瓦斯抽采,能够降低工作面瓦斯浓度,解决工作面甲烷的超限问题,同时有利于后期采空区瓦斯管理。此外,还可使采空区埋管由大管径变为小管径抽采,实现不埋管抽采,在工程上减少或避免施工工作面高位钻场及高位巷,降低治理瓦斯成本。

定向拦截钻孔技术在近距离煤层开采中的研究与应用

平煤八矿己15煤层和下伏己16.17煤层间距8~10 m,属于近距离煤层;己15煤层回采期间,受采动影响,己16.17煤层卸压瓦斯越流逸散,造成回采工作面瓦斯含量增加。以己15-15050工作面为试验点,在工作面中间低位巷采用“定向拦截钻孔+全程下筛管”技术,将拦截钻孔施工至工作面中部瓦斯抽采薄弱带、两层煤之间常规钻孔不易施工到的岩柱内,探究定向拦截钻孔抽采效果。结果表明:实际施工的48个定向拦截钻孔,按照设计施工至准确层位的成功率为94%,筛管覆盖率达到91%;定向拦截钻孔在工作面切眼前后60 m范围内,单孔抽采浓度在60%~99%;与常规拦截钻孔相比,定向拦截钻孔的最高单孔瓦斯抽采浓度可以提高48%~59%。

近距离煤层群卸压瓦斯联合抽采技术研究及应用

为解决煤层回采过程中下临近层卸压瓦斯涌入采场空间造成瓦斯超限问题,以平煤股份八矿己_(15)-15050工作面为研究对象,分析采动作用下煤层顶底板裂隙发育规律,确定了基于定向钻进技术的近距离煤层卸压瓦斯联合抽采方案。结果表明:(1)研究区域内己_(15)煤层顶板上部55.80 m,底板下部19.71 m范围内均有裂隙产生;(2)底板拦截钻孔抽采浓度均超过90%,单孔最大纯量为163.12 m^(3)/d;(3)采用联合抽采方案时,应优先将拦截钻孔布置在高位孔孔底附近来弥补前期抽采能力不足。

采面中部煤层以孔代巷消突技术研究与工程实践

针对煤与瓦斯突出矿井采面中部煤层瓦斯治理工效低、成本高、治理困难现状,在分析采面中部煤层以孔代巷消突技术原理与优势的基础上,概括了采面中部煤层以孔代巷消突技术钻孔设计及管理要求。在河南平宝煤业有限公司己15-17-12110工作面自切眼向外500~1000m范围内,施工穿层定向钻孔并进行测斜,用于控制两底抽巷之间常规穿层钻孔覆盖不到的空白区域,避免新开底抽巷,完成该区域煤层消突工作。试验结果表明:①与“低位岩石抽采巷+常规穿层钻孔”消突技术相比,瓦斯治理费用可直接减少837.2万元,直接减少约41.4%;瓦斯治理工期缩短9.4个月,有效缩短约56.6%;②穿层定向钻孔初始瓦斯抽采浓度均可达到85%以上,最高达到98%;48h后,瓦斯抽采浓度仍不低于72%,最高达到90%;30d以后,瓦斯抽采浓度均高于30%,瓦斯抽采效果良好,采面中部煤层以孔代巷消突技术能够满足采煤工作面消突工作中的瓦斯抽采要求。

高位定向长钻孔强化抽采裂隙带瓦斯技术研究

河南平宝煤业有限公司己15-17-12110工作面回采过程中主要采取风排和卸压抽采治理瓦斯涌出,回采期间工作面上隅角处出现瓦斯体积分数偏高的情况。根据数据分析,该工作面瓦斯来源不单来自本煤层涌出,煤层附近岩层也有较多的瓦斯逸散涌出至工作面回风流。为解决工作面上隅角和回风流瓦斯体积分数偏高问题,计划采取大直径高位定向长钻孔强化抽采裂隙带瓦斯,不仅能够使裂隙带瓦斯不向工作面运移,而且有望改变工作面上隅角附近的风流流场,避免上隅角瓦斯超限,该技术的成功实施为河南平宝煤业有限公司高瓦斯大采长工作面瓦斯综合治理提供了一条新的途径,具有重大意义。

