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

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。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义（Background and Significance of the Topic）

1.2.1 低渗透煤层瓦斯强化抽采技术

1.2.2 水射流技术研究现状

1.2.3 水射流破煤岩机理研究

1.2.4 水力化冲孔造穴卸压增透技术研究

1.3 存在问题及不足（Porblems and Deficiencies of Research）

1.4.1 研究内容及方法

1.4.2 研究技术路线

2 水力线造穴破煤及卸压增透作用分析

2.1 水射流结构特性（Structure Characteristics of Water Jet）

2.2 线造穴周围煤体透气性分析（ Permeability Analysis of Coal around Line Caving）

2.3.1 线造穴钻孔周围煤体应力分布

2.3.2 水力线造穴周围煤体力学特性

2.4 本章小结（Chapter Summary）

3 线造穴松动煤体卸压增透数值模拟

3.1 水力线造穴模型建立及参数设定（Establishment of Hydraulic Line Caving Model and Parameter Setting）

3.1.1 几何模型及参数设置

3.1.2 煤岩力学参数选择

3.2 水力线造穴数值模拟分析（Numerical Simulation Analysis of Hydraulic Line Caving）

3.2.1 普通钻孔瓦斯抽采效果数值模拟

3.2.2 不同出煤量线造穴增透效果数值模拟

3.2.3 线造穴煤层应力变化分析

3.2.4 线造穴煤层渗透率变化规律分析

3.2.5 不同钻孔间距对煤层线造穴效果的影响

3.3 本章小结（Chapter Summary）

4 薛湖煤矿水力线造穴现场试验及效果考察

4.1.1 薛湖煤矿概况

4.1.2 矿井水文及地质特征

4.1.3 薛湖煤矿25040工作面概况

4.2 水力线造穴工艺设计（Design of Cave-making Technology for Hydraulic Line）

4.2.1 水力线造穴系统及工序

4.2.2 线造穴水压设计优化

4.3 水力线造穴防喷防突技术及装备（Technology and Equipment of Cave-making,Blowout Prevention and Outburst Prevention for Hydraulic Line）

4.3.1 防喷装置的设计

4.3.2 防喷装置现场应用效果

4.4 水力线造穴应力演化监测及分析（Monitoring and Analysis of Stress Evolution in Caving of Hydraulic Line）

4.4.1 线造穴应力监测系统

4.4.2 测点布置及监测要求

4.4.3 线造穴前煤层应力分析

4.4.4 线造穴煤层应力演化规律

4.5 线造穴卸压增透强化抽采效果考察（ Investigation on the Effect of Pressure Relief and Permeability Enhancement Enhanced Extraction by Line Caving）

4.5.1 单孔线造穴钻孔与普通钻孔的瓦斯抽采浓度比较分析

4.5.2 双孔线造穴钻孔与普通钻孔的瓦斯抽采浓度比较分析

4.5.3 顺层水力线造穴消突效果考察

4.5.4 线造穴卸压煤体扰动面积、体积分析

4.6 本章小结（Chapter Summary）

5 结论和展望

5.1 主要结论（Main Conclusions）

5.2 主要创新点（Main Innovation Points）

5.3 研究展望（Research Prospect）

参考文献

作者简历

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