瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑数值模拟

反循环气力排屑是顺层钻孔的新技术，可以提高瓦斯抽采钻孔的成孔深度与成孔率，采用CFD-DEM耦合方法对瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑过程进行数值模拟，研究了排屑气速、煤屑生成量对气力排屑性能和气力排屑系统压降的影响。研究结果表明:排屑气速较低时，煤屑在重力的作用下在钻杆内堆积，易导致钻杆堵塞，为保证顺利排屑，需要较大的排屑气速；随着煤屑生成量的增大，对气力排屑性能影响不大，但钻杆内煤屑的体积分数增大，煤屑-煤屑，煤屑-钻杆之间的碰撞加剧；气力排屑系统的压降与排屑气速、煤屑生成量均呈正相关，综合考虑能耗因素，在保证顺利排屑的前提下，应选择合适的排屑气速。     

钻杆内下套管防治软煤层钻孔塌孔技术

为了防止软煤层钻孔在瓦斯抽采过程中短时间内塌孔堵死,提高钻孔瓦斯抽放效率,对软煤层钻孔钻杆内下套管设备和工艺方法进行了分析和研究。通过对比分析常规下套管方式、原有钻杆内下套管方式和改进后钻杆内下套管方式的在软煤层试验,得出以下结论:采用钻杆内下套管设备下套管的长度远大于采用常规钻进方式下套管的长度;钻杆内下套管设备的钻头和钻杆设计对钻进和下套管长度影响较大,设计时钻头直径大小应适中,钻杆应尽量采取内平丝扣连接;采用钻杆内下套管方式的百米钻孔瓦斯抽放量要远大于普通钻进下套管钻孔的百米钻孔瓦斯抽放量。     

自进式高压水射流超短半径水平钻进技术研究

高压水射流径向水平孔钻进技术是水平孔施工技术之一,它是在垂直瓦斯抽放或煤层气勘探钻孔布置机械或水力扩孔装置,对准选定的煤层部位进行扩孔.扩孔后下入特制的转向工具在300mm的曲率半径内实现由垂直转向水平.自进式钻头由旋转喷嘴、钻屑整和装置、推力提供装置等组成.自进式钻头带动为其提供高压水动力供应的特制胶管向前连续钻进.高压水通过高压胶管为自进式钻头提供动力进行钻进、推力及排渣.该技术可以使用同一垂直钻孔,在不同煤层内完成多个水平钻孔.这些径向水平钻孔的形成沟通了新的瓦斯流动通道,从而大幅度提高瓦斯抽放效率.     

花眼护孔管对顺层钻孔瓦斯抽采效果的影响研究

为探究顺层钻孔内花眼护孔管对瓦斯抽采的作用程度,建立基于裂隙-孔隙双重介质的煤岩瓦斯气-固耦合数学模型,分别对顺层钻孔内花眼护孔管不同长度的布置方式进行瓦斯抽采数值模拟;此外,在潘三煤矿11-2煤层开展现场试验,对比分析钻孔内布置与不布置花眼护孔管的实际抽采效果。结果表明:当顺层钻孔全程使用花眼管护孔时,模拟得到的钻孔周围残余瓦斯压力和含量最低;使用花眼护孔管的钻孔周围瓦斯含量明显下降,并且随着抽采时间的增加,花眼护孔管对瓦斯抽采的促进效果更加显著。     

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。     

低透突出煤层深孔水力致裂增透与浅孔抽采联合消突技术应用

为提高低透突出煤层的瓦斯抽采效果,在薛湖煤矿2303风巷进行了深孔水力致裂与潜孔抽采联合消突技术的试验应用.首先结合现场实际情况,从注水压力、钻孔布置和现场施工等方面研究了施工技术工艺,然后从应力分布、瓦斯解吸速度、钻屑瓦斯解吸指标、瓦斯抽采浓度等方面考察了水力致裂增透效果和联合消突技术的消突效果.应用表明,深孔水力致裂增透与浅孔抽采联合消突技术,工作面前方支承压力、瓦斯解吸速度、钻屑瓦斯解吸指标均大幅降低,瓦斯抽采浓度明显提高,抽采效果明显,为同类矿井的防突工作提供了可借鉴的技术和经验.     