定向钻进技术在煤与瓦斯突出矿井中的试验研究

定向钻进技术是一种高效的区域瓦斯治理措施,可大幅节约施工成本、缩短施工周期,地质条件及钻进层位对定向钻进效果有直接影响,因此对定向钻进技术适用性的现场试验研究决定了该技术能否在施工现场成功运用。以平煤股份十一矿己16-17-24070、己16-17-24090工作面为试验地点,采用2种不同型号的定向钻机,分别沿煤层走向、倾向在顶板施工梳状定向分支孔,在平顶山矿区开展以孔代巷现场工业性试验,积极探索适用于平顶山矿区的新的瓦斯治理模式。依据VLD-1000型千米定向钻机前期沿煤层走向的钻进效果,分析钻进效果不甚理想的原因;后期采用ZYWL-6000DS型煤矿用双履带式全液压定向钻机,沿煤层倾向施工定向钻孔,取得了良好的钻进效果。以2种定向钻机的钻进效果为依据,平煤股份十一矿确定了施工定向钻孔的钻机类型及钻孔设计,初步形成了适用于平煤股份十一矿的新的瓦斯治理模式。

大采长工作面中部煤层预抽瓦斯以孔代巷技术应用

为解决治理大采长工作面回采区域瓦斯需要施工多条岩石抽采巷和大量穿层钻孔,采用大采长工作面中部煤层预抽瓦斯以孔代巷技术,利用自主研制的轻型定向钻机在己15-17-12110工作面开展了现场工业性试验,分析了定向穿层钻孔覆盖工作面中部的范围及瓦斯抽采效果。结果表明:大采长工作面中部煤层预抽瓦斯以孔代巷技术可以为大采长工作面减少岩石抽采巷和穿层钻孔工程量,节约施工成本;在中抽巷和机抽巷各施工79个定向钻孔,钻孔总工程量13 806 m,其中定向钻孔岩孔8 022.5 m,水力冲孔煤孔5 783.5 m,累计冲煤量2 965.7 t,平均冲煤量0.51 t/m;定向穿层钻孔卸压抽采后,可有效提升瓦斯抽采浓度;工作面回采期间的瓦斯浓度在0.6%以下,保证了工作面安全回采。

定向复合钻进预抽煤层中部瓦斯的以孔代巷技术研究

为解决常规穿层钻孔预抽大采长突出煤层中部瓦斯存在抽采空白带,利用轻型定向钻机在己15-22080工作面施工了定向穿层钻孔,基于定向钻孔轨迹可控的特点设计了定向穿层钻孔参数,分析了定向穿层钻孔覆盖的范围、瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯量。研究结果表明:①定向穿层钻孔能够精准覆盖突出煤层中部抽采空白带,同时实现两相邻煤层瓦斯治理;②定向穿层钻孔总工程量为19706 m,其中定向钻孔岩孔段13366 m,煤孔段工程量6340 m,己_(15)煤层水力冲孔煤段工程量2911 m,累计冲煤量为1537 t;③定向钻孔实际抽采浓度比常规钻孔普遍提高10%~25%,累计抽采瓦斯140.8万m^(3).研究结果可为煤与瓦斯突出煤层的瓦斯治理提供技术支撑和理论依据。

高位定向长钻孔以孔代巷技术及现场应用

为抽采煤与瓦斯突出煤层采空区、裂隙带瓦斯,避免上隅角、回风流瓦斯浓度超限,以平煤股份八矿己15-22080工作面为研究对象,基于煤层上覆岩层赋存特征,分析了高位定向长钻孔的层位,模拟了不同钻孔层位的上隅角瓦斯浓度变化,开展了8个钻孔的高位定向长钻孔现场工业性试验。研究结果表明:高位定向长钻孔的瓦斯抽采总纯量最大值为11.8 m3/min,平均值为8.0 m3/min,单孔瓦斯抽采浓度最大值达到60%,平均值为20%,回采期间效果检验指标均小于规定值,实现了高位定向长钻孔代替高抽巷瓦斯抽采的效果,为平煤股份八矿及类似矿井抽采采空区、裂隙带瓦斯提供了技术支撑。

