基质收缩效应对含瓦斯煤渗流影响的实验分析

以山西晋城煤业集团赵庄矿和寺河矿的煤层原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,通过保持有效应力恒定以消除其引起的渗透率变化,并同时考虑到滑脱效应对渗透率的影响,进行了He和CH4在不同气体压力条件下煤渗透率的平行实验,定量考察了煤基质收缩效应对煤岩渗透率的影响。实验结果表明：1）在低瓦斯压力条件下,煤渗透率表现出较显著的滑脱效应,且随着瓦斯压力的增加,煤样的渗透率呈现出先减小后增大的趋势,赵庄矿和寺河矿煤样的滑脱效应拐点均为0.9 MPa左右;2）当有效应力恒定时,随着瓦斯     

水射流割缝在低透气性强突煤层瓦斯抽采中的应用

结合川南地区煤质松软、煤层透气性差、瓦斯含量高等特点,开展了基于水射流割缝强化瓦斯抽采、促进煤巷消突的研究,并在兴文县建设煤矿进行了工业试验,通过对煤体扰动效果、抽采量衰减情况以及瓦斯预抽率等一系列指标的考察,表明:采用该技术后大幅度缩短了工作面瓦斯抽采达标时间,显著提高了瓦斯治理效果,为进一步推广该技术提供了依据。     

高压水射流切槽煤层卸压机理

针对开采保护层不能实现本层煤解放的问题,将高压水射流切割技术应用于煤层卸压.通过应用边界理论研究高压水射流切割煤体的过程,揭示了高压水射流切槽煤层冲击地压解危机理.由于射流随喷头后退式移动,因而射流足紧贴着割开的煤层的壁面而流动,将受到固壁摩擦阻力的作用,在切槽中形成三面附壁射流.应用量级比较法和量纲和谐原理计算了射流最大流速,应用应力波在煤体中的传播理论计算了最大切割深度,并对煤体切槽后的卸压范围进行了估算.结果表明,将高压水射流切割技术用于煤层卸压,不仅能够实现本层煤的卸压而且可能克服地质条件等诸多因素的限制,煤体切槽后卸压范围可达到5 m,卸压效果较好.该方法用于煤层卸压有发展前景.     

水力疏松提高煤层透气性防治煤与瓦斯突出

对芙蓉矿务局白皎煤矿20112回采工作面的水力疏松提高煤层透气性防治煤与瓦斯突出的效果进行了现场考察,主要研究了水力疏松对工作面回风风流瓦斯浓度以及措施后的钻屑指标的影响,考察结果表明:措施过程中工作面回风风流瓦斯浓度升高18～47%,工作面生产时瓦斯涌出量下降20.5～50%.风流中粉尘浓度下降60～90%.这表明水力疏松措施能有效地释放采场前方煤体的弹性能量和瓦斯,不仅防治了回采工作面煤与瓦斯突出,而且对防治工作面瓦斯超限和降低风流粉尘浓度也起到了一定的效果.是防治回采工作面煤与瓦斯突出,瓦斯超限和粉尘的一项综合技术措施.     

空化水射流声震效应强化煤层瓦斯解吸渗流的实验

针对含瓦斯煤层微裂隙、低透气性、高吸附的赋存状态以及煤层瓦斯难抽采的问题,提出了利用空化水射流声震效应强化瓦斯解吸渗流的方法.本文研究了空化水射流声震效应促进煤层瓦斯解吸渗流的机理,对空化声震效应作用下煤样的解吸渗流特性进行了对比实验研究.实验表明:在空化数为0.020 0的条件下,空化声震效应作用下的煤样瓦斯解吸量增加36.9%,解吸时间缩短19.6%,空化声震效应作用效应下瓦斯的渗流速度明显增大,可达0.383 3 mL/s,提高率为35.3%.     

