大采高采场瓦斯治理模型分析及通风系统优化研究

为解决大采高采场多巷通风系统采空区通风的安全隐患及U型通风系统的瓦斯超限问题,基于大采高采场通风系统及瓦斯抽采现状建立了其瓦斯治理模型,应用采空区瓦斯运移的抽采-渗流模型及数值模拟分析了不同通风系统下大采高采场的瓦斯运移特征,实测优化了U型通风系统下定向钻孔及穿透钻孔的布置参数,并进行了抽采验证。结果表明:大直径抽采钻孔的导向作用系统改变了大采高采场及采空区流场,并使其采空区下部形成低瓦斯区域; U型通风系统下,顶板中高位裂隙带内153 mm大直径定向钻孔与间距5 m的250 mm大直径穿透钻孔结合,大幅提高了瓦斯抽采流量,避免了瓦斯超限。     

瓦斯抽采影响因素及布孔参数优化模拟研究

为优化瓦斯抽采钻孔布置参数，基于流—固耦合模型，采用Comsol软件建立三维数值模型并进行解算，分析了钻孔间距、钻孔长度、钻孔直径和抽采负压4种参数变化对瓦斯抽采效果的影响。结果表明，钻孔间距和钻孔长度是影响抽采效果的重要因素，抽采负压和钻孔直径的变化对抽采效果影响较小。研究给出了钻孔长度、钻孔间距、抽采负压和钻孔直径的合理数值，可供类似条件借鉴。     

基于流固耦合模型瓦斯抽采钻孔参数优化研究

确定合理的顺层钻孔参数是提高煤矿瓦斯抽采效率的重要手段。考虑了瓦斯抽采过程中煤体变形产生的基质收缩以及瓦斯压力变化,借助COMSOL模拟软件,以瓦斯压力小于0.74 MPa的抽采区域为有效抽采半径区域,分析了不同钻孔间距下双孔及三孔瓦斯抽采效果,并在9306巷道进行瓦斯抽采试验。结果表明：双孔布置下瓦斯抽采效果随钻孔间距增加呈现出两个阶段,钻孔间距小于3 m,抽采时间较短时抽采效率高但后期下降较快,间距大于3 m,抽采效果均低于钻孔间距d=3 m的抽采效果,三孔布置下钻孔间距d=3.5 m时抽采效果最佳。此外,制定了每个钻孔有效抽采区域面积量,通过比较得出了三孔布置且间距d=3.5 m时瓦斯抽采效果最好,在9306巷道进行了瓦斯抽采试验,试验结果与模拟值相差约2.8%,证明该模型在试验矿井具有良好的适用性,可为钻孔的设计和优化提供一定的理论依据。     

突出薄煤层顺层瓦斯预抽钻孔合理布置研究

针对松藻煤矿突出薄煤层工作面顺层瓦斯预抽钻孔布置参数与抽采达标时间关系不清,难以适应矿井采掘接替要求、浪费钻孔工程量的问题,分析了不同钻孔布置参数对抽采达标时间的影响规律,制定了抽采达标时间现场考察方案,并在2215-2工作面进行了现场考察试验。试验结果表明:缩小钻孔间距可有效缩短抽采达标时间,钻孔直径为φ65mm、钻孔间距由5m缩小至3m,吨煤钻孔量增加70%,抽采达标时间由71d缩短至32d;同步增大钻孔直径和钻孔间距将增加抽采达标时间,钻孔直径由φ65mm增大至φ87mm、钻孔间距由5 m增大至8m,吨煤钻孔量减少40%,抽采达标时间由71d增加至93d。     

大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析

为进一步提高采空区裂隙带瓦斯抽采效果以保障工作面回采期间安全,提出了一种大直径顶板定向长钻孔(?203 mm)进行采动区裂隙带瓦斯定向抽采技术,并对其施工工艺、钻孔布置合理层位及抽采效果进行了研究。结果表明,钻孔布置的合理垂直高度45～50 m,钻孔与工作面回风侧的水平间距40 m。与高抽岩巷、普通顶板高位钻孔等常规采动区瓦斯治理方法相比,大直径顶板定向长钻孔的抽采量与高抽岩巷相当,是普通顶板高位孔抽采量的2.04倍;工程量大幅度降低,大直径顶板定向长钻孔既能实现高效率抽采,又达到节约工程量、降低施工成本等效果。大直径顶板定向长钻孔的成功应用为以孔代巷及传统顶板高位孔工艺的改进提供了实践基础和发展方向。     

