下向穿层瓦斯抽采钻孔新型封孔方法及应用

潘三煤矿17181(1)运输顺槽顶板岩层含水丰富,下向穿层钻孔抽采17181(1)运顺瓦斯受岩层富水影响较大。为解决这一问题,结合潘三矿11-2煤顶板实际情况,分析了影响下向穿层钻孔抽采瓦斯的主要因素,提出了"先区域封水,后打抽采钻孔,再利用‘两堵一注’快速封孔法封孔"成套技术解决方案,形成了一种新型下向穿层瓦斯抽采钻孔封孔方法。经潘三矿17181(1)瓦斯综合治理巷现场实践证明,下向穿层抽采钻孔的瓦斯抽采纯量与抽采浓度均有大幅度提高,钻孔封孔效果良好。     

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。     

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%。     

煤层渗透率各向异性对钻孔瓦斯抽采的影响

为揭示渗透率各向异性对钻孔瓦斯抽采的影响,假设煤层是一种孔隙-裂隙结构的弹性连续介质,构建各向异性渗透率方程;基于多物理场耦合理论,建立考虑气-水两相流的煤层流固耦合模型,结合试验测得的煤层不同方向上的渗透率,模拟确定煤层瓦斯抽采的合理钻孔间距和钻孔布置方向。结果表明:由于渗透率各向异性,在钻孔附近形成椭圆形的压降区域,该区域向煤层边界扩展,逐渐变为鼓形;在模拟工况下,抽采120天内达标的合理钻孔间距应为2.346~2.598 m;钻孔与最大渗透率方向的夹角越大,瓦斯抽采量越大,钻孔布置方向与煤层最大渗透率方向应保持较大夹角。     

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。     

矿井瓦斯抽采钻孔偏移特性研究

为避免井下瓦斯抽采钻孔发生轨迹偏移,出现瓦斯抽采盲区,产生瓦斯抽采空白带,首先以山西阳泉新景煤矿15121底抽巷、15124低位巷、15124回风巷为工程背景,测试穿层钻孔和顺层钻孔的偏移情况;然后利用均角全距法计算钻孔三维轨迹数值,并结合煤层赋存地质信息,绘制钻孔三维轨迹与煤岩三维层位关系可视化图,分析影响钻孔偏移的因素和拟合数据,并得出钻孔偏移特性。研究表明：穿层钻孔主要在细砂岩层开始偏移,且均在煤层段偏移变大,煤层段最大偏移量为0.52 m;顺层钻孔开孔倾角相近时,孔深越深终孔垂直偏差越大,40 m孔深平均垂直偏移量为1.37 m;小角度钻孔受重力影响较大,轨迹易发生偏移,大角度钻孔在垂直方向上向上或向下偏移,偏移量比小角度钻孔偏移量小;在水平方向上,底抽巷、低位巷、回风巷布孔间距分别缩短0.68、0.28、0.54 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。     

新型封孔材料的性能研究及封孔长度计算

研究聚氨酯硬泡材料的渗透性能和粘结性能,旨在为煤矿瓦斯抽放和煤层注水工艺提供本质安全型的封孔材料,从而提高瓦斯抽放和煤层注水的效果,做好瓦斯、煤尘灾害的预防工作。根据达西定律设计材料渗流量的测试实验,将测定的数据进行线性拟合后,得出聚氨酯硬泡材料的渗透系数为1.00546×10-6cm/s;通过材料的抗压剪切力测试,得出聚氨酯硬泡与煤的粘结强度为387.95kPa;根据封孔模拟实验结果,选择压注药液法作为封孔方法,并根据钻孔受力平衡原则,计算得出由聚氨酯硬泡作为封孔材料的封孔长度至少为0.967m。     

钻孔抽采瓦斯量影响因素分析与工程实践

为了提高钻孔抽采瓦斯量,基于煤层瓦斯流动和层次分析法等理论,研究了钻孔抽采瓦斯量的影响因素及各影响因素重要度,同时现场考察了透气性系数变化对钻孔瓦斯抽采量的影响。结果表明:钻孔抽采瓦斯量影响因素有煤层透气性系数、煤层原始瓦斯压力、煤层厚度、抽采钻孔孔径和抽采时间等,其中煤层透气性系数是对其起决定影响作用的参数;重要度上煤层透气性系数对钻孔瓦斯抽采量的影响是抽采负压和钻孔半径的7.1倍;被保护层的透气性系数增大可大幅度提高了钻孔抽采瓦斯量。     

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。     

SDS对瓦斯预抽孔封孔材料性能的影响

为提高煤矿瓦斯预抽孔的封孔质量,以无水硫铝酸钙、石灰、石膏为主要原料开发新型瓦斯预抽孔封孔材料;测定十二烷基硫酸钠(SDS)对封孔材料的凝结时间、强度等特性的影响;用扫描电镜(SEM)观察SDS对水化反应产物微观形貌的影响;根据料浆滤液中离子浓度的变化,探讨SDS影响封孔材料性能的化学机制。结果表明:加入SDS导致封孔材料浆液的表面张力降低、凝结时间缩短;硬化过程中膨胀应力增加;6和24 h单轴抗压强度略有增加而3天后单轴抗压强度显著降低;水化反应早期速率加快;水化产物的晶体尺寸更小;SDS通过引入气泡的物理作用和增加料浆液相中氢氧根和铝含量影响封孔材料性能。     

