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大直径煤层钻孔卸压增透瓦斯抽采关键技术研究

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大直径煤层钻孔卸压增透瓦斯抽采关键技术研究

作者：李哲中国矿业大学

学位级别：硕士

深部煤炭资源开采阶段,瓦斯抽采钻孔孔径普遍在0.042～0.130 m,其孔径偏小对高瓦斯低透气煤层卸压增透效果不佳,存在矿井瓦斯抽采率低、钻孔预抽浓度不达标、抽采周期长等难题,进而造成工作面接替紧张。为解决上述难题,本文聚焦于典型... 详细信息

深部煤炭资源开采阶段,瓦斯抽采钻孔孔径普遍在0.042～0.130 m,其孔径偏小对高瓦斯低透气煤层卸压增透效果不佳,存在矿井瓦斯抽采率低、钻孔预抽浓度不达标、抽采周期长等难题,进而造成工作面接替紧张。为解决上述难题,本文聚焦于典型深井高瓦斯低渗透性煤层——顺和煤矿2404工作面,采用井上下调研、实验室实验、理论分析建模、COMSOL软件数值模拟、工业性试验等研究手段,研究了本煤层小直径抽采钻孔(0.075m)优化为大直径钻孔(不小于0.130 m)的卸压增透关键技术,通过构建大直径钻孔卸压增透力学模型,提出了大直径钻孔卸压增透技术方案,现场试验结果表明,实现了煤层增透、伴生瓦斯与煤炭资源安全高效开采。主要成果如下:(1)进行了2404工作面煤岩样物理力学参数测定及孔裂隙表征得出:煤层质地松软、透气性差,顶板属软弱岩层,钻孔维护时需考虑多级封堵控制围岩,煤样抗压受损前后孔隙比变化较大,大直径钻孔增透预期效果可观。分析了钻孔孔周应力分布特征,构建了大直径钻孔卸压增透力学模型,推导了钻孔围岩粘弹-塑性变形的应力应变解,深入研究了钻孔增径和地应力对煤体扰动影响:钻孔增径对煤体扰动因素更明显,地应力对煤体扰动影响制约于钻孔孔壁支护抗力P(t)。推导了考虑煤岩长时力学效应的渗透率、孔隙率演化方程,构建了含瓦斯煤气固耦合模型。(2)揭示了大直径钻孔卸压增透规律:大直径钻孔周瓦斯压力随抽时增加而减少、垂直应力离孔心越近峰值越小、渗透率离孔心越近增幅越大。确定了有效抽采区域判定指标,即煤层瓦斯压力不超过0.22 MPa区域。构建了不同高径比单孔抽采模型和不同孔间距多孔抽采模型,分析了钻孔孔径和孔间距对煤层卸压增透效果影响,确定了2404工作面大直径煤层钻孔孔径为0.30 m、孔间距为8.0 m。(3)大直径煤层钻孔煤层增透效果优于普通钻孔,抽采浓度高且稳定期长。降压法测定出连续抽采180d大直径煤层抽采钻孔有效抽采半径略高于4.0 m,与模拟确定有效抽采半径3.0 m相差不大,进一步验证了含瓦斯煤气固耦合模型的正确性。大直径煤层钻孔对煤层卸压增透效果显著,实现了瓦斯资源高效抽采,是深部煤与瓦斯共采的有效保障技术,进一步完善了瓦斯治理技术体系,对相近地质矿井瓦斯防治和利用有借鉴意义。该论文有图46幅,表10个,参考文献149篇。

关键词：大直径煤层钻孔卸压增透瓦斯抽采有效抽采半径长时力学效应

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金刚石串珠绳锯切割煤层卸压增透效应研究

煤炭学报 2024年第2期49卷 785-800页

作者：李树清吕晨辉黄飞钱运来黄向韬赵天哲汤铸杨凤玲王晨湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201 六盘水师范学院矿业与土木工程学院贵州六盘水553004

为探讨金刚石串珠绳锯割缝对缝槽周围煤层的卸压增透效应,首先建立基于缝槽顶板受力的两端固支梁力学模型,分析顶板梁的受力特征及缝槽顶板下沉接触底板(简称触底)特性,然后采用自行设计的物理相似模拟试验平台开展相似模拟试验,分析不... 详细信息