高透气性煤层瓦斯治理方法初探

以塔山煤矿8103综放工作面为例,介绍了大产量、低瓦斯含量、高透气性煤层的瓦斯治理经验。通过对煤层初始瓦斯涌出量和衰减系数的测定,计算出本煤层钻孔抽放的不合理性,指出高位巷道密闭抽放是瓦斯治理的最佳选择。     

煤层瓦斯抽放机理研究

介绍了煤体瓦斯的形成及赋存方式,分析了瓦斯对煤物性参数的影响,论述了煤层瓦斯抽放的影响因素。     

考虑有效应力和煤基质收缩效应的渗透率模型

针对煤层气的生产过程中所存在的两个相反的效应：（1） 储层压力下降,有效应力增加,煤层裂隙压缩闭合,渗透率降低;（2） 煤层气解吸,煤基质收缩,煤层气流动路径张开,渗透率升高;建立了包含煤基质收缩效应的煤层孔隙度和渗透率理论模型,模型与已有的一些研究结果反映的规律一致。根据模型得出在体积应力恒定条件下,渗透率随孔隙压力变化存在一临界压力,孔隙压力小于临界压力时,渗透系数随孔隙压力的增加而减少,孔隙压力大于临界压力时,渗透系数随孔隙压力的增加而增大,给出了该临界压力的计算式。对不同情形下渗透率对孔隙压力的变化响应进行了讨论,结果表明,临界压力的存在与否与影响渗透率的多种因素有关,应对影响煤层渗透性的众多因素进行动态耦合研究。     

高瓦斯低透气性松软煤层“钻割”一体化技术研究

通过对"钻割"一体化技术井下工程实施,制定优化了"钻割"一体化技术的实施工艺流程;通过现场工业性实验和实际考察,证实了"钻割"一体化防突措施具有扩大措施孔单孔有效影响范围,提高钻孔周围煤层的透气性,减少措施孔数目,减少工程量等特点,为高瓦斯低透气性煤层防突及瓦斯治理提供了新的思路和方案。     

水射流用于煤层切割的可行性分析

在煤层钻井和固井过程中,近井区域可产生裂缝扭曲,为后期压裂造成困难.高压水射流技术一方面利用水击作用能有效解除钻井、固井造成的堵塞,使井周环形区域应力再次调整,大部分区域应力下降解除压实效应;另一方面在环空增加一定压力使产生的微裂缝得以延伸,实现水力喷射压裂,可以大幅提高井周的渗透率.对高压水射流技术用于煤层气开发问题进行了技术方面的探讨.     

高压水射流割缝揭穿煤层关键参数研究

针对高瓦斯低透气性煤层石门揭煤过程中瓦斯抽采难的现状,提出了高压水射流割缝提高煤层透气性方法。在理论分析射流轴向速度的分布规律基础上,得出射流冲击力与煤体力学性质耦合作用关系;通过分析煤体颗粒运动、受力状态,得出钻孔倾角、水量与煤体颗粒流速之间的关系;基于连续损伤力学分析出煤体产生损伤破坏的临界值,确定了高压水射流割缝煤体有效半径;并将该技术在平顶山某矿-380 mS4〖KG-*6〗石门进行现场试验,试验结果表明钻进工程量减少了38.2%,瓦斯预抽率提高了2.86倍,预抽时间缩短了57.1%,预抽面积增加     

水射流卸压增渗及抽采瓦斯效果的渗流力学数值解

为提高低渗煤体的瓦斯抽采性能,以重庆天府三矿为研究目标区,采用低温液氮吸附法和压汞法测定了煤层孔隙结构,分析了重庆天府矿区煤体低渗的原因,结果表明,煤体孔隙多为两端开口的平板状、管状孔,孔隙的连通性好,压汞渗透率是原位煤体渗透率的2×105倍,煤体孔隙本身的渗透性较好,煤层低渗为高地应力所致。进行了底板穿层钻孔高压水射流卸压增渗试验,试验表明,卸压后煤层渗透率增加了90倍,抽采率从17%提高到了58%,抽采量增加了4.8倍。建立了瓦斯抽采的渗流力学方程,解算了卸压增渗透前后的不同抽采时间条件下的抽采半径,优化了合理布孔间距、抽采时间,为水射流卸压抽采瓦斯效果评价提供了理论指导。     

煤与瓦斯突出瓦斯射流数值模拟

将煤与瓦斯突出过程的瓦斯突出视为连续射流,应用伯努利方程,建立了瓦斯射流的数学模型,得到了瓦斯突出射流流速和流量表达式,在此基础上考虑突出口压力和突出口直径影响,进行了瓦斯射流的数值模拟,得到了突出压力与突出射流最大速度、突出压力与射流流场分布、突出口直径与突出影响范围间关系规律。模拟结果表明:突出口压力与突出射流最大速度近似呈线性关系,在一定条件下射流流场分布具有甩尾效应,突出口直径越大,其突出影响范围越大。     

