高突矿井大采高工作面瓦斯抽采技术及实践

为解决大采高厚煤层工作面回采期间瓦斯超限难题,应用顶板走向长钻孔中位钻孔和下临近层底板定向长钻孔等瓦斯抽采措施,对回采面瓦斯进行了多源头治理。通过对顶板走向长钻孔的抽采效果考察,确定其垂直层位为40±5 m范围、水平层位为50±10 m范围为最佳瓦斯抽采区域;中位钻孔合理的垂直层位为20 m左右,水平层位为45~50 m范围抽采效果最佳;下临近层底板定向长钻孔是拦截下部5#煤和7#煤向上部采掘空间涌出瓦斯的有效手段,其最佳的水平层位为距巷道轮廓线20 m范围,垂直层位为钻孔布置在下临近层煤层中。通过对3种不同瓦斯治理措施的综合评价考察,确定顶板走向长钻孔是治理回采面最为有效的措施,其抽采量占工作面回采期间总抽采量的79.6%,中位钻孔抽采和下临近层底板定向长钻孔抽采是回采面回采期间的辅助性措施。措施使用后,工作面上隅角瓦斯浓度保持在0.4%~0.6%之间,有效保证了工作面的安全高效回采。     

塔山矿特厚煤层综放面采空区瓦斯治理措施研究

为研究塔山矿采空区不同治理方法效果,解决特厚煤层综放面瓦斯涌出量大及回采期间上隅角异常涌出的问题,采用地面立孔、L型钻孔和高抽巷瓦斯抽采技术治理8204综放面采空区瓦斯。通过对工作面采动覆岩影响规律和地面钻孔、高抽巷位置对瓦斯抽采效果的影响进行模拟,确定不同瓦斯治理方式的合理布置参数。在工作面回采过程中,对瓦斯抽采参数进行现场实测。结果表明,高抽巷平均瓦斯抽采体积分数为37%,明显高于L型钻孔的20%,地面钻孔的2.5%;L型钻孔抽采瓦斯纯量最低,平均为7 m~3/min,而地面钻孔为22 m~3/min,高抽巷为33 m~3/min,都达到治理采空区瓦斯的效果。从施工、投资等因素考虑,得出结论:塔山矿区采用地面立孔和高抽巷治理瓦斯效果最好。     

基于瓦斯抽采效果的钻孔塑性区范围优化及应用*

为获得最佳瓦斯抽采效果,研究不同钻孔孔径与塑性区范围及抽采效果之间关系,基于弹塑性理论,采用Comsol软件模拟嘉禾矿2254底板巷上穿层钻孔周围煤体塑性区范围分布,修正塑性区半径理论推导公式,得到抽采钻孔混合流量、纯流量和浓度,分析钻孔周围煤体不同塑性区范围下瓦斯抽采效果。结果表明:钻孔孔径越大,塑性区范围越大,抽采钻孔卸压范围越大;若不考虑其他因素,钻孔孔径越大,瓦斯抽采效果越好;通过对比塑性区半径模拟值与计算值,修正塑性区半径公式,该公式适用于浦溪煤矿;随钻孔塑性区范围增加,钻孔瓦斯抽采流量逐渐增加,但瓦斯流量相对钻孔塑性区半径差变化率先增大后减小。研究结果可为提高矿井瓦斯抽采效果提供理论参考。     

远距离被保护层被保护区域预抽瓦斯效果研究

为了研究远距离被保护层被保护区域预抽瓦斯效果,为其他区域同一保护层和被保护层开采提供依据和借鉴。基于保护层开采、煤与瓦斯突出防治等理论,首先对保护层开采防止煤与瓦斯突出机理进行研究,接下来计算了保护层开采保护范围,继而从瓦斯抽采量、抽采率和煤层顶底板相对变形量等方面对采用的地面钻孔和底板巷向上穿层钻孔等瓦斯抽采技术预抽被保护区域瓦斯效果进行了研究。结果表明:开采保护层有效减少或消除被保护层煤与瓦斯突出危险性,煤层瓦斯预抽率远大于30%,被保护层的最大膨胀变形远大于3‰。     

穿层钻孔有效抽采半径的测定

钻孔的有效抽采半径是在矿井瓦斯抽采设计中的一个关键性参数。准确测定钻孔的有效抽采半径,有利于合理布置瓦斯的抽采钻孔,实现最佳设计、最小工程量和最优抽采效果。根据实际煤层的存在条件,首先采用压降法对矿井试验区内穿层抽采钻孔有效抽采半径和水力冲孔抽采钻孔有效抽采半径进行实测。然后通过Comsol Multiphysics数值模拟软件建立穿层钻孔瓦斯抽采的数值计算模型,所得模拟结果与现场实测数据基本一致。这证明了现场实测结果的正确性和方法的可靠性。该钻孔的有效抽采半径的测定结果可为金牛建业煤矿技改井二1煤层预抽煤层瓦斯的钻孔设计提供参考。     

