铁法矿区地面钻孔抽放采空区瓦斯技术及应用

为了解决铁法矿区现有的6 对高突矿井,煤层瓦斯含量大,煤层透气性系数低,瓦斯抽放难度大的问题,传统的瓦斯抽放方法难以满足长壁开采生产的要求.解决低透气性煤层瓦斯抽放问题的根本途径是增加煤层的透气性.采用地面钻孔法抽取采空区瓦斯, 有效利用开采引起的缷压增加透气性.针对铁法矿区的地质条件和生产工艺特点,阐述了地面垂直钻孔法抽取采空区瓦斯的适用条件,钻孔参数的合理优化,地面钻孔抽放效果等.通过地面钻孔抽放瓦斯,不仅解决了低透气性煤层瓦斯抽放困难,高瓦斯涌出量对矿井安全生产造成威胁等难题,而且有效地利用了煤层气资源.     

搞好瓦斯抽放实现高产高效矿井

通过对盘江矿区高瓦斯突出煤层工作面建设“双高”矿井的难点进行综合分析，提出了对高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井搞好瓦斯抽放是实现高产高效矿井的关键，并介绍了老屋矿和土城矿采用开采保护层、顶底板巷道穿层钻孔预抽、本煤层预抽配合留管抽放治理瓦斯的经验和方法。     

煤层钻孔瓦斯抽放数值模拟

为了寻求合理的钻孔抽放参数,采用数值模拟的方法,应用计算流体力学软件fluent6.3建立了钻孔瓦斯抽放流动模型,通过气体渗流理论模拟抽放过程瓦斯流动规律,分析了抽放负压和煤层渗透率对瓦斯抽放效果的影响规律。结果表明:瓦斯抽放有效半径为2 m左右,抽放负压对抽放半径的影响不是很明显;瓦斯抽出量随抽放负压的升高而增加;煤层渗透率对瓦斯抽放量的影响比较大。模拟的抽放影响半径与现场实测结果基本一致。该模型可以对现场瓦斯抽放提供理论指导。     

煤与瓦斯突出防治技术应用研究

根据现场实践,初步确定了评价淮南矿区煤层突出危险性的敏感指标,介绍了瓦斯抽放技术在防治瓦斯突出的现场应用,考察了先抽后掘技术、边抽边掘方法、顺层及穿层钻孔抽放技术的防突效果,研究了其施工工艺和抽放参数,分析了开采保护层技术的防突效果,阐述了松软低透气性突出煤层在瓦斯的抽放及防治瓦斯突出上存在的困难,并探讨了解决问题的方向。     

瓦斯抽放在低瓦斯矿井瓦斯防治中的应用

为了解决高产高效工作面多瓦斯涌出源、瓦斯涌出量大的问题,结合矿井的地质开采条件,提出了实施综合瓦斯抽放方法,即开采煤层瓦斯采前预抽、卸压邻近层瓦斯边采边抽、本煤层抽放瓦斯、采空区瓦斯抽放等多种方法在一个工作面的综合应用。此方法在空间和时间上为瓦斯抽放创造更多的有利条件,将钻孔抽放与巷道抽放结合起来,大幅度提高了瓦斯抽放率,从而降低瓦斯抽放成本,保证了矿井安全生产。     

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。     

影响采空区顶板抽放瓦斯效果的主要因素分析

对于低透气性高瓦斯煤层群开采的首采工作面，或厚煤层开采一分层的工作面回风流中的瓦斯浓度超限问题是一大难题，为解决此难题，通常采用顺层钻孔、穿层钻孔抽放瓦斯措施，收到了一定的效果，问题尚得到较好解决。开采煤层工作面的瓦斯主要来源于本煤层、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，不便进行顺层钻孔抽放瓦斯，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。煤层回采后，采空区顶底板岩层卸压，产生裂隙。由于瓦斯的升浮漂移和渗流特性，来自于开采煤层和卸压煤层内卸压瓦斯，沿裂隙通道汇集到裂隙区，形成瓦斯积存库。把抽放钻孔或巷道布置在顶板裂隙内，实施瓦斯抽放，该抽放瓦斯技术起到了对开采工作面上隅角瓦斯的截流作用，解决了松软低透气性高瓦斯煤层群开采瓦斯抽放困难的关键技术难题。     

本煤层单一顺层瓦斯抽采钻孔的渗流场数值模拟

针对本煤层瓦斯抽采钻孔的合理布置问题,通过建立钻孔抽采瓦斯的渗流场控制方程和煤层变形场控制方程,结合钻孔抽采瓦斯的初始及边界条件,推导出钻孔抽采瓦斯渗流的固气耦合数学模型.以石壕煤矿本煤层单一顺层钻孔瓦斯抽采为工程实例,基于研究区域的煤层瓦斯赋存特征,采用数值模拟计算方法,获得了本煤层单一顺层钻孔周围煤层瓦斯压力、煤层瓦斯渗透率、煤层瓦斯渗流速度和煤层变形的分布规律.确定了本煤层单一顺层钻孔抽采瓦斯的有效影响半径,从而为本煤层单一顺层瓦斯抽采钻孔的优化布置提供了依据.研究结果表明,石壕煤矿本煤层单一顺层钻孔抽采瓦斯的有效半径分别为4 m左右;在延长钻孔抽放时间不到20%的情况下,减少了钻孔工程量50%左右,抽采效果良好.     