淮南矿区瓦斯抽采中以孔代巷技术研究与工程实践

针对淮南矿区顶板岩层复杂地质条件和瓦斯赋存运移特征,开展了以孔代巷技术研究,从采动裂隙发育规律和钻孔瓦斯抽采特征等方面,分析了高位大直径定向钻孔替代高抽巷的技术原理。通过施工勘探孔探明顶板钻遇地层详细信息,以此优化高位定向钻孔层位布置、钻具组合和钻进参数。瓦斯抽采结果表明:煤层顶板以上38 m层位、距轨道巷煤壁26 m钻孔瓦斯抽采流量大、浓度高;随着高位大直径定向钻孔抽采瓦斯纯量增加,工作面上隅角瓦斯体积分数逐步降低,并稳定在0.03%左右;高位大直径定向钻孔瓦斯抽采纯量平均11.07 m~3/min,平均体积分数31.39%,与邻近高抽巷瓦斯抽采水平相当。应用结果表明,利用以孔代巷技术进行顶板瓦斯抽采是可行的,研究可为井下瓦斯高效抽采与治理提供借鉴。     

大采高采场“U”型通风系统采空区大流量瓦斯抽采技术

为解决大采高采场多巷通风系统采空区通风的安全隐患及"U"型通风系统的瓦斯超限问题,提出了在"U"型通风系统下应用大流量穿透钻孔配合中高位裂隙带定向钻孔的采空区大流量抽采技术,优化确定了定向钻孔及穿透钻孔的布置参数。大采高开采现场应用表明:φ153mm大直径钻孔抽采流量为φ96 mm的2~3倍,中高位裂隙带钻孔瓦斯抽采浓度约为中低位钻孔的2.4倍;φ250 mm大流量穿透钻间距5 m时瓦斯抽采效果最好;采用大流量抽采技术后,上隅角瓦斯浓度维持在0.55%~0.6%,避免了瓦斯超限。     

综放工作面隔巷大直径高位裂隙钻孔布置优化

针对桑树坪二号井普通高位钻孔抽采流量小、浓度低,以及布置在回风顺槽可抽采时间短、维护困难等问题,提出了工作面隔巷大直径高位裂隙钻孔抽采采空区瓦斯技术方案。现场开展了工作面“三带”考察,根据考察结果对高位裂隙钻孔布置方式、布置参数进行优化,高位钻孔直径由此前的94mm提高至133 mm,抽采PVC管由此前的50 mm提高至110 mm。现场考察结果表明:优化后高位钻孔单孔抽采浓度达到30%～90%,3307工作面上隅角瓦斯呈下降趋势,平均下降0.20%左右。     

祥升煤业15506工作面顺层长钻孔抽采技术研究与应用

为有效降低15506工作面的瓦斯含量,保障本煤层预抽效果,采用Fluent数值模拟软件进行抽采钻孔参数模拟分析,基于模拟结果得出抽采负压、抽采时间及钻孔直径与瓦斯抽采效果间的关系,结合工作面瓦斯赋存特征进行大直径长钻孔瓦斯抽采方案设计,并在抽采方案实施期间进行抽采数据监测分析。结果表明:大直径长钻孔抽采方案实施后,预抽区域瓦斯含量大幅降低,瓦斯抽采效果显著。     

李家楼煤矿1202工作面瓦斯分源治理方案研究

为了对李家楼煤矿1202工作面瓦斯进行有效治理,针对李家楼煤矿1202工作面瓦斯赋存特点,不同的涌出瓦斯来源,布置不同的钻孔进行抽采。对本煤层瓦斯布置顺层钻孔进行抽采,邻近层钻孔使用顶板裂隙钻孔进行抽采,采空区瓦斯使用大直径钻孔进行抽采。实际结果表明,用这种钻孔布置方式进行瓦斯抽采效率高,有效地解决了工作面瓦斯体积分数超限的问题。     

大直径高位钻孔代替高抽巷抽采瓦斯的研究

针对高抽巷施工工程量大、投入大的问题,在沙曲矿24207综采工作面进行了大直径高位钻孔替代高抽巷的试验,对二者的抽采效果进行了对比分析。高位钻孔抽采瓦斯效果达到了高抽巷抽采瓦斯的效果,且高位钻孔呈扇形布置,能扩大抽采范围,延长瓦斯抽采服务时间,提高瓦斯抽采率,将工作面回风瓦斯体积分数控制在0. 33%左右。应用结果表明用大直径高位钻孔代替高抽巷进行瓦斯抽采是可行的。     

