压塞-粘液封孔工艺在浅孔抽采中的研究与应用

以浅孔抽采钻孔密封工艺为出发点,确定了煤岩作为等效连续介质注浆模型浆液的扩散半径,并基于Comsol multiphysics数值模拟软件对密封液在钻孔周围煤体裂隙中的渗透进行了模拟,分析了粘液在钻孔周围煤体中的渗流规律,开发了新型压塞-粘液封孔工艺,并在新丰煤矿25021回采工作面进行了现场试验,结果表明,瓦斯抽采浓度显著上升,抽采效率得到提高。     

不同产状裂隙煤样三轴承压下非Darcy渗流特性

裂隙产状是影响瓦斯抽采钻孔孔周煤体渗流状态的重要因素之一。为探究裂隙的不同产状对煤体渗流特性的影响,分别制作了含有1,2,3条裂隙共5种产状的煤样;利用自主设计的三轴渗流试验系统,采用稳态渗透法对煤样进行渗流试验研究,得到了三轴应力下裂隙煤体的渗流雷诺数、渗透率和Forchheimer数变化趋势,并分析了裂隙煤体非Darcy渗流的演化规律。结果表明:① 渗流试验过程中,42%的渗流雷诺数分布在10~100,且渗流趋势符合非线性渗流特点;说明随着裂隙面面积的增大,流动过程中黏滞阻力和惯性力对流速的影响越来越大,其发生非Darcy渗流的可能性就越高;② 通过分析裂隙煤体受力状况,得到裂隙煤样渗透率k随着有效应力σ的增加呈下降趋势,且符合k=aσ-b关系;说明随着应力水平的增加,煤样内部部分裂隙发生闭合、渗流通道数目和宽度的减少,最终导致渗透率急剧降低;③ 通过计算各个阶段的Forchheimer数Fo,得到Fo与渗流速度v符合二次曲线规律增长,且随着Fo的增加非Darcy渗流效应也越来越显著,说明裂隙煤样渗透性的增强是导致发生高速非Darcy渗流的根本原因。结合以上结论,可在煤层瓦斯预抽工作中,依据钻孔孔周煤体瓦斯流动规律准确确定抽采钻孔影响范围,从而为钻孔布孔方式的设计提供重要的理论依据。     

顺层钻孔封孔方法改进与实践

通过对8101工作面顺层抽采钻孔的抽采效果分析,发现封孔质量不好时导致抽采效果不佳的原因。在原有抽放封孔方法的基础上进行改进,提出了聚氨酯全段封孔、在聚氨酯全段封孔的基础上对煤体周围裂隙进行注浆封闭,以及聚氨酯速凝水泥结合的3种封孔方案,并进行了现场试验。结果表明,采用聚氨酯速凝水泥封孔能有效的提高顺层钻孔的抽采参数,优于其他2种封孔方案,而对煤体周围裂隙注浆封闭并不能有效提高抽采效率,最后对其原因进行了简要的讨论。     

深部低透煤层瓦斯抽采钻孔封孔方式研究

针对深部低透煤层瓦斯抽采钻孔封孔质量差的问题,分析了我国煤矿瓦斯抽采主要封孔方式技术特点以及存在的问题,认为巷帮及钻孔周围煤体应力“三带”分布、贯通裂隙发育情况及合理封孔深度的研究不够透彻,注浆压力和时间不足,钻孔应力失稳流动通道闭合、塌孔、淤塞等情况无法有效防治,是造成瓦斯抽采封孔效果不理想的主要原因。提出了研究扰动影响下钻孔周围煤体贯通裂隙发育情况,合理封孔深度,提高“两堵一注”囊袋堵头强度、注浆压力和时间,实施二次封孔以及孔壁支护等方面的改进对策,对深部矿井提高瓦斯抽采效率和安全生产具有重要的理论和现实意义。     

煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔技术研究

针对我国现有煤矿井下瓦斯抽采主要封孔方式,通过分析各个封孔方式的优缺点,得出采动效应下钻孔周边裂隙发育规律研究不透彻、封孔位置选择不合理、现有封孔技术及材料不能有效封堵采动过程中钻孔周边发育的裂隙是造成目前煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔效果不佳的主要原因。通过实验室试验、数值模拟及现场应用手段相结合,深化模拟基础理论研究;构建采动过程钻孔煤体裂隙发育规律理论与模型,确定及优选瓦斯抽采钻孔封孔位置、材料及装置;瓦斯抽采钻孔封孔技术的多元耦合化,降低乃至克服各个技术缺点,提高封孔质量;研发和改进"一体化"封孔装置,简化封孔操作、保证封孔效果、降低封孔成本等方面是封孔技术发展主要方向。     

浆液在煤岩体裂隙中渗透规律的数值模拟

为了改善本煤层瓦斯抽采钻孔的封孔效果,解决本煤层瓦斯抽采钻孔封孔段易失稳的现实难题,通过数值模拟的手段,分析对比了单裂隙注浆和无裂隙注浆这2种方法中浆液的渗透范围,得出在钻孔单裂隙注浆中浆液的渗透以从裂隙面渗透为主,浆液能够很好的充填煤体中的裂隙。在此基础上,认为采用煤岩体注浆技术可以把某些可凝浆液注入到煤岩体的裂隙或孔隙中,使煤岩体形成强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体,从而改善煤岩体的物理力学性能,提高煤岩体稳定性,为本煤层瓦斯抽采钻孔的高效密封奠定基础。     

瓦斯抽采钻孔周围煤体中瓦斯流动的探讨

为了给矿井瓦斯抽采钻孔的合理布置提供依据,分析抽采钻孔附近煤体中瓦斯的流动,将煤体视为仅有裂隙的介质,在仅考虑瓦斯的渗流的条件下进行研究。为了方便对钻孔周围煤体中瓦斯流动进行数值分析,基于一定假设建立了煤体裂隙的等效面积模型,运用流体力学和高等数学的知识建立了微元体内的瓦斯流速的方程,进一步计算出了钻孔周围煤体半径为,钻孔长为的范围内的瓦斯流量。得出了瓦斯流量和煤层渗透率之间的关系式,为矿井瓦斯抽采提供一定的参考。     

顺煤层抽采钻孔浅孔注浆堵漏提浓试验研究

为了提高顺层钻孔抽采浓度,系统分析了钻孔密封段围岩漏气分布规律,提出了利用浆液封堵孔周裂隙通道的浅孔注浆堵漏提浓工艺,并在古城煤矿进行了试验。研究结果表明:钻孔周围煤层裂隙形成的贯穿通道,是导致抽采钻孔漏气的主要原因;通过浅孔注浆对钻孔周围煤层中的裂隙进行封堵,能阻断煤层中的贯穿性裂隙通道,有效提升钻孔瓦斯抽采浓度。     

新型瓦斯抽采钻孔注浆封孔方法及封堵机理

为研究封孔支护力对钻孔漏气量的影响，提出主动支护式注浆封孔原理并进行理论分析，得出了漏气圈截面积与漏气量的求解方程，并对影响漏气量的因素进行了分析。结果表明，漏气量随着封孔支护力和封孔段长度的增加而减小。提高钻孔的主动支护力并选择合适的封孔段长度可以减少钻孔漏气，提高抽采钻孔瓦斯体积分数和抽采纯量。据此设计了新型的注浆封孔装置，封孔初期，利用复合囊袋和注浆压力给钻孔壁施加1 MPa左右的支护力，水泥浆液可以充分填充钻孔周围的裂隙，有效阻止裂隙漏气。后期注浆材料凝固膨胀，再次对钻孔壁形成较大的支护力，又可有效预防封孔段收缩变形形成新的漏气通道，起到减小钻孔漏气量的作用。工程实践表明，与聚氨酯封孔方法相比，同等条件下，新型注浆封孔方法钻孔瓦斯体积分数提高162.2%，钻孔的瓦斯抽采纯量提高33.83%。     

马兰煤矿顺层抽采钻孔瓦斯渗流数值模拟

抽采时间、煤层渗透率和钻孔孔径是影响顺层抽采钻孔周围瓦斯渗流分布的主要因素。为此,应用流体力学软件Fluent模拟抽采钻孔周围瓦斯渗流分布情况,研究抽采过程中煤体瓦斯的渗流规律。通过改变模型参数及边界条件得出不同因素对抽采钻孔周围瓦斯渗流的影响规律,为抽采有效半径的测定提供理论指导。     

