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。     

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。     

煤层双重介质模型及瓦斯抽采合理布孔间距研究

为使瓦斯抽采效果在技术、经济方面达到最佳,研究了瓦斯抽采过程中煤层瓦斯的运移规律和钻孔的合理布孔间距。将煤层视为双孔隙双渗透率弹性介质,推导了煤基质、裂隙渗透率演化方程,综合考虑了瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形等因素的影响,建立了煤层双重介质流固耦合模型,并进行了钻孔瓦斯抽采模拟,分析了钻孔间距对瓦斯抽采的影响。结果表明:不同钻孔间距的瓦斯压力随抽采时间的增加先快速下降再趋于平缓,且钻孔间距越小,瓦斯压力下降越快;随着钻孔间距的增大,O点消突时间逐渐增加,与钻孔间距呈二次方关系;现场试验与模拟结果基本吻合,钻孔间距5 m时瓦斯抽采效果最佳。     

穿层水力冲孔措施在低透煤层中有效影响半径效果考察

为研究水力冲孔措施下煤层瓦斯高效抽采钻孔合理布置参数,提高煤层瓦斯抽采效率,以平煤十三矿己15-17-13051工作面为例,对水力冲孔有效影响半径进行效果考察。通过布置多组试验钻孔,分别对水力冲孔措施前后钻孔瓦斯浓度、瓦斯流量数据进行综合考察,结果表明:水力冲孔措施增大了煤层透气性系数,高效提升了煤层瓦斯抽采率,执行冲孔措施后瓦斯浓度最低可提高至2.05倍、瓦斯纯流量增至2.56倍以上,采用瓦斯流量法确定了己15-17煤层水力冲孔措施实际有效影响半径为4.8~5.9 m,对于指导煤层瓦斯抽采钻孔合理布置具有指导性意义。     

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。     

考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型

为更准确反映抽采过程中的煤层瓦斯(甲烷)运移过程,将煤岩视为孔隙-裂隙双重结构、双渗透率非均匀弹性介质,考虑基质瓦斯渗流作用,结合地下水、瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形和渗透率演化等因素的耦合作用,建立考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型;数值模拟地面瓦斯抽采过程,分析煤层瓦斯运移规律和基质渗流作用对瓦斯抽采的影响。研究表明:基质瓦斯和裂隙瓦斯的压力均随时间的增加而降低,两者差值先增大后减小;在模拟工况下,单位时间内基质瓦斯渗流量仅占流入裂隙瓦斯量的0.5%。基质渗流对瓦斯抽采的产能及储层压力有影响;考虑基质瓦斯渗流的双孔隙双渗透率模型预测的产气速率和储层压力下降幅度均小于双孔隙单渗透率模型。     

穿层预抽钻孔倾角与煤层气抽采效果关系的研究

为研究穿层钻孔倾角与煤层气抽采效果的关系,基于钻孔围岩应力分布规律及瓦斯流动规律的相关研究,分别从孔卸压效果、钻孔瓦斯流动情况及钻孔抽采长度三方面探讨了钻孔倾角如何影响煤层气抽采效果,并给出了钻孔倾角对煤层气抽采影响的数学模型。经理论分析及现场试验对比,结果表明:钻孔围岩应力和钻孔倾角间存在三角函数关系,围岩应力分布的不同导致钻孔周围煤层透气性的改变;随钻孔倾角的减小,煤层段钻孔长度增加,钻孔暴露煤体增大,有助于煤体瓦斯的解析。且钻孔与煤层割理交集变大,瓦斯流通通道增加;钻孔倾角对煤层气抽采效果有着不可忽视的作用。     

