含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破技术研究

针对在含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层开采时，一方面煤层瓦斯抽采困难，另一方面煤层中的坚硬夹矸难破碎的问题，开展含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破研究。理论上，分析多向聚能装药对爆破的影响，引入多向聚能影响系数，计算得出了不同方向上裂隙的范围。通过相似模拟试验，验证了多向聚能爆破实际效果；利用LS-DYNA数值模拟软件，对不同装药方式爆破作用下煤与夹矸裂隙的发育特征及应力演化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:多向聚能爆破能够将爆破能量积聚在夹矸弱化和煤层增透的方向上，形成以导向裂隙为主，大量分支裂隙为辅的裂隙网，在夹矸弱化和煤层增透方向上的应力峰值分别为普通爆破的1.21倍和1.16倍。多向聚能爆破能够在提高破碎坚硬夹矸能力的同时提升煤体中裂隙的发育程度，从而大幅优化爆破效果。     

松软煤层水不耦合装药预裂爆破的力学特性数值分析

针对低透气性松软煤层瓦斯难以抽采的现实问题,进行了松软煤层水介质不耦合装药预裂爆破增透的研究。理论上,分析了水不耦合装药爆破在孔壁上形成的初始冲击波压力,并结合断裂力学计算得出煤体中形成的粉碎区和裂隙区范围。同时,利用ANSYS/LS-DYNA三维数值模拟软件,建立了水和空气不耦合装药的松软煤体爆破模型,进行了数值模拟对比分析。研究结果表明:水不耦合爆破后,松软煤体中形成的裂纹数量以及裂隙区范围明显较优,采集到的应力曲线,水不耦合装药爆破后形成的压、拉应力峰值分别是空气不耦合装药爆破的3.71倍和2.58倍;水不耦合装药爆破改善了爆破效果,应用于低透气性松软煤层的预裂爆破增透中,能够有效提高煤层的透气性,抑制瓦斯动力灾害事故。     

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。     

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。     

煤层深孔控制爆破作用机制研究

为有效应用深孔控制爆破技术防治煤与瓦斯突出等事故,首先利用ANSYS/LS-DYNA软件建立有控制孔和无控制孔2种数值模型,进行煤层爆破数值模拟;其次在实验室建立有控制孔和无控制孔2种物理模型,开展爆破模拟试验;然后通过理论分析爆炸应力波入射控制孔的反射规律,揭示深孔控制爆破控制孔的作用机制。数值模拟、爆破模拟试验和理论分析等研究共同表明:增设的控制孔在煤层深孔控制爆破中将入射的压缩应力波反射为拉伸应力波而产生拉伸作用,有明显的控制导向作用和对其他方向裂隙发育的抑制作用。     

液态CO2相变爆破孔网参数优化研究

为优化液态CO₂相变爆破钻孔布置参数，研究双孔同时起爆应力波的传播特征、控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响，基于LS-DYNA有限元软件模拟分析单孔爆破、双孔不同孔间距爆破及添加控制孔爆破的裂隙扩展特征，并在山西某矿15号煤层进行液态CO₂相变致裂现场试验。结果表明：液态CO₂单孔爆破的有效致裂半径为2.16 m;双孔爆破有效致裂半径为2.54 m,较单孔有效致裂半径提高了17.59%。随着炮孔间距的增大，两炮孔中间连线贯通区由完全贯通演化至非连续贯通，当孔间距为5 m时，致裂效果最好。含控制孔爆破较双孔爆破有效致裂半径提高了8.27%,控制孔主导了爆生主裂隙的定向扩展及孔壁环向裂隙的生成，裂隙扩展速度和影响范围均有显著增加。液态CO₂相变致裂后，平均瓦斯抽采体积分数提高了2.68倍，平均瓦斯抽采流量提高了6.09倍。     

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。     

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。     

瓦斯压力对煤体爆破应力影响规律试验研究

为研究瓦斯压力对煤体爆破应力的影响规律,开展了不同瓦斯压力条件下煤体爆破试验,对煤体爆破应力进行测试与分析,并利用LS-DYNA3D模拟软件对试验结果进行了验证。结果表明:煤体中瓦斯压力的能够增加煤体爆破应力波峰值,应力波的作用时间延长大约200us;随着瓦斯压力增加,煤体爆破应力波峰值也随之增大,从而更利于煤体爆破裂纹的扩展;煤体中瓦斯压力对煤体爆破中远区影响较大,在爆破近区,瓦斯压力基本可以忽略;当瓦斯压力存在时,煤体爆炸应力波均将出现两个完整的波形。     

