盘江矿区松软突出煤层护-封-联瓦斯治理新技术体系研究
图2.33 优化过程框图
2.3.2.3 关键科学问题
抽采管网与瓦斯参数的动力学匹配机制。管网内瓦斯气体的组分、浓度、流速、混合流量等参数需要与管网几何参数相适应，以同等耗能时瓦斯抽采的最佳效果并保障系统安全性。
2.3.3 瓦斯抽采系统优化技术研究
采用现场测试、理论分析和数值模拟相结合的方法开展研究，研究技术路线如图2.34所示。
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瓦斯抽采系统 能力与效果测试 瓦斯抽采管管径优选与管网优化 管径优选 管网网络图 基于iSIGHT的全自动优化技术 制约抽采系统能力与效果主要因素剖析 瓦斯抽采 管路优化 瓦斯抽采系统抽采负压优化 预抽钻孔孔径与孔间距优化 负压与抽采浓度、流量关系研究 孔径与抽放量的关系 钻孔有效抽采半径
图2.34 项目研究技术路线框图
1）瓦斯抽采系统能力测试
选择矿井正常生产月，在同一时段进行如下内容的测试：
（1）抽放泵流量、负压、真空度、背压、瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采率； （2）干管瓦斯流速、瓦斯浓度、负压、流量、千米管道阻力和千米管道漏气率；
（3）支管瓦斯流速、瓦斯浓度、负压、流量、千米管道阻力和千米管道漏气率；
（4）抽放钻孔瓦斯浓度、孔口负压、钻孔流量。 2）制约瓦斯抽采系统能力与效果的主要因素剖析
以瓦斯抽采系统能力与效果测试结果为基础，从抽放泵能力、管网阻力、管网漏气、钻孔封孔效果、钻孔布置参数以及瓦斯抽采率几个方面入手，剖析制约瓦斯抽采系统能力的主要因素，找出抽采系统中“抽采泵—管网—钻孔”不匹配的短板，为瓦斯抽采系统环节优化提供方向。
3）瓦斯抽采系统优化
（1）瓦斯抽采管管径优选与管网优化
按照优化目标，遵循相应的约束条件，采用数值优化分析软件平台iSIGHT将流体力学软件FLUENT、几何建模软件ProE、网格划分工具GAMBIT结合起来，实现瓦斯抽采管网的全自动化优化分析，从而确定适当的瓦斯管路网络。
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（2）瓦斯抽采系统抽采负压优化
①收集瓦斯抽采系统瓦斯抽采数据，统计分析抽采负压与抽采浓度、流量关系；
②在生产和安全许可的前提下，分时段改变瓦斯抽采系统的抽采负压，考察抽采浓度、流量与抽采负压的关系；
③抽采系统负压优选。
（3）预抽钻孔孔径与孔间距优化
选择一个掘进工作面，在掘进工作面煤壁上，分段施工四组孔径分别为75mm、89mm、120mm和150mm的预抽瓦斯钻孔，每组钻孔数量8个，孔长不小于60m，各组钻孔的孔间距如图2.35所示：
图2.35 各组钻孔的孔间距示意图
在给定抽采负压条件下，分别考察各组个钻孔的瓦斯抽采浓度和流量；根据各组钻孔瓦斯抽采纯量考察结果，研究瓦斯抽采量与钻孔孔径关系，优选预抽钻孔孔径；根据各组不同间距钻孔瓦斯抽采纯量考察结果，研究对应孔径条件下的瓦斯抽采量与钻孔间距关系，确定钻孔有效抽采半径，优选钻孔间距。
3 项目可行性分析
3.1研究思路的可行性
1）科学的力学理论指导：煤体受横向、纵向耦合破煤力、低透软煤蠕变破坏力学及固相颗粒流动、图论理论与方法等；
2）一体化技术体系：松软低透煤层护孔、封孔、管网联通一体化技术； 3）全方位研究方法：理论分析、数值模拟、实验研究和现场试验相结合研究加快打钻、钻孔垮塌、钻孔密封和管网联通相关技术及理论；
项目研究思路清晰，目标明确，内容清晰，重点突出。 3.2研究方法的可行性
本项目基于理论分析、数值模拟、实验分析和现场试验相结合的方法，根据图论理论和矿井瓦斯抽放系统的关系，利用数值软件计算瓦斯抽放系统各子管路