为探讨金刚石串珠绳锯割缝对缝槽周围煤层的卸压增透效应,首先建立基于缝槽顶板受力的两端固支梁力学模型,分析顶板梁的受力特征及缝槽顶板下沉接触底板(简称触底)特性,然后采用自行设计的物理相似模拟试验平台开展相似模拟试验,分析不同工艺参数绳锯割缝后缝槽上下方煤岩层应力、位移变化规律,基于FLAC^(3D)数值模拟和开发的煤层瓦斯渗透率计算程序,分析随割煤工作面推进缝槽周围煤岩体的应力和渗透率分布特征和周期演化规律。研究表明:绳锯割缝使缝槽周围应力重新分布,缝槽顶板随着割缝工作面的推进经过顶板悬露、顶板触底,连续缓沉3种演化形态;顶板未触底时,缝槽上下方形成“U”形卸压区,最大挠度在顶板中心位置,也是最先触底部位,顶板触底之后,缝槽中间位置出现应力恢复,减弱绳锯割缝的卸压增透效果;串珠绳锯的直径越大,顶板发生触底的极限跨度越大,缝槽触底越晚,卸压效果越好;相同割缝直径增加第2条割缝,两缝槽卸压区连成一起,卸压效果相互促进,减弱两缝作用下的应力恢复现象,增大了卸压范围;缝槽推进距离足够长时,由于顶板触底,缝槽两边的卸压增透效果更好,割缝卸压的影响范围从左到右划分为应力集中区、卸压区、应力恢复区、卸压区、应力集中区,对应的卸压区和应力恢复区都有较好的增透效果。

关键词：绳锯割缝顶板触底金刚石串珠渗透率卸压增透

深部开采煤层水力割缝卸压增透与促抽瓦斯技术研究

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陕西煤炭 2023年第1期42卷 41-47页

作者：何伟曹文龙王向阳康甲甲陕西彬长孟村矿业有限公司陕西咸阳713600

为了提高深部开采高瓦斯煤层渗透性,实现储层冲击地压的有效防控和瓦斯高效抽采。根据高压水射流对煤体的切割破坏效应,提出深部开采煤层水力割缝卸压增透与促抽瓦斯技术,研发高压水射流水力割缝工艺技术及装备,并在陕西彬长矿业公司孟... 详细信息

为了提高深部开采高瓦斯煤层渗透性,实现储层冲击地压的有效防控和瓦斯高效抽采。根据高压水射流对煤体的切割破坏效应,提出深部开采煤层水力割缝卸压增透与促抽瓦斯技术,研发高压水射流水力割缝工艺技术及装备,并在陕西彬长矿业公司孟村煤矿4号煤层401102工作面回风巷开展现场工业试验。在验证工艺技术及装备可靠性的基础上,重点考察煤层卸压增透及促抽瓦斯工艺效果。结果表明:工业试验区域煤层在50 MPa高压水射流切割作用下,煤层渗透性提高30%,相应地降低冲击地压发生频次;与煤层瓦斯原始抽采区域相比,水力割缝后煤层瓦斯抽采量由最初水锁效应下的低效抽采阶段(为期5 d)转为高效抽采阶段(为期20 d),瓦斯抽采平均浓度和纯量提高2倍以上;试验区域煤层抽采3个月后,煤层吨煤瓦斯含量由原始的3.87 m^(3)/t降低至0.84 m^(3)/t,抽采达标时间明显缩短。

关键词：深部开采水力割缝卸压增透瓦斯促抽

煤层松动爆破多场耦合数值模拟及卸压增透评价研究

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山西焦煤科技 2024年第5期48卷 29-34页

作者：马健太原煤炭气化(集团)有限责任公司山西太原030024

为考察煤层松动爆破卸压增透效果,运用弹性力学、瓦斯渗流和运移理论,采用COM-SOL Multiphysics模拟软件,模拟得到采掘引起的损伤区分布图、松动爆破损伤区分布图及弹性模量和应力分布图,发现松动爆破后爆破影响范围达到3.5~4.0 m.结合... 详细信息

为考察煤层松动爆破卸压增透效果,运用弹性力学、瓦斯渗流和运移理论,采用COM-SOL Multiphysics模拟软件,模拟得到采掘引起的损伤区分布图、松动爆破损伤区分布图及弹性模量和应力分布图,发现松动爆破后爆破影响范围达到3.5~4.0 m.结合现场工程实践,对松动爆破孔周边测试孔的瓦斯体积分数和瓦斯涌出量进行跟踪测定,确定松动爆破有效影响范围为3.0~4.0 m.现场试验和数值模拟结果的一致性表明,松动爆破的有效影响范围在3.5 m左右。松动爆破破坏了煤体结构的不均匀性,使应力集中带向煤体深部转移,达到了卸压作用;爆破大幅增加煤层裂隙,使得“卸压增流效应”明显;松动爆破是瓦斯抽采或局部防突措施重要手段之一。