煤层瓦斯钻孔有效抽采半径研究

为预测煤矿瓦斯治理中钻孔有效抽采半径,以贵州省四季春煤矿6号煤层为例,建立钻孔周围单元体瓦斯渗流模型,理论推导径向流场瓦斯压力分布特性,采用Comsol数值模拟得到不同抽采时间沿钻孔径向瓦斯压力分布云图;根据理论推导和数值模拟数据,结合临界瓦斯压力(0.5 MPa),得出有效抽采半径,并现场试验验证。结果表明:理论与模拟有效抽采半径结果相对误差率均小于10%,准确性较好;有效抽采半径与抽采时间线性相关,因现场实测有效抽采半径较为复杂,通过理论和数值模拟方法可预测有效抽采半径,为井下瓦斯的治理钻孔瓦斯抽采提供参考。     

定向致裂爆破法在煤矿瓦斯抽放中的应用研究

通过对定向致裂爆破机理的分析和研究,推导出了切缝管装药的爆破参数。经现场应用证明,这种爆破方法可以在煤层中产生定向裂隙,达到提高瓦斯抽放率的目的,对预防爆矿瓦斯爆,保证安全生产具有指导意义。     

回采工作面高位钻孔抽采瓦斯效果数值模拟及方案优化

以提高瓦斯抽采效果为目标, 某矿Ⅲ4423工作面为研究对象,采用理论分析、 数值模拟、现场试验等研究方法,研究了顶板高位钻孔条件下瓦斯抽采的主要技术参数 ,数值模拟出高位钻孔抽采瓦斯前采空区的瓦斯分布情况与运移规律,以及负压分别为 8、10 kPa时的高位钻孔瓦斯抽采效果。依据瓦斯流动“O”型圈理论与FLUENT数值模拟 分析,优化设计高位钻孔抽采瓦斯工艺参数并进行现场试验。结果表明:当高位钻孔抽 采负压为8 kPa、终孔位置调整到采空区裂隙带回风巷侧15~35 m范围内时,高位钻孔抽 采瓦斯效果最佳,采空区内瓦斯最高浓度明显降低,单个钻场最大抽采瓦斯量为19 821.74 m3,钻孔瓦斯浓度稳定在 20%~30％之间,最大值达到50％,实现了工作面有效 治理瓦斯和安全生产的目标。     

基于覆岩裂隙带发育高度的走向高抽巷合理位置确定

为确定大采高综采面高抽巷的合理位置，以李村煤矿1303工作面为研究背景，采用理论分析、数值模拟及现场监测等研究方法，对1303工作面覆岩裂隙发育特征、高抽巷空间位置对其围岩稳定性与抽采效果的影响规律进行系统研究。研究结果表明:高抽巷宜布置在覆岩裂隙发育区，远离回风巷道采动应力影响的位置；1303工作面覆岩破坏范围随推进距离增加，呈现先急剧增大后趋于稳定的趋势，工作面推进距离为300 m时，裂隙带高度稳定在50 m左右，形成瓦斯抽采的优势通道；高抽巷距离煤层顶板、回风巷越近，越易失稳，不利于长期抽采，综合考虑高抽巷不同位置时的瓦斯抽采效率及围岩稳定性，确定其合理位置分别是距离回风巷平距为35 m，垂距为45 m；结合现场瓦斯浓度监测结果，得出上隅角、工作面、回风巷瓦斯浓度最大值分别为0.42%，0.24%，0.33%，远低于瓦斯超限标准1%，进一步证明高抽巷层位的合理布置，可以提高瓦斯抽采效果。     

深埋突出煤层深孔控制爆破致裂机理和防突效果研究

基于理论分析和数值模拟,探究深孔控制爆破技术在深埋低透高瓦斯煤层防突方面的适用性。考虑爆炸波、爆生气体、煤层原始瓦斯压力、煤层地应力对裂隙的作用。研究深埋低透高瓦斯煤层深孔控制爆破裂隙的扩展的过程、机理及防突效果。对比了理论分析结果和典型的现场试验结果。得出的结论是,煤层深孔控制爆破致裂,是在爆炸波的动态冲击震裂和爆生气体及煤层瓦斯压力的尖劈压裂作用下共同完成的;深埋高应力煤层深孔控制爆破机理与常规浅孔采掘爆破机理不同;控制孔在高应力煤层中的导裂作用并不显著,其主要起到卸压孔和抽放孔的作用。几个典型的高应力低透突出煤层的工程实践表明,采用深孔控制爆破技术后,均获得良好的增透效果,且均未发生煤与瓦斯突出事故。     

