智能瓦斯抽采技术与装备_中国煤炭行业知识服务平台

智能瓦斯抽采技术与装备

来源：《工矿自动化》2020年第10期

煤炭是我国的主体能源，瓦斯作为煤的伴生产物，是煤矿重大灾害源和大气污染源，同时也是宝贵的不可再生能源。瓦斯抽采是瓦斯治理的治本之策，也是提升我国煤矿安全高效洁净生产水平的关键技术，有利于优化我国能源结构、减少温室气体排放。随着国家对煤炭安全生产标准的升级，以及煤矿智能化技术的发展和智慧矿山建设的不断推进，要求煤矿企业进一步提高瓦斯抽采率和瓦斯利用率，减少煤矿灾害事故和瓦斯向大气的排放量。针对近年我国在煤矿瓦斯抽采技术方面取得的研究成果，同时为探讨瓦斯抽采技术与装备的发展方向，本刊组织策划了“智能瓦斯抽采技术与装备”专题，报道内容涉及瓦斯（煤层气）抽采增透技术、智能化钻探技术与装备、瓦斯抽采及钻进技术在煤矿的应用等方面。特别感谢中国矿业大学翟成教授对本专题组稿工作的支持！衷心感谢各位专家学者在百忙之中为本专题撰稿！

行业视野: 煤层气
类别; 42个
关键词; 23位
专家; 7篇
论文; 2763IP
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液氮循环致裂技术强化煤层气抽采的研究与应用展望

作者(Author)：翟成, 徐吉钊

摘要：水力压裂技术在强化煤层致裂、提高煤层气抽采效率方面广泛应用，但存在耗水量大、压裂液易污染环境等问题，难以在富含煤层气的缺水地区应用。基于常规液氮压裂技术，通过改变液氮单次注入方式，提出了液氮循环致裂技术，并对该技术用于强化煤层气抽采进行了展望。该技术采用液氮循环注入方式，使得液氮持续充填不断扩展的裂隙空间，形成复杂的裂隙网络。其致裂煤岩机理为循环累积损伤、低温致裂及气体致裂三者耦合作用机制：① 在液氮循环注入过程中，不同类型组配颗粒间出现不同程度的变形响应，不断累积的颗粒间损伤在一定程度上劣化煤体局部区域的抗压强度，导致新生裂隙的衍生及原生孔隙扩容。② 液氮对煤岩的冷冲击导致煤岩内部结构发生断裂，产生大量微裂隙，并使其随着液氮循环注入不断扩展和导通，同时液氮的低温作用导致的水冰相变过程能进一步破坏煤岩内部结构。③ 液氮汽化产生的高压气体使得煤岩体积重复性地扩展-收缩，进一步促使裂隙发育和导通。液氮循环致裂技术以液氮为压裂介质，极大缓解了对水资源的依赖，对环境无污染，可用于煤层气抽采等领域。

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2020年第10期

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煤矿坑道智能化钻探技术发展框架分析

作者(Author)：李泉新, 刘飞, 方俊

摘要：坑道智能化钻探的显著特征在于智能钻具的研发与应用和钻探数据的获取与分析，但现阶段我国煤矿坑道智能化钻探的研究基础较为薄弱，坑道智能化钻探缺乏科学化、精细化的技术手段，且缺乏系统性发展框架。针对该问题，阐述了我国煤矿坑道智能化钻探技术研究现状，从自动化钻机、导向钻进技术、孔内多参数获取、智能分析决策等方面总结了煤矿坑道智能化钻探发展成果与不足；在此基础上提出了煤矿坑道智能化钻探技术发展框架，指出应围绕精准导向系统、数据测量系统、数据传输系统、智能决策系统和自动控制系统，打造从孔底到孔口、从井下到地面的一体化坑道智能化钻探平台，构建“参数测量-〖智能决策-控制执行”坑道钻进过程闭环控制系统：通过数据传输系统将孔底随钻测量参数实时传输至地面远程数据支持中心，采用人工智能算法对地质参数、几何参数和工程参数进行协同分析，并实时更新三维可视化地质模型，制定钻进工艺参数和钻孔轨迹智能调控策略，控制井下智能钻机工作。

