径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术研究

通过分析钻孔周围煤体在地应力作用下的变形与裂隙发育规律,结合鹤煤三矿原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺,发现原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺存在影响抽采瓦斯体积分数与效果的因素。确定合适的封孔材料需要满足4个主要的性质特征,提出了径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术。使用RFPA3D数值模拟软件研究了孔壁周围煤体裂隙发育范围,据此确定了封孔深度工艺参数,并在鹤煤三矿进行了现场对比试验。结果表明,与原封孔技术相比,应用径向强力膨胀法封孔技术封孔成功率高,抽采瓦斯体积分数和抽采纯量均有大幅度提高。     

高位钻孔不同封孔方法质量检测及其优选

为优选出高位钻孔最佳的封孔方式，通过理论分析给出钻孔漏气6种表现形式，并推导出钻孔漏气量及漏风率的计算公式，进而基于不同钻孔深度瓦斯浓度及抽采负压的变化率确立钻孔漏气位置、漏气量、漏气率等封孔质量定量判定指标体系。结合封孔质量探测结果、操作难易程度及经济成本建立封孔方法优劣的多因素评价方法，并对聚氨酯式常压封孔（方法1）、囊袋式注浆带压封孔（方法2）、钻屑回填式注浆带压封孔（方法3）3种方法进行综合评价分析。研究结果表明:方法1～3的封孔段平均瓦斯浓度分别为5.6%，3.2%及8%，方法1对应的瓦斯浓度与抽采负压均出现突降，方法2对应的抽采负压在8～14 m出现突降，方法3则较稳定。故判定三者封孔质量为钻屑回填式＞囊袋式＞聚氨酯式，结合成本分析和操作难易综合分析确定高位钻孔的最优封孔方式为钻屑回填式注浆带压封孔。     

易自燃煤层顺层抽采钻孔封孔参数优化研究

针对平煤十矿顺层抽采钻孔封孔不佳导致钻孔自然发火问题,用钻屑法试验研究巷道围岩应力分布特征,深入分析钻孔周围存在的漏气情况及导致钻孔自然发火的条件,并利用Comsol Multiphysics软件,数值模拟不同封孔深度与长度下钻孔周围漏风速度的分布状况,得到最优封孔参数,并探讨其对瓦斯抽采效果的影响。结果显示,距巷道0～7 m为破碎区,8～19 m为塑性区,20～28 m为弹性区;巷道周围破碎区、钻孔周围漏气圈、封孔材料漏风及抽采管路漏风为钻孔漏风区域,为钻孔自然发火提供通风供氧条件。研究表明:当封孔深度为17 m,封孔长度为8 m,最大抽采负压低于30 kPa时为最优封孔条件,既能保证抽采效果又能防止钻孔自然发火;封孔参数优化后单孔瓦斯抽采体积分数达到70%。     

基于D-P准则的煤层钻孔封孔深度分析

为了确定合理的煤层钻孔封孔深度,提高瓦斯抽采效果,基于D-P屈服准则,提出关于中间主应力、煤岩剪膨胀的巷道开挖模型,推出钻孔周围煤体应力应变及钻孔封孔深度表达式。结合工程实例,以煤巷掘进工作面平均瓦斯抽采浓度和钻屑量为基础进行封孔深度的验证。研究结果表明:中间主应力、残余黏聚力、内摩擦角和剪胀角对于封孔深度有重要影响;在一定区间内,钻孔封孔深度随中间主应力的增大而增加,超过某个值后会随着中间主应力的增加而减小;剪胀角越大,扩容系数越大,钻孔封孔深度越大;平均瓦斯抽采浓度和钻屑量测试结果验证了封孔深度的准确性。     

带压注浆封孔技术在汪家寨煤矿的应用

为改进汪家寨煤矿的瓦斯抽采钻孔封孔技术,提高封孔质量,针对目前封孔工艺存在的问题,提出以新型无机封孔材料、封孔器为一体的"两堵一注"带压注浆封孔技术。现场的应用试验表明,考察期内试验钻孔平均瓦斯体积分数达到了60%以上,有效提高试验钻孔的封孔质量,为下一步的封孔工艺优化改进提供了参考及建议。     

三囊袋封堵器处置钻孔漏气技术研究

为了对瓦斯抽采钻孔周围的裂隙进行有效封堵,建立钻孔漏气圈模型,提出带压注浆一次封孔与漏气处置二次封孔相结合的技术方法,研制出一种既具有封孔又具有漏气处置功能的三囊袋封堵器装置,并进行了现场工业试验。结果表明:该装置成功实现了封孔和漏气处置的一体化操作,能够有效减少漏气圈面积,钻孔瓦斯浓度提高了25%～177%,抽采效果显著提高。     