五阳煤矿深孔预裂爆破预抽煤层瓦斯的试验研究

为了解决五阳煤矿3#煤层采掘工作面瓦斯涌出量大、瓦斯超限、抽采效果差等问题,提出了深孔预裂爆破预抽煤层瓦斯的治理方法,并在试验矿井7603采煤工作面进行了现场试验;同时确定了五阳煤矿深孔预裂爆破的钻孔布置参数,并对爆破前后的抽采瓦斯浓度、抽采量进行现场考察分析。现场实践表明,深孔预裂爆破能够有效提高煤层的透气性、瓦斯抽采浓度和抽采量,减少抽采时间,为矿井开展深孔预裂爆破预抽瓦斯技术措施提供实践经验和技术支持。     

深孔预裂爆破技术在低透气性回采工作面中的试验研究

为解决低透气性回采工作面采煤过程中,瓦斯抽采困难、施工周期长等问题,提出了利用深孔预裂爆破技术,增加煤层裂隙,提高煤层透气性的方法,并研究了深孔预裂爆破技术的作用机理,阐述了深孔预裂爆破技术的工艺流程,对增透效果进行了现场考察.研究表明:深孔预裂爆破后与爆破前相比,平均瓦斯抽采量提高了2.32倍,平均煤层透气性系数提高了5.6倍,最大提高了11.5倍,有效提高了瓦斯抽采率;工作面回采周期大幅度缩短,为安全、快速回采提供了保障.     

低透气性煤层钻射一体化瓦斯抽采技术研究与应用

为提高低透气性煤层的瓦斯抽采效果,开发了钻射一体化技术,并在韩村矿进行了试验研究。试验过程中,金属射流首先在煤层中射出主裂缝,随后推进剂延迟爆破产生高能爆生气体压裂煤体,破坏煤体的致密结构,在钻孔周围形成松动裂隙圈,达到煤层增渗效果。结果表明,钻孔瓦斯抽采体积分数由措施前的10.1%增加到措施后的42.2%,钻孔瓦斯抽采流量由0.026 m3/min增加到措施后的0.077 m3/min。钻射一体化技术措施增透效果显著,比同等条件下的普通钻孔抽采效果成倍提高,为高瓦斯低透气性煤层高效抽采瓦斯提供了一种有效途径。     

井下液态CO2爆破增透工业试验研究

为了增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效率,选取七台河矿区进行液态CO2爆破煤层增透工业试验。研究液态CO2爆破过程中主管内高压气体P-T曲线,考察不同地应力下的液态CO2爆破有效影响半径和煤层透气性系数,监测爆破前后瓦斯抽采参数。试验结果表明:采用压缩气体与水蒸气容器爆破方法计算液态CO2爆破的当量为180 gTNT;爆破后瓦斯抽采浓度提高3.16倍,瓦斯抽采混合流量提高1.71倍;煤层液态CO2爆破有效影响半径随地应力的增加近线性减小,随爆破压力的增加非线性增加,确定液态CO2爆破时最佳爆破压力范围160~280 MPa;爆破前后对比,煤层透气性系数提升17.49~22.76倍。井下煤层液态CO2爆破技术的实施,有助于降低爆破成本、提高增透效果和瓦斯抽采利用率。     

深部近距离煤层上行开采覆岩运动及应力分布试验研究

为深入研究深部近距离煤层上行开采过程中岩层应力分布、断裂破坏及下沉变形特征,根据深部煤层开采的具体工程地质条件,建立了深部近距离煤层上行开采相似材料试验模型,对上行开采中围岩应力变化、覆岩运动及裂隙演化过程进行了模拟分析。获得了下煤层和上煤层开采过程中,围岩应力分布变化特点及分区特征、岩层裂隙富集区主要分布区域及其演化规律,煤层开采过程中切眼和煤壁附近岩层断裂角的变化特征,并得到了两煤层工作面相对位置不同情况下,岩层裂隙富集区演化特点、断裂角变化及下沉变形规律。研究成果为类似条件下煤层上行开采、瓦斯抽采提供参考。     

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。