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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

低渗煤层高压水射流割缝增透技术试验研究

霍尔辛赫煤矿为高瓦斯矿井,3号煤层为较难抽放煤层,如何有效增加3号煤层透气性、提高瓦斯抽采效果,成为矿方亟需解决的问题。为此,采用自主研发的瓦斯抽采孔水力作业机,开展了低渗煤层高压水射流割缝增透抽采瓦斯技术试验研究。研究表明:经高压水射流割缝后,瓦斯抽采钻孔的平均抽采浓度增加3.87~9.31倍,平均抽采纯量增加2.67~7.33倍,增透效果显著;割缝钻孔出煤量为2.3~3.4 t,使钻孔周围煤体地应力得以有效释放,这也正是瓦斯抽采效果显著提高的主要原因。     

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。     

基于D-P准则的煤层钻孔封孔深度分析

为了确定合理的煤层钻孔封孔深度,提高瓦斯抽采效果,基于D-P屈服准则,提出关于中间主应力、煤岩剪膨胀的巷道开挖模型,推出钻孔周围煤体应力应变及钻孔封孔深度表达式。结合工程实例,以煤巷掘进工作面平均瓦斯抽采浓度和钻屑量为基础进行封孔深度的验证。研究结果表明:中间主应力、残余黏聚力、内摩擦角和剪胀角对于封孔深度有重要影响;在一定区间内,钻孔封孔深度随中间主应力的增大而增加,超过某个值后会随着中间主应力的增加而减小;剪胀角越大,扩容系数越大,钻孔封孔深度越大;平均瓦斯抽采浓度和钻屑量测试结果验证了封孔深度的准确性。     

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。     

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。     

西沟煤矿注CO2促抽煤层瓦斯模拟研究

为了提高瓦斯抽采效果,以西沟煤矿5315工作面注气瓦斯抽采方案为工程背景,开展注CO₂促抽煤层瓦斯模拟研究。通过对注CO₂驱替煤层瓦斯机理研究,结合注气瓦斯抽采过程中的气体运移场和煤体变形场的耦合关系,建立了注CO₂促抽瓦斯固气耦合模型;利用COMSOL Multiphysics软件模拟了工作面注气瓦斯抽采,对比分析了注气瓦斯抽采与本煤层顺层钻孔抽采的瓦斯抽采效果,论证了煤层注CO₂促抽煤层瓦斯工艺的可行性与有效性。研究结果表明:在工作面瓦斯抽采90 d后注入CO₂,对瓦斯抽采的促抽效果明显,煤层瓦斯压力降至0.46~0.49 MPa,瓦斯含量降低至4.22 m3/t;在90 d后注入CO₂促抽煤层瓦斯,在瓦斯抽采至第180 d时,抽采效果较钻孔瓦斯抽采明显提高,煤层瓦斯压力降低了7.84%~9.26%,残余瓦斯含量减少了18.63%。通过工程实测可知,5315工作面在注入CO₂促抽煤层瓦斯抽采后的瓦斯压力与瓦斯含量分别降低至0.48 MPa和4.76 m3/t,有效降低了煤与瓦斯突出的危险性。     

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。     

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。     

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。     

顶板水力挠动强制卸压煤层瓦斯抽采工程实践*

对塑性松软煤体进行水力挠动较难取得理想的瓦斯增浓提效效果,为克服该措施的局限性,使松软煤层有效卸压增透,可将挠动对象转移至煤层顶板砂岩。基于对顶板砂岩水力挠动裂隙发育、延展及煤层卸压增透机理分析,在试验矿井的松软煤层及顶板砂岩中分别施工钻孔进行水力挠动试验,同时采用多级指标对措施后的瓦斯抽采效果进行考察。结果表明:水力挠动作用下砂岩体内部形成有利于下部煤层瓦斯流动的裂隙网络,抽采流量、浓度及累计抽采纯量大幅提高;但由于高压水作用下松软煤体内部发生塑性变形、裂隙堵塞、瓦斯流动性弱化,导致抽采流量、浓度及累计抽采纯量不升反降。研究结果可为松软煤层实施水力挠动提供参考,以期实现较理想的瓦斯治理效果。     

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。     

三囊袋封堵器处置钻孔漏气技术研究

为了对瓦斯抽采钻孔周围的裂隙进行有效封堵,建立钻孔漏气圈模型,提出带压注浆一次封孔与漏气处置二次封孔相结合的技术方法,研制出一种既具有封孔又具有漏气处置功能的三囊袋封堵器装置,并进行了现场工业试验。结果表明:该装置成功实现了封孔和漏气处置的一体化操作,能够有效减少漏气圈面积,钻孔瓦斯浓度提高了25%～177%,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%。