瓦斯抽采“两堵一注一排”新工艺技术

为提高瓦斯抽采钻孔的抽采浓度,实现煤矿瓦斯回收利用,针对现有的"一体式囊袋两堵一注"封孔器漏气问题,对其工艺进行改进,设计出"两堵一注一排"封孔装置,并进行井上试验研究和井下工程试验,对比分析2种封孔器的抽采效果。结果显示:井上试验"两堵一注一排"新工艺注浆段密实,"一体式囊袋两堵一注"出现明显的空白段;井下在相同煤层条件下,"两堵一注一排"新工艺抽采90天平均瓦斯体积分数为75%,"一体式囊袋两堵一注"抽采瓦斯体积分数为55%。     

囊袋式带压封孔工艺在顺层瓦斯抽采钻孔中的应用

配制了具有膨胀性、密实性更好的新型封孔材料,采用"两堵一注"原理,以贵州中岭煤矿11083工作面顺层瓦斯抽采钻孔为例,进行了新型封孔材料囊袋式带压封孔效果对比考察。结果表明,囊袋式带压封孔工艺简单、快捷,瓦斯抽采体积分数可维持在50%以上,瓦斯抽采纯流量基本稳定在0.024 2 m3/min左右,较矿井原有聚氨酯封堵注入水泥浆封孔工艺,其瓦斯抽采效果提高1倍左右,封孔效果显著提升,具有较强的推广价值。     

三囊袋封堵器处置钻孔漏气技术研究

为了对瓦斯抽采钻孔周围的裂隙进行有效封堵,建立钻孔漏气圈模型,提出带压注浆一次封孔与漏气处置二次封孔相结合的技术方法,研制出一种既具有封孔又具有漏气处置功能的三囊袋封堵器装置,并进行了现场工业试验。结果表明:该装置成功实现了封孔和漏气处置的一体化操作,能够有效减少漏气圈面积,钻孔瓦斯浓度提高了25%～177%,抽采效果显著提高。     

基于Hoke-Brown准则的瓦斯抽采钻孔稳定性分析及封孔技术

针对煤层瓦斯抽采钻孔稳定性差、抽采率低等问题,结合广义Hoke-Brown强度准则、有效应力原理及非线性孔隙压力分布特征,推导了钻孔围岩弹塑性区半径和应力表达式,得到了钻孔周围塑性区半径随各影响因素的变化规律。基于理论分析,采用囊袋式注浆封孔技术,在山西某矿310207工作面回风巷进行了现场试验。结果表明:地质强度指标(GSI)和不均衡系数(λ)相比扰动性系数(D)对钻孔周围塑性区范围影响更大;当原始瓦斯压力点距离钻孔中心小于1 m时,塑性区半径受瓦斯压力影响开始显著上升。以瓦斯抽采体积分数大于30%作为衡量封孔效果的标尺,在3个月左右的观测时间内囊袋式注浆钻孔相比聚氨酯钻孔,瓦斯抽采有效时间可以延长约2个月,瓦斯平均体积分数提高约58.2%。     

高位钻孔不同封孔方法质量检测及其优选

为优选出高位钻孔最佳的封孔方式，通过理论分析给出钻孔漏气6种表现形式，并推导出钻孔漏气量及漏风率的计算公式，进而基于不同钻孔深度瓦斯浓度及抽采负压的变化率确立钻孔漏气位置、漏气量、漏气率等封孔质量定量判定指标体系。结合封孔质量探测结果、操作难易程度及经济成本建立封孔方法优劣的多因素评价方法，并对聚氨酯式常压封孔（方法1）、囊袋式注浆带压封孔（方法2）、钻屑回填式注浆带压封孔（方法3）3种方法进行综合评价分析。研究结果表明:方法1～3的封孔段平均瓦斯浓度分别为5.6%，3.2%及8%，方法1对应的瓦斯浓度与抽采负压均出现突降，方法2对应的抽采负压在8～14 m出现突降，方法3则较稳定。故判定三者封孔质量为钻屑回填式＞囊袋式＞聚氨酯式，结合成本分析和操作难易综合分析确定高位钻孔的最优封孔方式为钻屑回填式注浆带压封孔。     