顺层钻孔瓦斯抽采半径的关键影响因素数值模拟研究

为考察顺层钻孔设计参数的差异对瓦斯抽采半径的影响,采用COMSOL数值模拟研究瓦斯抽采半径在不同钻孔布置方式和设计参数下的影响规律。研究发现,消突区域随着抽采钻孔间距的增大而增大,不同钻孔间隔下的布置方式对抽采效果有较大影响。另外,消突区域直径随着钻孔直径的增大也逐渐增大,相比单个顺层钻孔,钻孔耦合时,钻孔直径的变化对瓦斯抽采效果影响不大,因此在顺层多孔耦合的条件下,通过增大钻孔直径的方法来扩大消突区域是不可行的。随着抽采时间的延长,顺层、多孔耦合钻孔的消突区域逐渐增大,其消突区域有一个阈值,一段时间后,再继续抽采瓦斯已经没有效果。随着抽采负压的增大,钻孔抽采影响半径有小范围增大,但增大的幅度远远小于抽采负压的增大幅度,直到稳定在某个定值上。随着抽采时间的增加,顺层钻孔单孔的抽采瓦斯流量逐渐降低,且降低的幅度逐渐减弱,最终逐渐靠近于某一个定值。单孔瓦斯流量与抽采时间之间呈现指数关系,并对此结论进行现场验证,研究结果对煤矿顺层瓦斯抽采钻孔设计具有一定指导意义。     

顺层钻孔瓦斯抽采钻孔合理布置的参数计算

钻孔有效抽采影响半径是确定钻孔布置参数以及预测瓦斯抽采消突时间的重要依据。确定顺层瓦斯抽采钻孔合理布置参数,采用数值计算的方式,对不同抽采时间下顺层钻孔瓦斯抽采有效影响半径进行计算,并现场考察验证。研究结果表明:相同抽采条件下,抽采钻孔直径为75 mm,抽采时间为120 d时,抽采影响半径达到了1.0 m;抽采时间为60 d时,抽采影响半径达到了0.5 m,与数值计算结果基本相同。在实际工作中应日常性收集煤层瓦斯赋存、瓦斯涌出等相关资料;经常分析瓦斯地质变化情况,在地质构造带或局部瓦斯富集区或煤厚变化地带进行采掘活动时,应采取安全技术措施。     

基于动态流固耦合模型的瓦斯抽采半径及孔间距研究

为了确定瓦斯抽采半径和钻孔布置间距,基于上覆岩层压力、地应力、煤层瓦斯压力的分布情况,同时考虑煤体剪胀性对于煤体孔隙率、渗透率动态变化方程的影响,建立了关于钻孔瓦斯抽采的渗流动态流固耦合模型。基于所得渗流流固耦合模型,将其嵌入到Comsol Multiphysics进行模拟计算,同时利用11528工作面进行的单孔和多孔的瓦斯抽采试验进行现场验证。研究结果表明:沿直线布置的抽采钻孔的瓦斯压力变化主要沿着该直线降低,沿着三角形顶点布置的钻孔瓦斯压力降低范围充满整个半圆面;单孔瓦斯抽采半径为2.05 m,双孔抽采和布置在一条直线多孔抽采布控间距为单孔抽采半径的1.8倍;布置在三角形顶点的多孔抽采布控间距为单孔抽采半径的1.6倍。     

大直径钻孔“以孔代巷”上隅角瓦斯治理技术研究

为解决综采工作面上隅角瓦斯积聚超限的问题,提出了超大直径钻孔技术来治理采空区上隅角瓦斯超限问题,阐述了超大直径钻孔治理上隅角瓦斯技术原理。以曹家山矿80103工作面为工程背景,采用大直径钻孔瓦斯抽采技术对采空区上隅角瓦斯进行抽采,并利用数值模拟软件对不同抽采负压及钻孔直径下钻孔瓦斯流量进行分析,确定最佳抽采负压为-30kPa,最佳钻孔直径为130mm。确定施工参数后对大直径钻孔抽采瓦斯抽放进行工业化试验发现,当使用大直径钻孔进行上隅角瓦斯抽采时,上隅角瓦斯浓度维持在0.2%,抽放效果较佳。并对其抽采效果进行验证,为矿井地质条件相类似工作面上隅角瓦斯治理提供参考与借鉴。     

