水力扩孔扰动下穿层抽采钻孔串孔致因研究

为解决水力扩孔卸压过度问题,厘定水力扩孔合理冲煤量,进一步提高矿井瓦斯抽采效率,首先运用Hoek-Brown原则揭示和阐明水力扩孔后钻孔串孔发生原因;其次构建流-固耦合数学模型,借助COMSOL模拟软件分析扩孔卸压后煤体所受应力变化和渗透率变化情况;最后结合现场扩孔试验,考察不同扩煤量下钻孔串孔发生情况。结果表明:扩出煤量越大,扩孔孔洞周边煤体的径向位移形变量越大;孔洞附近区域内煤体卸压充分,透气性得到大幅改善,串孔发生率明显增大;现场试验与理论分析、模拟结果基本吻合,可为类似地质条件的矿井实施水力扩孔技术提供一定的参考依据。     

考虑煤体蠕变位移的水力扩孔合理扩煤量

针对煤矿穿层水力扩孔孔硐体积过大,容易造成孔硐内瓦斯积聚,成为掘进过程中的致灾因素这一问题,采用FLAC~(3D)软件中Cvisc黏弹塑性模型,模拟薛湖煤矿不同扩煤量的穿层水力扩孔措施孔壁及周围煤体变形破坏过程;在薛湖煤矿底抽巷道开展穿层水力扩孔现场试验,将数值模拟结果与现场验证结果对比分析。结果表明,穿层水力扩孔技术措施完工后,受周围煤体压力影响,孔硐周围煤体快速进入塑性区并呈现蠕变特性,向扩孔中心整体径向移动,扩孔孔壁在持续的蠕变过程中变形破坏。对比分析扩孔后的孔硐体积变化程度,从安全生产的角度出发,最终确定适合薛湖煤矿的合理扩煤量为1.15 t/m。     

深部开采松软煤层抽采钻孔变形特性研究

为了研究深部开采松软煤层抽采钻孔变形失稳特性,基于有限元理论和统计损伤理论数值模拟了深部开采松软煤层抽采钻孔变形失稳整个过程,分析了钻孔周围煤体应力及形变分布、卸压区演化和渗透特性。研究表明:钻孔破坏形式为上方发生垮塌,形成垮塌区;左右侧发生破坏,形成破碎区;钻孔周围煤体均向钻孔移动,钻孔附近煤体位移量较大,远处煤体位移量相对较小;钻孔形状由开始的圆形逐渐变成“类橄榄球形”,然后钻孔“类橄榄球形”断面逐渐减小至坍塌。钻孔失稳过程中,钻孔附近煤体渗透率逐渐增大,钻孔周围煤体渗透率变化量及变化范围均不断增加;周围煤体渗透率分布均大致呈“V”字型变化规律,即煤体渗透率呈随着距钻孔距离的增加先减小后增加然后趋于稳定的趋势。研究结果可以为我国煤矿深部开采松软煤层瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

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。     

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。     

钻孔瓦斯抽采气固耦合模型及其应用

为研究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯运移机制,基于瓦斯渗流扩散方程,探讨钻孔周围不同区域煤体变形和渗透率动态变化,推导出钻孔周围卸压区和非卸压区瓦斯流动耦合方程。根据某矿己15-31010工作面煤体物性参数建立几何模型,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对耦合方程进行数值求解。结合模拟结果分析煤体形变、渗透率动态变化、钻孔周围瓦斯压力之间的耦合关系。对相关参数模拟结果进行现场抽采效果验证。结果表明,在瓦斯抽采过程中,煤体瓦斯压力随着时间推移逐渐降低,沿钻孔中心向四周方向,瓦斯压力在卸压区迅速增加,在非卸压区增速逐渐变缓,最终趋于稳定;煤体渗透率在钻孔周围呈现非对称V字型变化规律;卸压区的煤体变形较大,变形量在远离钻孔的方向上逐渐减小;模拟结果与现场抽采效果基本吻合。     