“两堵一注一排全筛网管”工艺及机制研究

为解决煤层瓦斯抽采体积分数低和抽采安全问题,分析抽采钻孔封堵段漏气原因和有效瓦斯抽采段压损机制。通过分析得到,漏气量与注浆压力、封堵长度成反比,与孔径大小和抽采负压成正比,且有效瓦斯抽采段全筛网管技术可减少沿程负压损失,在此基础上设计"两堵一注一排全网管"一体化装置。工程实践表明:与"两堵一注"封孔方法相比,在同等条件下"两堵一注一排全网管"封孔抽采瓦斯体积分提高了54. 33%;"两堵一注一排全筛网管"比"两堵一注一排直管"在塌孔后平均瓦斯体积分数提高了125. 82%。     

瓦斯抽采钻孔动态漏气圈特性及漏气处置研究

为了研究煤矿瓦斯抽采过程中钻孔瓦斯浓度衰减的问题,提出了动态漏气圈的概念,通过建立动态漏气圈数学模型,采用理论推导,数值模拟的方法分析了瓦斯抽采钻孔漏气圈的变化特性,并采用三囊袋封堵器在义安煤矿进行瓦斯抽采封孔及漏气处置工业性试验。研究表明,漏气圈半径随时间呈现动态变化,在瓦斯抽采初期急剧增大,随着抽采持续漏气半径增大趋势逐渐降低;煤体强度及钻孔所处的应力是影响漏气圈半径的重要因素,地应力越大漏气圈半径越大而煤体强度越大漏气圈半径越小;在整个抽采过程中漏气圈半径存在一个稳定值,在达到稳定值以前漏气圈半径呈现增加大趋势,研究得出了地应力及煤体强度影响下的该种趋势的特性;采用三囊袋封堵器对瓦斯抽采钻孔进行漏气处置可以有效改善瓦斯抽采效果,并且测得的瓦斯浓度变化曲线也证实抽采钻孔漏气圈的动态变化特性。     

易自燃煤层顺层抽采钻孔封孔参数优化研究

针对平煤十矿顺层抽采钻孔封孔不佳导致钻孔自然发火问题,用钻屑法试验研究巷道围岩应力分布特征,深入分析钻孔周围存在的漏气情况及导致钻孔自然发火的条件,并利用Comsol Multiphysics软件,数值模拟不同封孔深度与长度下钻孔周围漏风速度的分布状况,得到最优封孔参数,并探讨其对瓦斯抽采效果的影响。结果显示,距巷道0～7 m为破碎区,8～19 m为塑性区,20～28 m为弹性区;巷道周围破碎区、钻孔周围漏气圈、封孔材料漏风及抽采管路漏风为钻孔漏风区域,为钻孔自然发火提供通风供氧条件。研究表明:当封孔深度为17 m,封孔长度为8 m,最大抽采负压低于30 kPa时为最优封孔条件,既能保证抽采效果又能防止钻孔自然发火;封孔参数优化后单孔瓦斯抽采体积分数达到70%。     

径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术研究

通过分析钻孔周围煤体在地应力作用下的变形与裂隙发育规律,结合鹤煤三矿原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺,发现原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺存在影响抽采瓦斯体积分数与效果的因素。确定合适的封孔材料需要满足4个主要的性质特征,提出了径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术。使用RFPA3D数值模拟软件研究了孔壁周围煤体裂隙发育范围,据此确定了封孔深度工艺参数,并在鹤煤三矿进行了现场对比试验。结果表明,与原封孔技术相比,应用径向强力膨胀法封孔技术封孔成功率高,抽采瓦斯体积分数和抽采纯量均有大幅度提高。     

带压注浆封孔技术在汪家寨煤矿的应用

为改进汪家寨煤矿的瓦斯抽采钻孔封孔技术,提高封孔质量,针对目前封孔工艺存在的问题,提出以新型无机封孔材料、封孔器为一体的"两堵一注"带压注浆封孔技术。现场的应用试验表明,考察期内试验钻孔平均瓦斯体积分数达到了60%以上,有效提高试验钻孔的封孔质量,为下一步的封孔工艺优化改进提供了参考及建议。     

