赵固二矿坚硬煤层超高压水力割缝增透技术应用

针对赵固二矿煤层坚硬、透气性低、钻孔瓦斯抽采效果差及钻孔工程量大等问题,提出采用超高压水力割缝技术提高瓦斯抽采效率。基于应力波原理,分析了高压水射流破煤机理,研制了适用于坚硬煤层条件且能够有效提高射流打击力的圆锥收敛型喷嘴和适用于坚硬煤层条件的定点冲击割缝方式。现场试验表明,针对坚硬煤层条件,割缝钻孔平均单刀出煤量约0.18t,等效割缝半径0.99～1.57m,割缝后瓦斯自然涌出量是普通钻孔的11.3倍,抽采纯量较普通钻孔提高3.8倍,钻孔抽采有效半径较普通钻孔增加了90%左右。超高压水力割缝技术能有效的解决低渗透性坚硬煤层的瓦斯抽采难题。     

高压脉冲水射流割缝半径及影响半径的测试方法

为了更好掌握高压脉冲水射流割缝切割范围与影响范围,增强高压脉冲水射流在各煤层的适应性,获得合理的射流割缝参数,对平煤股份十矿己15煤层高压脉冲射流割缝深度及影响半径进行了测试,得出当喷嘴直径为3 mm、泵压为20 MPa、出煤量大于4 t时高压脉冲水射流割缝半径为1 m,其影响半径为4 m,为优化工作面穿层高压脉冲射流割缝钻孔的布置、进一步强化瓦斯抽采效果提供依据。     

穿层钻孔高压旋转水射流割缝增透防突技术研究与应用

为了解决高瓦斯突出煤层巷道掘进过程中的煤与瓦斯突出问题,开发了将钻机钻进与射流割缝技术有机结合的穿层钻孔高压旋转水射流割缝增透防突技术。采用数值模拟的方法对比分析了钻孔和射流缝槽卸压效果,研究结果表明:割缝卸压比单纯钻孔卸压要优越很多,割缝缝槽破坏了钻孔周围的"瓶颈效应",多个割缝钻孔形成的裂隙相互导通,煤体透气性增大,促进瓦斯释放。工业性试验结果表明本卸压增透技术效果明显,瓦斯抽采流量、煤体扰动体积都有较大幅度增加,提高了瓦斯抽采效率。     

高压水射流割缝钻孔抽采影响半径研究

钻孔抽采影响半径是确定钻孔布置的基础参数,但关于高压水射流割缝缝槽形态及缝槽形态与钻孔抽采影响半径的影响关系目前尚无系统研究。根据缝槽形态实验结果将缝槽形态简化为圆盘,基于淹没射流结构理论分析缝槽圆盘尺寸,采用COMSOL软件研究不同条件煤层的割缝钻孔抽采影响半径,并进行现场测试试验。结果表明:割缝钻孔抽采影响半径与缝槽圆盘、渗透率、抽采时间、瓦斯压力等因素均呈幂函数关系,因素影响显著程度依次为渗透率、抽采时间、瓦斯压力、缝槽圆盘;高压水射流割缝缝槽体积与理论分析确定的缝槽圆盘体积的相对差值为8.33%,在抽采时间130 d时的实测钻孔抽采影响半径与数值模拟的相对差值为6.20%。     

非淹没高压旋转水射流喷嘴割缝参数试验研究

利用高压水力系统在实验室对不同设计参数的高压水射流喷嘴进行了切割不同硬度试样的试验,找出了喷嘴参数与割缝宽度和深度的关系,优化了割缝喷嘴的设计和加工参数,为高压旋转水射流割缝喷嘴的设计和加工以及割缝技术在煤矿瓦斯抽采领域的应用提供了实验依据。     

