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。     

考虑串孔影响的穿层水力扩孔合理冲煤量研究

在煤层增透方面,穿层水力扩孔冲出煤量主要依据经验以及遵循“能冲尽冲”的原则,致使串孔现象严重,针对这一问题,采用理论分析、数值模拟结合工程试验的方法,阐明了串孔致因机理和串孔前后扩孔孔硐内负压损失分布特征,构建了考虑吸附膨胀应力和Klinkenberg效应的扩孔孔硐附近煤体瓦斯流动流-固耦合数学模型,利用Comsol软件,模拟了不同冲煤量下扩孔孔硐附近煤体所受应力分布和煤体渗透率的变化情况。研究结果表明:随着煤体不断被冲出,孔硐有效抽采半径相对变化率呈现衰减趋势;扩孔孔硐附近最大主应力呈现先急剧减小再增大,然后降低直至原始应力大小的趋势;渗透率的变化趋势与最大主应力恰好相反;扩孔孔硐周围煤体渗透率的增加主要受煤体的径向位移所控制,孔硐周围煤体大幅径向位移会产生串孔现象,渗透率虽得到大幅度提高,但瓦斯抽采效果和安全采掘很难保证,需要厘定出水力扩孔合理冲出煤量。     

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。     

冲击危险煤层卸压钻孔安全参数研究

为确定卸压钻孔安全参数,保障孤岛工作面安全回采,采用理论计算方法,得出在忻州窑矿8939工作面地质条件下不同孔径卸压钻孔的卸压半径范围;采用数值模拟方法,从应力及能量角度出发,分析验证理论计算结果,确定现场测试方案;在井下应用分布式光纤传感技术(BOTDR)测定钻孔卸压半径及间距。结果表明:卸压钻孔孔径越大卸压效果越好,同时对煤体扰动越大,孔径过大可能诱发冲击地压;卸压钻孔间距存在临界值,钻孔间距小于临界值时,2孔间煤体破坏变形程度较大,卸压效果良好;孔间距大于临界值时,2孔间煤体破坏程度较弱,卸压效果较差。在忻州窑矿8939工作面地质条件下,确定卸压钻孔孔径108 mm,钻孔间距0. 7 m;研究成果保障了8939工作面安全开采。     

工作面水力卸压防突作用的数值模拟

为进一步摸清水力卸压的防突作用原理,笔者用UDEC软件对张集煤矿7353工作面水力卸压措施进行了数值模拟。先介绍水力卸压技术及模拟工作面概况,后通过确定几何模型及单元划分、边界条件及初始应力场、力学模型、开挖模型、水力卸压后相关参数等环节进行数值模拟和分析,与此同时,通过测定现场水力卸压后的煤体位移并与数值模拟对照,验证数值模拟方法的正确性。从模拟及现场结果看,水力卸压后的煤壁位移量加大,塑性区范围增大,应力集中程度下降,集中应力深移,卸压带加长,降低了工作面前方煤体的弹性潜能,增加了煤层透气系数及煤体颗粒运动的阻力,从而起到预防突出的作用。     

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。     

辛置煤矿水力压裂卸压增透影响半径数值模拟研究

随着开采深度的增加,辛置煤矿瓦斯涌出量显著增大。为了提高瓦斯抽采效率,拟采用水力压裂卸压增透技术。理论分析了水力压裂对煤层的卸压增透作用,基于此利用RFPA模拟软件对辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂卸压增透进行了数值模拟。研究表明,水力压裂主要在以下3个方面对煤体起到增透作用:使煤体卸压、提高煤层透气性;湿润煤体,增加塑性;改善瓦斯抽放环境。辛置煤矿2-559回采工作面水力压裂所需压力约为15MPa,压裂半径为5-6m,以此可以初步确定现场施工过程中水力压裂钻孔间距以不大于10m为宜。     

高压水射流卸压防治复合动力灾害机理及应用

为研究高压水射流卸压防治复合动力灾害的可行性,以余吾煤业高瓦斯矿井东翼采区内首采N2105工作面工程地质条件为背景,通过现场调研、理论分析、数值模拟和工业性试验等方法,对N2105进风平巷两帮采取高压水射流卸压防治效果进行了研究。结果表明:对巷帮煤体采取高压水射流卸压技术,煤体在高压水射流的冲击力和扰动应力波共同作用下瞬间发生破坏;巷帮侧支承应力分布曲线由原有的“单高峰值”转变为“内低外高双峰值”,受以上支承应力变化的影响,底板煤岩体内难以形成范围较大且连续的塑性应力状态区;现场电磁辐射和矿压监测结果表明高压水射流技术对煤层卸压增透效果显著,降低了巷道发生复合动力灾害的可能性。研究结果可为同类矿井复合动力灾害的防治提供参考和借鉴。     