高瓦斯孤岛工作面预抽钻孔封孔工艺优化研究

针对王坡煤矿高瓦斯孤岛工作面预抽钻孔封孔质量差、抽采效果不理想的问题,基于围岩裂隙演化钻孔封堵原理,采用数值模拟和现场指标测试相结合的方法对巷道围岩应力场分布进行分析,进而确定了3210孤岛工作面抽采钻孔的合理封孔段深度为距煤壁15 m,并考虑距煤壁3 m范围内煤体破碎严重的问题,将原“两堵一注”封孔工艺优化为“三堵一注”封孔工艺。针对两种封孔工艺开展了现场抽采钻孔封孔试验,在60 d的抽采监测期内,优化工艺试验钻孔的平均甲烷体积分数为47.19%,较原有封孔工艺的平均甲烷体积分数高15.90%。现场试验结果表明,数值模拟与钻屑指标测定法综合确定合理封孔深度是科学有效的,抽采钻孔的封孔质量得到明显改善,抽采效果显著提高。     

基于COMSOL的采空区埋管抽采参数优化数值研究

针对回采工作面上隅角瓦斯浓度超限问题,提出了回采工作面采空区埋管抽采的方法。以保德煤矿81307工作面为研究对象,运用数值模拟软件COMSOL模拟采空区无抽采和不同抽采参数条件下工作面内瓦斯分布规律,研究埋管抽采参数对上隅角瓦斯浓度的影响规律,确定最佳的采空区埋管抽采参数。同时进行现场抽采参数优化试验,对瓦斯浓度进行监测,研究结果表明:合适的布置间距、抽采负压和抽采流量能够有效解决上隅角瓦斯超限问题,试验期间内,上隅角瓦斯体积分数最大为0.74%,进风流中瓦斯体积分数最大为0.2%,工作面风流中瓦斯体积分数最大为0.45%,回风流中瓦斯体积分数最大为0.5%,均没有超过安全标准。     

基于瓦斯抽采关键封孔参数及新型封孔材料应用研究

针对煤层瓦斯抽采封孔参数选取不合理,传统封孔材料封堵钻孔周边裂隙效果差等主要问题,采用数值模拟、实验室试验及工程实践等多种手段,分析不同封孔方式的漏气效果,研究封孔时效性对瓦斯抽采的影响,完成最优实验配比及性能测试,验证了现场瓦斯抽采效果。结果表明:全封孔方式抽采效果优于半封孔,合理控制封孔时效性,钻孔周边围岩破坏减少,封孔效果提高;正交试验确定材料最优配比即复合早强剂0.3%、复合缓凝剂0.5%、膨胀剂0.03%、水灰比1.2;试样周围充斥着交叉、贯通的“网状结构”钙矾石,且呈现多而密的粗棒状结构;材料具备塑性变形特性,持续变形量大;与矿方原封孔材料相比,新型封孔材料封孔后瓦斯抽采浓度提高193.3%,抽采周期明显延长,抽采效果显著提高。     

基于蠕变效应的穿层钻孔封孔参数优化与试验研究

为解决穿层钻孔封孔难度大、瓦斯抽采效率低的问题,视煤岩体为弹塑性介质,在考虑蠕变效应下建立巷道围岩力学模型;根据Dracy定律,推导浆液流动控制方程,以渗透率变化为桥梁,构建巷道围岩变形与浆液流动的耦合模型;利用COMSOL软件解算该理论模型。数值模拟结果表明:巷道围岩塑性软化区范围由初始时刻4.69 m不断扩大,在100天时稳定于15.19 m;浆液扩展半径随注浆压力的增加而持续增大,当注浆压力高于2.8 MPa后,浆液扩展半径变化较小,逐渐趋于稳定。试验钻孔平均瓦斯体积分数为56.49%,是传统工艺下钻孔平均瓦斯体积分数的3.46倍,在抽采后期仍能维持较高的抽采水平。     

复合膨胀材料研发及其在瓦斯抽采中应用的试验研究

为提高瓦斯抽采钻孔的密封效果,通过普通硅酸盐水泥、硫铝酸钙水泥、自制高倍率膨胀剂等材料的复配,研发出一种膨胀率高、速凝、高强度的钻孔密封材料。实验室测试材料的流动度、凝固时间、抗压强度等性能指标;在井下现场同常见的钻孔密封材料开展钻孔密封的对比试验。实验室测试结果表明:该材料适合瓦斯抽采钻孔的密封;在井下穿层钻孔密封试验中,该材料密封的钻孔比应用马丽散材料密封的钻孔瓦斯抽采体积分数可提高18%~24%,抽采速率可提高50%~80%。井下顺层钻孔密封试验结果表明:使用该材料,在2个月内平均瓦斯抽采体积分数达71.3%,比普通硅酸盐水泥密封的钻孔平均提高约17.4%。     