水力切槽钻孔瓦斯涌出特征及渗透率反演分析

为探究水力切槽对钻孔瓦斯抽采的影响,基于钻孔瓦斯渗流与切槽增渗机制理论分析,设计井下现场试验,考察切槽钻孔瓦斯涌出速度、累计涌出量及其周围瓦斯压力变化特征,并根据瓦斯涌出速度反演讨论水力切槽煤体渗透率变化过程及其影响因素。结果表明:受切槽周围应力演化、煤体力学行为以及煤层压力水等因素影响,切槽钻孔瓦斯涌出速度总体上呈快速衰减、缓慢衰减、小幅度升高再衰减、大幅度升高4个阶段变化,在切槽作业约40天后,钻孔瓦斯涌出速度开始大幅升高;切槽孔周围瓦斯压力下降率总体上呈远离切槽孔而减小的趋势,切槽煤体渗透率呈先降低后小幅升高再大幅升高的变化趋势,渗透率与周围煤层瓦斯压力呈负相关性,反演分析结果与现有模拟结论相一致。     

水力割缝增透抽采煤层瓦斯原理及应用

煤层瓦斯抽采是避免煤矿瓦斯灾害发生的根本防治措施,水力割缝技术使煤体在割缝后应力松弛、卸压、破坏、破裂,以成倍或者十几倍地提高煤层的渗透性,继而对煤层瓦斯进行抽采,使瓦斯煤层变为低瓦斯或无瓦斯煤层,从根本上避免瓦斯灾害发生。从水力割缝技术切割煤层致煤层应力变化角度,将理论分析和数值模拟方法相结合,根据渗流力学平面径向流理论,分析给出水力割缝技术增透抽采瓦斯原理。以兖州东滩矿3号煤层为例,分析采用水力割缝技术前后煤层应力变化、渗透率变化规律。结果表明:大面积割缝后,应力重新分布,由均匀状态转变为非均匀状态分布,水平缝使煤层卸压,煤层应力普遍降低,在缝上部煤层局部形成拉应力区。割缝后渗透率是割缝前的4.34倍,渗透率大幅度增加,从而提高瓦斯抽采速度和最终抽采率。     

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。     

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。     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂数值模拟研究

针对高瓦斯低透气性煤层,采用RFPA2D-Flow软件,对水力压裂进行了数值模拟研究,再现了水力压裂过程中压裂孔周围裂纹的生成和扩展、渗透性和应力的变化。模拟结果表明：压裂过程中,裂纹规模和剪应力随着注水压力的不断增加而增大,并且剪应力的增加随着钻孔周围裂纹的扩展不断远离压裂孔,压裂孔周围的渗透性有了很大程度的提高,最大主应力和最小主应力随着注水压力的增加而减小。水力压裂的模拟结果对煤矿高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽采工作具有很重要的指导意义。     

地面水力压裂对井下煤层瓦斯抽采影响分析

为了研究高河煤矿地面压裂钻井作业对井下煤层瓦斯抽采效果的影响，以3#煤层E2307工作面为主要考察对象，对水力压裂前后煤层渗透率、抽采瓦斯浓度和纯量进行统计分析。研究结果表明:地面压裂钻井水力压裂后煤层反演渗透率提高了13倍以上；压裂后瓦斯浓度最大增幅为122%，最小增幅为34%，平均增幅为71%，同样，瓦斯纯量也有大幅度的提高。研究认为高河煤矿地面水力压裂作业对其高瓦斯含量、低渗透性煤层具有良好的应用前景，对同类煤矿及煤层提高瓦斯抽采效率，预防井下瓦斯动力灾害具有积极的借鉴意义。     