高瓦斯孤岛工作面预抽钻孔封孔工艺优化研究

针对王坡煤矿高瓦斯孤岛工作面预抽钻孔封孔质量差、抽采效果不理想的问题,基于围岩裂隙演化钻孔封堵原理,采用数值模拟和现场指标测试相结合的方法对巷道围岩应力场分布进行分析,进而确定了3210孤岛工作面抽采钻孔的合理封孔段深度为距煤壁15 m,并考虑距煤壁3 m范围内煤体破碎严重的问题,将原“两堵一注”封孔工艺优化为“三堵一注”封孔工艺。针对两种封孔工艺开展了现场抽采钻孔封孔试验,在60 d的抽采监测期内,优化工艺试验钻孔的平均甲烷体积分数为47.19%,较原有封孔工艺的平均甲烷体积分数高15.90%。现场试验结果表明,数值模拟与钻屑指标测定法综合确定合理封孔深度是科学有效的,抽采钻孔的封孔质量得到明显改善,抽采效果显著提高。     

高流态封孔注浆材料力学性能及水化机制

为提高深部矿井煤层气抽采效率,针对目前常见的封孔注浆材料存在的高分子封孔材料价格昂贵易燃、普通水泥材料渗透性差、粉煤灰等膏体材料强度不足等问题,采用超细水泥为基料研发一种高流态封孔注浆材料。通过对高流态封孔注浆材料开展力学性能试验研究、结合扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等一系列试验的结果,揭示新型高流态封孔注浆材料水化机制。结果表明：高流态封孔注浆材料在水化初期就生成大量的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和钙矾石(AFt)晶体;随着水化反应的持续,水化产物的凝胶粒子充填材料中的孔隙。与普通水泥封孔注浆材料相比,材料的水化反应更迅速、更充分、整体结构致密,比普通水泥封孔注浆材料抗压强度提高3.68%,更有利于保持瓦斯抽采钻孔的稳定性,提高瓦斯抽采效率。     

囊袋式带压封孔工艺在顺层瓦斯抽采钻孔中的应用

配制了具有膨胀性、密实性更好的新型封孔材料,采用"两堵一注"原理,以贵州中岭煤矿11083工作面顺层瓦斯抽采钻孔为例,进行了新型封孔材料囊袋式带压封孔效果对比考察。结果表明,囊袋式带压封孔工艺简单、快捷,瓦斯抽采体积分数可维持在50%以上,瓦斯抽采纯流量基本稳定在0.024 2 m3/min左右,较矿井原有聚氨酯封堵注入水泥浆封孔工艺,其瓦斯抽采效果提高1倍左右,封孔效果显著提升,具有较强的推广价值。     

基于Hoke-Brown准则的瓦斯抽采钻孔稳定性分析及封孔技术

针对煤层瓦斯抽采钻孔稳定性差、抽采率低等问题,结合广义Hoke-Brown强度准则、有效应力原理及非线性孔隙压力分布特征,推导了钻孔围岩弹塑性区半径和应力表达式,得到了钻孔周围塑性区半径随各影响因素的变化规律。基于理论分析,采用囊袋式注浆封孔技术,在山西某矿310207工作面回风巷进行了现场试验。结果表明:地质强度指标(GSI)和不均衡系数(λ)相比扰动性系数(D)对钻孔周围塑性区范围影响更大;当原始瓦斯压力点距离钻孔中心小于1 m时,塑性区半径受瓦斯压力影响开始显著上升。以瓦斯抽采体积分数大于30%作为衡量封孔效果的标尺,在3个月左右的观测时间内囊袋式注浆钻孔相比聚氨酯钻孔,瓦斯抽采有效时间可以延长约2个月,瓦斯平均体积分数提高约58.2%。     

