盘江矿区松软突出煤层护-封-联瓦斯治理新技术体系研究6.6 -

盘江矿区松软突出煤层

护-封-联瓦斯治理新技术体系研究

研 究 方 案

贵州盘江精煤股份有限公司

中 国 矿 业 大 学 四 川 大 学

2012年6月

目 录

1 研究背景 ................................................................................................................... 1 1.1 矿区概况 ............................................................................................................. 1 1.2 研究目的及意义 ................................................................................................. 1 1.3 研究现状 ............................................................................................................. 2 1.3.1 瓦斯抽采孔垮塌防护研究........................................................................... 2 1.3.2 瓦斯抽采封孔技术研究............................................................................... 6 1.3.3 瓦斯抽采管网优化研究............................................................................... 7 1.4 研究思路 ............................................................................................................. 8 2 项目研究内容与技术方案 ..................................................................................... 10 2.1 研究内容之一：瓦斯抽采孔钻护一体化技术 ............................................... 10 2.1.1 瓦斯抽采孔塌孔失稳机理研究................................................................. 10 2.1.2 技术研究..................................................................................................... 22 2.1.3 装备研发..................................................................................................... 30 2.2 研究内容之二：二次封孔技术 ....................................................................... 32 2.2.1 二次封孔技术原理..................................................................................... 32 2.2.2 固相颗粒封堵煤岩裂隙机理研究............................................................. 33 2.2.3 技术工艺..................................................................................................... 36 2.2.4 装备研发..................................................................................................... 38 2.3 研究内容之三：瓦斯抽采管网优化 ............................................................... 39 2.3.1 管网优化设计原理..................................................................................... 39 2.3.2 管网优化设计研究..................................................................................... 40 2.3.3 瓦斯抽采系统优化技术研究..................................................................... 43 3 项目可行性分析 ..................................................................................................... 45 3.1研究思路的可行性 ............................................................................................ 45 3.2研究方法的可行性 ............................................................................................ 45 3.3基础条件的可行性 ............................................................................................ 46

4进度安排及资金预算 .............................................................................................. 46 4.1 进度安排 ........................................................................................................... 47 4.2 资金预算 ........................................................................................................... 47 5 项目考核指标 ......................................................................................................... 51 6 经济社会效益分析 ................................................................................................. 51

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1 研究背景

1.1 矿区概况

盘江矿区是我国“十二五”规划建设的全国14个大型煤炭生产基地之一。矿区因与云南富源、宣威接壤，地处中国“攀西-六盘水”这个资源富集“金三角”的最南端，又以丰富的煤炭资源称冠江南，被誉为“金三角下的一颗明珠”。公司拥有丰富的煤炭资源，是中国南方地区重要的大型炼焦煤和动力煤生产基地。矿区储量丰富，井田面积706平方公里，远景储量383亿吨，地质储量95亿吨，可采储量20亿吨；煤种齐全，主要有气煤、肥煤、1/3焦煤、主焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤，储量和煤种在长江以南地区得天独厚；交通便利，贵昆铁路、南昆铁路威红段、水红铁路、沪昆高速公路、水盘高速公路以及在建设的沪昆高铁贯穿矿区，是北通巴渝，南接粤桂，西进云南，东联黔中的西南及西部地区交通、能源输出重镇。

矿区范围内包括:盘关向斜、土城向斜、照子河向斜、水塘向斜、旧普安向斜和盘南背斜六个地质构造单元，共计三十四个勘探井田，其走向长度为25km，倾斜宽为1.0~l0km，面积为7.06km2。

盘江矿区内瓦斯基本情况：矿区内在300m垂深深度内，煤层瓦斯含量在3.694m3/t~2032m3/t之间，瓦斯梯度在0.0352m3/t/m~0.084 m3/t/m之间，在地质构造带附近，煤层瓦斯含量变化较大，分布无规律。盘江矿区煤层透气性系数在3.485x10-4~67.586 m2/(MPa2·d)之间。煤层瓦斯压力在0.32MPa~3.76MPa之间，大部分煤层属于较难抽采煤层。