基于热流固耦合工作面前方瓦斯渗流数值模拟

通过分析温度和地应力对深部煤体瓦斯运移规律的影响，建立了瓦斯渗流热流固耦合模型，以贵州省松和煤矿15#煤层12150采煤工作面为例，利用ComsolMultiphysics软件对深部煤层工作面前方瓦斯渗流进行数值模拟。研究结果表明:受采动影响，在工作面前方“三带”中，卸压区存在大量新裂隙和通道，瓦斯压力梯度最大；在应力集中区至卸压区过渡段瓦斯压力下降速度最快，解释了在该区容易导致瓦斯突出的原因；在应力集中区，瓦斯压力和有效应力较高，压缩煤体，导致煤颗粒排列紧密，渗透率降低；在卸压区，煤体体积形变逐渐变大，产生了很多新裂隙，发生扩容，渗流通道贯通，导致渗透率急剧增加，因此在应力最大处形成了煤层渗透率最低点，随着时间的推移，渗透率最低点逐步远离工作面；在采煤工作面前方，虽然温度升高后瓦斯热运动加剧，有促进瓦斯渗透率的趋势，但由于工作面前方有效应力较大，煤体受热膨胀应力小于有效应力，导致煤体内膨胀，渗流空间减小，造成渗透率降低。     

潞安矿区煤层渗透率的各向异性特征实验研究

为了研究原位煤体渗透性的各向异性特征,以山西潞安常村矿3号煤层圆柱试样为对象,利用TCQT-Ⅲ型低渗煤层气相驱替增产试验装置,对煤样进行加载,并以氮气注入压力2.0 MPa的条件下,分析垂直层理和平行层理2个方向的煤体变形和渗透率变化特征。实验结果表明:煤样在加载过程中,平行和垂直层理煤样渗透率均随着有效应力的增大而减小,平行层理方向的渗透率始终大于垂直层理方向,应力加载初期渗透率急剧下降,最后逐渐趋于平缓;径向应变的增加量与渗透率呈正相关性,且平行层理相关性大于垂直层理;沿平行层理方向的裂隙度大于沿垂直层理方向,沿垂直层理方向的应变量大于沿平行层理方向;应变增加量均随有效应力的增加而逐渐减小。研究结果可为煤层井网布置及优化提供参考。     

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。     

CO2注气压力对CH4驱替特性影响实验研究*

为研究CO2驱替CH4过程中注气压力对气体解吸特性的影响,采用自主搭建的驱替实验平台,在0.6,0.8,1.0 MPa不同注气压力下进行驱替实验,研究CO2驱替CH4过程中煤层温度、气体浓度、置换效率和渗透率等变化规律。实验结果表明:提高CO2注气压力可提高CO2置换驱替煤层CH4的效果。随着注气压力增大,CH4累计解吸量增大,CO2突破时间越短,CO2封存量越大,置换效率升高,驱替比下降。注气压力为0.6,0.8,1.0 MPa时,CH4累计解吸量分别为90.2,94.1,97.8 L;CO2封存量分别为19.73,19.92,20.21 mL/g;置换效率由76.9%上升到80.2%再到82.9%,驱替比由3.28下降到3.17再到3.09。注气驱替CH4过程中煤层温度升高,可分为低速升温、高速升温和趋于平缓阶段。煤层温度最高变化量分别为9.4,11.5,12.7 ℃。同一注气压力下,煤层渗透率变化可分为缓慢增长、急剧下降和趋于稳定阶段。     

低透气性煤层点式酸化压裂增透技术研究与应用*

为解决富含矿物质煤层透气性问题,基于点式压裂和酸液增透煤体机制,提出点式酸化压裂增透技术,通过扫描电镜试验确定适合三元煤矿酸液配比体系。结果表明:点式酸化压裂钻孔组平均抽采瓦斯流量和浓度是普通钻孔组的3.65,1.72倍,是点式水力压裂钻孔组的1.32,1.06倍;点式酸化压裂增透效果明显优于点式水力压裂;且其增透煤体起裂压力和同等条件下注液量均低于点式水力压裂,点式酸化压裂实现煤体定点、低流量、大范围、快速增透,通过将物理增透与化学增透相结合,可有效提高煤体孔隙-裂隙结构发育程度和整体连通性,有助于煤体中瓦斯运移,提高采收率。     

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。