三硬条件下孤岛区域大直径钻孔防冲方案优化

忻州窑矿是典型的冲击地压矿井,为确保忻州窑矿8939三硬条件孤岛工作面安全高效回采,采用理论计算的方法,得出在该地质条件下卸压钻孔参数的合理范围,并采用数值模拟方法对理论计算得出的参数范围进行深入研究,得出适合该地质条件下的大直径卸压钻孔优化方案。采用KBD5电磁辐射仪对卸压效果进行了检验,结果表明,经过优化,煤体内电磁辐射强度较原卸压方案降低了15.7%,累计脉冲数降低了16.6%。方案优化后不但提升了卸压效果,而且节省了约690个钻孔和30%的工作量。     

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。     

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。     

基于瓦斯自然涌出规律的有效抽采半径研究

为确定穿层钻孔有效抽采半径,提出基于钻孔瓦斯自然涌出规律的测定方法。利用COMSOL Multiphysics软件分析钻孔周围瓦斯流动规律;根据模拟结果及煤层瓦斯流动理论,建立钻孔瓦斯自然排放影响圈内瓦斯含量、瓦斯涌出量和残存瓦斯量之间的函数关系式,提出以钻孔瓦斯自然涌出有效影响半径代替抽采负压影响下的有效抽采半径;在鹤壁三矿、十矿和古汉山矿进行现场实测。结果表明:有效抽采半径内,瓦斯压力呈线性分布;受钻孔周围煤体蠕变卸压影响,瓦斯自然涌出具有明显的阶段性特征,确定的有效抽采半径最大可达4 m,研究结果符合实际。     

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。     

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。     

水力扩孔扰动下穿层抽采钻孔串孔致因研究

为解决水力扩孔卸压过度问题,厘定水力扩孔合理冲煤量,进一步提高矿井瓦斯抽采效率,首先运用Hoek-Brown原则揭示和阐明水力扩孔后钻孔串孔发生原因;其次构建流-固耦合数学模型,借助COMSOL模拟软件分析扩孔卸压后煤体所受应力变化和渗透率变化情况;最后结合现场扩孔试验,考察不同扩煤量下钻孔串孔发生情况。结果表明:扩出煤量越大,扩孔孔洞周边煤体的径向位移形变量越大;孔洞附近区域内煤体卸压充分,透气性得到大幅改善,串孔发生率明显增大;现场试验与理论分析、模拟结果基本吻合,可为类似地质条件的矿井实施水力扩孔技术提供一定的参考依据。     

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。     

不同孔径排放钻孔有效影响半径的时空响应

针对矿井在施工排放钻孔局部防突措施时,已知排放时间,如何确定排放钻孔孔径和钻孔间距这一难题,提出一种钻屑量和钻屑瓦斯解吸指标现场测试法,结合数值模拟计算,确定不同孔径排放钻孔有效排放半径随时间的变化规律。研究结果表明:同一孔径排放钻孔,随着排放时间的增加,有效排放半径呈幂指数增大;不同孔径排放钻孔,随着排放钻孔直径的增加,有效排放半径呈幂指数增大。研究结论对矿井选取合适的排放钻孔孔径及布置参数具有指导意义。     

煤层液态CO_2相变致裂半径范围的影响因素研究

为提高煤层瓦斯抽采效率,减少矿井瓦斯灾害事故掌握不同因素对液态CO_2相变致裂半径范围的影响特征,以液态CO_2气爆能量释放的三硝基甲苯(TNT)当量转化为基础构建煤体爆破损伤演化模型;利用LS-DYNA软件模拟煤层物性参数(煤层地应力σ、煤体抗拉强度S_t、瓦斯压力P_g)和孔径d对液态CO_2相变致裂半径L范围的影响;运用灰色关联分析理论,结合数值模拟结果分析爆破影响因素主次顺序。结果表明:液态CO_2相变致裂半径范围与瓦斯压力和钻孔孔径呈递增关系与煤层地应力呈递减关系;地应力对致裂半径范围的影响程度最强,钻孔孔径次之,瓦斯压力影响程度相对较弱,煤体抗拉强度变化对致裂半径范围的影响甚微。     

考虑松动圈影响的钻孔瓦斯抽放合理封孔长度确定研究

以王行庄矿11071工作面为工程试验地点,通过超声波和钻孔窥视现场测试,结合理论计算,开展了瓦斯抽采煤巷松动圈范围和瓦斯抽放钻孔合理封孔长度确定的研究。确定了王行庄11071工作面二1煤层围岩卸压区宽度为8.87 m,极限平衡区宽度为9.87 m,合理封孔深度为10 m;通过极限平衡法理论计算得到的结果与超声波法、钻孔窥视法的测试结果基本相符。     