盘江矿区6对矿井均为高瓦斯突出矿井，煤层低渗透、极松软、高瓦斯、高地压、突出灾害严重，断层多，煤层赋存不稳定，地质条件极其复杂。瓦斯抽采方式单一，施工难度大。瓦斯抽采孔钻不深、塌孔严重、钻孔密封质量差，瓦斯抽采管网效率低。 1.2 研究目的及意义

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突出煤层的安全高效绿色开发与利用一直是国内外的技术难题，国外一般放弃类似条件的突出煤层开采，而我国国情和资源约束使得我们不得不回收该类资源。经过近几十年的开采实践，各矿区虽然在技术上取得了重要进展，但总体形式依然严峻，仍摆脱不了“有资源难开采、有技术不系统、有措施效果差”的不利局面。

盘江矿区煤炭资源具煤层低渗透、极松软、高瓦斯、高地压、突出灾害严重，断层多，煤层赋存不稳定，地质条件极其复杂等特点。随着开采深度的不断增加，开采条件越来越复杂，矿井瓦斯成为制约安全生产的关键问题。瓦斯治理中存在抽采孔钻不深、留不住、封不严、联不通的问题。因此，急需研究突出低透条件下瓦斯高效治理的新技术，开展相关示范工程，解决盘江矿区区域瓦斯治理难题。因此，实施盘江矿区区域瓦斯治理护封联新技术体系研究，不仅是贯彻落实科学发展观，推进煤矿安全发展、清洁发展、节约发展的必然要求，而且还可盘活难采储量，并逐步实现煤矿安全保障从“被动应付型”向“主动保障型”的转变。该示范工程的实施符合国家安全高效开采煤炭能源、保障国民经济可持续发展、“以人为本”、构建和谐社会的重大战略需求。同时，研究成果可示范与带动全国类似煤炭资源与瓦斯资源的安全、高效、绿色开采。 1.3 研究现状

1.3.1 瓦斯抽采孔垮塌防护研究

我国有52%的矿井属于高瓦斯矿井，瓦斯治理是保障矿井安全高效生产的前提。然而我国松软煤层比例很高，平顶山、淮南、淮北、贵州、四川等矿区主采煤层均属于松软、低透、高瓦斯煤层，并且很多矿井具有煤与瓦斯突出危险。施工钻孔对煤层瓦斯提前预抽是治理瓦斯的有效手段，也是目前我国煤矿普遍采取的措施。但是在松软煤层尤其是坚固性系数f值小于0.3的极软煤层中，90%以上瓦斯抽采孔钻后会发生变形、长距离垮塌甚至是闭合，从而阻断了瓦斯涌出和流动的通道，严重影响了瓦斯抽采效果。并且矿井为了有效治理瓦斯，施工的抽采孔数量很多，人力、资金及时间的投入很大，单孔成本很高，这就造成了瓦斯抽采效果与瓦斯治理投入严重的不匹配。在瓦斯抽采孔钻进和塌孔防护技术领域，国内外研究现状如下：

1）在松软煤层钻进技术

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孔普遍采用钻场施工，由于每个钻场打有六个钻孔，因此在封孔之后采取两个钻孔并联再组成一个抽采支路后和总管相连。该管的特点是：联管采用快速接头，主要部件为PVC双抗塑料管，每两个钻孔有一个调节阀门和测气孔，支管路也有控制阀门，一旦这两个钻孔或支管路出现漏气或浓度降低，就能及时关闭不至于影响整个系统的瓦斯浓度。但是管路的调节阀为钢铁件，容易锈蚀无法调节或造成管路漏气。 1.4 研究思路