高压水射流割缝钻头的研制与增透效果工程验证

为提高水力割缝增加煤层透气性的工作效率,设计研发了高压水射流割缝钻头。采用数值模拟探究了淹没条件与非淹没条件下的叶轮喷嘴导向角度与射流流场扩散角的演化关系以及喷头在旋转与非旋转条件下的射流流速分布特征,最终采用气体示踪法对新型钻头的割缝效果进行检验。结果表明：叶轮导向角大于45°后,非淹没射流扩散角的增大速率更快,表现出了明显的紊流特征。综合能量损失率、射流扩散角的影响,最终选取45°的叶轮导向角作为设计角度。喷头的旋转对于轴向与切向的射流速度具有促进作用,尤其对于切向射流速度提升效果更强,在钻头侧面安装多喷头相比于在钻头前方安装喷头可有效提升扩孔效率。瓦斯抽采影响半径达到4.5 m与9 m的时间与普通割缝钻头相比分别加快了6 d与17 d.     

深部突出煤层超高压水射流割缝工艺参数研究与应用

超高压水射流割缝技术能显著改善深部煤层的应力状态、减少抽采钻孔工程量。针对割缝作业工艺参数选取缺少依据、易导致割缝误穿透相邻钻孔、卸压增透效果差等问题,开展了大埋深条件下的突出煤层超高压水射流割缝工艺参数研究。首先,理论分析了水射流压力、割缝时间、水射流旋转速度等工艺参数对超高压水射流割缝效果的影响;然后,通过不同参数下水射流割缝卸压增透效果现场考察,获得最佳水射流割缝工艺参数组合;最后,在赵固二矿西胶带大巷进行现场工艺验证。试验结果表明:优化后的煤层割缝钻孔抽采瓦斯纯量为对比钻孔的3.8倍,割缝钻孔有效瓦斯抽采半径为对比钻孔的2倍,割缝后穿层钻孔设计参数由4 m×5 m优化为8 m×5 m布置,在钻孔工程量减少50%的基础上,抽采达标时间由12个月以上缩短为7个月,抽采达标时间缩短了约40%。     

钻孔水力割缝提高本煤层瓦斯抽放率

钻孔水力割缝是利用高压水射流,使钻孔周围的煤体产生裂缝,起到卸压作用,提高煤层的透气性,增大瓦斯释放速度,改变煤层抽放难易程度,提高煤层可抽性,目前是我国抽放本煤层瓦斯方法中比较好的一种方法。水力割缝工艺系统主要部分包括:高压供水系统、控制系统、射流器(喷咀与枪头)、钻割推进装置及煤水导流装置等。     

柿花田煤矿掘进工作面瓦斯治理技术探讨

为消除11071工作面顺槽掘进过程中的煤与瓦斯突出危险性,采用多种方法进行瓦斯预抽。通过总结对比多种瓦斯预抽措施的消突效果,指出高压水射流割缝技术适用于本矿井复杂地质环境与高瓦斯条件下的突出危险性消除。采用高压水射流割缝后钻孔瓦斯抽采量提高4.4倍,煤巷掘进速度提高50%。     

超高压水力割缝精准控制技术应用及效果分析

为了解决由于水力割缝压力、喷嘴大小、割缝时间等参数的选取不当导致煤层割缝深度浅、割缝后煤体卸压增透效果不理想、割缝作业期间钻孔憋孔、堵孔等问题,提出了超高压水力割缝精准控制技术,分析了割缝缝槽宽度、深度控制,割缝落煤速度控制,以及割缝区域效果控制,集成开发了ZGF-100(A)型超高压水力割缝装置,并进行了精准控制割缝现场应用试验。结果表明:采用超高压水力割缝精准控制技术对煤层进行割缝后,缝槽等效半径约为1.02～1.58 m,割缝钻孔平均抽采瓦斯纯量较普通对比钻孔增大约2倍,割缝钻孔抽采半径较对比钻孔增大1倍左右。     