瓦斯抽采PC-CAS基封孔材料优化及其膨胀作用分析*

为了研制以硅酸盐/铝酸盐水泥、生石灰、生石膏为主的PC-CAS基封孔材料，采用正交试验优化材料配比、开展膨胀力研究，并用扫描电镜观测料-煤胶结形貌。研究结果表明:材料的最优配比为A2B2C4，其具备优良的流动性、强度及致密性，造浆量达2 100 mL/kg；PC-CAS基材料具有显著的膨胀性，其膨胀力随时间先增大而后趋于稳定，并且该膨胀力随着径向约束的提高而增大；相比于FP材料，PC-CAS基材料产生的膨胀力能够显著降低材料-煤岩界面的空隙并在一定程度上压密煤体内部的裂隙；该材料产生的膨胀力可压密封孔段围岩、提高封孔质量，并为后期“二次注浆”提供保压条件。工业试验结果表明，采用PC-CAS基材料进行封孔可显著改善抽采效果，将原有平均浓度10.11%提升至20.08%。     

新型封孔材料的性能研究及封孔长度计算

研究聚氨酯硬泡材料的渗透性能和粘结性能,旨在为煤矿瓦斯抽放和煤层注水工艺提供本质安全型的封孔材料,从而提高瓦斯抽放和煤层注水的效果,做好瓦斯、煤尘灾害的预防工作。根据达西定律设计材料渗流量的测试实验,将测定的数据进行线性拟合后,得出聚氨酯硬泡材料的渗透系数为1.00546×10-6cm/s;通过材料的抗压剪切力测试,得出聚氨酯硬泡与煤的粘结强度为387.95kPa;根据封孔模拟实验结果,选择压注药液法作为封孔方法,并根据钻孔受力平衡原则,计算得出由聚氨酯硬泡作为封孔材料的封孔长度至少为0.967m。     

易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术数值模拟研究

针对松软煤层瓦斯抽采钻孔稳定性差、钻孔形变较大、钻孔及周围煤体漏风严重等造成钻孔密封难的技术难题,提出了预先采用加固技术来提高松软煤层瓦斯抽采钻孔的稳定性,合理的解决钻孔高效密封的现实难题。首先,阐述了易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术的基本原理。其次,利用FLAC3D模拟软件对比分析了松软煤层、硬质煤层在不同固孔材料固化后钻孔周围位移场变化。研究表明:采取固孔措施后的钻孔相比措施前等值线分布稀疏,梯度较小,不同位置处的煤体的位移量差别较小。钻孔形成后,顶部位移量均大于底部位移量,左右两帮的位移量基本相同,有效的降低钻孔周边煤体的位移变化量,增强钻孔稳定性,为钻孔的高效密封提供了保障。     

特殊地质条件下深钻孔排渣技术及应用

针对特殊地质结构及远距离下行钻孔孔内残留钻屑量大,排渣困难,钻孔有效利用率低,抽采效果不理想等不利影响,结合现有悬浮剂资料,配置一定密度的悬浮液并进行排渣技术试验。试验结果表明,悬浮液排渣能够排出钻孔中残留的钻屑,清洗钻孔,避免钻屑填埋煤层段,延长钻孔有效深度,提高瓦斯抽采效果,浅钻孔瓦斯抽采纯量提高27%,抽采浓度提高8%,深钻孔瓦斯抽采纯量提高110%,抽采浓度提高340%。为特殊地质结构下深钻孔排渣工作提供一定的参考依据。     

考虑松动圈影响的钻孔瓦斯抽放合理封孔长度确定研究

以王行庄矿11071工作面为工程试验地点,通过超声波和钻孔窥视现场测试,结合理论计算,开展了瓦斯抽采煤巷松动圈范围和瓦斯抽放钻孔合理封孔长度确定的研究。确定了王行庄11071工作面二1煤层围岩卸压区宽度为8.87 m,极限平衡区宽度为9.87 m,合理封孔深度为10 m;通过极限平衡法理论计算得到的结果与超声波法、钻孔窥视法的测试结果基本相符。     

延迟型膨胀剂对水泥基封孔材料性能的影响研究

为解决水泥基封孔材料在煤矿封孔应用中产生收缩变形问题,现以水泥浆材料为基料,利用微胶囊技术对铝粉膨胀剂进行改性处理,通过单因素试验确定环境温度,并在所确定环境温度下利用正交试验研究不同芯/壁质量比、水灰比,微胶囊掺量条件下延迟型膨胀剂对封孔材料膨胀、抗压性能的影响。结果表明:芯/壁质量比1.5:1,水灰比0.5,环境温度35℃,掺入4‰改性膨胀剂封孔材料膨胀性能最佳。较基准组延迟膨胀4h,膨胀率终值为15%,抗压强度在膨胀剂的影响下没有明显降低,并保持良好的强度性能。1d抗压强度2.3MPa,3d强度14.6MPa,7d强度21.2MPa,28d强度31.7MPa。