针对瓦斯治理中存在抽采孔留不住、封不严和联不通的问题，本项目拟开展盘江矿区松软突出煤层护-封-联瓦斯治理新技术体系研究，研究内容包括以下三个方面：

1）瓦斯抽采孔钻护一体化技术

研究钻孔失稳垮塌机理，以此为基础，研究防治瓦斯抽采孔塌孔的新方法和装备，形成钻护一体化。

2）二次封孔技术

研究松软低透煤层瓦斯抽采钻孔周围煤岩体裂隙场发育规律，完善相关工艺参数，研发适用于盘江矿区的二次封孔新技术装备。

3）瓦斯抽采管网优化

以实测数据为基础，分析确定制约瓦斯抽采系统能力与效果的主要因素，通过优化瓦斯抽采系统各主要环节，实现“抽采泵—管网—钻孔”之间的合理匹配。

研究思路如图1.1所示。

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盘江矿区松软突出煤层护-封-联瓦斯治理新技术体系研究瓦斯抽采钻护一体化二次封孔技术抽采管网优化护得住封得严联得通丰富理论体系，优化技术参数及完善配套装备形成松软突出煤层护-封-联新技术体系及规范，并工程示范、推广

图1.1 研究思路图

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2 项目研究内容与技术方案

2.1 研究内容之一：瓦斯抽采孔钻护一体化技术

目前，我国松软煤层瓦斯抽采钻孔成孔方面主要存在以下难题：第一，抽采钻孔钻进不到位。主要表现为：在钻孔施工期间，由于松软煤层煤体结构软，或者硬煤穿过软岩层、煤线、泥岩及断层带时，打钻经常发生顶钻、卡钻、吸钻、喷孔、塌孔现象，很难深孔钻进，许多矿井在松软煤层中的打钻成功率受到了很大的限制，很难完成施工设计要求，影响煤层瓦斯抽采效果；第二，煤层瓦斯抽采孔成孔后留不住。主要表现为：钻孔成钻后，周围原岩应力不再平衡，加上煤体结构的松软性，在垂直地应力作用下，煤体蠕变并逐渐失稳和垮塌，造成抽采孔堵塞，瓦斯抽不出。在矿井生产中，瓦斯抽采孔的人力、资源、经济和施工周期投入都很大，一旦塌孔，瓦斯抽采治理效果和投入将不相匹配，还会造成回采期间瓦斯涌出量增大，严重影响了安全生产。因此，瓦斯塌孔防治是一项经济和效率的双重任务。

2.1.1 瓦斯抽采孔塌孔失稳机理研究

钻孔失稳是指由于钻孔的形成使钻孔周围软弱煤岩体卸载，孔外围煤体应力重新分布，导致孔周围产生破裂，弱结构体沿原生和新生破裂面产生滑移、错动以及剪切张裂等变形，或者随着时间的迁移，松软煤层的强流变性也会导致钻孔壁向开挖空间挤压而逐渐闭合。钻孔失稳与含瓦斯煤岩体的力学特性、地应力分布以及成孔工艺有着密切的关系。主要包含：

1）煤与瓦斯突出煤层的物理力学特性的影响。煤层的岩性是影响煤层稳定性的最本质因素，由于煤层自身的组成成分和煤层内部结构构造的不同，使得煤层的物理力学特性有很大的差异。突出煤层内聚力小、破碎松散，强度低以及易于软化等性质，对钻孔稳定性非常不利。

2）复杂应力场的影响。处于复杂的应力场中的煤层，主要有垂直重力应力、煤层采动压力、地壳构造应力等等相互作用，相互影响。突出煤层自身的承载能力差，随着压力的增大，钻孔从最薄弱的地方开始破坏，而且应力场的突然改变，导致钻孔迅速破坏，破坏区域及程度难以预测和防治。

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3）瓦斯的影响。瓦斯既可以改变煤层的应力状态，又可以影响煤层的强度大小。当地应力处于平衡状态时，瓦斯大量吸附在煤层的表面处于流动平衡；当钻孔钻进，使得应力平衡被打破，煤层压力释放，煤层瓦斯就会从煤层表面解吸迅速释放，而瓦斯自身特性的膨胀能，会导致煤层的变形，当压力达到一定的大小时，就会造成钻孔喷孔，甚至煤与瓦斯突出。