关键词：煤层松动爆破瓦斯运移卸压增透

钻扩一体化卸压增透技术在桑树坪煤矿的应用研究

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钻扩一体化卸压增透技术在桑树坪煤矿的应用研究

作者：王念鑫西安科技大学

学位级别：硕士

陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪煤矿3#煤层透气性差,属罗难抽采煤层,煤体松软,突出类型为地应力半导型;原可作为保护层开采的上覆2#煤层和下部11#层经鉴定为突出煤层,矿井不能继续采用开采保护层作为消除3#煤层突出危险性的区域突措施... 详细信息

陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪煤矿3#煤层透气性差,属罗难抽采煤层,煤体松软,突出类型为地应力半导型;原可作为保护层开采的上覆2#煤层和下部11#层经鉴定为突出煤层,矿井不能继续采用开采保护层作为消除3#煤层突出危险性的区域突措施,需要研究新的治理3#煤层瓦斯的方案,为公司具有相似煤层赋存条件的煤层瓦斯治理提供技术支撑。论文以桑树坪煤矿试验区的地质资料为基础。研究确定在底板岩巷利用高压水射流钻扩一体化卸压增透技术施工穿层钻孔,利用矿井抽采系统预抽3#煤层待掘巷道条带瓦斯,验证其在桑树坪煤矿单一煤层防治煤与瓦斯突出中的效果。论文测定了试验区3#煤层瓦斯基本参数,为试验后期效果对比提供了有力的依据;理论分析了试验区底板岩巷相对于上覆掘进煤巷的合理水平位置及法相距离。研究表明,底板岩巷的合理布置,即可以对上覆煤体进行有效卸压,又可以减少穿层钻孔施工的工程量;通过对高压水射流钻扩一体化技术考察发现,此技术能使试验区钻孔瓦斯流量衰减系数减小1～5倍,钻孔瓦斯涌出量提高1倍,钻孔抽采浓度提高1倍、单孔抽采提高0.6倍,钻孔抽采半径提高0.3倍,水力扩孔排出了大量煤屑,增大了煤层内部自由空间,卸除了煤层中的部分应力,消除了煤体的弹性能,结合使用瓦斯抽采系统,能有效消除3#煤层突出危险性。钻扩一体化卸压增透技术以桑树坪煤矿的应用研究得出,高压水射流钴扩一体化卸压增透技术适用于桑树坪煤矿松软、地应力主导突出的3#煤层瓦斯灾害的预防和治理。

关键词：高压水射流钻扩一体化卸压增透区域防突穿层钻孔

高瓦斯低渗透煤层冲孔造穴卸压增透技术及装备应用

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能源与环保 2022年第3期44卷 31-36,41页

作者：武国胜武泽铭潘鹏飞徐云辉铁福来装备制造集团股份有限公司河南平顶山467400

针对我国高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采困难、极易导致煤与瓦斯突出的现状,分析了现有煤层瓦斯抽采的各种技术措施,研究了冲孔造穴的卸压增透原理,指出冲孔造穴是实现高瓦斯低透气性煤层卸荷增透的关键技术,并对我国水力冲孔造穴技术装备... 详细信息

针对我国高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采困难、极易导致煤与瓦斯突出的现状,分析了现有煤层瓦斯抽采的各种技术措施,研究了冲孔造穴的卸压增透原理,指出冲孔造穴是实现高瓦斯低透气性煤层卸荷增透的关键技术,并对我国水力冲孔造穴技术装备的研发进展进行了系统总结分析。在寺家庄煤矿和平煤八矿开展典型现场试验结果表明,采用目前广泛应用的煤层水力钻冲一体化装备和煤层机械扩孔一体化装备能够高效进行高瓦斯煤层扩孔造穴,降低煤层钻孔施工量,提高煤层透气性系数23.9倍以上,提高钻孔瓦斯抽采浓度和纯量在2倍以上。