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。     

瓦斯抽采钻孔钻屑气固耦合运移压力损耗分析

基于气固两相流体力学理论,对瓦斯抽采钻孔内钻屑运移气固两相流压损、钻杆腔体接头处局部压损、钻孔收缩和"钻穴"引起的压损进行分析,结合工程案例,对钻进系统的风压损耗进行计算和分析。结果表明,钻进系统的风压损耗主要为气固两相流的摩擦压损,开放型钻穴对钻进系统的压损影响较小,填充型钻穴会带来较大的压力损耗。结合煤层地质条件和钻孔施工工艺参数,应用文中方法计算钻进系统风压损耗,为优化压风系统提供科学依据。     

薛湖矿二_2煤顺层钻孔瓦斯抽放的数值模拟与分析

针对我国煤矿绝大部分煤层属于渗透率低,地质条件复杂、瓦斯抽采效果差的特点,运用了FLUENT仿真软件,结合渗流力学理论,以薛湖矿二2煤层为工程背景,模拟顺煤层钻孔抽采的煤层压力、煤层渗透率、抽采负压、钻孔直径、抽采时间等因素,分析顺煤层钻孔瓦斯抽采规律,为类似顺煤层钻孔抽采设计提供科学依据;通过三种尺寸顺层钻孔工业实验,并从施工难易程度和经济效果以及抽放率的角度,确立了采用Φ75mm钻孔的抽放工艺;同时采用高压注水增大煤层透气性的方式进一步提高煤层瓦斯的抽放量。     

高瓦斯煤层综放开采瓦斯与煤自燃综合治理研究

针对淮南潘三煤矿低透气性高瓦斯易自燃煤层综放开采的实际情况 ,笔者在综合分析影响综放面安全开采的瓦斯和煤自燃因素基础上 ,提出并实施了顶板走向长钻孔覆岩卸压瓦斯抽放、本煤层顺层孔卸压瓦斯抽放、尾巷抽放和排放等综合瓦斯治理措施 ,通过适时合理的工作面通风系统能位调整 ,合理配备工作面风量和控制采空区漏风量 ,解决了综放面回采时的瓦斯问题 ,有效控制了采空区煤炭自燃的发展 ,实现工作面的安全快速推进。实践证明 ,顶板走向长钻孔覆岩卸压瓦斯抽放是解决低透气煤层瓦斯抽放率低的有效方法 ,回采面的瓦斯抽放率在 30 %以上 ;尾抽和尾排是低透气性高瓦斯煤层安全生产的有效辅助措施 ,但其对工作面采空区煤炭自燃的“三带”有显著影响 ,影响的关键因素是通过采空区尾排及尾抽的混合流量。笔者提出的方法对类似条件的高瓦斯易自燃煤层综放安全开采有重要的指导意义。     

矿用湿式引射除尘器的应用研究

针对目前煤矿井下钻孔工作面粉尘浓度高和降尘效率低的现状,提出了湿式引射除尘技术,分析其基本原理和性能特点。分别进行了钻孔风力排渣气体流量测量试验和湿式引射降尘试验。前者得出了压气压力和钻孔深度的变化关系式以及钻孔过程中所需处理的含尘气体量。降尘试验表明,湿式引射除尘技术对全尘和呼吸性粉尘都有很好的降尘效果。     

松软煤层钻进高温闭锁及预警装置研究与应用

针对高瓦斯松软煤层钻孔施工存在孔内瓦斯燃烧的安全隐患问题，提出钻进高温闭锁及压力预警系统，开展钻头与闭锁装置之间的温度传导规律实验、储液密封仓液体介质实验，并进行现场工业性试验。研究结果表明:钻头与储液密封仓之间的温度传输平均差值约为251.52 ℃；储液密封仓选取水为充填介质时，能够保障钻头温度在380~424 ℃范围时蒸汽活塞发生动作；通过现场工业性试验，高温闭锁装置可实现钻头高温下的风水通路闭锁，及时切断氧气来源，避免钻进过程中瓦斯燃烧事故；压力预警装置可将钻进风水通路闭锁转化为声音信号，根据预警时长对钻进过程中的高温、渣堵钻头、瓦斯大等现象进行识别，并及时调整钻进速度及压力，从而降低钻进过程中事故发生的概率。     