考虑Klinkenberg效应的瓦斯抽采流固耦合模型及其应用

为揭示低渗透性煤层瓦斯抽采渗流机制,在综合考虑Klinkenberg效应、有效应力和解吸收缩对瓦斯渗流及煤体变形影响的基础上,建立描述瓦斯渗流及煤骨架可变形的流固耦合模型。运用该模型,优化某矿29031工作面本煤层顺层钻孔的抽采负压和钻孔间距。结果表明,在抽采钻孔附近,模型考虑Klinkenberg效应比未考虑Klinbenberg效应时瓦斯压力下降更快,距离抽采钻孔越远,Klinkenberg效应的影响越小;在抽采时间一定的前提下,抽采负压对煤层瓦斯压力的下降影响不明显,有效抽采半径与抽采负压之间满足幂函数关系;考虑现场的复杂性和不均衡性,需要增加30%的安全余量,29031工作面本煤层顺层钻孔间距为6 m时,瓦斯压力下降幅度及范围最大,同时可以有效地避免"空白带"和抽采的无效叠加,抽采效果比较理想。     

数值模拟结合SF_6示踪法确定煤层钻孔瓦斯抽采有效半径

为准确确定煤层钻孔的瓦斯抽采有效半径,实现最优钻孔设计及最佳抽采效果,根据煤层瓦斯流动理论与煤岩体变形理论,建立钻孔抽采煤层瓦斯的气固耦合数学模型。并利用COMSOLMultiphysics软件,模拟SF6气体在瓦斯渗流场内的运移过程。利用SF6气体示踪法进行现场测试。依据相似定律,结合模拟与实测结果确定钻孔抽采有效半径的范围。以黄陵集团一号煤矿306工作面为例进行试验研究。试验结果表明,模拟结果与实测结果基本吻合;在钻孔直径为94 mm,抽采负压为15 kPa的条件下,预抽30天后,试验工作面抽采有效半径为5.88 m。     

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。     

本煤层顺层预抽瓦斯钻孔间距数值模拟研究北大核心CSCD

煤层瓦斯流动存在启动压力,在预抽钻孔抽采瓦斯的后期瓦斯渗流出现非Darcy渗流的现象,同时煤层瓦斯压力、吸附膨胀应力、有效应力等物性参数亦发生改变。为得到为得到启动压力对抽采的影响作用,基于煤岩弹性理论和瓦斯渗流理论,研究了在启动压力作用下非Darcy渗流现象,得到了考虑启动压力的达西定律,建立了考虑启动压力、地应力、吸附膨胀应力、孔隙压力共同作用的煤岩瓦斯流固耦合数学模型。采用建立的模型对漳村煤矿2601工作面瓦斯抽采钻孔间距进行数值模拟研究,研究结果表明:建立的考虑启动压力的煤岩瓦斯流固耦合数学模型具有一定的可靠性,一定负压下启动压力影响钻孔抽采范围。最终给出了漳村煤矿2601工作面预抽钻孔抽采设计参数。     

本煤层顺层预抽瓦斯钻孔间距数值模拟研究

煤层瓦斯流动存在启动压力,在预抽钻孔抽采瓦斯的后期瓦斯渗流出现非Darcy渗流的现象,同时煤层瓦斯压力、吸附膨胀应力、有效应力等物性参数亦发生改变。为得到为得到启动压力对抽采的影响作用,基于煤岩弹性理论和瓦斯渗流理论,研究了在启动压力作用下非Darcy渗流现象,得到了考虑启动压力的达西定律,建立了考虑启动压力、地应力、吸附膨胀应力、孔隙压力共同作用的煤岩瓦斯流固耦合数学模型。采用建立的模型对漳村煤矿2601工作面瓦斯抽采钻孔间距进行数值模拟研究,研究结果表明:建立的考虑启动压力的煤岩瓦斯流固耦合数学模型具有一定的可靠性,一定负压下启动压力影响钻孔抽采范围。最终给出了漳村煤矿2601工作面预抽钻孔抽采设计参数。     

基于响应曲面法的有效抽采半径多因素交互影响机制研究*

为探究钻孔有效抽采半径的关键影响因素及各因素间交互作用,构建应力应变-瓦斯吸附解吸耦合渗透率变化模型,采用COMSOL软件进行数值模拟,分析单一因素变化对钻孔有效抽采半径的影响,并通过Design-Expert软件设计响应曲面试验,分析多因素交互作用对钻孔有效抽采半径变化的影响机制,获得有效抽采半径对多因素交互影响的响应曲面模型。研究结果表明:不同因素对钻孔有效抽采半径影响的显著性顺序为:煤层初始渗透率、原始瓦斯压力、抽采时间,煤层初始渗透率和抽采时间与有效抽采半径呈正相关关系,原始瓦斯压力与有效抽采半径呈负相关。1个影响因素的变化会影响其他因素对有效抽采半径的影响,煤层初始渗透率能够放大其他因素对有效抽采半径的影响,而原始瓦斯压力则会降低其他因素对有效抽采半径的影响。     

