石门揭煤过程中煤与瓦斯延时突出及防治技术研究

在综述煤与瓦斯延时突出机理及其影响因素的基础上,详细地分析石门揭煤过程中煤与瓦斯延时突出时各种因素在延时突出中的作用,并从空间和时间的角度,对石门揭煤过程中巷道煤与瓦斯延时突出整个过程进行详细描述。根据掘进工作面附近暴露煤体的"三区"分布规律及其与延时突出的关系;提出先采用钻孔抽放石门突出煤层瓦斯等措施分阶段释放煤与瓦斯突出动力源;再用注液冻结技术增强揭开煤体的强度、增加集中应力区和卸压区的长度来防止被揭开煤体发生流变而导致延时突出的防突技术;以及在揭煤后采取迅速支护防止空顶和冒落等防治措施。研究成果为开发技术可行、经济合理的快速安全揭煤技术提供理论基础。     

煤层双重介质模型及瓦斯抽采合理布孔间距研究

为使瓦斯抽采效果在技术、经济方面达到最佳,研究了瓦斯抽采过程中煤层瓦斯的运移规律和钻孔的合理布孔间距。将煤层视为双孔隙双渗透率弹性介质,推导了煤基质、裂隙渗透率演化方程,综合考虑了瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形等因素的影响,建立了煤层双重介质流固耦合模型,并进行了钻孔瓦斯抽采模拟,分析了钻孔间距对瓦斯抽采的影响。结果表明:不同钻孔间距的瓦斯压力随抽采时间的增加先快速下降再趋于平缓,且钻孔间距越小,瓦斯压力下降越快;随着钻孔间距的增大,O点消突时间逐渐增加,与钻孔间距呈二次方关系;现场试验与模拟结果基本吻合,钻孔间距5 m时瓦斯抽采效果最佳。     

考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型

为更准确反映抽采过程中的煤层瓦斯(甲烷)运移过程,将煤岩视为孔隙-裂隙双重结构、双渗透率非均匀弹性介质,考虑基质瓦斯渗流作用,结合地下水、瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形和渗透率演化等因素的耦合作用,建立考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型;数值模拟地面瓦斯抽采过程,分析煤层瓦斯运移规律和基质渗流作用对瓦斯抽采的影响。研究表明:基质瓦斯和裂隙瓦斯的压力均随时间的增加而降低,两者差值先增大后减小;在模拟工况下,单位时间内基质瓦斯渗流量仅占流入裂隙瓦斯量的0.5%。基质渗流对瓦斯抽采的产能及储层压力有影响;考虑基质瓦斯渗流的双孔隙双渗透率模型预测的产气速率和储层压力下降幅度均小于双孔隙单渗透率模型。     

水-力耦合对含瓦斯煤渗透率影响的试验研究

以贵州矿区突出煤层40~60目的型煤试件为研究对象,借助自主研发的三轴渗流设备开展了不同含水率及有效应力条件下的三轴渗流试验,系统研究了含瓦斯煤渗透率受水-力耦合作用的演化趋势,根据试验结果推导了上述两因素与含瓦斯煤渗透率间的量化关系式,研究成果对贵州瓦斯灾害防治和煤层气勘探开发提供理论依据。     

煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用研究

为了研究煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用,采用煤体中瓦斯总量守恒的原理研究瓦斯含量与瓦斯积聚内能的基本方程和影响因素;分析煤与瓦斯突出产生的力学条件和机理,建立了煤与瓦斯突出危险程度的矩阵图。结果表明:瓦斯含量是煤体瓦斯内能最直接的反应,其值大小决定瓦斯内能的大小;瓦斯压力梯度、煤体的断裂韧性及煤体内的裂隙发育程度决定着瓦斯突出的危险性,低渗透性构造煤对瓦斯运移阻力较大,容易形成较大的瓦斯压力梯度,从而更容易发生煤与瓦斯突出。煤层中的瓦斯含量、瓦斯压力、地应力越大,煤体的强度、渗透率越小,越容易发生突出。煤层瓦斯情况、力学性能、地质构造和煤层的应力状态是决定煤与瓦斯突出的主要因素。     

抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布理论分析及应用

在煤层瓦斯抽采工艺中,抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布状况决定了最佳抽采时间和抽采半径。为研究抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布情况,通过理论分析和数值模拟,构建抽采钻孔周围煤层瓦斯流量表达式;应用达西渗流定律,推导出抽采钻孔周围煤层瓦斯压力解析表达式;采用瓦斯抽采半径随抽采时间的变化速率作为确定瓦斯抽采最佳时间的依据,给出临界值,并进行工程应用。结果表明:随着测定点与钻孔中心距离的增加,煤层瓦斯压力逐步上升,最终趋于原始值;随着抽采时间延长,瓦斯压力大致呈指数规律下降;瓦斯抽采半径随抽采时间的变化速率临界值可暂定为0.47。     