高压水射流环切割缝自卸压机制与应用

为解决深部矿井低透气性煤层瓦斯抽采难题,针对穿层钻孔提出了高压水射流环切割缝煤层自卸压增透技术。通过瓦斯流动理论分析普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动模式,分别建立了普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动微分方程,获得了高压水射流环切割缝自卸压技术改善煤层瓦斯流动机制;采用FLAC3D软件建模分析高压水射流割缝后钻孔周边煤体应力演化规律,基于煤体卸压程度及塑性区分布特征,确定了穿层钻孔合理化割缝参数;通过底板穿层钻孔高压水射流环切割缝技术现场考察,环切割缝后煤层变形量达到0.136%,煤层透气性系数较原始状态提高了42倍,瓦斯抽采纯量相较普通钻孔提高3.44~5.32倍,同等条件下煤层抽采半径提高了1倍以上。理论研究与现场试验均表明,采用高压水射流切割在煤层内部形成环形缝槽,能有效改善钻孔煤体应力状态,增加煤层渗透性,提高瓦斯抽采效率。     

高压水射流割缝对煤体扰动影响规律研究及应用

基于高压水射流割缝层内卸压增透技术,运用ANSYS软件建立模型,模拟了高压水射流割缝后不同割缝宽度条件下煤体位移、应力的变化,根据模拟结果分析了割缝煤体受扰动影响的变化规律;同时在平煤集团十三矿进行了现场的试验和应用,并对割缝钻孔和普通钻孔进行了单孔抽采流量考察。ANSYS模拟研究表明,割缝宽度不同造成周围煤体位移和应力显著变化,割缝宽度增大煤体受扰动影响范围增大,加大了煤体裂隙扩展,提高了割缝煤体的卸压效果;经现场试验和应用,煤体进行高压水射流割缝后,割缝钻孔起始瓦斯抽采量是普通钻孔的2.5倍,且在考察时间内割缝孔的抽采流量远大于普通孔,提高了瓦斯抽采效率。     

淹没高压水射流清洗地浸生产井过滤器的数值分析

采用数值模拟方法, 利用Fluent软件对300 m水深的淹没高压水射流清洗地浸过滤器的流场特性进行分析, 对比了不同喷嘴直径、喷嘴压降、冲击偏角和冲击靶距对污垢的冲击压力、剪应力、有效去污面积等去污指标的影响。结果显示, 喷嘴直径从1.0 mm增至2.0 mm, 射流最大冲击压力、最大径向速度和有效清洗长度分别增加22.15%、27.59%和905.46%;增大喷嘴压降会增强射流冲击压力, 提高射流去污能力;适当增大冲击偏角可以增强靶面剪应力, 冲击偏角 30°左右时去污效果较好;有效去污面积随冲击靶距增加整体呈先增大后减小的趋势。数值仿真分析结果表明, 采用淹没高压水射流去除地浸生产井过滤器上的堵塞物是可行的。分析数据可为清洗喷嘴的设计及清洗工作参数的选取提供一定参考依据。     

旋转水射流割缝提高穿层钻孔抽采效果的试验研究

从旋转射流的理论基础和煤岩失效2个方面对旋转射流割缝的机理进行了研究。通过扩大穿层钻孔直径,增加了煤层暴露面积和卸压范围,提高穿层钻孔的抽放效果。结果证明,旋转水射流割缝技术技术可行,抽采效果显著,是提高穿层钻孔抽采效果的有效途径之一。     

高压水射流割缝提高穿层钻孔瓦斯抽放效果的试验

 针对如何解决高瓦斯煤层采掘过程中瓦斯超限的问题,提出了高压水射流割缝提高穿层钻孔瓦斯抽放效果的技术。文章分析了高压水射流割缝对瓦斯的作用机理,介绍了高压水射流割缝系统设备、工艺以及现场试验情况。通过对钻孔进行高压水射流割缝,从而增加了钻孔的煤层暴露面积以及卸压范围,钻孔瓦斯抽放量提高了2倍以上,瓦斯抽放效果有了显著的提高。     

水射流割缝深度分析及现场试验研究

针对目前水射流割缝深度无法精确确认的问题,基于动量守恒定律推导二维平面内水射流截面速度分布规律,以水射流射流功率与冲蚀煤岩体积的线性关系、水射流动压衰减规律及Mohr-Coulomb准则等为基础,确定水射流冲蚀煤岩深度随时间的变化规律及水射流割缝的影响范围,并在川南某矿2#煤层2472风巷掘进工作面进行顺层钻孔割缝现场试验,对比计算水射流割缝深度、最大割缝深度。研究结果表明:理论计算值与现场试验实测值之间最大误差分别为8.67%、8.53%。     