煤层裂隙发育方向对瓦斯抽采效果影响的实验研究与应用

为了提高保德煤矿瓦斯抽采效率，实现高效抽采的目标，分析了保德煤矿8#煤层裂隙发育主方向及其与构造应力的关系，测试获得了沿主裂隙不同角度时煤样渗透率的变化规律。结果表明，8#煤层微观裂隙发育的主方向为与工作面呈23°左右的夹角。当煤样取样角度与裂隙发育方向平行时，煤体的渗透率最大|与裂隙发育方向垂直时，煤体的渗透率最小，随夹角的增大，煤体的渗透率逐渐减小。为验证实验结论，在现场施工了与裂隙发育方向分别呈30°、45°、60°、90°的四组抽采钻孔，结果表明当夹角为90°时，钻孔抽采瓦斯的浓度和纯流量最大，夹角为30°的时候最小。这表明井下施工抽采钻孔时，应充分考虑煤层微观裂隙的发育方向。     

基于流固耦合模型的穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究

为研究钻孔瓦斯抽采渗流规律,为钻孔合理布置提供依据,提出了考虑气-水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在多孔介质的有效应力原理基础上,考虑瓦斯吸附/解吸产生的应力,推导出煤体应力-应变本构关系;分析水和瓦斯运移的气-水两相流过程,以相对渗透率为桥梁,给出水渗流方程和考虑Klinkenberg效应的瓦斯渗流方程;构建作为耦合项的煤层孔隙率和渗透率动态演化方程,结合成庄矿4321工作面进行数值模拟。结果表明:成庄矿4321底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采预抽期定为90 d是合理的,抽采过程中瓦斯渗流速度具有阶段性,增大抽采负压对抽采效果影响不明显;穿层钻孔布置方式为终孔间距9 m,钻场间距9 m。工程实践表明,测得的煤层瓦斯压力变化情况与数值模拟结果基本吻合,抽采后煤层瓦斯含量为6.46~7.67 m~3/t,43212巷瓦斯浓度降低了37%,抽采效果良好。     

瓦斯抽采钻孔割缝注浆堵漏防渗效果实验研究

为解决瓦斯抽采钻孔密封质量不佳问题,通过工业CT扫描观察钻孔内部封孔效果,划分钻孔漏气形式,建立钻孔漏气模型,并提出割缝注浆新型封孔方法。通过对不同割缝数量注浆试样的渗透率及单轴抗压强度研究,确定了最佳割缝数量。实验结果表明：随着割缝数量的增加,注浆后试样的渗透率在缓慢减小,而抗压强度呈下降趋势;综合考虑,合理割缝数量为2条。采用新型割缝注浆封孔方法,有效地提高了瓦斯抽采钻孔封孔段的良好密封性,提高煤矿井下瓦斯抽采效率,保障煤矿安全高效生产。     

管柱法带压注浆封孔技术在告成煤矿瓦斯抽采钻孔中的应用

钻孔封孔是矿井瓦斯抽采工程的一个重要环节，为提高抽采钻孔封孔效果，告成煤矿引进了管柱法带压注浆封孔工艺技术，在井下瓦斯抽采钻孔封孔现场进行试验及应用研究。结果表明，新封孔工艺能有效封堵裂隙，封孔质量高、效果好，提高了抽采浓度，延长了抽采时间，达到了预期目的。     

抽采钻孔封孔参数影响特性数值模拟

针对绿塘煤矿瓦斯抽采工程现状,结合煤层赋存状况,对影响抽采钻孔封孔工艺的适用范围和效果的关键参数进行数值模拟。通过数值模拟条件分析,建立了数值模型,经过钻孔周围煤体塑性区域数值模拟和钻孔周围煤体位移数值模拟,确定了煤体强度、钻孔直径、埋深、注浆压力等参数影响规律。结果表明:煤体强度降低、孔径增大、开采深度增大、注浆压力不足均会使钻孔周围的破裂带范围增大,煤体向钻孔中心方向的位移增加。     