4）时间因素的影响。流变是突出煤层的特性之一，钻孔的变形与时间密切相关。受加载方式和加载水平的影响，低渗软煤的流变特性呈现出了多样性、多变性和不稳定性的复杂特点。

虽然近年来关于高应力低透松软煤层的研究取得了一些成果，但是由于在瓦斯抽采过程中，瓦斯的运移及分布规律会影响煤岩体骨架的变形与破坏，而骨架的变形又反过来影响瓦斯运移的状态，二者相互作用、相互影响，特别是复杂环境下，高应力采掘卸载导致地应力重分布，时空关系复杂多变，高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂，且大范围开采对煤岩体形成反复扰动，使煤岩体经历多次变形、破坏过程，及瓦斯压力、温度的改变及其耦合效应导致瓦斯运移富集规律呈现极度复杂的特点，研究低透软弱煤岩体的破坏与变形机制是实现煤与瓦斯安全共采的理论科学基础，对指导工程实践活动有着十分重要的意义。 2.1.1.1研究内容

1）系统研究有关矿井地质条件的资料，分析盘江矿区存在的高瓦斯低透松软煤层赋存及分布情况，研究并总结低透松软煤层瓦斯抽采孔垮塌的导致因素；

2）开展不同加卸载路径下煤体的基本力学试验，研究钻孔在软煤、极软煤以及硬煤中的垮塌机制，探究煤的属性与钻孔稳定性之间的力学原理，优化不同属性煤层中钻进系统，形成技术实施规范；

3）分析煤层地应力分布特征，研究煤体在垂直地应力和水平地应力共同作用下的变形破坏机理，分析不同地应力分布导致瓦斯抽采孔垮塌的力学机制；

4）探究导致深孔钻进过程中钻孔偏斜的影响因素，分析钻进过程中装置的受力特征，计算钻杆的运动轨迹；研究开发定向钻进设备与技术，提出可行的实施工艺；

5）研究跟管钻进协同护孔技术的力学机制，分析钻进过程中套管、钻杆以

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及煤层之间的相互作用机理；设计并开发根管钻进设备，进一步完善钻孔工艺和护孔措施。

研究路线图见图2.1。

钻孔力学问题 力学模型 力学试验 数学模型 相似模型试验 计算结果 图2.1 研究路线图 2.1.1.2 研究方案

煤系地层的破坏、变形规律与煤的力学性质密切相关，且严重影响着煤体内钻孔的稳定性，研究含瓦斯煤体的力学特性对于松软煤层钻孔的维护，防止钻孔塌孔有着十分重要的意义。

含瓦斯煤体的力学性质包括含瓦斯煤体的变形特性和强度特征，由于在采矿 工程和地下工程中，煤岩体材料一般都处于受压的三维应力状态。高应力采掘卸载导致地应力重分布，高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂，钻孔周围应力分布如图2.2所示，加载破坏原理如图2.3所示。

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图2.2 钻孔周围应力分布状态

（a）原始煤体 （b）加卸荷煤体

图2.3 煤岩体破坏示意图

一、加卸载实验方案

为研究含瓦斯煤岩的力学性质、蠕变特性及渗透特性，研制了含瓦斯煤岩的加载装置。在实验过程中，将瓦斯渗流装置、材料实验机和其他仪器一起组合成整个实验系统。整个实验系统由加载系统、监测系统和瓦斯供给系统组成，如图 2.4 所示。

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1-动态应变仪；2-位移传感器；3-体积流量计；4-活塞杆；5-活塞；6-液压回路；

