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.     

覆岩采动卸压瓦斯高位钻孔抽采技术

为解决工作面隅角瓦斯超限难题,提出了在外错高抽巷内布置高位钻孔抽采工作面覆岩采动卸压瓦斯方法。针对李雅庄煤矿2-603工作面开采技术条件,建立了高位钻孔围岩结构力学模型,采用理论分析、数值模拟分析及现场实测分析等方法,确定了外错高抽巷内高位钻孔终孔合理位置。首先,覆岩采动裂隙主要分布在上山采动角62°以内,下山采动角65°以内,距离煤层底板13~25 m和38.6~50 m等2个区域,高位钻孔终孔应布置于第二区域内。其次,高位钻孔终孔位于2煤顶板44 m处,采空区内投影长度不小于28 m时,钻孔抽采瓦斯浓度高,且持续抽采时间长。最后,工程应用效果表明,2-603工作面上隅角瓦斯浓度生产班、检修班分别为0.50%~0.95%,0.47%~0.89%,避免了隅角瓦斯超限,保障了工作面安全高效回采。     

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。     

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.     

新景矿9#煤顺层钻孔瓦斯抽采固-气耦合模型数值模拟

为了探讨顺层瓦斯抽采时的瓦斯渗流运移规律,提高低渗透煤层的抽采效率,运用弹塑力学理论,基于煤体骨架有效应力的变形特性,利用Kozeny-Carman方程进行理论推导,建立了钻孔周围煤体弹性形变与塑性形变的渗透率与孔隙率动态变化模型.结合多孔介质渗流力学理论,建立了钻孔抽采瓦斯渗流固-气耦合模型.针对新景矿9#煤的地质条件,运用COMSOL计算软件,对其耦合模型进行数值计算,得出了布孔间距与单钻孔有效抽采半径之间的关系.模拟结果表明：随着钻孔不断抽采,钻孔瓦斯抽采量初期比较大并能维持一段时间,随后将逐渐减小,最后接近稳定值,同时钻孔有效抽采半径也逐渐变大,但变化的程度越来越小.通过现场实际运用,验证了该模型与关系式的有效性与正确性.     

阳泉矿区松软低透煤层底板穿层钻孔抽采时间优化

确定底板穿层钻孔有效抽采时间对于优化生产接替,提高生产效率有重要意义。在阳泉某矿穿层钻孔施工过程中,由于煤层透气性差、瓦斯含量高、地应力大,原有的抽采设计已不能满足消突与接替需要。在不补打钻孔条件下,延长预抽时间就成为区域瓦斯防突达标的重要途径。文中采用实验室实验、数值模拟与工程验证相结合的研究方法,首先通过实验得到了煤层的瓦斯基础参数,建立了适用于阳泉矿区煤层特点的数值模拟本构模型,并对该煤层底板穿层钻孔不同抽采时间下的抽采效果进行了模拟研究。结果表明:随着抽采时间的延长,穿层钻孔的影响范围在逐渐增大,瓦斯压力在不断降低。抽采时间为300 d时,抽采钻孔中心点残余瓦斯压力可以降至0.74 MPa以下,可以达到防突要求。最后,通过收集工程实践过程中瓦斯抽采数据,计算得出了煤层残余瓦斯含量,获得了实际残余瓦斯含量与抽采天数的关系,验证了数值模拟结果的正确性。     

本煤层瓦斯抽采钻孔合理密封深度确定

为了确定本煤层瓦斯抽采钻孔的合理密封深度,进而改善本煤层瓦斯抽采钻孔的封孔效果,提出了瓦斯抽采钻孔合理密封深度的综合判定办法。通过理论分析钻孔周围煤体应力分布和破坏情况,并利用ZKXG30K矿用钻孔窥视仪直观确定了抽采钻孔内部情况,根据数值模拟法和现场钻屑法的实测结果,初步确定了井下工作面瓦斯抽采钻孔的合理密封深度,最终结合五阳矿53105工作面现场试验应用的验证,确定了五阳矿53105工作面较理想的钻孔密封深度为14m.研究成果为本煤层瓦斯抽采钻孔高效密封提供了依据。     