关键词：水力造穴机械造穴卸压增透一体化装备

朱集西矿机械造穴钻孔抽采半径考察及卸压增透效果分析

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能源技术与管理 2023年第4期48卷 40-43页

作者：赵先凯韩泉胜安徽省皖北煤电集团有限责任公司安徽宿州234000 安徽省皖北煤电集团有限责任公司朱集西分公司安徽淮南232000

针对朱集西矿11-2煤层工作面实体煤侧巷道条带采用顶板下向穿层孔预抽煤层瓦斯存在的瓦斯抽采浓度低、预抽效果差、预抽时间长、钻孔工程量大的问题,提出采用机械造穴技术对煤层进行增透。基于钻孔瓦斯抽采基础理论,结合钻孔瓦斯流量法... 详细信息

针对朱集西矿11-2煤层工作面实体煤侧巷道条带采用顶板下向穿层孔预抽煤层瓦斯存在的瓦斯抽采浓度低、预抽效果差、预抽时间长、钻孔工程量大的问题,提出采用机械造穴技术对煤层进行增透。基于钻孔瓦斯抽采基础理论,结合钻孔瓦斯流量法、瓦斯含量降低法确定了机械造穴钻孔有效抽采半径,并对比分析了造穴钻孔瓦斯抽采效果,为矿井安全高效生产提供了基础。

关键词：瓦斯抽采低渗透性突出煤层机械造穴卸压增透

构造煤层水力造穴卸压增透瓦斯抽采技术体系与应用

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中国矿业 2023年第8期32卷 95-101页

作者：徐遵玉中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院重庆400037 安徽理工大学安徽淮南232001

构造煤层具有渗透率低、煤层强度较低、瓦斯含量较高等特点,易出现堵孔、喷孔等现象,直接导致该类煤层瓦斯抽采难度较大。为解决构造煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题,分析了现有煤层增透技术及优缺点,介绍了一种区域性水力造穴卸压增透... 详细信息

构造煤层具有渗透率低、煤层强度较低、瓦斯含量较高等特点,易出现堵孔、喷孔等现象,直接导致该类煤层瓦斯抽采难度较大。为解决构造煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题,分析了现有煤层增透技术及优缺点,介绍了一种区域性水力造穴卸压增透技术,提出了水力造穴卸压增透瓦斯抽采技术体系,具体包括水力造穴钻冲装备、煤水分离和煤量计量系统、高低负压独立瓦斯抽采系统。以试验采区为工程背景,介绍并分析了现有煤层增透技术及其优缺点,研究提出了区域性水力造穴卸压增透技术,形成了以水力造穴钻冲装备、煤水分离和煤量计量系统、高低负压独立瓦斯抽采系统为主的区域性水力造穴卸压增透技术体系。现场试验等间距7 m、8 m、10 m、12 m以及变间距水力造穴方案,分析不同钻孔直径的抽采效果,对比分析单孔及组孔的瓦斯抽采效果。研究结果表明,采用变间距水力造穴卸压增透技术,有效保障了煤体卸压增透效果,解决“掘进-抽采”不均衡问题,为解决构造煤层低渗透率导致的瓦斯抽采难题提供一种新技术。

关键词：构造煤层水力造穴卸压增透瓦斯抽采现场应用

冲压一体化卸压增透技术在煤层区域瓦斯治理中的应用

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煤矿安全 2019年第9期50卷 144-146,150页

作者：杨正宇闫本正河南能源化工集团研究总院有限公司河南郑州450046 河南省低渗突出煤层煤与瓦斯共采工程技术研究中心河南郑州450046

通过对水力冲孔和水力压裂技术的分析,集成2种水力化措施的优点,研究了冲压一体化卸压增透技术原理,介绍了技术的适用条件,并进行了现场工业性试验。现场工业性试验结果表明:冲压一体化卸压增透技术能够有效的提高钻孔瓦斯抽采浓度和抽... 详细信息

通过对水力冲孔和水力压裂技术的分析,集成2种水力化措施的优点,研究了冲压一体化卸压增透技术原理,介绍了技术的适用条件,并进行了现场工业性试验。现场工业性试验结果表明:冲压一体化卸压增透技术能够有效的提高钻孔瓦斯抽采浓度和抽采纯量,进而缩短煤层瓦斯抽采达标时间,能够为煤矿安全高效生产提供重要的技术支撑作用。

关键词：水力冲孔水力压裂卸压增透瓦斯抽采煤与瓦斯突出