钻孔间距对水力压裂促抽煤层瓦斯的影响

针对定量确定合理钻孔间距困难问题,基于损伤力学和多场耦合理论,建立了水力压裂和瓦斯抽采的煤层流固耦合模型,包括和水运移场、应力场以及孔隙度、渗透率演化方程,并采用Comsol联合Matlab求解,研究了不同钻孔间距时压裂和抽采过程中煤层弹模、损伤值、渗透率、瓦斯压力、抽采量和压裂贯通时间的变化规律。结果表明:耦合模型可较准确地模拟煤层水力压裂和瓦斯抽采过程;压裂贯通时间与钻孔间距呈指数增长关系;在马堡煤矿,当钻孔间距为4~8 m时,压裂损伤区在抽采孔贯通,渗透率呈“n”型曲线,瓦斯抽采后,瓦斯压力迅速下降,抽采有效区随间距的增加而增大;当钻孔间距为9~12 m时,压裂损伤区未贯通,煤层渗透率呈“m”型曲线,抽采有效区随间距的增加而减小,与间距4~8 m相比,瓦斯抽采量较小。     

基于覆岩破坏传递的超前自卸压区影响宽度研究*

为确定超前自卸压区的宽度,将其更好地应用于边采边抽钻孔布置中,探讨影响超前自卸压范围的主要因素,揭示卸压区宽度与工作面超前支承压力的内在联系,根据压力拱曲线平移特性,提出在覆岩破坏传递过程中,冒落带随回采周期性垮落,造成超前支承压力重分布,简化工作面开采模型,推导计算卸压区宽度的理论新方法并进行现场试验验证。结果表明:通过实测采面前方顺层钻孔的瓦斯抽采纯量,确定超前自卸压区宽度为28~30 m;距工作面＞20~40 m范围为卸压瓦斯高效抽采区,平均瓦斯抽采纯量0.074 m³/min,为卸压前的3.89倍;考虑覆岩破坏传递的超前自卸压区宽度计算值为29.97 m。计算值与实测结果较吻合,验证该方法的可行性,为井下卸压区高效抽采提供借鉴。     

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。     

利用多边横向钻孔进行矿井瓦斯抽放研究

本文简介了利用多边横向钻孔进行矿井瓦斯预先抽放的原理和方法,并重点介绍了纵向抽放钻孔的“欠平衡”钻进技术和采用定向钻进多边“叶状”水平钻孔增加煤层透气性、提高瓦斯抽放效率的优点。     

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。     

基于采动覆岩三维裂隙场演化规律的地面L型钻井瓦斯抽采技术*

为了解决目前采用的直立型地面钻井抽采范围小、工作面所需钻井数量多及瓦斯流量和浓度偏低的问题,基于屯兰矿12507工作面Ⅱ段工程地质情况,提出地面“L”型钻井提高瓦斯抽采效率的理论和实践研究。通过PFC3D颗粒流离散元数值模拟软件对工作面覆岩采动影响进行模拟,得到采动影响下的覆岩结构、裂隙和孔隙率变化。研究结果表明:屯兰矿12507工作面Ⅱ段的垮落带高度为15.87 m,裂隙带高度为49.46 m,采空区上方15~50 m、沿倾向方向距离采空区边界20~100 m的范围内裂隙较发育,孔隙率高且稳定。在屯兰矿12507工作面Ⅱ段进行工程实践,得到地面“L”型钻井在抽采效率、工作面上隅角瓦斯治理及采空区瓦斯有效利用方面优于普通地面钻井抽采,抽采系统工作149 d瓦斯抽采浓度平均为52.52%,抽采纯量平均为9.48 m3/min,上隅角瓦斯浓度平均为0.21%,降低了矿井瓦斯灾害出现的风险并提高了煤层气的利用。     

基于面积法优化缓倾斜煤层揭煤钻孔布置方式

为解决缓倾斜煤层石门揭煤过程中钻孔施工工程量大、抽采周期长、抽采效果不佳等问题,在对比分析前人提出的钻孔优化理念基础上,提出面积法优化缓倾斜煤层揭煤钻孔布置方式,并利用层次分析法,分别从安全可靠性、施工工程量、钻孔均匀性、工程投资、建设工期等5个指标对3种方案进行考察,优选出最佳揭煤实施方案.同时,通过COMSOL软件...     

多变量灰色模型及其在钻孔瓦斯流量预测中的应用

钻孔瓦斯流量直接关系着钻孔抽放煤层瓦斯涌出量及钻孔瓦斯涌出初速度的判定,因此研究钻孔瓦斯流量的变化及发展趋势具有较大实用价值。钻场中各钻孔瓦斯流量与其周围煤(岩)的渗透性、强度、瓦斯压力和地应力等因素之间是灰色的非线性关系[1]。笔者把钻场中互相影响的各钻孔看作一个系统,建立多变量灰色模型(MGM(1,n));借助MATLAB软件,实现对钻场中多钻孔的瓦斯流量的预测;克服了过去钻场中单钻孔瓦斯流量预测的结果与实际测量值吻合程度不理想的弊端。与此同时,结合工程实例,将多变量模型模拟和单点模型模拟的结果进行比较,其结果表明多变量灰色模型预测精度较高,对瓦斯抽放设计和矿井安全生产具有较大的指导意义。