突出煤层掘进防突技术研究

针对焦作矿区单一煤层开采特点,分析煤巷掘进突出和瓦斯涌出规律,探讨防突措施的适应性,研究出严重突出危险掘进工作面中高压注水综合措施,即在巷道两侧布置长钻孔抽放工作面前方及两侧煤体瓦斯,向掘进工作面前方应力集中带内打短钻孔进行中高压注水。边掘边抽钻孔提前抽放瓦斯,增大煤体透水性,有利于煤层注水和较高的压力水压裂破坏煤体,增加煤体透气性,提高瓦斯抽放效果。通过在严重突出矿井试验,3115m巷道未发生一次突出,巷道掘进速度平均提高一倍以上,有效解除了突出危险,大幅度提高了掘进速度。研究与实践证明,中高压注水综合防突措施具有广泛的适用性、有效性和安全性特征。     

自进式旋转钻头钻孔修复理论及关键参数研究

瓦斯预抽钻孔在抽放过程中经常出现塌孔、堵孔等现象。针对这一问题,提出采用自进式旋转钻头修复失效钻孔的新方法。其利用自进式旋转钻头后置喷嘴的喷射反冲力作为动力,自行至钻孔堵塞段处,前置喷嘴形成的高压水射流对堵孔煤渣进行破碎,将其与水混合返出孔外,实现清孔排渣、钻孔修复的目的。对自进式旋转钻头钻孔破煤清渣的临界射流压力及流量进行分析,基于摩擦动力学计算钻头自驱的临界射流压力,在此基础上设计钻头结构及优化喷嘴布置,数值分析不同喷嘴组合情况下射流速度分布,得出最优喷嘴布置方式。并应用于鹤煤八矿-655轨道石门揭煤瓦斯预抽,实验结果表明:该方法能够实现失效钻孔的修复,并有效的提高了瓦斯抽采效果,缩短了瓦斯抽放时间。     

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。     

原煤力学及渗流特性的层理效应研究

为研究层理对原煤力学及渗流特性的影响,通过实验对比分析平行层理煤样和垂直层理煤样在相同瓦斯压力、不同围压下的三轴压裂力学及渗流特性,同时采集压裂过程的声发射数据并进行分析。结果表明:随着围压增大,平行层理煤样的峰值轴向应力平均增幅为34.5%,远小于垂直层理煤样的平均增幅161.21%;围压为1,3,5 MPa时,垂直层理煤样的压裂时间分别是平行层理煤样的0.68,0.19,2.72倍,层理方向对力学特性的影响随着围压增加呈先减小后增大的趋势;围压相同时,平行层理煤样的声发射幅值随时间增加而增大,垂直层理煤样的声发射幅值随时间增加表现出正弦波变化趋势,且平行层理煤样在压裂过程中的声发射高幅值事件比垂直层理煤样的多;平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样的渗透率,且围压越大,初始渗透率越低,说明平行层理方向的孔隙度大于垂直层理方向的孔隙度。     

穿层水力冲孔措施在低透煤层中有效影响半径效果考察

为研究水力冲孔措施下煤层瓦斯高效抽采钻孔合理布置参数,提高煤层瓦斯抽采效率,以平煤十三矿己15-17-13051工作面为例,对水力冲孔有效影响半径进行效果考察。通过布置多组试验钻孔,分别对水力冲孔措施前后钻孔瓦斯浓度、瓦斯流量数据进行综合考察,结果表明:水力冲孔措施增大了煤层透气性系数,高效提升了煤层瓦斯抽采率,执行冲孔措施后瓦斯浓度最低可提高至2.05倍、瓦斯纯流量增至2.56倍以上,采用瓦斯流量法确定了己15-17煤层水力冲孔措施实际有效影响半径为4.8~5.9 m,对于指导煤层瓦斯抽采钻孔合理布置具有指导性意义。