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%。     

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。     

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。     

易自燃煤层顺层抽采钻孔封孔参数优化研究

针对平煤十矿顺层抽采钻孔封孔不佳导致钻孔自然发火问题,用钻屑法试验研究巷道围岩应力分布特征,深入分析钻孔周围存在的漏气情况及导致钻孔自然发火的条件,并利用Comsol Multiphysics软件,数值模拟不同封孔深度与长度下钻孔周围漏风速度的分布状况,得到最优封孔参数,并探讨其对瓦斯抽采效果的影响。结果显示,距巷道0～7 m为破碎区,8～19 m为塑性区,20～28 m为弹性区;巷道周围破碎区、钻孔周围漏气圈、封孔材料漏风及抽采管路漏风为钻孔漏风区域,为钻孔自然发火提供通风供氧条件。研究表明:当封孔深度为17 m,封孔长度为8 m,最大抽采负压低于30 kPa时为最优封孔条件,既能保证抽采效果又能防止钻孔自然发火;封孔参数优化后单孔瓦斯抽采体积分数达到70%。     

抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布理论分析及应用

在煤层瓦斯抽采工艺中,抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布状况决定了最佳抽采时间和抽采半径。为研究抽采钻孔周围煤层瓦斯压力分布情况,通过理论分析和数值模拟,构建抽采钻孔周围煤层瓦斯流量表达式;应用达西渗流定律,推导出抽采钻孔周围煤层瓦斯压力解析表达式;采用瓦斯抽采半径随抽采时间的变化速率作为确定瓦斯抽采最佳时间的依据,给出临界值,并进行工程应用。结果表明:随着测定点与钻孔中心距离的增加,煤层瓦斯压力逐步上升,最终趋于原始值;随着抽采时间延长,瓦斯压力大致呈指数规律下降;瓦斯抽采半径随抽采时间的变化速率临界值可暂定为0.47。     

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。     

基于响应曲面法的有效抽采半径多因素交互影响机制研究*

为探究钻孔有效抽采半径的关键影响因素及各因素间交互作用,构建应力应变-瓦斯吸附解吸耦合渗透率变化模型,采用COMSOL软件进行数值模拟,分析单一因素变化对钻孔有效抽采半径的影响,并通过Design-Expert软件设计响应曲面试验,分析多因素交互作用对钻孔有效抽采半径变化的影响机制,获得有效抽采半径对多因素交互影响的响应曲面模型。研究结果表明:不同因素对钻孔有效抽采半径影响的显著性顺序为:煤层初始渗透率、原始瓦斯压力、抽采时间,煤层初始渗透率和抽采时间与有效抽采半径呈正相关关系,原始瓦斯压力与有效抽采半径呈负相关。1个影响因素的变化会影响其他因素对有效抽采半径的影响,煤层初始渗透率能够放大其他因素对有效抽采半径的影响,而原始瓦斯压力则会降低其他因素对有效抽采半径的影响。     

复合膨胀材料研发及其在瓦斯抽采中应用的试验研究

为提高瓦斯抽采钻孔的密封效果,通过普通硅酸盐水泥、硫铝酸钙水泥、自制高倍率膨胀剂等材料的复配,研发出一种膨胀率高、速凝、高强度的钻孔密封材料。实验室测试材料的流动度、凝固时间、抗压强度等性能指标;在井下现场同常见的钻孔密封材料开展钻孔密封的对比试验。实验室测试结果表明:该材料适合瓦斯抽采钻孔的密封;在井下穿层钻孔密封试验中,该材料密封的钻孔比应用马丽散材料密封的钻孔瓦斯抽采体积分数可提高18%~24%,抽采速率可提高50%~80%。井下顺层钻孔密封试验结果表明:使用该材料,在2个月内平均瓦斯抽采体积分数达71.3%,比普通硅酸盐水泥密封的钻孔平均提高约17.4%。     

