薛湖煤矿低渗透突出煤层顺层水力线造穴卸压增透技术研究

发布时间：2020-04-03 09:17

【摘要】：本文针对薛湖煤矿煤层高吸附、低渗透的特点以及瓦斯抽采工程量大、钻孔抽采效果差的问题,采用顺层水力线造穴卸压增透技术使得钻孔周围煤体孔隙、裂隙发育,提高煤层透气性和瓦斯抽采效率,实现煤层瓦斯快速高效抽采达标和消突的目的,将顺层水力线造穴技术实用化。采用理论分析、数值模拟以及现场测试验证相结合的方法,对25040工作面水力线造穴前后钻孔瓦斯参数变化及应力演化规律进行测试分析,研究确定顺层水力线造穴钻孔有效影响半径及水力线造穴的最佳技术参数,并考察水力线造穴防突措施卸压增透的效果。论文取得的主要研究成果如下:(1)根据25040工作面煤岩层赋存条件及工程地质情况,利用COMSOL软件建立了三维数值计算分析模型,模拟分析了不同出煤量线造穴钻孔瓦斯抽采时间与有效影响半径的规律。结果表明:线造穴钻孔出煤量一定时,随着造穴时间的增长,钻孔的有效影响半径逐渐增大,但是有效影响半径增长速率却不断降低,确定线造穴合理抽采时间为90天;线造穴钻孔有效影响半径随着出煤量的增加而增大,但其增长速率却随出煤量的增加出现先上升后下降的趋势,最终确定水力线造穴的最佳出煤量为150kg/m。(2)利用COMSOL软件模拟分析了不同钻孔间距对煤层线造穴效果的影响。结果表明:随着线造穴钻孔间距的增加,瓦斯抽采后线造穴钻孔之间煤层残余瓦斯压力峰值逐渐增大。当孔间距为4.8m时,瓦斯压力为0.45MPa;当孔间距为6.4m时,孔间煤体的瓦斯压力约为0.65MPa;结合河南省“双6”瓦斯治理标准,将线造穴瓦斯抽采后压力降低至0.6MPa作为安全标准,则线造穴钻孔的合理布孔间距确定为4.8m时,可以达到煤层卸压消突的目的。(3)通过理论计算确定顺层线造穴的最大水压为3.8MPa,并对薛湖煤矿水力线造穴技术进行了现场试验,采用应力监测传感器考察造穴后煤体应力演化规律,得出单孔线造穴有效影响影响范围为2.4m~3.2m之间。进行双孔线造穴试验时,线造穴钻孔间距为4.8m时,相比于单孔线造穴2.4m处钻孔应力下降幅度29%,双孔线造穴应力下降幅度高达46%,卸压区相互覆盖,煤体卸压充分,有效避免瓦斯抽采盲区出现。(4)对线造穴钻孔瓦斯抽采浓度、煤层残余瓦斯含量及瓦斯压力进行了测量及分析,考察了水力线造穴措施的卸压消突效果。结果表明:线造穴钻孔相较于普通钻孔瓦斯抽采浓度提高显著,平均瓦斯抽采浓度提高了4.3倍;线造穴钻孔有效卸压区域最高残余瓦斯含量及压力分别为5.4m3/t、0.31MPa,均降至临界值以下,且孔间距4.8m的双孔线造穴残余瓦斯含量最高仅为4.8m3/t,远低于河南省的瓦斯治理标准,煤层卸压消突效果明显。研究结果揭示了顺层水力线造穴钻孔周围应力及瓦斯分布规律,确定了薛湖煤矿水力线造穴最佳技术参数及有效影响范围,提高了薛湖煤矿瓦斯抽采效果和防突效率,对高吸附、低渗透突出煤层的瓦斯治理及消突工作具有参考意义。
【图文】：

工程硕士专业学位论文1.4.2 研究技术路线本文通过利用理论计算、实测分析和数值模拟等手段，研究了顺层水力线造穴后钻孔周围煤体应力与瓦斯分布演化规律，确定薛湖矿水力线造穴的关键技术参数及有效抽采范围，主要技术路线如图 1-1 所示。

顺层水力线造穴卸压增透技术就是以水为媒介，通过高压水射流将大量煤瓦斯冲出孔外，在钻孔周围形成一定的孔洞，使得周围煤体应力场、裂隙场分布，使得煤体的孔隙、裂隙进一步发育，，为瓦斯流动提供了通道，提高了抽采效果，降低了钻孔周围煤体应力和瓦斯压力，有效的解决顺层煤层瓦斯困难的问题。水力线造穴卸压增透技术是在高压水射流的作用下完成的，因究水射流结构特性、线造穴钻孔周围煤层透气性变化以及周围煤体力学特性示线造穴卸压增透机理具有重要意义。.1 水射流结构特性（Structure Characteristics of Water Jet）水力线造穴卸压增透技术在现场工程应用中为方便排煤渣，防止出现堵孔，多采用仰角较大的钻孔进行线造穴作业。由于线造穴过程会合理控制高压和流量，使得钻孔排水速率大于水射流速率，造穴钻孔内没有大量水体汇集渣堆积现象，因此水射流为非淹没射流。高压水射流的结构特性最早由日本 Yanaida 和 Ohashi[73]进行了研究，之后国内外学者利用高速摄像技术捕捉高射流喷射时的形态[74-76]，对高压水射流的结构进行了进一步描述，优化并完非淹没射流几何结构，如图 2-1 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD712.6

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本文编号：2613182