深部突出煤层采动断裂带发育高度确定研究

采用高位定向长钻孔抽采瓦斯技术代替高抽巷抽采采动卸压瓦斯不仅能够大幅缩减岩石巷道掘进量,有效缓解矿井采掘接替紧张局面,而且瓦斯治理效果显著,但高位定向长钻孔抽采瓦斯技术在实际应用中经常会出现因采动覆岩“三带”发育高度范围确定失准,定向长钻孔布置层位过高或过低导致应用效果不佳的问题。针对该问题,以河南平顶山天安煤业股份有限公司八矿己_(15)−15050工作面为研究背景,采用经验公式法和数值模拟实验法确定该工作面煤层采动断裂带发育高度,得到了垮落带最大发育高度为13.2 m,断裂带最大发育高度为48 m。利用千米定向钻机在己_(15)−15050工作面施工高位定向长钻孔对所得的断裂带发育高度进行验证,结果表明:距煤层顶板20 m处上覆岩层岩性较为破碎,断裂带高浓度瓦斯区在距顶板23 m以上;当己_(15)−15050工作面推进至105 m时,高位定向长钻孔与采空区断裂带已充分沟通;己_(15)−15050工作面上隅角及回风流瓦斯均保持在0.47%,且高位定向长钻孔单孔最大瓦斯抽采体积分数达13.2%,日抽采纯量保持在3~4 m^(3)/min,配风量按2500 m^(3)/min计算,高位定向长钻孔抽采瓦斯量可达风排瓦斯量的25.5%~34.0%,期间未出现瓦斯超限,高位定向长钻孔布置在当前层位内能够成功治理上隅角和回风流瓦斯,验证了综合2种方法确定断裂带发育高度的正确性。

煤与瓦斯突出煤层定向复合钻进技术研究

基于首山一矿己_(15-17)-12110工作面倾斜宽260m,采用常规钻机施工穿层钻孔无法全覆盖且轨迹不可控,容易造成瓦斯抽采空白区的现状。以己_(15-17)-12110工作面为试验点,采用轻型定向钻机,以定向钻进和回转钻进相结合的工艺,对工作面中部常规穿层钻孔控制不到的空白区域采取定向钻孔区域瓦斯治理措施,验证定向复合钻进工艺在煤与瓦斯突出煤层中的可行性。结果表明:采用定向复合钻进,通过沿倾向在主孔上开分支的布孔方式,可控制工作面回采区域的瓦斯抽采;累计施工钻孔长度580.5m,累计冲出煤量约165.5t;探明了中抽巷至煤层范围的地质情况,煤厚5.6m,夹矸0.8m,夹矸距煤层底板2.8m。试验结果可为煤与瓦斯突出煤层的瓦斯预抽采提供经验借鉴和技术支撑。

深部缓倾斜煤层“以孔代巷”抽采技术

为研究深部缓倾斜煤层开采时高位定向长钻孔代替高抽巷(简称“以孔代巷”)进行卸压瓦斯高效抽采,以平顶山矿区实际工作面为例,采用物理相似模拟研究了覆岩采动裂隙分布规律,利用数值模拟分析了以孔代巷的可行性及合理的抽采关键参数,并进行工程实践。结果表明:受煤层倾角影响,上覆岩层垮落后整体有向下端头滑移情况,使得上端头覆岩裂隙较下端头裂隙发育充分,其中下端头垮落角为50°,上端头垮落角为54°,呈现出明显的非对称性,工作面冒落带高度12 m,裂隙带高度65 m;结合覆岩的采动裂隙分布特征和卸压瓦斯运移规律,建立了深部缓倾斜煤层卸压瓦斯运储区模型;对比不同垂距抽采条件下工作面上隅角瓦斯浓度发现,当一排6个钻孔距煤层顶板为20 m时,上隅角瓦斯浓度最小,最大为0.72%,与高抽巷抽采效果相当;工程实践中,上隅角瓦斯浓度最大为0.76%,平均0.48%,保障了工作面安全回采。因此,在合理参数选择下以孔代巷的瓦斯防治可行且效果明显,为类似开采条件下瓦斯防治提供了技术参考。