自激振荡射流改善松软煤层渗透率的机理

针对低透气性松软煤层渗透率难以提高,瓦斯抽采极为困难这一矿井瓦斯开发利用急需解决的关键问题,采用理论分析和实验的方法,开展了振荡射流在低透气性松软煤层中的动力效应研究,揭示了利用自激振荡流动力效应增加煤层裂隙率和渗透率,从而提高瓦斯抽采率的机理,现场实验结果表明,自激振荡射流可以有效地提高松软煤层的透气性。     

高压水射流切割HTPB推进剂的实验分析

为考察高压水射流对HTPB推进剂在安全条件下的冲击效应和主要射流参数在不同工况条件下的切割效果,利用自研的实验平台,在出口压力60～100 MPa的安全范围内,开展了高压水射流切割HTPB推进剂的实验研究。通过正交实验,以质量损失率为衡量指标,完成了固定式切割中出口压力、靶距、喷嘴直径和喷头转速4个参数的优化。以固定条件下的射流参数为基础,以质量损失率及切割深度为衡量指标,分析得出移动式切割中出口压力、靶距和横移速度3个因素对切割效果的影响规律。实验结果表明：固定式切割中的射流参数存在最佳值,即当出口压力为96 MPa、靶距为20 mm、喷嘴直径为0.3 mm、转速为3 000 r/min时,切割损失率最高为68.3%。在此工况下开展移动式切割实验可知,质量损失率和切割深度与出口压力的增大基本呈正比关系,与靶距的增大呈反比关系,并且随横移速度的增加呈衰减趋势。     

高压水射流自旋式割缝技术在柿花田煤矿的应用

瓦斯治理的根本措施是抽放,然而应用单一钻孔预抽瓦斯,钻孔直径是决定抽放效果的关键因素.孔径小,其自由面小,瓦斯的排放速度低,等待开采的时间较长,影响了矿井的生产效率,而孔径又不能太大,否则在煤层综合应力下,孔的形成和孔的稳定性会受到破坏,而且孔径大的钻孔钻进速度较慢,效率较低,而且钻孔的有效煤孔段往往只占整个钻孔的一小部分,完全没有必要施工孔径较大的钻孔.介绍了一种新型高压水射流自旋式割缝技术,该技术可以有效解决上述问题.高压水射流自旋式割缝设备主要由高压水泵、水箱、高压胶管、高压密封钻杆、旋转接头、力矩喷头和喷嘴组成,该技术是在瓦斯抽采钻孔完成后,利用钻机将切割钻具输送至孔内,采取后退切割的方式,对钻孔内煤体进行切割,形成若干个垂直于钻孔方向的圆盘状缝隙,使孔内煤体暴露面积增加,同时由于高压注水作用,缝隙周围裂隙增加使煤体的透气性增强,从而有效提高抽采效率.试验发现：该技术的割缝半径为0.6～0.7m,使用该技术切割后,瓦斯涌出量大幅增加,百米瓦斯自排量和瓦斯抽放量分别是非切割钻孔的5.6和4.5倍,且衰减系数有所增加.     

低透气煤层水力压裂裂纹的扩展规律

获取低透性煤层的合理水力压裂影响区和压裂孔布置方式,对瓦斯有效抽采、灾害预防尤为重要。采用岩石破裂失稳RFPA2D渗流系统,建立数值模型,分析低透性煤层水力压裂钻孔周边裂纹的扩展规律。结果表明：钻孔左侧水平向起裂并向内部延伸,右侧起裂裂纹与水平向呈45°且向煤体内部延伸,最终主破裂方向转变为30°,煤层破裂形态呈现蝴蝶形;随着步中步的增加,声发射事件逐渐增多,孔隙水压力分布呈现强弱强弱态。随着水压力不断增大,裂纹区、裂隙区、塑性区和弹性区也在不断改变,变化趋势整体形态呈现椭圆形。该研究为低透性煤层水压增透钻孔合理布置提供了参考依据。     

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。