艾维尔沟矿区碎软难解吸煤层瓦斯运移规律

为了掌握艾维尔沟矿区主采煤层的瓦斯运移规律、指导瓦斯抽采工作,实测了煤层多元物性参数、建立了含瓦斯煤体多场耦合模型,通过数值模拟分析了瓦斯运移特性。研究表明：矿区主采的4号、5号和6号煤层存在煤层碎软、瓦斯含量高、透气性差等不利因素,抽采难度大。随着抽采时间增加,钻孔周围基质瓦斯压力和裂隙瓦斯压力均按照一元二次函数关系规律性减小。基质瓦斯压力与裂隙瓦斯压力在抽采初期降低速度基本一致,但随抽采时间增加,裂隙瓦斯压力下降速度明显快于基质瓦斯压力,二者之间的压力差也越来越大。5号煤层裂隙瓦斯压力和基质瓦斯压力的降低速度、裂隙中渗流速度及基质中瓦斯解吸扩散速度较4号和6号煤层慢。为提高矿区抽采效果,应采取强化瓦斯抽采措施改善煤层透气性等物理性质,以提高煤层裂隙瓦斯渗流速度,促进基质瓦斯解吸扩散,5号煤层应采取相对更加有效的增透措施。     

低透气煤层预裂瓦斯运移数值模拟及抽采试验

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采难问题,利用数值模拟软件RFPA2D-Flow再现了采取煤层深孔爆破预裂后,瓦斯在煤层及爆生裂隙中的流动规律.研究结果表明,预裂圈内煤和岩石的孔隙率大大提高,煤层透气性显著增加,但当裂隙圈之间不相交时,瓦斯同样很难在完整的低透气性煤体中运移,因此只有当抽采瓦斯钻孔处在裂隙圈中才能高效抽采瓦斯.现场试验证实,低透气性煤层预裂后,有效导通裂隙增加,布置在裂隙圈内抽采瓦斯钻孔可以获得高效抽采瓦斯效果,从而降低煤与瓦斯突出危险性.     

豫西芦店滑动构造区瓦斯抽放技术研究

针对河南省"三软"煤屡岩性结构的特殊性以及翠见的顶板瓦斯突出现象,通过地质调查、室内岩样测试和现场压裂试验,系统地探讨了软岩顶板的变形特征、泥化性能、压裂性能以及瓦斯抽采技术.研究表明,在传统的注水压裂技术难以奏效的情况下,应根据项板不同的岩性结构而采用不同的瓦斯抽放方法,即单层坚硬顶板宜采用钻孔抽放法,而复杂破碎顶板宜采用巷遭抽放法.     

顶板致裂增大煤层透气性技术试验研究

为解决新安煤矿瓦斯治理难题,提高瓦斯治理水平、增强防突效果,针对该矿瓦斯抽采现状和煤层赋存特征,开展了"松软不稳定煤层顶板制裂增大瓦斯透气性试验研究",着力解决封孔成功率低、钻孔利用期短、压裂影响范围小、流量衰减快等技术难题.在14170工作面顶板钻场分别施工了压裂及导向钻孔,通过压裂钻孔注入高压流体进行压裂以达到对煤体卸压增的目的.研究结果表明:该技术能有效提高抽采钻孔的瓦斯浓度及流量,大幅提高瓦斯抽采效果,有效地降低施工区域的突出危险性;形成了一套适合新安煤矿瓦斯地质条件的卸压增透工艺技术,为有效预防煤与瓦斯突出灾害提供理论及技术支持.     

开采煤层顶板环形裂隙圈内走向长钻孔法抽放瓦斯研究

开采煤层工作面的瓦斯主要来源于该煤层、采空区和邻近层的卸压解吸瓦斯。由于煤层松软，顺层钻孔施工难，不便钻孔抽放瓦斯。若对采空区实施大面积抽放，工程难度大，而且抽不出高浓度瓦斯。因此，寻找瓦斯运移的裂隙通道和瓦斯富集区，实施有效的瓦斯抽放工程是实现高效瓦斯抽放的技术关键。采用实验室相似材料试验、数值模拟计算和工业性试验研究方法，研究寻找采场上覆岩层中环形裂隙圈形成机理和位置，把抽放钻孔布置在环形裂隙圈内，进行“环形裂隙圈内走向长钻孔法”瓦斯抽放。这种瓦斯抽放技术使低透气性高瓦斯煤层的开采和瓦斯抽放分层区进行     