本煤层瓦斯抽采钻孔注浆材料优化试验研究

针对本煤层瓦斯抽采钻孔周边裂隙多、注浆效果差、抽采浓度低等问题,对注浆封孔机理及注浆液性能进行了分析,并通过13125本煤层钻孔注浆材料配比优化试验,得出高水材料注浆时间为水泥浆液单孔注浆时间的65%;高水注浆材料单孔成本最高仅为水泥注浆单孔成本的79%;高水材料注浆效果优于水泥注浆效果,最佳注浆配比为水料比9∶1。     

石门揭煤破碎围岩注浆加固理论及应用

为了对鹤煤八矿-655轨道石门处破碎围岩进行注浆加固,基于黏度时变性宾汉体浆液,根据浆液扩散机理对围岩注浆加固技术展开探讨。在相关假设基础上,建立了黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透注浆模型。由宾汉体浆液的流变方程与流体黏度时变性方程,推导出了浆液的有效扩散半径,确定了合理的浆液控制范围和注浆孔布置方式,并对注浆前后瓦斯抽采效果进行验证,结果表明,注浆后瓦斯抽采纯量提升了25.3%。     

煤体裂隙非均质分布对注浆渗透扩散规律的影响分析

注浆改性加固技术是改进裂隙煤岩稳定性的一种有效方式,探究并查明裂隙煤体浆液渗透扩散规律对于优化设计注浆参数具有重要意义。传统注浆渗透扩散模型未考虑煤体中裂隙非均质分布的影响,导致前期模拟计算结果与现场实际取得数据有较大误差。基于山西经坊煤业3-边角091运输大巷巷道迎采送掘工程,提出了基于数字照相与数字图像处理技术的煤体裂隙率识别方法,建立了基于Weibull分布的裂隙非均质性表征模型,利用多物理场耦合软件COMSOL建立了裂隙非均质分布的浆液渗透扩散数值计算模型,研究了平均裂隙率、裂隙分布均质性指数等参数对浆液扩散距离、浆液压力分布的影响规律,结果表明：平均裂隙率越高、裂隙分布均质性指数越大时,浆液压力越大,浆液渗透扩散速率越快,但当裂隙分布均质性指数达到一定程度后,模型中裂隙率分布趋近均匀,对浆液渗透扩散距离影响较小。与传统均质性模型相比,非均质模型的预测浆液渗透扩散距离减小了16.9%,与实际工程中不均匀渗透扩散规律相符,对于指导裂隙煤体注浆设计具有一定的参考意义。     

钻隔封封孔技术在提高瓦斯安全抽采效率中的应用研究

为解决瓦斯抽采钻孔密封性差、漏风量大和伴生的破碎煤体自燃灾害,提出了新型钻隔封一体化封孔技术来对瓦斯抽采钻孔封孔。钻隔封一体化封孔技术通过注入柔性膏体封孔材料密封钻孔,钻孔内和钻孔周围煤壁喷涂黏性无机密封材料,来实现动态密封钻孔周围新生裂隙,隔绝破碎煤体与周围空气接触,提高瓦斯抽采浓度和降低破碎煤体自燃风险。煤矿现场试验表明,采用新型钻隔封一体化封孔技术后,瓦斯抽采钻孔周围煤体漏风大大降低,瓦斯抽采浓度较常规封孔的钻孔提高了2.3倍,钻孔内部温度降低了12.8℃,破碎煤体自燃风险大幅降低,切实保障瓦斯抽采工作安全高效进行。     

基于煤体各向异性的煤层瓦斯有效抽采区域研究

为了探究影响射流割缝钻孔周围有效抽采区域变化的因素,基于煤体的各向异性考虑了瓦斯抽采过程煤体应变场和瓦斯渗流场的耦合作用,探讨了不同垂直地应力、初始瓦斯压力以及初始渗透率等参数对射流割缝钻孔有效抽采区域的影响规律。结果表明:垂直地应力越大,煤体的渗透率越低,有效抽采区域逐渐减小;初始瓦斯压力越大,抽采相同时间后瓦斯压力越难降至0.74 MPa以下,有效抽采区域逐渐减小;初始渗透率越大,煤体裂隙瓦斯流动速度越快,导致在相同抽采负压下有效抽采区域逐渐增大。各向异性煤体的模拟结果与现场测试结果基本相符,证明了各向异性煤层垂直层理方向有效抽采半径是现场布孔的合理指标。