瓦斯抽放钻孔封孔方法技术革新

针对松软突出煤层顺层钻孔预抽瓦斯中存在的由于封孔质量问题而引起的瓦斯抽放浓度偏低等问题,在提高封孔质量方面采用新装备、新工艺和新方法,通过选择合适钻孔封孔技术、工艺,提高了抽放钻孔封孔质量、单孔抽放量、封孔质量和瓦斯抽放浓度。     

圆弧形三棱抽放钻杆在大众煤矿的应用

大众矿属煤与瓦斯突出矿井,典型的＂三软＂煤层,煤层瓦斯含量高。工作面在回采过程中,因煤体瓦斯抽排效果不好导致工作面、回风流及采面上隅角瓦斯经常超限,造成正常采煤频繁停止,对产量限制极大。而煤体瓦斯释放效果不好的原因之一是本煤层瓦斯抽放钻孔打不深,钻孔密度小,工作面沿走向中部煤体内存在钻孔空白带,瓦斯得不到有效抽排,对安全生产构成极大威胁。结合大众矿现阶段瓦斯抽放情况,选用圆弧形三棱抽放钻杆,对该矿本煤层瓦斯实施钻孔抽放,有效地解决了钻孔成型浅,抽放效果不好的问题,取得了良好效果。     

基于瓦斯渗透异性的煤层抽采钻孔合理布置

基于煤层瓦斯渗透各向异性特征,在九里山煤矿煤层进行了180d井下瓦斯抽采有效影响半径测试,同时,建立煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了抽采钻孔的合理布置方式。研究结果表明:煤层平行层理方向的渗透率是垂直层理方向的渗透率的2.6倍左右。煤层钻孔不同方向有效抽采半径均随抽采时间增加而增大,且与预抽时间满足幂指数关系,数值模拟结果与井下现场测量一致。有效抽采距离在平行层理方向最大,垂直层理方向最小,有效抽采区域为椭圆形。据此确定了不同预抽时间煤层抽采钻孔的合理间距,并针对九里山煤矿二1煤层计算分析了预抽时间与百米钻孔数的关系。     

顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺优化选择

根据岩石力学、弹塑性力学理论建立了顺层钻孔周围煤体塑性区应力分布数学模型,分析了顺层抽采钻孔施工过程中周围煤体破坏规律及应力分布状态。数值模拟了采用水泥砂浆封孔、聚氨酯封孔、胶囊封堵-压力注浆封孔三种工艺下钻孔周围煤体应力分布规律,三种封孔工艺分别通过改变钻孔支护阻力、钻孔周围煤体物性参数等方式进行模拟。结果表明:胶囊封堵-压力注浆封孔工艺可有效封堵裂隙,加固钻孔周围破碎煤体,对钻孔周围煤体应力分布的控制效果优于现有的封孔工艺,对于顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺有一定的指导意义。     

赵官煤矿矿井瓦斯基本参数测试与分析

应用理论分析和现场实测方法,探讨了赵官煤矿主采煤层瓦斯压力、钻孔瓦斯流量、煤层瓦斯含量和煤层透气性系数等参数,为研究煤层瓦斯的流动规律、煤层瓦斯抽放提供了科学依据,对赵官煤矿矿井瓦斯综合治理具有重要的指导意义。     

钻孔抽放瓦斯流固耦合分析及数值模拟

钻孔抽放瓦斯是中国利用和治理煤层瓦斯最主要的方法。随着开采深度的加深,地应力场等因素对瓦斯渗流的影响越来越明显。基于对煤层瓦斯一系列的假设的基础上,考虑了地应力、煤层瓦斯压力变化对煤体骨架产生的变形的影响,推导出了孔隙率、渗透率的表达式。运用多孔介质渗流的基本定理和流固耦合的基本理论得出了瓦斯流固耦合控制方程。运用多物理场耦合分析软件对钻孔抽放下的瓦斯渗流场进行了模拟分析。得到了钻孔抽放条件下瓦斯压力的分布、不同的埋藏深度下以及不同的钻孔参数（抽放负压、钻孔半径）对瓦斯渗流场的影响。分析模拟结果可以对现场     

沙曲矿煤层瓦斯赋存特征及抽放前景

通过对煤层瓦斯赋存特征的研究,认为沙曲矿煤层瓦斯生储类型理想,储量丰富,煤层透气性良好,瓦斯抽放的前景广阔;文中还对该矿瓦斯抽放与利用方式进行探讨。     

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.     

穿层钻孔煤巷条带水力压裂防突技术及应用

针对低渗高突煤层煤巷条带预抽区域瓦斯治理难题,运用弹性力学理论,结合高压水动力特性,提出穿层钻孔煤巷条带水力压裂防突技术,建立计算目标煤层起裂压力计算模型,集成配套井下压裂成套设备,并进行工业性试验。试验结果表明:技术实施后,压裂钻孔的瓦斯抽采浓度和抽采纯量曲线呈现"高—低—高"特点,体现了压裂改造的双重作用;相比于水力割缝孔和普通穿层孔,压裂孔的瓦斯抽采纯量分别提高了20倍和133倍;预掘煤巷处的残余瓦斯含量降到8m3/t以下,穿层钻孔煤巷条带水力压裂增透技术消突效果显著。     

水力压裂增透技术在煤巷掘进中的应用

针对高瓦斯低透气性突出煤层,若直接采用钻孔抽放瓦斯,则存在抽采效果差、抽放时间长、抽放率不高的问题。为提高低透气性煤层的抽放效率,达到预防瓦斯突出的效果,运用水力压裂增透技术在同华煤矿K1半煤岩巷掘进工作面进行了试验。试验结果表明,采用水力压裂能够增加煤层透气性,提高单孔瓦斯抽采浓度和流量,减少防突施工对掘进工作的影响,提高预抽瓦斯效果,减少掘进面生产期间的安全隐患。使掘进面瓦斯日抽采量增加120%以上、日掘进进度增加80%以上。     

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.