煤矿井下水力压冲增透强化抽采技术试验研究

新河煤矿为煤与瓦斯严重突出的基建矿井,煤层透气性低、瓦斯含量高。采用顶板抽放巷下向穿层钻孔进行预抽煤层瓦斯,抽采效率低,条带消突周期长。为提高新河煤矿抽采效果,先后尝试了水力压裂、水力冲孔增透措施,抽采效率有所改善,但持续时间短。在现场实践的基础上,提出了水力压冲一体化技术,以"水力压裂单元增透,水力冲孔出煤卸压"为技术思路,探讨了其技术流程、卸压增透及多级裂缝的形成机理,通过现场水力压冲增透抽采试验,结果表明,水力压裂后进行水力冲孔,瓦斯涌出严重,平均单孔涌出瓦斯1 485 m3,是未进行水力压裂的4.9倍,试验后最大日抽采纯量1 731 m3/d,平均623 m3/d,是试验前的2.9倍。     

综采面顶板走向大直径长钻孔瓦斯抽采技术参数的研究

通过对采场上覆岩层运移规律的研究,分析了关键层、"O"形圈与瓦斯抽采最优汇集区域的关系,建立了瓦斯运移规律的数学模型,运用UDEC软件对该模型进行了数值模拟解算,确定了顶板大直径长钻孔瓦斯抽采的钻孔布置方式及合理参数,为实现煤与瓦斯高效、安全共采奠定了基础.     

采场覆岩裂隙特征研究及在瓦斯抽放中应用

为了在采空区顶板实施瓦斯抽放枝术获得较高的瓦斯抽放效果,采用模拟试验和工业性试验的方法,研究采场上覆岩层中裂隙特征,寻找采场上覆岩层中裂隙位置和顶板瓦斯富集区。现场试验表明,把抽放钻孔布置在采空区顶板裂隙区内进行瓦斯抽放,对流向回采工作面上隅角的瓦斯起到了截流作用,基本上解决了高瓦斯煤层回采工作面上隅区瓦斯斯浓度超限问题。     

基于钻孔电阻率法动态监测的煤层覆岩瓦斯抽采层位确定——以李雅庄煤矿为例

高位水平钻孔瓦斯抽采技术是解决矿井瓦斯危害问题十分有效的工程技术手段.瓦斯抽采水平钻孔施工层位需要布置在覆岩采动裂隙带发育范围内,而复合顶板的采动裂隙带发育范围往往难以确定,导致钻孔施工层位不准确严重影响瓦斯抽采效率.为研究覆岩采动裂隙发育范围,精准确定水平钻孔布置层位,依据煤层开采覆岩变形破坏一般特征,采用钻孔电阻率法对李雅庄煤矿2607工作面开采覆岩裂隙发育特征进行动态监测,分析了不同采动时段的视电阻率响应特征和变化规律,得到覆岩裂隙发育分布的主要层位.研究表明:裂隙带主要发育范围位于煤层顶板26～47.5 m高度内的砂岩层,确定为瓦斯抽采的最佳层位,现场瓦斯抽采试验验证了该层位的准确性.钻孔电阻率法在覆岩裂隙动态监测方面具有较高的精度,为提高瓦斯抽采效率和降低瓦斯抽采成本提供了较重要的技术保障.     

穿层钻孔水力压裂试验研究

煤储层透气性低是制约煤矿瓦斯抽采的关键因素,为提高煤储层透气性,增加瓦斯抽采效果,依靠水力压裂技术,采用穿层钻孔对煤层进行激励,形成裂缝,达到增透的目的。同时,采用理论分析和现场试验的方法,对穿层钻孔水力压裂技术进行研究。压裂后压裂孔透气性系数增加了6~12倍,抽放纯量提高了24~30倍。水力压裂技术大幅地提高了煤层的透气性和钻孔瓦斯抽放量,是一种有效的煤储层增透工艺。     

单一低透煤层水力压裂增透技术试验

针对单一低透煤层瓦斯抽采浓度低、衰减快、瓦斯抽采困难等问题,提出了水力压裂增透技术.研究了水力压裂钻孔壁煤体起裂所需最小注水压力,分析了水力压裂过程中注水压力、流量等参数随注水时间动态变化特点,并对压裂前后煤层透气性系数变化和瓦斯抽采效果进行了考察.结果显示:实施水力压裂后,影响区内煤层透气性系数提高了20.32倍,平均瓦斯抽采浓度和纯量分别提高了4.1倍和5.1倍,水力压裂增透效果显著.     

补白$单一低透煤层水力压裂增透技术试验研究

针对单一低透煤层瓦斯抽采浓度低、衰减快、瓦斯抽采困难等问题,提出了水力压裂增透技术.研究了水力压裂钻孔壁煤体起裂所需最小注水压力,分析了水力压裂过程中注水压力、流量等参数随注水时间动态变化特点,并对压裂前后煤层透气性系数变化和瓦斯抽采效果进行了考察.结果显示:实施水力压裂后,影响区内煤层透气性系数提高了20.32倍,平均瓦斯抽采浓度和纯量分别提高了4.1倍和5.1倍,水力压裂增透效果显著.     