花眼护孔管对顺层钻孔瓦斯抽采效果的影响研究

为探究顺层钻孔内花眼护孔管对瓦斯抽采的作用程度,建立基于裂隙-孔隙双重介质的煤岩瓦斯气-固耦合数学模型,分别对顺层钻孔内花眼护孔管不同长度的布置方式进行瓦斯抽采数值模拟;此外,在潘三煤矿11-2煤层开展现场试验,对比分析钻孔内布置与不布置花眼护孔管的实际抽采效果。结果表明:当顺层钻孔全程使用花眼管护孔时,模拟得到的钻孔周围残余瓦斯压力和含量最低;使用花眼护孔管的钻孔周围瓦斯含量明显下降,并且随着抽采时间的增加,花眼护孔管对瓦斯抽采的促进效果更加显著。     

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。     

高位钻孔采空区瓦斯抽采技术应用效果分析

本文以贵州发耳煤矿10102采煤工作面作为研究对象,对采空区高位钻孔抽放瓦斯原理进行论述,并且结合此原理设计高位钻孔的抽放参数。为有效快捷地评价高位钻孔的抽放效果,本文通过单元法对其进行评价,最终找到存在的问题及其解决方法。该技术的应用实践解决了该工作面瓦斯超限的问题,获得了有价值的技术参数,积累了宝贵的实践经验。     

瓦斯抽采钻孔磁性密封浆液配合比试验研究

为探究一种具有磁性特性的瓦斯抽采钻孔密封浆液配合比,选取微米粒度(3μm)下的羰基铁粉和纳米粒度(200 nm)下的四氧化三铁(Fe_3O_4)为磁性粒子,以一定比例聚乙烯醇和水作为密封浆液主要基液,按照磁性粒子在浆液中不同质量分数、不同磁性粒子种类以及不同磁性粒子粒度,进行多水平多因素下的浆液配合比试验,并借助三维磁性成像系统作相似材料模拟,验证浆液的磁性示踪效果。结果表明:在以羰基铁粉为主要溶质的浆液中加入一定量Fe_3O_4,可大幅度降低密封浆液沉降率;在相似材料密封胶结后,浆液中的磁性粒子可较好地表征出相似材料内密封浆液的填充胶结位置,且在相似材料中,磁性强度越大的区域,内部破裂越明显。     

瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑数值模拟

反循环气力排屑是顺层钻孔的新技术,可以提高瓦斯抽采钻孔的成孔深度与成孔率,采用CFD-DEM耦合方法对瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑过程进行数值模拟,研究了排屑气速、煤屑生成量对气力排屑性能和气力排屑系统压降的影响。研究结果表明:排屑气速较低时,煤屑在重力的作用下在钻杆内堆积,易导致钻杆堵塞,为保证顺利排屑,需要较大的排屑气速;随着煤屑生成量的增大,对气力排屑性能影响不大,但钻杆内煤屑的体积分数增大,煤屑-煤屑,煤屑-钻杆之间的碰撞加剧;气力排屑系统的压降与排屑气速、煤屑生成量均呈正相关,综合考虑能耗因素,在保证顺利排屑的前提下,应选择合适的排屑气速。     

煤矿顺层瓦斯抽采钻孔长度的确定方式

利用煤岩体变形理论以及煤层瓦斯流动,建立了符合鹤煤十矿的顺层钻孔抽采气固耦合模型,并利用Comsol Multiphysics数值仿真软件模拟了瓦斯在煤体内部运移规律,通过对模拟结果和实测结果对比分析,得出该煤层顺层瓦斯抽采钻孔的合理钻孔长度为70m,为以后瓦斯抽采工作提供了重要依据。     

基于瓦斯抽采钻孔的煤层隐伏小构造预测

探明煤层的展布情况和隐伏的地质构造对煤矿的安全生产至关重要。基于大量的瓦斯抽采钻孔的数据,提出了利用瓦斯抽采钻孔预测煤层隐伏构造的方法。通过现场记录钻孔基础数据,运用全角全距法求出钻孔在煤层(顶)底板控制点三维坐标,并建立数据库;利用Surfer数据内插和图形处理功能,绘制煤层顶(底)板三维模型、等值线图和残差图,实现煤层的可视化;根据等值线的疏密异常变化圈出煤层中存在的隐伏构造位置,采用数学地质分析方法判断隐伏构造的类型。通过在古汉山矿1603工作面的试验,证明该方法预测煤层隐伏构造切实可行。     

易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术数值模拟研究

针对松软煤层瓦斯抽采钻孔稳定性差、钻孔形变较大、钻孔及周围煤体漏风严重等造成钻孔密封难的技术难题,提出了预先采用加固技术来提高松软煤层瓦斯抽采钻孔的稳定性,合理的解决钻孔高效密封的现实难题。首先,阐述了易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术的基本原理。其次,利用FLAC3D模拟软件对比分析了松软煤层、硬质煤层在不同固孔材料固化后钻孔周围位移场变化。研究表明:采取固孔措施后的钻孔相比措施前等值线分布稀疏,梯度较小,不同位置处的煤体的位移量差别较小。钻孔形成后,顶部位移量均大于底部位移量,左右两帮的位移量基本相同,有效的降低钻孔周边煤体的位移变化量,增强钻孔稳定性,为钻孔的高效密封提供了保障。     

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。