近距离下邻近煤层群开采采空区瓦斯治理技术

为解决下邻近煤层群卸压瓦斯造成工作面上隅角超限严重以及支架间和采空区底部瓦斯不能及时被抽离等问题,基于近距离下邻近高瓦斯煤层群采动卸压瓦斯涌出规律,提出内错式迎向斜切钻孔辅助顶板高抽巷抽采采空区瓦斯技术。利用顶板垮落与钻孔形态演变规律,实现钻孔依次辅抽上隅角、支架间和采空区底部等富集区瓦斯,并在高家庄煤矿2号煤层2203回采工作面试验考察。结果表明:与高抽巷单一抽采效果相比,内错式迎向斜切钻孔辅助抽采条件下的叠加抽采平均瓦斯体积分数达15. 1%、提升1. 3倍,平均抽采纯量达18. 61 m3/min、提升1. 9倍,叠加抽采率达50%,抽采量占邻近层和采空区瓦斯涌出总量的83%,回风流和上隅角瓦斯体积分数控制在0. 6%以下,可有效保障工作面的顺利回采。     

高瓦斯综放工作面瓦斯综合治理技术研究与应用

为了解决高瓦斯特厚煤层综放工作面瓦斯超限问题,分析了工作面瓦斯源的构成,以彬长矿区某矿综放工作面为研究对象,提出了本煤层采用顺层平行孔与扇形钻孔相结合的方法抽采瓦斯,沿煤层顶板与回风顺槽水平内错掘进瓦斯专用抽放巷,上隅角采用埋管抽采及均压通风技术,与瓦斯专用抽放巷协同治理上隅角和采空区瓦斯,风障导流稀释法等一系列技术措施。现场应用表明,工作面上隅角瓦斯体积分数由0.68%降低至0.2%以下,回风巷口瓦斯体积分数由0.7%降低至0.4%,风排瓦斯量由20 m~3/min降低至5 m~3/min以下,瓦斯抽采率保持在85%以上,最大值达到95%左右。表明此套瓦斯综合治理技术应用到高瓦斯特厚煤层综采放顶煤工作面瓦斯治理中是切实可行的。     

下向穿层瓦斯抽采钻孔新型封孔方法及应用

潘三煤矿17181(1)运输顺槽顶板岩层含水丰富,下向穿层钻孔抽采17181(1)运顺瓦斯受岩层富水影响较大。为解决这一问题,结合潘三矿11-2煤顶板实际情况,分析了影响下向穿层钻孔抽采瓦斯的主要因素,提出了"先区域封水,后打抽采钻孔,再利用‘两堵一注’快速封孔法封孔"成套技术解决方案,形成了一种新型下向穿层瓦斯抽采钻孔封孔方法。经潘三矿17181(1)瓦斯综合治理巷现场实践证明,下向穿层抽采钻孔的瓦斯抽采纯量与抽采浓度均有大幅度提高,钻孔封孔效果良好。     

煤层钻孔密封液径向渗流模型及工程应用

针对顺层瓦斯抽采过程中,因钻孔形变较大、封孔长度不足及封孔方法不合理等因素造成抽采钻孔及其周围煤体漏风严重、抽采瓦斯浓度偏低、流量衰减速度较快及稳定性差等技术难题,基于多孔介质渗流理论、流体平衡理论、"固封液-液封气"钻孔密封技术原理,研究了承压密封液在煤层钻孔内的径向渗流规律,建立了不可压缩流体径向驱气稳定渗流物理模型、密封液径向渗流运动数学方程及相关参数计算公式,进而提出了固液耦合壁式密封顺层瓦斯抽采技术。结果表明,采用固液耦合壁式密封技术可对抽采钻孔及周围煤体裂隙实施动态密封,使得瓦斯抽采过程浓度稳定,单孔平均浓度提高4~5倍,平均抽采瓦斯体积分数达到89%以上,显著提高了本煤层瓦斯的抽采效率。     

摩擦式封孔器的研制

所研制的摩擦式内螺旋单管封孔器,主要用于煤层注水封孔,亦可用于瓦斯抽放封孔。曾于1983年9月在集贤煤矿进行工业试验后通过矿务局鉴定,并在30余个局、矿近三年的推广应用中取得良好效果。一、结构及原理封孔器由本体和注水管两大部分构成(如附图)。