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。     

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。     

复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术研究

针对水力压裂区域化瓦斯增透盲区,提出了水力割缝局部化瓦斯增透技术措施,形成了复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术,并进行现场验证。研究结果表明:水力压裂区内的3个压裂钻孔平均瓦斯抽采纯流量较238底板道常规抽采钻孔单孔瓦斯抽采纯流量提高15.8倍,瓦斯抽采浓度提高4%,压裂区瓦斯抽采纯流量较对比区提高2.1倍,但水力压裂区域性措施受断层及煤层硬度等地质条件限制,存在盲区;水力割缝增透区内的抽采钻孔瓦斯浓度平均提高4.9倍,瓦斯纯流量平均提高3.3倍,对不同地质条件的适应性强,但是割缝影响范围小,抽采时效短;复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术综合了水力压裂与割缝的优点,对复杂地质煤层具有较强适应性,大幅提高了瓦斯治理水平。现场验证结果表明复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术在复杂地质条件下煤层强化抽采中有较好的实际应用价值。     

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。     

Rapid regional outburst elimination technology in soft coal seam with soft roof and soft floor

In order to solve the problems in outburst elimination of coal seams with outburst potential, methods of field testing, theoretical analysis and numerical simulation are employed in this study. It is found that the horizontal stress concentration surrounding coal unloading boreholes is the primary cause of the coal and gas blowouts in the process of the coal unloading and permeability improvement with high-pressure water jet. The results indicate that low borehole density and inefficient drainage are the main reasons for the occurrence of high outburst indices in the effeteness validation of regional measures to control outbursts. Based on numerical modeling results and onsite parameter testing, reasonable parameters such as borehole density are determined, and hydraulic fracturing is applied to improve coal seam permeability and relieve stress levels so as to eliminate regional outburst potential. The effect is significant in the field application, coal and gas blowout during the coal unloading period with high-pressure water jet is reduced dramatically, and the roadway development rate is increased by 48%. It is demonstrated that the gas drainage combined with the hydraulic fracturing, coal unloading with high-pressure water jet is a practical and effective technique for rapid elimination of coal and gas outburst potential in roadway development.     

水力冲孔技术在大倾角薄煤层中的应用

针对矿井现有防突措施的不足,介绍了水力冲孔技术的设备、工艺流程及现场试验情况.研究表明,在大倾角薄煤层应用水力冲孔技术,可有效地消除激发突出的应力,大幅度地释放煤体中的瓦斯,能明显提高瓦斯的抽采效果,很好地起到了综合防突的作用,且石门揭煤周期缩短为2个月.     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂数值模拟研究

针对高瓦斯低透气性煤层,采用RFPA2D-Flow软件,对水力压裂进行了数值模拟研究,再现了水力压裂过程中压裂孔周围裂纹的生成和扩展、渗透性和应力的变化。模拟结果表明：压裂过程中,裂纹规模和剪应力随着注水压力的不断增加而增大,并且剪应力的增加随着钻孔周围裂纹的扩展不断远离压裂孔,压裂孔周围的渗透性有了很大程度的提高,最大主应力和最小主应力随着注水压力的增加而减小。水力压裂的模拟结果对煤矿高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽采工作具有很重要的指导意义。     

构造煤承压过程瓦斯渗透特性实验研究

构造煤具有瓦斯含量高、渗透率低等特征,是瓦斯抽采和灾害预防的难点。在采用“二次成型”法制取原煤样试件的基础上使用自行设计的“三轴应力瓦斯渗透性模拟实验装置”通过“应力-渗透性”实验,针对构造煤原煤试件不同瓦斯压力条件下的应力加、卸载过程的瓦斯渗透规律进行了研究。实验结果表明:加载阶段,随着加载应力的增大渗透率降低,初期阶段降幅最为急剧,围压升到3 MPa时,渗透率均下降近65%;卸载阶段渗透率随着应力的减小而增大,围压完全卸载后渗透率只恢复到初始值的25%;同样的应力条件下,煤基质收缩对构造煤的影响作用大于有效应力的增加,渗透率随着其内部瓦斯压力的降低而增大。实验结果可为构造煤“卸压增透”效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。