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。     

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。     

井下穿层长钻孔水力压裂强化增透技术

为了提高井下低透气性煤层瓦斯抽采效果,提出井下穿层长钻孔水力压裂强化增透技术。根据水力压裂施工工艺和关键技术,将水力压裂过程分为准备阶段、高压注水阶段和保压阶段,重点阐述了封孔、试压、注水压裂、数据监测、保压、排水等关键技术。同时分析了长钻孔水力压裂增透机理,并进行了水力压裂强化增透试验。根据压裂过程中压裂参数变化规律,从煤储层参数和钻孔瓦斯抽采参数方面综合考察了试验效果。结果表明:压裂后煤层透气性系数提高了2.67倍,最大影响半径达到了58 m,抽采流量和抽采体积分数分别是普通压裂钻孔的24.4倍和10.27倍,最大压裂影响半径提高了2.32倍。     

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。     

瓦斯抽采“两堵一注一排”新工艺技术

为提高瓦斯抽采钻孔的抽采浓度,实现煤矿瓦斯回收利用,针对现有的"一体式囊袋两堵一注"封孔器漏气问题,对其工艺进行改进,设计出"两堵一注一排"封孔装置,并进行井上试验研究和井下工程试验,对比分析2种封孔器的抽采效果。结果显示:井上试验"两堵一注一排"新工艺注浆段密实,"一体式囊袋两堵一注"出现明显的空白段;井下在相同煤层条件下,"两堵一注一排"新工艺抽采90天平均瓦斯体积分数为75%,"一体式囊袋两堵一注"抽采瓦斯体积分数为55%。     

近距离下邻近煤层群开采采空区瓦斯治理技术

为解决下邻近煤层群卸压瓦斯造成工作面上隅角超限严重以及支架间和采空区底部瓦斯不能及时被抽离等问题,基于近距离下邻近高瓦斯煤层群采动卸压瓦斯涌出规律,提出内错式迎向斜切钻孔辅助顶板高抽巷抽采采空区瓦斯技术。利用顶板垮落与钻孔形态演变规律,实现钻孔依次辅抽上隅角、支架间和采空区底部等富集区瓦斯,并在高家庄煤矿2号煤层2203回采工作面试验考察。结果表明:与高抽巷单一抽采效果相比,内错式迎向斜切钻孔辅助抽采条件下的叠加抽采平均瓦斯体积分数达15. 1%、提升1. 3倍,平均抽采纯量达18. 61 m3/min、提升1. 9倍,叠加抽采率达50%,抽采量占邻近层和采空区瓦斯涌出总量的83%,回风流和上隅角瓦斯体积分数控制在0. 6%以下,可有效保障工作面的顺利回采。     

厚煤层采空区定向孔分域抽采研究及应用

为提高厚煤层采空区定向钻孔的瓦斯抽采效率，针对山西某高瓦斯矿井采煤工作面，采用理论分析和FLUENT数值模拟相结合的方法研究采动裂隙分域演化特性，提出覆岩裂隙场分域准则，确定定向钻孔布置区域与核心抽采布置范围，并在采空区现场开展定向钻孔分域抽采瓦斯试验。结果表明：破断裂隙密集区内，岩层断裂穿层裂隙发育较明显、瓦斯聚集显著，且钻孔稳定性高，是布置定向钻孔的最佳区域；并将与回风巷中心线水平距离3～13 m,与煤层顶板垂直距离10～18 m的区域设定为核心抽采区域。定向钻孔分域抽采试验中，单孔抽采瓦斯体积分数平均提升22.355%,单孔瓦斯抽采纯量平均提升1.295 m³/min,该结论验证了厚煤层采空区定向钻孔分域抽采方法的实用性与合理性。     

基于蠕变效应的穿层钻孔封孔参数优化与试验研究

为解决穿层钻孔封孔难度大、瓦斯抽采效率低的问题,视煤岩体为弹塑性介质,在考虑蠕变效应下建立巷道围岩力学模型;根据Dracy定律,推导浆液流动控制方程,以渗透率变化为桥梁,构建巷道围岩变形与浆液流动的耦合模型;利用COMSOL软件解算该理论模型。数值模拟结果表明:巷道围岩塑性软化区范围由初始时刻4.69 m不断扩大,在100天时稳定于15.19 m;浆液扩展半径随注浆压力的增加而持续增大,当注浆压力高于2.8 MPa后,浆液扩展半径变化较小,逐渐趋于稳定。试验钻孔平均瓦斯体积分数为56.49%,是传统工艺下钻孔平均瓦斯体积分数的3.46倍,在抽采后期仍能维持较高的抽采水平。     

