瓦斯抽采PC-CAS基封孔材料优化及其膨胀作用分析*

为了研制以硅酸盐/铝酸盐水泥、生石灰、生石膏为主的PC-CAS基封孔材料，采用正交试验优化材料配比、开展膨胀力研究，并用扫描电镜观测料-煤胶结形貌。研究结果表明:材料的最优配比为A2B2C4，其具备优良的流动性、强度及致密性，造浆量达2 100 mL/kg；PC-CAS基材料具有显著的膨胀性，其膨胀力随时间先增大而后趋于稳定，并且该膨胀力随着径向约束的提高而增大；相比于FP材料，PC-CAS基材料产生的膨胀力能够显著降低材料-煤岩界面的空隙并在一定程度上压密煤体内部的裂隙；该材料产生的膨胀力可压密封孔段围岩、提高封孔质量，并为后期“二次注浆”提供保压条件。工业试验结果表明，采用PC-CAS基材料进行封孔可显著改善抽采效果，将原有平均浓度10.11%提升至20.08%。     

煤矿立风井防爆门发展现状分析

煤矿风井防爆门是保护主通风机的重要安全设施。在本世纪以来的重大煤矿爆炸事故中,因风井防爆门设计缺陷造成事故扩大化的问题屡有发生,使得煤矿风井防爆门受到多方关注和重视,并获得快速革新和发展。梳理了国内外煤矿风井防爆门相关法规和标准的制订情况,分析了十多种典型煤矿立风井防爆门的结构、特点和防爆工作原理,介绍了相关理论和试验研究成果。在此基础上,着重分析指出了风井防爆门发展中存在的问题,并提出了解决问题的方向和思路。     

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。     

瓦斯抽采二次膨胀封孔材料膨胀机理及应用研究

为降低瓦斯抽采漏气，开发了1种具备后期膨胀的二次膨胀材料（DE），以水泥基材料为对比样，利用自制的膨胀力测试装置，以XRD和SEM分别表征其膨胀力及微观结构。研究结果表明:相比水泥基材料，DE材料的膨胀力明显，并表现出显著的时间效应，且DE材料的膨胀力随约束刚度增大而增大；水化1 d时， DE材料较水泥基材料生成更多的钙矾石（AFt）晶体；随着DE材料水化，AFt晶体不断增多，且水化7 d后AFt晶体发生延迟膨胀，这是引起DE材料后期膨胀的主要因素；工程应用表明DE材料可提高瓦斯抽采浓度及纯量，有效改善抽采效果。     

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%。     

棱状钻杆应用于松软突出煤层钻进强度匹配研究

为解决棱状钻具的强度匹配问题,应用实体设计和数值分析软件,建立不同结构棱状钻具力学分析模型,对其进行强度分析,优化棱状钻具结构。分析结果表明,常规棱状类钻具整体强度匹配不合理,丝扣位置存在受力薄弱点,安全系数较低且整体分布不均衡。可采取加大接头直径、优化接头及棱边结构、应用摩擦焊接工艺等技术手段提高棱状钻具整体强度;改进后的棱状钻杆,整体安全系数分布均衡、波动小,钻杆整体力学性能得到了有效的提高。通过工程应用,解决了煤矿复杂条件煤层钻孔施工丢钻、断钻频繁的被动局面,平均深度超过了设计深度,钻进效率提高20     

煤壁应力峰值动态移动诱发封孔漏气机理研究

基于有效应力原理分析了煤体吸附瓦斯对煤体强度的影响,提出应用煤体单轴抗压强度衰减比k_σ表征瓦斯压力变化对煤体强度的影响;应用数值分析方法研究了煤体瓦斯抽采前后煤壁前方煤体应力、屈服破坏范围的变化。结果表明,抽采期间,煤壁前方煤体应力峰值处于"动态移动"状态,致使煤壁前方的屈服破坏区间同时发生移动,水泥封孔段由受压转为应力卸载状态而发生膨胀破坏,在封孔段水泥与煤壁之间形成松动漏气通道,孔外空气将沿该漏气通道进入孔内,使抽采浓度降低。为提高带压封孔方法的封孔效果,应科学判定抽采前期煤体应力峰值区间,并考虑抽采期间煤体"应力峰值移动"的影响,在应力峰值区间适当向两侧延伸封孔段长度,注重封孔器材和封孔材料的研制和选择。     

基于GSI原理瓦斯抽采钻孔收缩比评估方法及其应用

瓦斯抽采钻孔收缩是致使排渣阻力增大、钻孔发生堵塞的主要因素。基于地质强度指标(GSI)法,分析了评估煤体力学参数的方法,探讨了Mohr-Coulomb与Hoek-Brown准则内在关系,从而能够应用较为广泛的方法验证和求解不同煤层条件下钻孔的变形量;提出了钻孔收缩比概念和计算方法,应用GSI原理对不同强度煤的钻孔收缩比进行定性分析。分析结果表明,钻孔收缩比受煤体强度变化的影响非常敏感,对于强度较低的煤体,钻孔变形量大,钻孔收缩严重,其结果缩小了钻孔的排渣空间,间接增大了钻屑运移、钻杆旋转及退钻阻力,使钻孔施工更加困难。结合工程案例,根据施工地点地质条件,科学评估钻孔收缩比并提出钻孔施工改进方案,通过工业性试验,钻进深度提高40%,钻进效率提高97.5%。     

煤矿风井防爆门设计爆炸载荷计算方法研究*

为解决煤矿风井防爆门研发中的设计爆炸载荷取值问题，采用理论分析和数值模拟方法，研究MFBL防爆门在被冲击波冲飞过程中的能量转化、传递、耗损关系，以及空气阻力因素的影响；改进拉断钢丝绳消耗能量的算法，着重考虑空气阻力影响因素，重新建立基于事故中防爆门的飞起高度计算防爆门设计爆炸载荷的方法，并以典型案例进行验证。结果表明:防爆门在拉断牵引钢丝绳的过程中，传递给配重的能量相较于拉断钢丝绳所消耗能量较小，可忽略不计；MFBL防爆门的空气阻力系数接近于1，其以较大速度飞行时受空气阻力影响显著，故考虑克服空气阻力作功是必要的；鉴于计算结果，推荐根据20~50 m飞起高度设计防爆门爆炸载荷，并提出根据防爆门飞起高度划分安全防护等级等建议和应用指南，其可提高计算方法的可靠性和可用性，可为防爆门研发等提供参考依据。     

瓦斯抽采钻孔棱状钻杆排渣原理数值模拟

为分析棱状类钻杆应用于松软突出煤层钻进存在优势的原因,基于流体力学理论,建立了棱状钻杆排渣模型,采用有限元方法,应用标准κ-ε模型方程进行计算,对钻杆旋转与周边流体相互作用的流场特征进行分析.结果表明,在钻杆棱角处形成“低压高速区”,棱边处形成“高压低速区”,钻杆棱边壁面流体产生速度、压力波动差,从而在“高压低速区”钻杆壁面形成强烈的“压差涡流”现象,减少了钻屑在孔底堆积致使钻孔堵塞的概率.应用棱状钻杆在松软突出煤层中施工钻孔,钻进深度提高34.6％,钻进效率提高21.1％,钻孔达标率由9.8％提高到48.3％,试验期间,钻杆强度可靠,未出现丢钻、断钻现象.