煤层瓦斯抽放半径及其影响因素的数值模拟

煤层瓦斯抽放半径是进行抽放方法选择,确定钻孔布置参数以及评价抽放效果的重要依据。为了确定有效抽放半径并找出其影响因素,采用数值模拟的方法,应用计算流体力学软件Fluent建立了钻孔抽放瓦斯模型。采用气体渗流理论模拟瓦斯抽放过程中的流动规律,确定了有效抽放半径,分析了钻孔直径、煤层渗透率和抽放负压对其影响的规律。结果表明:煤层瓦斯抽放有效半径为1.8 m左右,钻孔直径和煤层渗透率对抽放半径影响较大,抽放负压的影响不大。     

卸围压条件下含瓦斯煤渗透性演化试验研究

为探究蠕变过程煤体应力卸载瓦斯可抽采程度,用河南工程学院自行研制的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴渗流试验装置对润东煤业3号煤层含瓦斯煤原煤样进行渗流测试,并进行渗透率模型的理论分析,对比试验数据与模型计算数据。结果表明:试验过程中轴压降起始于卸围压后,渗透率变化滞后于轴压降;渗透率在卸围压初期变化不大,随应变的增加,渗透率由慢慢减小到突然增加。卸围压过程中的渗透率与轴向应变变化具有一致性,且与时间符合指数函数关系。     

蠕变-渗流耦合作用下水力冲孔周围煤体渗透率时空演化规律

为了研究水力冲孔周围煤体瓦斯运移规律,研究了水力冲孔周围煤体的应力、体积应变和孔径变化规律,建立了蠕变-渗流耦合作用下的水力冲孔周围煤体渗透率动态演化模型,揭示了水力冲孔周围煤体渗透率的时空演化规律,阐明了蠕变变形和基质收缩对渗透率的控制作用机理。研究结果表明:水力冲孔措施可以大幅度提高钻孔周围煤体的渗透率,在空间上煤体渗透率随距离呈负幂函数关系迅速降低（K=2×10-16 r -2.4）;在时间上煤体渗透率随抽采时间的延长而逐渐增大,但是增加梯度会逐渐降低;水力冲孔周围煤体渗透率的增加主要受到煤的蠕变变形控制,基质收缩效应虽然有利于渗透率的增加,但对渗透率的贡献远小于煤体的蠕变变形;钻孔由于蠕变变形会产生缩孔现象,很容易堵塞抽采通道,此时即使渗透率大幅度的提高,也很难保证抽采效果,因此迫切需要制定相应的防堵孔措施。     

钻孔间距对水力压裂促抽煤层瓦斯的影响

针对定量确定合理钻孔间距困难问题，基于损伤力学和多场耦合理论，建立了水力压裂和瓦斯抽采的煤层流固耦合模型，包括和水运移场、应力场以及孔隙度、渗透率演化方程，并采用Comsol联合Matlab求解，研究了不同钻孔间距时压裂和抽采过程中煤层弹模、损伤值、渗透率、瓦斯压力、抽采量和压裂贯通时间的变化规律。结果表明:耦合模型可较准确地模拟煤层水力压裂和瓦斯抽采过程；压裂贯通时间与钻孔间距呈指数增长关系；在马堡煤矿，当钻孔间距为4~8 m时，压裂损伤区在抽采孔贯通，渗透率呈“n”型曲线，瓦斯抽采后，瓦斯压力迅速下降，抽采有效区随间距的增加而增大；当钻孔间距为9~12 m时，压裂损伤区未贯通，煤层渗透率呈“m”型曲线，抽采有效区随间距的增加而减小，与间距4~8 m相比，瓦斯抽采量较小。     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用*

为解决高瓦斯矿井开采过程中煤体透气性差、瓦斯预抽周期长、抽采效果不佳的难题，提出利用深孔预裂爆破技术提高煤体裂隙发育度，增加煤体透气性，从而提高瓦斯抽采率的方法。通过现场调研、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法，分析深孔预裂爆破卸压增透内在机理，确定爆破影响半径为4.5~5.3 m，并在A110605工作面进行现场应用，同时考察煤层增透效果。研究结果表明:煤层爆破致裂后，平均瓦斯抽采浓度提高了2.17倍，平均瓦斯抽采纯量提高了2.02倍，煤层透气性系数提高了近5.3倍，煤层卸压增透效果显著，很大程度上消除了煤与瓦斯突出危险性，为实现工作面的安全开采及正常接替提供了保障。     

不同冲煤量对有效抽采半径的影响规律研究

水力冲孔可通过高压水射流使钻孔孔洞周围煤体形成卸压区,增加煤层透气性,提高抽采效果。不同冲煤量将直接影响孔洞的形态大小和有效抽采半径。以中马村矿为例,通过现场试验、数值模拟等方法分析研究了不同冲煤量对有效抽采半径的影响规律。结果表明:抽采90 d,单位冲煤量为1,1.5,2 t/m的有效抽采半径分别为3.45,3.61,3.88 m与现场得到的结论基本一致。抽采时间一定时,有效抽采半径随着单位冲煤量的增加逐渐增大,但增大趋势逐渐减弱。单位冲煤量一定时,随着抽采时间增加,瓦斯压力逐渐降低,有效抽采半径不断增大。研究结论对优化钻孔布孔参数,提高瓦斯灾害防治效果具有重要意义。     

