煤层钻孔密封液径向渗流模型及工程应用

针对顺层瓦斯抽采过程中,因钻孔形变较大、封孔长度不足及封孔方法不合理等因素造成抽采钻孔及其周围煤体漏风严重、抽采瓦斯浓度偏低、流量衰减速度较快及稳定性差等技术难题,基于多孔介质渗流理论、流体平衡理论、"固封液-液封气"钻孔密封技术原理,研究了承压密封液在煤层钻孔内的径向渗流规律,建立了不可压缩流体径向驱气稳定渗流物理模型、密封液径向渗流运动数学方程及相关参数计算公式,进而提出了固液耦合壁式密封顺层瓦斯抽采技术。结果表明,采用固液耦合壁式密封技术可对抽采钻孔及周围煤体裂隙实施动态密封,使得瓦斯抽采过程浓度稳定,单孔平均浓度提高4~5倍,平均抽采瓦斯体积分数达到89%以上,显著提高了本煤层瓦斯的抽采效率。     

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。     

本煤层固液耦合流体壁式密封技术开发及应用

针对本煤层瓦斯抽采钻孔密封性差、封孔长度不够、钻孔形变较大、钻孔及周围煤体漏风严重等造成抽采瓦斯浓度偏低、衰减速度较快及稳定性差等技术难题,基于"固封液-液封气",受限空间膨胀、渗流力学等理论,进行了钻孔及煤体密封技术的实验模拟与现场验证,研究并开发了固液耦合流体壁式密封新技术及设备。研究表明,采用固液耦合流体壁式密封技术可对抽采钻孔及周围煤体裂隙实施动态密封,最终形成粘液、裂隙及钻孔周围煤体相互耦合的立体封面,有效阻止了因抽采负压增大而导致的巷道空气通过钻孔及周围煤体裂隙向抽采钻孔的漏入,使得瓦斯抽采过程浓度稳定,单孔平均浓度提高4~5倍,显著地提高了本煤层瓦斯的抽采效率。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

深部煤层抽采钻孔自然发火原因分析与防治

为避免深部煤层抽采钻孔自然发火,以平煤十矿24100工作面抽采钻孔为研究对象,运用理论计算和数值模拟的方法研究抽采钻孔自然发火的原因。首先通过理论分析确定抽采钻孔封堵段周围破碎区与塑性区半径;通过数值模拟的方法,以煤自然发火最小风速为依据优化24100工作面瓦斯抽采钻孔封孔深度和抽采负压,并与24100工作面现场工程试验结果进行相互验证。结果表明:钻孔封堵段周围塑性区半径0.22 m为抽采钻孔提供了漏气通道,24100工作面抽采钻孔最佳封孔深度为17 m、抽采负压为25 kPa,可以防止抽采钻孔自燃。     

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%。     

分体式囊袋注浆封孔器的研制与应用

为提高抽采钻孔瓦斯抽采浓度,实现井下安全生产及瓦斯气体的回收利用,针对普通囊袋式封孔工艺漏气严重的问题,设计一种分体式囊袋封孔装置,提出分体式囊袋注浆封孔技术,并进行相关工程试验,对比分体式囊袋封孔器和普通囊袋式封孔器的抽采效果。结果显示:在相同煤层条件下,连续抽采70天后分体式囊袋封孔器的抽采瓦斯的体积分数为69.3%,普通囊袋式封孔器的抽采瓦斯体积分数为31.4%;用新型封孔器能有效解决普通囊袋封孔器漏气严重的问题。     

基于蠕变变形的顺煤层钻孔筛管封孔技术研究

针对顺煤层抽采钻孔在抽采过程中由于钻孔断面变形缩小导致抽采流量和浓度低下的问题,采用FLAC~(3D)软件构建基于蠕变规律的钻孔煤体形变模型,对比分析常规和预置筛管钻孔周围煤体的蠕变位移和塑形区变化情况;提出预置筛管抽采封孔技术以提高孔壁支护力、改善钻孔抽采断面,并进行工业验证。研究表明:顺层抽采钻孔完孔后,孔壁受环向压力的影响,钻孔周围煤体呈现出向钻孔方向蠕变挤压特性,而且筛管钻孔相较常规钻孔形变量明显变小;现场采用预置筛管抽采封孔技术后,相较常规封孔技术,抽采65天时钻孔抽采量提高191%,抽采浓度提高137%,抽采效率提高显著。     

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。     

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%。     

低渗煤层高压水射流割缝增透技术试验研究

霍尔辛赫煤矿为高瓦斯矿井,3号煤层为较难抽放煤层,如何有效增加3号煤层透气性、提高瓦斯抽采效果,成为矿方亟需解决的问题。为此,采用自主研发的瓦斯抽采孔水力作业机,开展了低渗煤层高压水射流割缝增透抽采瓦斯技术试验研究。研究表明:经高压水射流割缝后,瓦斯抽采钻孔的平均抽采浓度增加3.87~9.31倍,平均抽采纯量增加2.67~7.33倍,增透效果显著;割缝钻孔出煤量为2.3~3.4 t,使钻孔周围煤体地应力得以有效释放,这也正是瓦斯抽采效果显著提高的主要原因。     

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。     

瓦斯抽采下沿空留巷工作面采空区漏风机制研究

漏风对煤自燃有重要影响,研究漏风形成机制对工作面采空区防火具有重要的作用。针对采空区瓦斯抽采、上覆围岩裂隙发育对采空区漏风影响问题,以沙曲矿沿空留巷综放工作面为研究背景。根据采空区上覆煤岩特性选择经验公式计算采空区裂隙发育高度,分析了沿空留巷侧采空区上覆裂隙发育,现场实测了沿空留巷压埋管及高位钻孔中气体体积分数,并根据实测参数利用数值模拟分析了瓦斯抽采条件下采空区风流流场变化。结果表明:上覆裂隙成为采空区漏风通道,导通距离在27.2~37.2 m;在沿空留巷侧采空区回采距离100m,其氧气体积分数在10%以上,验证了采空区漏风去向;模拟结果显示,沿空留巷侧采空区立体空间范围内氧气体积分数均达到10%以上,模拟结果与实测基本保持一致。最终确定瓦斯抽采条件下沿空留巷的布置及煤岩裂隙发育是形成漏风通道的主要原因。     

突出煤层群多次采动对底板穿层钻孔瓦斯抽采的影响

为揭示突出煤层群多次采动对底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采效率的影响,利用Flac软件模拟分析沙曲二矿3、4、5号煤层下行开采过程中底抽巷顶板煤岩层卸压特征和围岩塑形区扩展特征,并现场实测钻孔瓦斯抽采效率。研究表明:3号煤层采动引起底抽巷顶板煤岩层卸压程度达59%以上,卸压作用最为显著,对钻孔瓦斯抽采浓度与抽采纯量的提升幅度最大;随着采动叠加作用影响,卸压程度减小,提升幅度也减小; 4号煤层开采期间底抽巷顶板围岩塑性区范围扩张达到3.1 m,超过钻孔封孔长度,钻孔瓦斯混量开始逐渐增大,随采动次数增加,顶板围岩塑性区范围进一步扩展,钻孔瓦斯混量呈现逐步增大趋势;多次采动作用下钻孔瓦斯抽采体积分数和抽采纯量总体上呈逐渐下降趋势。