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2020年第10期

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碎软煤层气动定向钻进技术在青龙煤矿的应用

作者(Author)：孔庆军, 褚志伟

摘要：针对现有碎软煤层回转钻进技术存在成孔深度浅、钻孔轨迹不可控、钻进效率低和瓦斯抽采效果差等问题，提出采用气动定向钻进技术进行碎软煤层瓦斯抽采钻孔施工。气动定向钻进技术以井下防爆空气压缩机输出压风为钻进动力和排渣介质；利用有线随钻测量装置随钻获取钻孔轨迹参数；应用压风监控装置实时监测供风压力、温度和流量等参数，为孔内工况判断提供依据；应用压风除尘装置对孔口煤尘进行分级净化以实现煤尘高效处理。在兖矿贵州能化有限公司青龙煤矿21608运输巷南段钻场开展了现场试验，在普氏系数为0.37的碎软煤层中采用气动定向钻进技术施工定向钻孔，最大孔深为345m，单班平均有效进尺比普通回转钻孔提高了30%以上；单孔平均瓦斯抽采体积分数保持在70%左右，与普通回转钻孔相比提高了60%左右；钻场主管路平均瓦斯抽采体积分数为71.2%，平均瓦斯抽采纯量达4.0m3/min，累计抽采瓦斯11.5万m3，有效覆盖了300m待掘巷道瓦斯抽采区域。气动定向钻进技术具有钻孔轨迹可控、成孔深度大、钻进效率高和瓦斯抽采效果好的优势，可应用于碎软煤层瓦斯区域抽采和采前预抽，为碎软煤层瓦斯治理提供了新的技术途径。

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钻孔水射流冲击对瓦斯抽采的影响特性研究

作者(Author)：高亚斌, 韩培壮, 郭晓亚, 向鑫, 王飞

摘要：基于水射流的钻孔增透技术是增加煤层透气性、提高瓦斯抽采率的有效途径，然而目前关于钻孔水射流冲击对瓦斯抽采的影响特性尚不明确。针对该问题，采用数值模拟方法，研究了水射流在钻孔壁面的流场特性和压力特性，分析了水射流冲击对钻孔周围煤体应力的影响，并对普通钻孔和水射流冲击钻孔的瓦斯抽采特性进行了对比。研究结果表明：钻孔内水射流喷出后，以较小的发散角进行发散流动，轴心速度为速度峰值，冲击到钻孔壁面后形成一个“圆台”区，该区域水流速度较低；水射流冲击钻孔过程中，存在出口压力集中区、接触面压力集中区、壁面压力集中区3个压力集中区域，钻孔壁面压力随水射流冲击压力增大而增大；水射流冲击钻孔对周围煤体应力分布影响存在应力骤减阶段和应力增强、恢复阶段，且煤体应力变化程度与冲击压力呈正相关关系；水射流冲击钻孔与普通钻孔抽采时，钻孔周围煤体内瓦斯压力均随时间推移由钻孔向煤体内部逐渐减小，但水射流冲击钻孔可显著提高钻孔抽采范围和抽采率，且水射流冲击压力越大，对钻孔抽采的影响越明显。