忻州窑煤矿5935巷道底板卸压槽防冲效果研究

运用理论分析、数值模拟与现场试验相结合的方法,对忻州窑煤矿5935巷道底板卸压槽防冲效果进行研究。依据现场实际情况,基于煤岩体静载破坏理论,选定底板卸压槽作为5935巷道的防冲技术方案。利用FLAC3D数值软件模拟5935巷道布置底板卸压槽后围岩应力、应变响应,模拟结果肯定了卸压槽的防冲作用。在现场5935巷道布置底板卸压槽的防冲试验中,实际观测巷道围岩变形量与模拟结果基本一致,声发射技术监测数据证实了底板卸压槽的防冲效果。通过底板卸压槽防冲投入分析,其经济效益相当显著。研究表明:布置底板卸压槽是忻州窑煤矿最为直接、有效的防冲手段,对"三硬"矿井冲击地压的防治工作具有一定的指导意义。     

煤层水力压裂合理参数分析与工程实践

煤层水力压裂技术是近年来应用于高瓦斯低透气性突出煤层的一种卸压增透消突技术,人们对水力压裂的卸压增透消突机理有了较充分的认识,现场工程应用的效果也较好,但有关煤层水力压裂参数是如何确定的系统分析却是很少。笔者在阐述水力压裂机理及压裂过程的基础上,系统地阐述高瓦斯低透气性突出煤层水力压裂所需的注水压力、流量、注水时间、注水速度、孔间距、封孔长度等技术参数以及煤体内在因素的影响作用;最后在义安矿FD003工作面进行了水力压裂试验研究和效果考察,得出适合义安矿的水力压裂合理注水参数。通过水力压裂,煤层瓦斯抽放量和抽放浓度得到大幅度提高,达到了卸压增透防突效果,同时起到了润湿煤体和降尘效果。     

瓦斯抽采钻孔动态漏气圈特性及漏气处置研究

为了研究煤矿瓦斯抽采过程中钻孔瓦斯浓度衰减的问题,提出了动态漏气圈的概念,通过建立动态漏气圈数学模型,采用理论推导,数值模拟的方法分析了瓦斯抽采钻孔漏气圈的变化特性,并采用三囊袋封堵器在义安煤矿进行瓦斯抽采封孔及漏气处置工业性试验。研究表明,漏气圈半径随时间呈现动态变化,在瓦斯抽采初期急剧增大,随着抽采持续漏气半径增大趋势逐渐降低;煤体强度及钻孔所处的应力是影响漏气圈半径的重要因素,地应力越大漏气圈半径越大而煤体强度越大漏气圈半径越小;在整个抽采过程中漏气圈半径存在一个稳定值,在达到稳定值以前漏气圈半径呈现增加大趋势,研究得出了地应力及煤体强度影响下的该种趋势的特性;采用三囊袋封堵器对瓦斯抽采钻孔进行漏气处置可以有效改善瓦斯抽采效果,并且测得的瓦斯浓度变化曲线也证实抽采钻孔漏气圈的动态变化特性。     

综放工作面瓦斯抽采最优钻孔参数研究

针对平煤某矿己15-24070(下)综放工作面瓦斯含量高、易超限影响安全生产的难题,采用COMSOL数值模拟软件建立三维抽采模型,结合固体力学、达西定律,研究了钻孔间距、钻孔直径对卸压范围和瓦斯压力衰减规律的影响,确定出合理抽采参数。在此基础上,提出己15-24070(下)综放工作面采用平行钻孔布置方式。现场实践表明:恰当布置钻孔间距、钻孔直径能够显著提高瓦斯抽采率,从卸压瓦斯抽采量角度考虑己15-24070(下)综放工作面钻孔间距3~5 m,直径0.1~0.133 m时,工作面顺层钻孔瓦斯抽采效率达到29%,抽采效果明显。     

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。     

基于灰关联分析的顺层钻孔瓦斯抽采有效半径主控因素研究

基于顺层抽采钻孔固气耦合模型,采用COMSOL对钻孔直径、煤层物性参数及抽采参数三类因素进行了模拟分析,并运用灰关联分析方法确定了顺层钻孔瓦斯抽采有效半径的主控因素。研究表明:煤层初始瓦斯压力与煤体初始渗透率为有效半径的主控因素,抽采时间次之,钻孔直径与有效抽采负压的变化对有效半径的影响甚微;提高瓦斯抽采有效半径的首要任务是通过技术手段卸压、增透,其次要把握合理的预抽时间。     

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。     

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。     

远距离煤层开采工作面布置方式卸压增透效应

为了研究远距离煤层上行开采工作面布置方式对卸压增透效果的影响,根据潘二煤矿11223工作面地质条件,通过FLAC~(3D)数值模拟软件研究远距离煤层卸压开采应力场、位移场、裂隙场分布特征,并以卸压系数为判据,确定工作面卸压增透范围。研究表明:西二段工作面采用垂直布置方式,下方11223工作面开采会引起上覆11224工作面位移场、应力场发生明显变化,11224工作面中部卸压系数达90. 37%,卸压效果良好;东一段11224工作面采用风巷外错90 m、机巷内错90 m的方式布置,导致11224工作面下部卸压系数88. 97%,卸压效果较好,而在工作面上部卸压效果不明显。通过对比,可以确定远距离煤层上行开采时,工作面采用垂直布置可获得更好的卸压增透效果。