淹没水射流关键参数对天然气水合物沉积物冲蚀体积的影响规律研究

高压水射流技术具有工作介质来源广泛与环保等优点,能够用于海底天然气水合物储层破碎。本文运用LS-DYNA有限元程序对淹没状态下高压水射流对海洋天然气水合物沉积物破碎过程进行数值模拟,研究了射流速度、喷嘴直径、靶距、入射角度4项关键参数对含水合物沉积物冲蚀体积的影响,得出以下主要结论:含水合物沉积物破碎需要满足射流速度大于临界流速;随着射流速度的增加冲蚀体积逐渐增大;喷嘴直径的增加会导致沉积物径向冲蚀体积的增大,从而使总体冲蚀体积增大;靶距的增加会使水射流在水域运动过程中能量损失增大,导致冲蚀体积的减小;在喷嘴入射角度增大过程中冲蚀体积先增大后减小最后趋于稳定,当入射角度为10°时冲蚀体积能够达到最大值。     

余吾矿N1103工作面高压水射流割缝效果分析

为了研究高压水射流割缝技术在余吾矿的应用效果,采用理论分析与现场测试相结合的方法,在该矿N1103工作面运输顺槽进行施工。选择瓦斯抽采浓度、抽采有效半径作为评价指标。通过对实施高压水射流割缝技术的钻孔和未实施该技术的钻孔进行对比,发现实施后的钻孔瓦斯抽采浓度提高了近20%,有效抽采半径提高到原来的近3.5倍,验证了高压水射流割缝技术在余吾矿的适应性。     

基于水射流割缝煤层区域动态指标研究

基于水射流割缝煤层增透技术,分析了割缝后煤体应力分布状态,计算了割缝钻孔径向应力和切向应力。在理论分析水射流割缝钻孔影响半径的基础上,确定基于水射流割缝钻孔布置的技术工艺。根据现场实测数据,统计分析了动态指标,对水射流割缝后煤层瓦斯抽采增透效果进行了验证。中兴矿现场试验表明:与常规钻孔相比,采用水射流割缝钻孔瓦斯抽采浓度提高3.6倍、流量提高2.7倍、纯流量提高9.7倍;上覆三采西翼回风巷平均风排瓦斯涌出量最大减少0.68 m^3/min,降低26.98%;水射流割缝钻孔段瓦斯含量降低0.48 m^3/t;抽采半径为3.0 m时,水射流割缝钻孔段抽采时间41 d,相比常规钻孔抽采时间缩短43 d。     

基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术

随着煤矿开采逐渐向深部延深,高强度开采瓦斯涌出量大,煤岩体高应力与瓦斯灾害呈相互耦合态势。针对深部矿井高强度开采面临的煤岩与瓦斯动力灾害治理难题,基于高压水射流割缝卸压原理,提出应力、瓦斯双重卸压的煤岩与瓦斯动力灾害水力化防治技术。通过理论分析与数值模拟方法,分析了超高压水射流割缝破煤机制,研究了煤层割缝卸压措施对区域内煤体应力及瓦斯的双重影响。研究结果表明:高压射流在煤层内部切割破坏了煤体完整性,减弱了煤体对上覆岩层支承能力,能有效地缓解割缝区域内应力集中;钻孔内部切割形成的缝槽改变钻孔瓦斯抽采模式,由径向流动改变为径向、轴向复合流动,使煤层瓦斯含量、压力迅速降低,超高压水力割缝技术通过应力卸压及瓦斯抽采2个方面解除了煤岩与瓦斯动力灾害发生危险。经在胡家河矿现场试验,割缝区域内平均微震事件能量下降18%、单位进尺微震能量降低37%,采用地音趋势法评估的矿压显现强烈次数下降17%,瓦斯抽采量提高4.1倍,表明超高压水力割缝技术能实现地应力及瓦斯压力双重卸压,有效解除煤岩与瓦斯动力灾害发生危险,为深部煤矿高强度安全开采提供技术保障。