外错高抽巷高位钻孔卸压瓦斯抽采技术

为解决相邻两工作面上隅角瓦斯超限难题和实现高抽巷"一巷两用",提出外错高抽巷布置方式:沿上工作面回风顺槽侧,在煤层顶板内外错布置走向高抽巷;在高抽巷服务前期,在其内采用高位钻孔抽采上工作面采动卸压瓦斯;在高抽巷服务后期,直接采用高抽巷抽采下工作面采动卸压瓦斯;实现1条高抽巷服务于相邻两工作面,提高高抽巷利用效率。基于山西霍州煤田集团李雅庄煤矿2-603工作面地质条件,建立外错高抽巷围岩结构力学模型,采用理论分析、数值模拟、相似材料模拟及现场实测等研究方法系统分析工作面覆岩采动裂隙发育特征,研究覆岩采动裂隙分布规律,确定外错高抽巷和高位抽采钻孔布置参数;基于高位钻孔测斜结果,提出角度补偿纠偏方法及纠偏效果评价指标。高抽巷位于2煤层顶板25.0 m处,外错2-603工作面25.0 m;高位钻孔终孔位于顶板44.0 m处,水平及倾斜方向上的纠偏角分别为-3°和-2°。研究结果表明:高抽巷受2-603工作面采动影响较小,巷道断面能满足下区段2-605工作面抽采要求;高位钻孔终孔位置合理,高位钻孔抽采瓦斯体积分数高,且持续抽采时间长;采用角度补偿纠偏方法后钻孔瓦斯体积分数的最大值和平均值较纠偏前分别提高15.3%和11.6%,2-603工作面生产班、检修班上隅角瓦斯体积分数分别为0.504%~0.951%和0.467%~0.893%,解决了工作面隅角瓦斯超限难题,保障了工作面安全高效开采。     

顺层瓦斯抽放钻孔渗流场数值模拟及应用

切实可行的瓦斯抽放方式是预防煤矿瓦斯事故灾害的重要方法之一。为了能准确合理地确定顺层瓦斯抽放钻孔的布置参数,基于煤层瓦斯流动理论,建立钻孔抽放瓦斯渗流场数学模型,运用有限元分析软件COMSOL-Multiphysics,以董家河煤矿22518工作面为例,对工作面顺层钻孔瓦斯抽放过程进行数值模拟,研究抽放钻孔周围瓦斯渗流场分布规律,确定22518工作面顺层瓦斯抽放钻孔的布置方式。结果表明:瓦斯抽放初期,瓦斯抽放量较大,持续时间较长,抽放瓦斯卸压作用使得钻孔周围一定范围内的煤体渗透率显著提高,在钻孔中心位置,瓦斯渗流速度达到最大值,煤体孔隙率随着抽放时间的推移逐渐降低,设计钻孔直径90 mm,抽放负压20 k Pa,钻孔有效抽放半径确定为3~4 m时抽放效果较好。该研究结果对提高瓦斯抽放效率,预防瓦斯事故灾害,保障煤矿安全生产具有重要的指导意义。     