云盖山煤矿底抽巷穿层钻孔抽采有效影响半径研究

当煤层群开采时,具有保护层条件的煤层,由于埋藏深度大而转变为没有突出危险或自然发火严重的煤层,致使具备保护层开采条件的突出矿井越来越少。在这种情况下,穿层钻孔条带预抽就成为防治煤与瓦斯突出最有效的区域防突措施之一。穿层钻孔抽采有效影响半径是抽采方法选择、钻孔布置参数以及评价抽采效果的重要依据。穿层钻孔抽采有效影响半径主要与煤层瓦斯含量、透气性系数、抽采钻孔直径及负压、抽采目的和时间等因素有关。施工穿层预抽钻孔对突出煤层进行消突已成为保安全、促生产过程中的重要环节,为避免钻孔设计及施工的盲目性,提高抽采钻孔的利用率及施工速度,对抽采有效影响半径的测试和确定已成为当前的首要工作。     

煤层瓦斯抽采效果影响因素分析及技术对策

根据瓦斯抽采理论和现场实践,分析认为煤层瓦斯非稳定流场、低渗透性、封孔气密性、钻孔塌孔、孔内瓦斯流动状态和钻孔布置参数等是影响钻孔瓦斯抽采效果的主要因素,基于以上影响因素,系统总结了提高钻孔瓦斯抽采效果的技术途径为:煤层开采卸压、煤层致裂增渗(包括预裂爆破、CO2爆破、水力压裂)、扩大钻孔影响半径(提高钻孔直径、水力割缝、水力扩孔、水力冲孔等)、采用新型封孔工艺、改善钻孔瓦斯流动状态(合理负压分布、下筛管等)和优化钻孔布置参数等。     

低渗煤层大直径钻孔瓦斯抽采参数优化研究

针对低渗煤层瓦斯抽采存在预抽难度大的问题,提出大直径钻孔预抽能够降低低渗煤层瓦斯含量的方法。但由于低渗煤层对气固耦合效应影响敏感,抽采中渗透率变化过程不明确,导致大直径钻孔抽采参数设计依据不足。首先分析了低渗煤体渗透率演化的主控因素,建立了煤层瓦斯运移理论模型,模拟研究了大直径钻孔不同工况下对低渗煤体的瓦斯抽采效果,对比分析不同孔径、负压、孔间距下煤层瓦斯渗流规律。结果表明钻孔孔径越大造成的煤体卸压区越大,瓦斯抽采量越高,瓦斯残余含量也越小,但抽采效果增加幅度逐渐降低。负压越大瓦斯抽采量越大,但差别较小,因此负压对提升抽采效率影响较小。受渗透率演化的影响,不同钻孔间距下瓦斯抽采总量差别较大,在间距为3 m时,40～120 d阶段内抽采量最高,后期抽采量缓慢下降。间距5 m时抽采总量最高,抽采范围内的瓦斯残余含量降低较多。现场优化抽采后的瓦斯抽采纯量与模拟结果一致,表明了研究结论可靠。该研究结果可为煤矿井下大直径钻孔瓦斯抽采参数设计提供理论依据与应用参考。     

提高本煤层瓦斯抽放效果的途径

总结了多年来屯兰矿本煤层瓦斯抽放经验,分析瓦斯抽放工作中存在的问题,认为影响预抽效果的主要因素有煤层透气性、钻孔方位与煤层节理方向的关系、钻孔与采场的相对位置、封孔质量及钻孔直径等.主要研究了瓦斯抽放钻孔参数对抽放效果的影响机理,提出合理选择钻孔的方位、调整钻孔与采场的相对位置、优化钻孔布置等适合该矿实际本煤层的瓦斯预抽方案.     

云盖山煤矿瓦斯治理钻孔有效抽放半径研究

针对不具备保护层开采条件的煤层,钻孔预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出最有效的措施之一。钻孔有效影响半径是进行抽采方法选择、确定钻孔布置参数以及评价抽采效果的重要依据,钻孔间距过大,抽采范围内容易形成抽采盲区,达不到消突的目的;钻孔间距过小,虽然一定程度上提高抽采率、增大抽采量,但增加了不必要的钻孔布置工程量,容易造成人力和物力的浪费。因此合理有效地施工抽采钻孔对突出煤层进行消突,已成为保安全、促生产过程中不可缺少的重要环节。为避免钻孔设计及施工的盲目性,提高抽采钻孔的利用率及施工速度,对抽采有效影响半径的测试和确定已成为当前的首要工作。