软煤钻孔布置与瓦斯抽采密封技术研究

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随着我国煤层开采深度的不断增加,瓦斯灾害日趋严重,瓦斯抽采是解决瓦斯问题的根本措施。高瓦斯松软煤层由于煤质松软,其钻孔间距布置及密封一直是煤矿瓦斯治理的重点与难点。软煤钻孔间距的合理布置在主流研究中往往采用单一的瓦斯流量法或压降法等方法直接作为钻孔间距布置的依据,很少将几种测定方法放在一个巷道内进行综合测试分析,因此,尝试将几种方法进行结合测定钻孔间距,可能会大大减小单一测定方法带来的误差,从而提高软煤钻孔间距布置的合理性。松软煤层特殊的煤质条件对钻孔密封材料较普通钻孔密封提出了更高的要求,在保证钻孔封孔段密封性良好的同时,需要密封材料对钻孔拥有很好的固结支撑作用。因此,为了提高高瓦斯松软煤层钻孔瓦斯抽采效果,开展软煤钻孔间距的合理布置及钻孔新型密封材料的研究,具有十分重要的意义。本文以潞安集团余吾煤业为研究对象。首先,基于《煤矿安全规程》、《瓦斯抽采达标暂行规定》及《防治煤与瓦斯突出细则》等国家对矿井瓦斯抽采达标的相关规定,并对试验区域的煤层原始瓦斯基本参数及赋存规律进行测定,了解煤层瓦斯赋存情况。对比分析了余吾煤业钻孔瓦斯抽采未达标情况,找出影响钻孔瓦斯抽采未达标的主要原因。其次,分析了高瓦斯松软煤层钻孔周围煤体受力情况,结合弹塑性变形理论探讨了钻孔失稳对孔周煤体裂隙的应力及位移情况,对钻孔间距的合理布置及密封材料提出了新的要求。再次,为了确定软煤钻孔的合理间距,基于微震监测系统初步了解钻孔钻进扰动时孔周裂隙的发育情况,得到钻进扰动的裂隙发育范围为0.85~0.95m;借助瓦斯流量法确定了不同预抽期时的钻孔间距,将不同预抽期时合理钻孔间距范围缩小在为1m~3m,钻孔间距大于4m不符合钻孔达标要求;最后,结合压降法进一步确定不同预抽期的钻孔合理间距,得到不同抽采时间的瓦斯有效影响半径。接着,针对高瓦斯松软煤层钻孔特殊的地质条件,研制了与高瓦斯松软煤层相匹配的高强度、微膨胀新型密封材料。通过单因素分析探究了关键影响因素对固化材料膨胀性能及抗压强度的影响,应用响应(曲)面分析法(RSM)进一步确定了各关键影响因素对其膨胀性及抗压强度的交互影响,得出了最优实验条件:铝粉、生石灰掺量0.52%,石膏掺量2%,水料比0.6。最终得到一种抗压强度15.6MPa,膨胀率10%左右的新型密封,同时对比分析了新型密封材料与矿用密封材料的力学性能。最后,在前述研究的基础上,通过优化钻孔间距及选用新型钻孔密封材料进行现场试验,与余吾煤业未优化孔进行试验对比,优化孔的瓦斯浓度高于普通孔10%左右,优化后的钻孔能有效提高瓦斯抽采效率,保障瓦斯抽采达标。
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