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。     

液态CO_2相变致裂增透技术在低透性突出煤层的应用研究

针对白皎煤矿B4煤层瓦斯含量高、透气性差、抽采难度大的问题,在237底板道瓦斯抽采巷采用液态CO_2相变致裂增透技术对B4煤层进行增透试验,结果表明该技术比水力割缝和普通抽采提高了煤层透气性,瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.15倍、是普通抽采钻孔的2.08倍,液态CO_2相变致裂增透钻孔汇总浓度保持在30%以上且无衰减,具有良好的效果,该技术可供类似煤矿参考。     

“两堵一注一排全筛网管”工艺及机制研究

为解决煤层瓦斯抽采体积分数低和抽采安全问题,分析抽采钻孔封堵段漏气原因和有效瓦斯抽采段压损机制。通过分析得到,漏气量与注浆压力、封堵长度成反比,与孔径大小和抽采负压成正比,且有效瓦斯抽采段全筛网管技术可减少沿程负压损失,在此基础上设计"两堵一注一排全网管"一体化装置。工程实践表明:与"两堵一注"封孔方法相比,在同等条件下"两堵一注一排全网管"封孔抽采瓦斯体积分提高了54. 33%;"两堵一注一排全筛网管"比"两堵一注一排直管"在塌孔后平均瓦斯体积分数提高了125. 82%。     

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%。     

高流态封孔注浆材料力学性能及水化机制

为提高深部矿井煤层气抽采效率,针对目前常见的封孔注浆材料存在的高分子封孔材料价格昂贵易燃、普通水泥材料渗透性差、粉煤灰等膏体材料强度不足等问题,采用超细水泥为基料研发一种高流态封孔注浆材料。通过对高流态封孔注浆材料开展力学性能试验研究、结合扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等一系列试验的结果,揭示新型高流态封孔注浆材料水化机制。结果表明：高流态封孔注浆材料在水化初期就生成大量的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和钙矾石(AFt)晶体;随着水化反应的持续,水化产物的凝胶粒子充填材料中的孔隙。与普通水泥封孔注浆材料相比,材料的水化反应更迅速、更充分、整体结构致密,比普通水泥封孔注浆材料抗压强度提高3.68%,更有利于保持瓦斯抽采钻孔的稳定性,提高瓦斯抽采效率。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

斌郎煤矿401采区预抽瓦斯试验及治理利用建议

基于斌郎煤矿401采区瓦斯地质情况,参照相关规范计算并预测了采区瓦斯储量和瓦斯涌出量,预测值分别为15.08 Mm3和7.84 m3/min,以此为依据初步分析确定了该采区抽采瓦斯的必要性与可行性。为进一步掌握煤层预抽瓦斯的可行性,在401采区北端沿内连煤层掘进1条长度为309 m的瓦斯专用巷道。通过在±0西北大巷实施穿层钻孔和在采区内连煤层掘煤巷道实施顺层钻孔2种钻采方式,进行了采区瓦斯预抽试验。试验共实施了6个穿层孔和6个顺层孔,临孔间距分别为6 m和5 m,测得12个孔的平均单孔瓦斯流量和平均瓦斯体积分数分别为0.091 m3/min和47%,获得了较好的瓦斯预抽效果。综合分析采区瓦斯主要参数的预测结果和瓦斯预抽试验数据,提出了"以首先开采外连煤层并同时抽采内连煤层的卸压瓦斯为主,必要时预先抽采煤层瓦斯和围岩裂隙中瓦斯"的采区瓦斯治理方案和将U型通风变更为Y型通风的建议。参考相似矿井的瓦斯利用经验对瓦斯发电的投入及产出进行了预算和评估,将发电机功率初步确定为500 kW。     

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%。