基于瓦斯抽采关键封孔参数及新型封孔材料应用研究

针对煤层瓦斯抽采封孔参数选取不合理,传统封孔材料封堵钻孔周边裂隙效果差等主要问题,采用数值模拟、实验室试验及工程实践等多种手段,分析不同封孔方式的漏气效果,研究封孔时效性对瓦斯抽采的影响,完成最优实验配比及性能测试,验证了现场瓦斯抽采效果。结果表明:全封孔方式抽采效果优于半封孔,合理控制封孔时效性,钻孔周边围岩破坏减少,封孔效果提高;正交试验确定材料最优配比即复合早强剂0.3%、复合缓凝剂0.5%、膨胀剂0.03%、水灰比1.2;试样周围充斥着交叉、贯通的“网状结构”钙矾石,且呈现多而密的粗棒状结构;材料具备塑性变形特性,持续变形量大;与矿方原封孔材料相比,新型封孔材料封孔后瓦斯抽采浓度提高193.3%,抽采周期明显延长,抽采效果显著提高。     

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。     

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。     

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。     

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。     

氢氧化钠对瓦斯抽采钻孔新型封孔材料性能的影响

为了提高煤矿瓦斯抽采钻孔的封孔质量,采用硫铝酸盐水泥、石灰、石膏等原料研制出新型钻孔封孔材料,并进行性能测试试验。测定不同氢氧化钠含量下封孔材料的凝结时间、膨胀率和强度等宏观性能;通过测量料浆的温度和pH值,分析氢氧化钠对封孔材料早期水化反应速度的影响,用扫描电镜(SEM)观察不同氢氧化钠含量时反应产物的微观形貌。结果表明:随着氢氧化钠含量的增加,封孔材料的凝结时间缩短,膨胀率和强度增加;氢氧化钠导致水化反应早期速度加快和封孔材料水化产物的晶体尺寸更小,说明适量加入氢氧化钠可改善封孔材料的性能。     

微胶囊包覆膨胀剂对煤矿封孔水泥膨胀性能的影响研究

针对当前矿用水泥封孔材料中膨胀剂的膨胀能效发挥不足,会导致瓦斯抽采过程中封孔材料干缩漏气的现象,基于微胶囊缓控释放原理和材料“膨胀-强度协调发展”机理,运用微胶囊复合技术制得微胶囊UEA膨胀剂。借助SEM、XRD等测试手段,详细研究了几组水泥浆的膨胀性能。结果表明,基准组发生体积收缩;膨胀剂未处理组膨胀率峰值和终值较低;潮湿环境处理组膨胀能损失较大;微胶囊处理组具有延迟膨胀现象,较未处理膨胀剂组延迟2.5h,膨胀率终值较膨胀剂未处理组和潮湿环境处理组分别提高3.33‰和11.06‰。     

静态膨胀开裂突出煤层后的瓦斯抽放效果研究

为了提高突出煤层瓦斯渗透率,解决我国低透气性突出煤层瓦斯抽放难题,理论研究静态膨胀剂-附加应力-瓦斯渗透率三者之间的相互关系;对比实测某矿1235运输巷右帮M3突出煤层膨胀开裂区和常规抽放区单孔瓦斯抽放参数。理论推导得出:突出煤层钻孔注入静态膨胀剂后有效应力减小和煤体瓦斯渗透率增加。对比表明:1235运输巷右帮膨胀开裂区单孔瓦斯抽放参数明显优于常规抽放区对应的瓦斯抽放孔;测试条件下,相同孔间距与钻孔直径比值不同钻孔直径测试方案中,膨胀开裂区随着钻孔直径增大,单孔瓦斯抽放参数值呈明显上升趋势,其中,膨胀开裂区1号Φ94 mm抽放孔瓦斯抽放流量均值高达0. 104 m3/min和瓦斯抽放体积分数均值高达63%,该孔膨胀开裂瓦斯抽放效果最佳;较常规抽放区同直径的6号Φ94 mm钻孔的瓦斯抽放流量均值和瓦斯抽放体积分数均值分别提高了39%和15%。     