7-加载活塞8-油压控制系统；9-油压控制开关

图2.4 含瓦斯煤岩体加载系统

加载系统由材料实验机和三轴瓦斯渗流装置构成，测量系统由位移传感器、动态应变仪和体积流量计组成。

该系统主要能完成以下几大实验功能： 1）围压加卸载实验； 2）围压加卸载渗流实验； 3）围压控制蠕变实验。

实验中所用的试样，利用煤粉制作而成的，其具体做法如下：将所取原始煤块用粉碎机粉碎，取 40～80 目之间的煤粉颗粒，然后在这些筛选出来的煤粉中加入少量纯净水和均匀后置于成型模具中在 200t 刚性实验机上以 100MPa 的压力压制成 Φ50×100mm 的煤样。最后将制备好的型煤煤样烘干后放置于干燥箱内以备实验时用。采用此法制作而成的煤样的强度很接近突出煤层的强度，因此适合代替原始煤样来研究含瓦斯煤岩的强度特征与蠕变特性。制作好的煤样如图2.5 所示。

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图2.5 煤的试样

将制备好的试样在三轴压力室安装好，并安装到伺服材料实验机上。连接好动态应变仪，接好瓦斯通道和流量计，加好围压后打开减压阀，往煤样中通入预定压力的瓦斯气体，待到瓦斯吸附平衡后，便可开始实验。

1）保持轴压恒定的卸围压实验

根据盘江矿区的实际地应力情况，初始围压设定为：0.0~10.0MPa。实验操作步骤如下：

（1）首先按静水压力逐步施加 ?1??2??3至预设初始围压值；

（2）稳定围压，逐步施加轴向压力至某一应力状态(此时?1小于常规三轴峰值但远远大于单轴抗压强度)；

（3）将轴压降低到某值，并保持恒定； （4）逐渐卸除围压，直至试件破坏。 2）保持轴向应变恒定的卸围压实验

根据盘江矿区的实际地应力情况，初始围压设定为：0.0~10.0MPa。实验操作步骤如下：

（1）首先按静水压力逐步施加 ?1??2??3至预设初始围压值；

（2）稳定围压，逐步施加轴向压力至某一应力状态(此时?1小于常规三轴峰值，但远远大于单轴抗压强度)，轴向加载速率控制在0.25mm/min；

（3）保持轴向位移恒定，逐渐卸围压直至试样破坏，卸围压速率控制在4MPa/min。

3）升轴压降围压的卸围压实验

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在钻孔施工中，钻进时的力学条件是：轴向加载，侧向卸载，因此为了模拟钻孔钻进时的真实状态，进行升轴压降围压的卸荷实验。具体步骤为：

（1）首先按静水压力逐步施加?1??2??3至预设初始围压值，预定值分别为0.0~10.0MPa；

（2）保持围压?3不变，逐步增加?1至岩样峰值的某一应力状态(峰值强度的80%左右)；

（3）按一定的速率增加?1 的同时，逐渐卸除围压?3（?1的升高速率大于?3 的卸荷速率)，此阶段用来揭示岩石的卸荷特性，还要顺利越过峰值进入软化阶段；

（4）试件一旦破坏后即停止卸围压?3并保持不变，同时继续施加轴向应变，直至应力差?1??3 不随轴向应变的增加而降低时结束实验。

4）煤体蠕变实验

在钻孔过程中，常发现工作面瓦斯抽采孔孔洞缩小及闭合的现象，这是由于含瓦斯软弱煤体是一种很强的流变介质，成孔后孔壁煤体在较高的集中应力和孔隙瓦斯压力作用下，集中应力区域含瓦斯煤体会很快由稳定蠕变阶段进入加速蠕变阶段。如果这时集中应力区域煤体中的瓦斯压力仍保持较高值，煤体的变形会推垮具有残余强度的松散区域的破碎煤体而发生瓦斯抽采空的跨塌闭合。受蠕变加载方式和加载水平的影响，低渗软煤的蠕变特性曲线呈现出了多样性、多变性和不稳定性的复杂特点，为此，开展煤体的蠕变研究有着十分重要的意义。