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煤矿井下长钻孔钻进减阻技术研究

作者(Author)：王四一, 赵江鹏, 杨冬冬

摘要：针对煤矿井下长钻孔钻进中钻杆柱与钻孔壁之间的摩擦阻力严重影响钻压传递、阻碍钻孔深度进一步增加的问题，对长钻孔钻进减阻技术进行了研究。分析了目前复合定向钻进技术存在的技术瓶颈，即复合钻进时无法定向，深孔滑动定向钻进时效率低，导致钻孔较深时无法开分支和纠偏；提出了水力振荡器减阻技术、滚轮扶正器减阻技术、冲击振动减阻技术及旋转导向技术等解决方案，分析了各方案的原理、技术优势及局限性，指出相关技术的地层适应性及对钻进设备的要求，并给出了相关技术的实际应用结果：淮南矿业集团张集矿使用水力振荡器后，平均给进表压为4 MPa左右，比使用前降低了33%，平均钻进效率比使用前提高了126%，压降消耗为2MPa左右，泥浆泵压力虽升高1.7~2.5 MPa，但仍可满足目前煤矿井下钻进系统泥浆泵、定向钻具深孔钻进需要；采用单弯螺杆马达与液动冲击器复合钻具在唐家会煤矿现场共完成了2个定向试验钻孔，钻孔深度分别为546m和564m，使用该钻具组合施工进尺分别为411m和429m，用时分别为8230min和8570min，机械钻速约为3m/h，而相同地层常规定向钻进的机械钻速为0.83m/h，复合钻具的机械钻速提高了约260%；在晋煤集团寺河矿使用冲击螺杆马达钻进累计进尺1743m，累计时长为200 h，平均机械转速相较常规螺杆马达提高了20%~30%，可达8.34m/h。提出开发小直径旋转导向技术是目前煤矿井下钻具突破的新方向。

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基于改进ResNet网络的井下钻杆计数方法

作者(Author)：高瑞, 郝乐, 刘宝, 文静怡, 陈宇航

摘要：针对现有井下钻杆数量统计方式精度较低、受环境变化影响大等问题，结合卷积神经网络、信号滤波等技术，提出了一种基于改进ResNet网络的井下钻杆计数方法。根据视频图像中卸杆动作与非卸杆动作的差异，采用ResNet〖HT5,6”〗-〖HT5〗50网络模型对样本集进行分类训练，判断视频中每一帧图像是否包含卸杆动作；结合线性学习率预热和基于Logistic曲线的学习率衰减策略进行学习率更新，以提高模型分类准确率；通过积分法对视频分类置信度进行滤波，并统计置信度曲线下降沿数量，实现钻杆计数。实验结果表明，预热+衰减的学习率更新策略能够有效提高图像分类模型的分类精度，模型分类检测准确率为89%。实际应用结果表明，基于改进ResNet网络的井下钻杆计数方法可以高效识别视频中的卸杆图像，平均钻杆计数精度为97%，满足实际应用需求。

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高瓦斯工作面隅角新型组合封堵气囊研究

作者(Author)：乔磊 , 范富槐, 黄晓昇

摘要：隅角封堵是解决工作面隅角漏风、瓦斯超限问题的有效方法。针对现有垛双抗袋、风筒布封堵技术及气垛充填技术难以实现全断面封堵，轻型柔性气囊极限承载压力较小且无法回收利用等问题，设计了一种隅角新型组合封堵气囊，将该气囊制作成大小组合式结构，以适应不同巷道封堵断面的需要。对该气囊进行了抗压和抗冲击物理试验，结果表明：气囊变形速率在抗压物理试验初始阶段较大，随着施加泵压增大逐渐减小，达到额定工作压力（0.05MPa）后气囊形状趋于稳定；随着冲击气囊的矸石质量增大，气囊变形量增大，矸石回弹高度减小，矸石动能吸收效果更佳。在余吾煤业N1101工作面对新型组合封堵气囊进行了现场试验，结果表明：采用组合封堵气囊封堵上隅角后，采空区平均瓦斯体积分数较采用传统风筒布封堵时上升了13.85%，上隅角和回风巷平均瓦斯体积分数分别下降了16.04%和8.69%，且瓦斯体积分数变化平稳、波动小，有效解决了采空区局部漏风及上隅角瓦斯超限问题；新型组合封堵气囊可回收利用，降低了隅角封堵成本。

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