软、硬煤残余瓦斯含量差异性研究

针对具有软煤分层的突出煤体,为了更加准确地检验瓦斯抽采效果,必须研究瓦斯抽采后软、硬煤残余瓦斯含量之间的差异性.基于抽采条件下的瓦斯渗流场分析,考虑了煤层中存在软煤条件下对瓦斯流动及煤层的综合影响,通过建立瓦斯流固耦合方程,并结合钻孔抽采瓦斯的初始条件和边界条件,运用多物理场耦合分析软件模拟了抽采条件下软、硬煤的残余瓦斯含量的差异性.数值模拟结果表明:在相同的抽采时间内,软煤的残余瓦斯含量始终高于硬煤,软煤瓦斯含量降到8 m3/t需要180 d,硬煤瓦斯含量降到8 m3/t需要162 d.     

高位顺层钻孔瓦斯抽放数值模拟

针对八连城煤矿19号煤层62.1%~71.6%的瓦斯来源于采空区的问题,提出高位顺层钻孔抽放采空区瓦斯的治理方案.基于关键层理论和"O"形圈理论,分析了采空区上覆岩层裂隙形态,对瓦斯在其中的运移规律进行了研究,认为在上覆岩层采动裂隙中瓦斯流动符合达西定律.利用商业软件COMSOL-Multiphysics对瓦斯抽放进行了数值模拟,直观展示了瓦斯抽采时的瓦斯分布状态.模拟结果表明瓦斯抽放有效降低了瓦斯压力,给现场瓦斯抽放提供了理论依据,具有重要的实践意义.     

深部采动破断煤岩体中瓦斯运移与富集机理及规律

(1)使用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置对平煤十矿及十二矿现场采取的原煤进行了进行了不同温度、不同有效应力和不同瓦斯压力条件下的渗流测试。当有效应力保持恒定,渗透率随着温度的升高逐渐降低;相同温度条件下,有效应力越大,渗透率越小;当瓦斯压力保持恒定时,渗透率随着温度的升高逐渐降低。(2)在含瓦斯煤热流固耦合问题中,提出了含瓦斯煤的应力场、渗流场及温度场耦合方程。(3)利用"多场耦合煤矿动灾害大型模拟试验系统"进行了0.1~0.4 MPa瓦斯压力下常规加载及3种不同开采方式大尺度煤岩的渗流实验研究,煤样的尺寸为长1 050 mm×宽410 mm×高410 mm。常规加载大尺度煤岩渗流试验看出随着时间的增加,煤样的应变随着应力的改变而改变,瓦斯流量与轴向应力、体积应变有较好的对应关系;当到达应力峰值后,随着轴向应力的降低,轴向应变与体积应变略微减小,流量增加,但增加幅度不大。(4)对现场取得的岩石样品进行卸围压试验,同时测定其渗透能力。根据CT扫描成果,卸围压达到的峰值强度后,大部分原煤试件内部形成单斜破坏的裂隙面,该裂隙面的剪切破坏使原煤样出现整体破坏。(5)在重庆大学国家重点实验室的旋转模型试验台上进行了基于平煤十矿戊9-10煤层与平煤十二矿己15-17200采煤工作面特点的相似模拟实验研究。(6)在平煤十矿北翼东区戊组设置瓦斯专巷,施工钻孔,利用CXK6-Z矿用本安型钻孔成像仪对钻孔中裂隙发育情况进行扫描,并统计裂隙场发育情况;采用UDEC软件进行数值模拟,对己15-17200采面覆岩裂隙场演化规律进行研究并分析其开采对戊9-10煤层的影响。结果表明,十二矿己15煤层覆岩裂隙带高度为100.0~109.5 m,综放工作面覆岩破坏范围的形态呈现出两边高中间低的类似马鞍形。(7)采用"远程顶板瓦斯抽采专用巷道下向钻孔法"、抽采垮落拱上方卸压区内瓦斯的"顶板走向钻孔法"与"本层机风巷瓦斯预抽"相结合的方法,使处于煤层采动影响卸压区范围内的瓦斯得到全面安全高效的抽采。通过优化设计可提高瓦斯抽采率17.52%。     