（1）试件制备及实验设备

实验的煤样试件取自盘江矿区松软煤层，煤样在实验室内经粉碎、分筛得到颗粒直径为 0.1mm 的粉煤，经加压成型制备实验所用试件。

成型压力根据煤层所受垂直地应力大小，并综合考虑构造应力影响确定。试件尺寸根据国际岩石力学学会标准确定为Φ=50mm，h=100mm。试件制得经烘干48h后并在周边均匀涂抹硅胶层，待硅胶凝固后进行实验，目的是保证瓦斯作用于煤样内部。该条件制得的煤样试件可以模拟原煤的力学性质实验。

（2）蠕变载荷的确定

根据现场资料，并综合考虑水平地应力和瓦斯压力作用，故实验研究的围压

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确定为0~10.0MPa。根据矿井实际情况，确定本次含瓦斯煤样蠕变实验的瓦斯压力为0~6.0 MPa，实验前煤样持续通瓦斯 24 h，目的是使试件内整体瓦斯压力达到设计值。

根据煤样蠕变理论，当煤样试件在不同的载荷工况下，其蠕变特性将有所不同，一般可分为衰减蠕变和非衰减蠕变，当蠕变载荷小于煤样长时强度时，试件表现出衰减蠕变的特点，当蠕变载荷大于煤样长时强度时，试件则表现出非衰减蠕变特点。

由于实验目的是研究两向载荷作用下含瓦斯煤样的蠕变特性，因而蠕变载荷可由含瓦斯煤样常规三轴强度实验确定。经实验室实验，得到含瓦斯成型煤样强度值。根据此值分别选择强度的20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90% 进行不同应力水平下含瓦斯煤样三轴蠕变实验。

二、相似模拟实验方案

本研究采用相似材料模型实验的研究方法，对钻孔的定向规律及钻具与钻孔的相互作用机理以及钻孔的垮塌机制进行较深入的研究。推导应遵循的相似规律，研制出合适的相似材料模型，获得相似材料模型物理力学性质的确定和调控方法。研究得出钻进地层条件、钻具结构、钻进参数、开孔条件等对钻具与钻孔相互作用机理及对钻孔方向的影响规律。提出了利用钻具与钻孔相互作用机理提高钻孔定向性的措施，为松软煤层钻进的理论研究和实际应用提供参考价值。

1）根据模型和原型的力学相似条件、应力相似条件、变形相似条件及破坏相似件的要求，推导相似条件；

2）依据推算出的力学指标，研制以石膏、水泥为胶结材料，以砂为充填材料的石膏、水泥、砂相似材料配比。

3）制作相似材料试件，为了配制相似材料和研究相似材料的物理力学参数，测定相似材料的抗拉强度，而相似材料的其它物理力学性质指标均用高度为100 mm的试件测得。

4）在制作相似材料模型时，首先要确定相似材料模型的几何尺寸。由于在研究机械破煤时可不考虑煤体体积力的影响，故应力相似常数和几何相似常数可相互独立地选取。也就是说，相似材料模型尺寸的选择主要是考虑相似材料模型制作的方便和实验过程的要求。

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L1L212438567 1-密闭腔室，2-抽采管，3-粉料输送管，4-阀门，5-聚氨酯，6-裂隙，7-煤层，8-孔口

L1孔口预留密闭腔室原理L2图2.25 12439

1-密闭腔室，2-抽采管，3-粉料输送管，4-阀门，5-聚氨酯，6-微细膨胀粉料，7-裂隙，

8-煤体，9-孔口

图2.26 颗粒封堵漏风裂隙原理

5678如图2.25所示，对钻孔进行封孔时，封孔段越过巷道松动圈，预留钻孔孔口段一定长度不进行密封，其孔口密封，以形成密闭腔室。当巷道中空气经钻孔周边漏风裂隙大量涌入孔底时，钻孔瓦斯浓度和纯流量开始大幅度下降，此时，如图2.26所示，通过孔口预留的密闭腔室向钻孔周边的裂隙释放固相颗粒，在井下压风系统正压和抽采负压作用下，颗粒在漏风裂隙中运移、沉积，并形成封堵效应，增大外界空气经漏风裂隙导入孔底的流动阻力，最终提高钻孔瓦斯抽采浓度和纯流量。