高抽巷层位变化对采空区瓦斯分布规律的影响研究

为研究高抽巷在采空区瓦斯抽采和上隅角瓦斯治理方面的应用，以及探究高抽巷抽采层位对采空区瓦斯分布规律的影响，以李阳煤矿15302综放工作面为研究对象，运用Fluent数值模拟软件对采空区未抽采和不同层位高抽巷抽采时的瓦斯分布进行模拟，通过对比瓦斯抽采浓度和上隅角瓦斯浓度的数据，分析高抽巷在不同层位的瓦斯抽采效果，将模拟结果与现场实际相结合，设计适合的高抽巷抽采层位方案，并用现场实测数据进行验证。结果表明：高抽巷瓦斯抽采浓度随抽采位置距顶板垂直高度的增加而升高，随着距回风巷水平距离的增加先升高后降低，上隅角瓦斯浓度随垂距和平距的增加均先降低后升高；理论最佳抽采层位为垂距30 m,平距32 m,工作面上隅角瓦斯浓度在0.19%以内，设计抽采层位为垂距40 m,平距35 m,工作面上隅角瓦斯浓度维持在0.63%～0.65%.选取合理的高抽巷抽采层位不仅有利于提高瓦斯抽采效果，而且能有效解决上隅角瓦斯超限的问题。     

顺层钻孔抽采瓦斯有效半径数值模拟与实测研究

为准确地确定顺层钻孔抽采瓦斯的有效半径,结合实际阳泉矿区某矿煤层赋存参数条件,运用FLUENT软件对单个钻孔和多个钻孔抽采下的煤层瓦斯渗流场进行了数值模拟分析。结果表明:该工作面抽采时间60 d的单个钻孔理论瓦斯有效抽采半径为1.73 m;多钻孔抽采条件下相邻钻孔的间距对瓦斯渗流场的影响具有一定的规律;数值模拟结果与实测结果具有较好的一致性。     

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。     

各向异性和非均质性对煤层抽采钻孔瓦斯渗流的影响作用机制

为提高深部煤层瓦斯抽采效率,研究抽采钻孔周围煤体的瓦斯渗流规律十分关键。文中基于煤体的各向异性和非均质性,考虑煤体应力变形场和瓦斯渗流场的交叉耦合作用,分析了煤层抽采中水力割缝钻孔周围瓦斯压力以及渗透率的时空演化规律。结果表明:煤体的各向异性和非均质性影响割缝钻孔周围的瓦斯渗流规律。对于瓦斯压力的变化,平行层理方向瓦斯压力降幅大于垂直层理方向,抽采影响范围分布呈现"椭圆形",煤体各向异性表征明显。对于渗透率的变化,平行层理方向的煤层渗透率高于垂直层理方向,抽采初期渗透率的增加幅度较快,随后逐渐减缓,渗透率变化曲线呈现不规则"锯齿形",煤体非均质性表征明显。将数值模拟结果与杨柳矿4~#钻场瓦斯抽采的实际监测情况相互对比,现场实测的瓦斯抽采情况与模拟得到情况基本吻合,从而验证了数值模拟的合理性及工程适用性。     

含瓦斯煤气固耦合作用在顺层双钻孔瓦斯抽采中的应用

为研究顺层双钻孔抽采过程中煤层瓦斯压力和渗透率的变化规律,将煤体视为双重孔隙结构介质,结合气体滑脱效应等因素的影响,建立了基于双孔结构特征的含瓦斯煤气固耦合作用模型,并通过有限元方法进行了数值解算分析。结果发现,瓦斯抽采时,两钻孔之间区域的瓦斯压力下降幅度明显大于其他区域,而在两钻孔区域的外侧至研究区域的边界处均出现了较为显著的瓦斯压力梯度;当钻孔间距为5 m和10 m时,同等条件下相较于钻孔间距为2 m和15 m的情况,煤层渗透率相对较大,而且瓦斯抽采有效区域分布更为均匀。同时,当钻孔间距小于5 m时,有效的瓦斯抽采影响区域会出现严重重叠现象,增加施工成本,而当钻孔间距大于10 m时,煤层中会产生一定程度的瓦斯抽采盲区,因此,5～10 m可以作为瓦斯抽采钻孔的合理布置间距。     