胶囊-聚氨酯联合封孔测压技术的研究与应用

基于现有封孔测压技术的分析,提出一种胶囊-聚氨酯联合封孔测压技术。该技术利用弹性封孔胶囊和聚氨酯材料形成两级封堵,强化封孔质量,减少钻孔暴露时间。通过现场对比试验,结果表明,该技术能够快速、有效完成钻孔的封堵,实现快速测压,相对于现有的水泥砂浆封孔测压法,其具有测压准确度高、耗时短、成本低等优点,可较好的满足煤层瓦斯压力测定的需求。     

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%。     

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。     

下向穿层瓦斯抽采钻孔新型封孔方法及应用

潘三煤矿17181(1)运输顺槽顶板岩层含水丰富,下向穿层钻孔抽采17181(1)运顺瓦斯受岩层富水影响较大。为解决这一问题,结合潘三矿11-2煤顶板实际情况,分析了影响下向穿层钻孔抽采瓦斯的主要因素,提出了"先区域封水,后打抽采钻孔,再利用‘两堵一注’快速封孔法封孔"成套技术解决方案,形成了一种新型下向穿层瓦斯抽采钻孔封孔方法。经潘三矿17181(1)瓦斯综合治理巷现场实践证明,下向穿层抽采钻孔的瓦斯抽采纯量与抽采浓度均有大幅度提高,钻孔封孔效果良好。     

密闭液封堵条件下的瓦斯解吸规律实验研究

瓦斯严重威胁着煤矿的安全生产,煤层瓦斯解吸规律与矿井瓦斯灾害关系非常密切。本文首先提出了密闭液封堵条件下的瓦斯解吸实验原理,制定了相应的实验方案;然后,开展了密闭液封堵条件下的煤芯瓦斯解吸规律实验;最后,进行了密闭液封堵煤芯瓦斯的现场取芯试验。研究结果显示,与自由状态下解吸相比,密闭条件下的瓦斯解吸量呈现不同程度的降低,效果显著;在取芯过程中,密闭液能够包裹煤芯,该测定技术所获得的煤芯瓦斯解吸量与残存量之和,比普通煤芯取样法平均提高了9%。因此,利用该技术所测得的煤层瓦斯含量,其可靠性与准确率更高。     

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。     

聚氨酯-水泥带压注水封孔测压技术研究

基于传统上向钻孔测压技术的分析,提出一种新型上向孔测压技术—聚氨酯—水泥带压注水封孔测压技术。该技术利用气体渗透性大于液体的弱点,变传统封堵漏气通道为封堵液体泄漏通道,降低封堵漏气难易程度,提高测压成功率;同时利用水作为动力介质和辅助封孔材料,实现主动测压和钻孔带压注浆,隔绝钻孔瓦斯与外界环境的直接接触,提高系统本身测压的可靠性。通过理论分析及与常用测压技术对比表明,该技术用于煤层瓦斯压力测定是完全可行的。     

下向测压钻孔封孔技术研究

目前复杂煤层赋存条件下下向钻孔测定煤层瓦斯压力普遍面临钻孔封孔效果不理想、煤层瓦斯压力测定失败、钻孔进水损坏压力表等问题。针对此,提出了一种新的测压封孔技术即联合持续增压二级封孔测压技术,阐述了该工艺的基本原理,配制了新型发泡水泥和封孔粘液,并进行了工业性试验。试验结果表明,应用该项技术能够有效地动态封堵发育中的裂隙从而实现准确快速测压。     

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。     

复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术研究

针对水力压裂区域化瓦斯增透盲区,提出了水力割缝局部化瓦斯增透技术措施,形成了复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术,并进行现场验证。研究结果表明:水力压裂区内的3个压裂钻孔平均瓦斯抽采纯流量较238底板道常规抽采钻孔单孔瓦斯抽采纯流量提高15.8倍,瓦斯抽采浓度提高4%,压裂区瓦斯抽采纯流量较对比区提高2.1倍,但水力压裂区域性措施受断层及煤层硬度等地质条件限制,存在盲区;水力割缝增透区内的抽采钻孔瓦斯浓度平均提高4.9倍,瓦斯纯流量平均提高3.3倍,对不同地质条件的适应性强,但是割缝影响范围小,抽采时效短;复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术综合了水力压裂与割缝的优点,对复杂地质煤层具有较强适应性,大幅提高了瓦斯治理水平。现场验证结果表明复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术在复杂地质条件下煤层强化抽采中有较好的实际应用价值。