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阻力分布，采用图论的理论和方法来分析、优化瓦斯抽放管网系统。通过渗透率测试实验和三轴加载实验，测试煤体结构破碎特性和交变载荷作用下煤体力学特性变化规律。采用数值模拟软件，考察松软煤蠕变、破坏的力学机制、卸荷条件下裂隙的发育情况以及固体颗粒封堵裂隙情况。建立相似模拟实验平台，研究钻进扰动破坏规律及软煤钻孔失稳垮塌特性。采用电子显微镜技术，考察煤体损伤力学特征。在实验室搭建二次封孔技术固体颗粒粉料模拟平台，优化粉料配比等参数；基于现场工业性试验，得出科学的工艺参数。项目采用的实验手段和技术原理正确、科学，是可行的。 3.3基础条件的可行性
盘江精煤股份有限公司非常注重科技创新与各大高校的合作，并且和中国矿业大学长期保持合作关系，有利于项目的开展。
项目依托单位四川大学、中国矿业大学，拥有国际一流的研究手段（微焦点体扫描CT、MTS815、SEM），具备煤与瓦斯突出基础实验室、岩石力学和材料实验室，相似材料模型实验室、采煤工作面和巷道相似模型试验台、动态多功能岩层控制实验系统，为本项目取得突破性进展提供了实验研究基础。
正在承担973项目“煤炭开发与瓦斯共采理论”为本项目研究提供了理论支撑。项目组完成的“高瓦斯突出煤层群保护层开采与地面钻井抽采卸压瓦斯关键技术（2011年度国家科技进步二等奖）”、“化处煤矿二次封孔新技术及配套工艺研究”、“比德煤矿二次封孔新技术及配套工艺研究”、“寺河煤矿二次封孔新技术及配套工艺研究”、“芦岭煤矿穿层钻孔二次封孔新技术及配套工艺研究”、“白芨沟矿4521工作面瓦斯综合治理技术研究”等30余项瓦斯科研项目，积累了丰富的现场经验、技术参数和科学数据。
谢和平院士为代表的研究团队长期承担相关领域的国家基础研究项目，获得了首届国家杰出青年科学基金项目(1994)、本领域的第一个国家自然基金创新团队(2002)、本领域的第一个973项目(2002)、第一个煤矿瓦斯灾害预防的国家自然科学基金重点项目(2001)等。1995年、2007年两次获得国家自然科学奖，以及多项国家科技进步奖和国家发明奖，具有雄厚的理论研究基础。
因此，从科研能力、研究队伍、实验条件来看，都可以提供足够的基础保障。
4进度安排及资金预算
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4.1 进度安排
2012年：开展二次封孔技术和钻护一体化理论研究
5月~6月：项目调研，收集整理矿区瓦斯抽采基础数据资料，完成相关资料的调研和分析；
7月~8月：制定技术实施方案。制定项目运作、协调和管理方案，完成二次封孔技术和钻护一体化技术实施方案；
8月~11月：开展固相粉料封堵煤岩裂隙基础理论研究，试验二次封孔新技术，优化关键工艺参数；研究瓦斯抽采钻孔失稳垮塌机理；
11月：效果考察，分析处理试验数据； 12月：撰写本年度研究报告。
2013年：开展钻护一体化技术和瓦斯抽采管网设计研究
1月~2月：研究护孔管的材质，并进行实验室参数、性能测定；开展瓦斯抽采管网的优化设计，研究“抽采泵—管网—钻孔”的能力匹配力学机制；
2月~4月：开发适合盘江矿区的钻护一体化装备，现场试验钻护一体化技术并开展效果考察，进一步优化关键工艺参数；
3月~5月：根据抽采管网优化理论，对矿井抽采管网进行现场试验，并检测效果；
6月：对钻护、封孔和管网优化技术进行总结，撰写项目研究报告，进行项目验收。 4.2 资金预算
项目研究经费预算总额为640万元，按年度具体分配见表4.1。
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