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。     

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。     

顶板水力挠动强制卸压煤层瓦斯抽采工程实践*

对塑性松软煤体进行水力挠动较难取得理想的瓦斯增浓提效效果,为克服该措施的局限性,使松软煤层有效卸压增透,可将挠动对象转移至煤层顶板砂岩。基于对顶板砂岩水力挠动裂隙发育、延展及煤层卸压增透机理分析,在试验矿井的松软煤层及顶板砂岩中分别施工钻孔进行水力挠动试验,同时采用多级指标对措施后的瓦斯抽采效果进行考察。结果表明:水力挠动作用下砂岩体内部形成有利于下部煤层瓦斯流动的裂隙网络,抽采流量、浓度及累计抽采纯量大幅提高;但由于高压水作用下松软煤体内部发生塑性变形、裂隙堵塞、瓦斯流动性弱化,导致抽采流量、浓度及累计抽采纯量不升反降。研究结果可为松软煤层实施水力挠动提供参考,以期实现较理想的瓦斯治理效果。     

模拟煤层钻进过程中钻孔稳定性试验研究

钻孔钻进过程的实验室模拟及失稳现象捕捉,是钻孔失稳破坏机制研究的关键环节。通过构建模拟煤层钻进过程中钻孔失稳监测系统及方法,探讨了轴压、吸附平衡压力、气体种类及煤的变质程度对钻孔稳定性的影响规律,得出不同试验条件下的孔周煤体应力变化及孔壁、孔底破坏特征。研究结果表明:随轴压及吸附平衡压力的增大,孔周煤体峰值应力最大值逐渐增大,孔壁变形及孔底破坏趋于严重,甚至发生喷孔;与N2相比,当煤样吸附CO2时,孔周煤体峰值应力最大值较大,孔壁变形及孔底破坏也较为严重;随煤的变质程度的加大,孔周煤体峰值应力最大值及卸压范围呈先增大后减小的趋势,试验所用焦煤应力集中现象及孔壁、孔底破坏程度最为严重。     

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。     

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。     

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。     

突出煤层先注后冲防喷孔消突技术研究

为了解决煤与瓦斯突出煤层穿层钻孔施工和水力化措施期间的瓦斯喷孔问题,通过实验和分析研究了水对瓦斯煤流固耦合系统解吸和渗流的影响。煤体含水率增加后,瓦斯解吸的初速度下降,解吸量变小;煤层中注水后,煤体吸附瓦斯量减少,游离瓦斯量和煤的渗透率增加,瓦斯流动更容易,二者共同的影响减少了瓦斯喷孔发生概率。现场实验表明:先注后冲技术降低喷孔率39%,钻孔成孔率提高32%,冲泄煤量提高2.3倍,瓦斯抽出率平均提高10.4%。先注后冲技术与传统水力冲孔技术相比能明显抑制瓦斯喷孔、增加冲泄煤量、提高瓦斯抽出率,是一种安全可靠的煤层增透和预防瓦斯喷孔技术。     

突出煤层先注后冲防喷孔消突技术研究北大核心CSCD

为了解决煤与瓦斯突出煤层穿层钻孔施工和水力化措施期间的瓦斯喷孔问题,通过实验和分析研究了水对瓦斯煤流固耦合系统解吸和渗流的影响。煤体含水率增加后,瓦斯解吸的初速度下降,解吸量变小;煤层中注水后,煤体吸附瓦斯量减少,游离瓦斯量和煤的渗透率增加,瓦斯流动更容易,二者共同的影响减少了瓦斯喷孔发生概率。现场实验表明:先注后冲技术降低喷孔率39%,钻孔成孔率提高32%,冲泄煤量提高2.3倍,瓦斯抽出率平均提高10.4%。先注后冲技术与传统水力冲孔技术相比能明显抑制瓦斯喷孔、增加冲泄煤量、提高瓦斯抽出率,是一种安全可靠的煤层增透和预防瓦斯喷孔技术。     

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。     

基于波速变化量评判受载煤体力学特性的安全分析

研究超声波波速与受载煤体力学特性的关系对煤炭安全开采有重要意义。为明确受载煤体孔裂隙发育的力学变化规律与波速变化量的关系,以焦作古汉山矿山西组二1煤层原煤为研究对象,借助煤储层压裂模拟及物性特征试验系统,依据超声波技术对三轴加载煤体进行测试,计算波速变化量,然后用波速变化量分析受载煤体力学特性与煤体结构中孔、裂隙的联系,为煤炭安全开采提供力学依据。结果表明:1)在受载条件下,煤体会重复出现初始压密阶段、弹性阶段、屈服阶段,且在弹性阶段煤体压密程度最好,波速变化最快; 2)煤体受力产生孔、裂隙对声波影响显著,弹性阶段煤体压密程度高,孔、裂隙发育程度小,波速变化量达到最大,到屈服阶段,煤体孔、裂隙发育程度高,波速变化量降低,变化明显; 3)通过分析波速变化率得出受载煤体的变化程度,波速变化率大,表明煤体变化程度不明显,煤体孔、裂隙发育程度不高,反之亦然。     

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。