时空效应下不同孔径超前钻孔有效排放半径研究*

为解决煤矿在施工过程中局部防突问题,进行现场实测并结合数值模拟计算,研究瓦斯排放钻孔影响半径在不同排放时间和不同超前钻孔直径影响下的变化规律。研究结果表明:对于同一孔径的钻孔,在一定时间内影响半径随着时间的增加而增加,不同直径的钻孔呈不同的函数关系;对于不同的孔径,影响半径随着钻孔直径的增加而增加,研究结果可为矿井作业中治理煤与瓦斯局部突出提供重要参考。     

考虑水渗流作用的顺层抽采模拟及参数优化研究

为研究水渗流作用对顺层钻孔抽采的影响，为抽采工艺参数优化提供理论依据，建立了考虑水渗流场的气水两相流固耦合方程，并利用COMSOL Multiphysics软件对赵庄矿1309工作面顺层钻孔的抽采负压与钻孔间距进行参数优化。研究结果表明:随着抽采时间增加，煤层水压与水相相对渗透率均快速下降后趋于稳定不变，气相相对渗透率先升高后不变，煤层瓦斯压力在抽采过程中逐步降低；抽采负压改变对煤层相对渗透率几乎无影响；在相同预抽时间里，抽采影响半径与抽采负压呈指数函数关系，抽采负压由15 kPa提高到27 kPa，可降低煤层瓦斯压力，有效影响半径扩散明显，超过27 kPa变化不再明显；钻孔间距设置为4.5 m可在预抽期内满足抽采要求且节约施工成本。     

低渗煤层高压水射流割缝强化瓦斯抽采技术研究

为了解决低渗高突煤层瓦斯治理工程量大、效率低难题,提出在煤层中利用高压水射流切割缝槽依靠煤岩自身重力自动卸压强化瓦斯抽采技术。为了确定超高压水射流割缝工艺参数,采用FLAC3D数值模拟方法分析了不同缝槽间距、宽度条件下缝槽周围煤体塑性破坏特征和应力演化规律,得出高压水射流割缝合理缝槽间距为3 m,合理缝槽宽度为100 mm,现场实践表明:高压水射流割缝增大了煤层暴露面积、煤体扰动体积,高负压抽采支管瓦斯流量和浓度显著提升,瓦斯抽采纯量在0.7~1.1 m3/min范围内波动,瓦斯浓度在50%以上,对该矿其他工作面瓦斯治理具有一定借鉴意义。     

基于响应曲面法的有效抽采半径多因素交互影响机制研究*

为探究钻孔有效抽采半径的关键影响因素及各因素间交互作用,构建应力应变-瓦斯吸附解吸耦合渗透率变化模型,采用COMSOL软件进行数值模拟,分析单一因素变化对钻孔有效抽采半径的影响,并通过Design-Expert软件设计响应曲面试验,分析多因素交互作用对钻孔有效抽采半径变化的影响机制,获得有效抽采半径对多因素交互影响的响应曲面模型。研究结果表明:不同因素对钻孔有效抽采半径影响的显著性顺序为:煤层初始渗透率、原始瓦斯压力、抽采时间,煤层初始渗透率和抽采时间与有效抽采半径呈正相关关系,原始瓦斯压力与有效抽采半径呈负相关。1个影响因素的变化会影响其他因素对有效抽采半径的影响,煤层初始渗透率能够放大其他因素对有效抽采半径的影响,而原始瓦斯压力则会降低其他因素对有效抽采半径的影响。     

深孔预裂爆破在低透性高突煤层中的应用与分析

为提高低透气性高突出煤层瓦斯抽放率,达到预防瓦斯突出的效果,将深孔预裂爆破技术运用于某煤矿低透性高突煤层,考察了这种爆破对煤层透气性系数、百米钻孔瓦斯流量、瓦斯抽放量、抽放浓度、瓦斯抽放率以及突出预测敏感指标的影响。试验结果表明:采用深孔预裂爆破技术后,煤层透气性增强,瓦斯抽放率提高,各项预测指标在回采期间没有出现超标情况,同时也没有发生过瓦斯动力现象和煤与瓦斯突出。     

深孔预裂爆破在深井高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采中的应用

为解决潘一东矿深井低透气性高瓦斯煤层瓦斯抽采率低的问题,提出了运用深孔预裂爆破技术提高煤层透气性,进行瓦斯预抽,进而提高瓦斯抽采率,降低煤层突出危险性的方法。通过数值模拟阐述了深孔预裂爆破技术的作用机理,并对潘一东矿应用效果进行了现场考察。研究表明:在低透气性煤层实施深孔预裂爆破技术后,煤层透气性得以提高,平均瓦斯抽采量提高了3倍,有效地提高了瓦斯抽采率,降低了煤体瓦斯压力和含量,从而在一定程度上降低了煤与瓦斯突出的危险性。     

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0.32 MPa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。