新型无机缓凝封孔浆液注浆扩散形态研究

为解决已有瓦斯钻孔封堵技术中固态封堵材料无法封堵次生裂隙、导致瓦斯抽采后期抽采效果急剧下降的难题,提出了一种操作简单、成本低廉、提高钻孔密封效果的瓦斯抽采钻孔密封方法,即通过注浆泵带压注浆的方法将新型无机缓凝封孔材料注入2段膨胀封堵材料形成的密闭空间内对煤岩裂隙进行封堵。文中采用FLUENT数值模拟软件首先研究了煤矿井下工作面顺层钻孔封孔段在不同注浆压力和水灰比条件下的浆液扩散形态和钻孔封孔段周围浆液压力变化情况,然后对不同注浆时刻各种注浆压力条件下钻孔周边煤体内浆液压力的分布情况进行了分析,得到了注浆时间与浆液有效扩散距离的关系,为现场注浆工艺参数的确定提供指导。最后在河南能源城郊煤矿进行了现场应用,在为期2个月瓦斯抽采的观测期内,使用新型无机缓凝封孔材料进行封孔作业的抽采钻孔瓦斯浓度始终大于30%,瓦斯抽采纯量变化很小,始终维持在0.12 m~3/min之上,瓦斯抽采效果提升明显。新的封孔材料为瓦斯封孔提供了新思路,对提高钻孔抽采效率、提高资源利用率、杜绝瓦斯事故具有一定的意义。     

鹤煤九矿瓦斯抽采钻孔布置数值模拟及应用

钻孔预抽煤层瓦斯是目前治理矿井瓦斯的主要措施。以瓦斯渗流理论为基础,以钻孔抽采周围流场为径向流场,建立了钻孔周围瓦斯流动数学方程;并结合鹤煤九矿3104工作面具体抽采条件,利用COMSOL Multiphysics软件对钻孔预抽煤层瓦斯在不同抽采时间、不同抽采负压和不同钻孔直径下周围瓦斯压力分布进行数值模拟。并将上述模拟结果确定的抽采钻孔布置参数在3104采煤工作面进行煤层瓦斯预抽实践;抽采后经效果检验,残余瓦斯压力、残余瓦斯含量等均与《煤矿瓦斯抽采基本指标》中的相关规定相符合,3104工作面已经消除了煤与瓦斯突出的危险性。     

下隅角顶板预置钻孔瓦斯抽采技术在下行风综采放顶煤工作面的应用

为了加大综采放顶煤工作面瓦斯防治力度,解决下行风综采放顶煤工作面机头段顶板瓦斯积聚超限问题,大平矿在生产实践中总结出了下隅角顶板预置钻孔瓦斯抽采技术,解决了瓦斯积聚超限问题,提高了工作面的瓦斯抽采率,降低了工作面的风排瓦斯量,有效地保证了工作面的安全、高效生产,并对其取得的效果进行了分析总结。     

高位钻孔瓦斯抽采参数优化设计

基于采空区覆岩裂隙分布规律、覆岩裂隙瓦斯流动规律和高位钻孔抽采技术研究现状,从覆岩"竖三带"、"O"形圈和U型通风条件下采动裂隙瓦斯流动规律出发,找出高位钻孔的理论合理布置区域,指出工作面后方50m范围内覆岩裂隙发育状况是高位钻孔层位设计的关键,针对祁南煤矿32煤层的特点,结合现场采用数值模拟方法模拟不同开采速度条件下覆岩裂隙发育规律,优化设计高位钻孔的抽采参数,在34下2工作面和3410工作面的现场试验中,高位钻孔抽采浓度和抽采率得到大大提高,取得了较好的抽采效果,验证了研究的正确性。     

低瓦斯高强度开采综放工作面卸压瓦斯抽采关键技术

为研究低瓦斯高强度开采综放工作面采动覆岩裂隙演化过程中瓦斯的运移规律,提高矿井瓦斯治理能力,以王家岭矿12302工作面为例,研究了煤层开采后上覆岩层的垮落和位移特征,通过分形维数定量描述了裂隙的发育情况,得到了覆岩的三带高度、跨落角、裂隙区等参数,以此参数建立数值模型研究采动裂隙与瓦斯运移的耦合特性,将研究结果应用于现场的卸压瓦斯的抽采设计并进行了效果检验。结果表明:走向模型的冒落带为28.2 m,裂隙带为118.6 m,切眼处和停采线处的垮落角分别为59.5°和51.5°,倾向模型的冒落带为28.2 m,裂隙带为113.6 m,进刀端和停采线处的垮落角分别为62.5°和55.5°;随着工作面开采距离的增加,分形维数先增大后减小最后趋于平稳;采场卸压瓦斯整体上有向上、向采空区深部、向回风巷一侧运移的特性,采空区深部瓦斯浓度可达20%,上隅角瓦斯浓度接近1.5%,采动裂隙带瓦斯聚集区位于距回风巷20～50 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内;采用高位定向长钻孔抽采采动裂隙带聚集瓦斯的抽采效果较好,上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%,保证了矿井的安全生产,为类似条件下的瓦斯治理提供参考。