潘三煤矿11-2煤穿层钻孔的优化布置

穿层钻孔的布置方式是影响瓦斯抽采效果的重要因素之一。为研究潘三煤矿11-2煤穿层钻孔布置方式对瓦斯抽采的影响,笔者以该矿2121(1)运顺瓦斯综合治理巷为工程研究对象,分析10×5,8×6和7×7穿层钻孔布置方式对瓦斯抽采的影响。基于对煤层瓦斯的一系列假设建立了煤层瓦斯气固耦合模型,利用有限容积和牛顿迭代法对3种钻孔布置方式的瓦斯抽采过程进行数值模拟,并对这3种钻孔布置方式的钻孔施工工程量和单孔平均抽采瓦斯纯量进行了现场试验考察。结果表明:采用7×7与8×6布孔方式在相同抽采时间下留有空白带面积明显小于10×5,而且它们在消除空白带所需的时间上也少于10×5,由此看出10×5布孔方式最不利于消突;8×6钻孔布置所需钻孔施工工程量最少,而7×7钻孔工程量最多;7×7布孔方式的单孔平均抽采瓦斯纯量略高于8×6,而10×5布孔方式单孔平均抽采瓦斯纯量最低。结合数值模拟和现场试验结果得出,采用8×6钻孔布置方式最优。该研究结果对煤矿井下穿层钻孔设计具有一定的指导作用。     

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。     

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.     

基于抽采瓦斯量测定地面钻孔有效半径研究

为了准确考察保护层开采条件下被保护层地面钻孔有效抽采半径,从而为合理布置地面钻孔提供依据,对现有测定地面钻孔有效半径存在的问题进行了分析。基于瓦斯流动理论和煤层瓦斯抽采量、抽采率等在防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害以及煤层气开发和利用的要求,在保证煤层瓦斯预抽率大于等于30%和煤层瓦斯含量小于等于8 m3/t条件下,提出了基于考察地面钻孔抽采瓦斯量测定地面钻孔有效半径的新方法,接下来应用该方法对地面钻孔有效抽采半径进行了计算。研究结果表明:基于钻孔瓦斯抽采量测试新集一矿北中央采区131105工作面地面1#、2#、3#和4#钻孔有效抽采半径分别为85 m、55 m、75 m和115 m,并验证了示踪技术法测定的地面钻孔有效抽采范围内抽采指标不达标。     

基于UDEC的大采高覆岩破裂的模拟与分析

为了准确划分李雅庄煤矿冒落带和裂隙带的高度,采用UDEC4.0数值模拟软件对2-226工作面上覆煤岩层进行模拟,研究得到其两带高度为11~13 m和40~44 m,在采空区两侧20~30 m范围内存在较为明显的竖向破断裂隙;现场通过比较高位钻场抽采瓦斯纯量得到：高位钻场钻孔终孔层位距煤层垂高为11~23 m时抽采瓦斯效果最好,并将钻场终孔位置优化为14.7 m,现场考察结果与数值模拟结论较为吻合;研究成果为其他类似条件矿井采场及采空区瓦斯治理提供一定的依据.     

放顶煤工作面以孔代巷合理布孔参数

为了解决刘家梁矿2号煤层低含量赋存高强度开采引发工作上隅角瓦斯问题,缓解矿井因岩巷掘进造成采掘接替紧张的局面,提出了采用大直径高位走向长钻孔代替工作面低位岩石抽采巷的瓦斯治理技术,结合矿井2号煤层顶板煤岩物理力学参数,通过理论分析、UDEC、FLUENT数值模拟的方法,分别从工作面裂隙带发育、工作面采空区流场分布等不同的专业角度,分析、研究了瓦斯流通通道及赋存规律,为定向高位钻孔合理布孔层位选择提供理论支撑;结合1号钻场瓦斯抽采效果,修正工作面煤岩赋存资料,优化2号钻场抽采设计,调整钻孔布置参数,以工作面瓦斯抽采纯量、上隅角瓦斯浓度为指标,对不同条件下瓦斯治理效果进行对比,实践证明：走向高位长钻孔能够取代低位岩石抽采巷,用于低含量赋存、高强度开采的放顶煤工作上隅角瓦斯治理,治理效果显著,上隅角瓦斯浓度维持在0.6%以下。