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。     

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。     

Fluent模拟结合SF_6示踪法测定钻孔有效抽采半径

根据煤层瓦斯流动理论,通过Fluent软件建立钻孔抽采瓦斯流动模型,模拟出SF_6气体在瓦斯流场内的运动情况以及钻孔周围瓦斯压力下降的情况。使用SF_6气体示踪法进行现场测定,根据相似理论,把软件模拟结果与现场实测结果结合确定钻孔的抽采有效半径。并以屯兰矿做实证研究,为今后抽采钻孔及钻场的设计提供了理论和参考依据。     

数值模拟结合SF_6示踪法确定煤层钻孔瓦斯抽采有效半径

为准确确定煤层钻孔的瓦斯抽采有效半径,实现最优钻孔设计及最佳抽采效果,根据煤层瓦斯流动理论与煤岩体变形理论,建立钻孔抽采煤层瓦斯的气固耦合数学模型。并利用COMSOLMultiphysics软件,模拟SF6气体在瓦斯渗流场内的运移过程。利用SF6气体示踪法进行现场测试。依据相似定律,结合模拟与实测结果确定钻孔抽采有效半径的范围。以黄陵集团一号煤矿306工作面为例进行试验研究。试验结果表明,模拟结果与实测结果基本吻合;在钻孔直径为94 mm,抽采负压为15 kPa的条件下,预抽30天后,试验工作面抽采有效半径为5.88 m。     

“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%。     

高瓦斯孤岛工作面预抽钻孔封孔工艺优化研究

针对王坡煤矿高瓦斯孤岛工作面预抽钻孔封孔质量差、抽采效果不理想的问题,基于围岩裂隙演化钻孔封堵原理,采用数值模拟和现场指标测试相结合的方法对巷道围岩应力场分布进行分析,进而确定了3210孤岛工作面抽采钻孔的合理封孔段深度为距煤壁15 m,并考虑距煤壁3 m范围内煤体破碎严重的问题,将原“两堵一注”封孔工艺优化为“三堵一注”封孔工艺。针对两种封孔工艺开展了现场抽采钻孔封孔试验,在60 d的抽采监测期内,优化工艺试验钻孔的平均甲烷体积分数为47.19%,较原有封孔工艺的平均甲烷体积分数高15.90%。现场试验结果表明,数值模拟与钻屑指标测定法综合确定合理封孔深度是科学有效的,抽采钻孔的封孔质量得到明显改善,抽采效果显著提高。     

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。     

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。     

煤层瓦斯压力测定的合理封孔注浆压力研究

煤层瓦斯压力测定是煤矿安全生产基础参数测定的重要内容之一,测压成功的关键是封孔技术。当围岩裂隙较发育时需要采用压力注浆封孔,注浆压力就成为封孔的技术关键。为了确定一定围岩岩性条件下的合理封孔注浆压力,采用数值模拟的方法对测压钻孔塑性区大小进行了仿真模拟,并根据浆液渗流规律和钻孔围岩性质之间的关系建立了浆液流动数学模型,得出了合理的注浆压力为4MPa,结合新型“两堵一注”囊袋式封孔装置与CPD8M型煤层瓦斯压力自动测定仪进行了现场应用,结果表明4MPa的注浆压力满足平煤十三矿试验现场围岩条件下的封孔要求,对同类条件下瓦斯压力测定具有一定的指导意义。     

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%。     

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。     

考虑水渗流作用的顺层抽采模拟及参数优化研究

为研究水渗流作用对顺层钻孔抽采的影响,为抽采工艺参数优化提供理论依据,建立了考虑水渗流场的气水两相流固耦合方程,并利用COMSOL Multiphysics软件对赵庄矿1309工作面顺层钻孔的抽采负压与钻孔间距进行参数优化。研究结果表明:随着抽采时间增加,煤层水压与水相相对渗透率均快速下降后趋于稳定不变,气相相对渗透率先升高后不变,煤层瓦斯压力在抽采过程中逐步降低;抽采负压改变对煤层相对渗透率几乎无影响;在相同预抽时间里,抽采影响半径与抽采负压呈指数函数关系,抽采负压由15 kPa提高到27 kPa,可降低煤层瓦斯压力,有效影响半径扩散明显,超过27 kPa变化不再明显;钻孔间距设置为4.5 m可在预抽期内满足抽采要求且节约施工成本。