2.2.2 固相颗粒封堵煤岩裂隙机理研究 2.2.2.1 研究内容

1）钻孔区域煤（岩）三维损伤场的时间演化特性 （1）基于时间效应的损伤场数值计算软件的开发

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（2）钻孔周边漏风通道产生的损伤门阀值的现场及实验室测定 （3）三维损伤场的损伤度、应变及应力的动态分布 2）颗粒封堵钻孔周边煤（岩）裂隙试验平台的构建

（1）可模拟应力稳压加载下的钻孔开挖试验的真三轴加载系统改造 （2）钻孔开挖后，其周边裂隙的演化过程的CT扫描

（3）模拟颗粒封堵钻孔开挖后形成的裂隙，并监测颗粒在裂隙中的分布 3）采用PFC模拟软件并结合颗粒封堵裂隙平台研究颗粒封堵裂隙特性 4）模拟粉料输送机中气固两相流的流动特性，以确定合理的粉料机尺寸及关键工艺参数

5）多种粉料组成的固相颗粒的配比及粒径分布研究 6）现场工业性试验，验证理论研究成果的合理并反馈。 2.2.2.2 研究方案

1）应用含瓦斯煤（岩）三轴试验装置模拟煤岩材料所受的地应力和煤层瓦斯压力，模拟装置包括高压瓦斯气瓶、煤样、压力表、三轴压力加载系统和应力、位移传感器等。在设定三轴应力为某定值时，通过降低瓦斯压力和瓦斯吸附量来模拟煤层中瓦斯含量的降低，并观测不同煤样瓦斯含量变化与煤样体积变形之间的关系，以此揭示瓦斯抽采过程中，不同煤样的煤体变形破坏特征；在单轴或多轴加载平台下，建立含有单钻孔或多钻孔的相似材料物理模型，对钻孔进行模拟封孔并预设满足相似比的裂隙，观测在不同加载时间段的裂隙扩张、贯通或新裂隙的萌生，从而了解钻孔周边裂隙的时空演化特性，揭示漏风通道的形成机理；

2）在瓦斯抽采钻孔周边施工若干考察孔，并在考察孔内装TYGD10岩层钻孔探测仪，通过调节照明亮度来探测煤壁与岩壁，并采集不同抽采时期煤（岩）裂隙的影像资料，通过对比分析图像研究瓦斯抽采过程中钻孔周边煤（岩）裂隙的变化规律；另外，在距离钻孔不同位置的考察孔中分别释放示踪气体，同时在抽采钻孔孔口观测孔采集示踪气体，监测示踪气体的浓度，确定钻孔轴向和径向裂隙动态演化；在不同抽采时期采集钻孔周边不同区域的煤样或岩样，通过实验室的电镜扫描试验和压汞试验得出煤（岩）裂隙特性参数；

3）建立固相粒子在煤（岩）裂隙中受气力输送的离散运移CFD模型，这主要包括1）几何模型：考察参数包括钻孔尺寸，沿深裂隙尺寸及形态，裂隙分布密度。2）物理模型：考察参数包括输送气力、裂隙端受控气力、钻孔及裂隙粗糙度、钻孔及裂隙表面热力特性、钻孔及裂隙中的介质阻力。其中，考虑到裂隙

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发育的复杂性和数值模拟的局限性，裂隙的参数设置依据于经验数据，在保证对模拟结果不出现过于失真的基础上，对裂隙的布置进行自定义和相关假设。通过动态求解，对粒子在不同裂隙环境中运移的仿真，并掌握其运移规律，以实现对粒子气力输送的各项参数优化；

4）考虑固相粒子在漏风裂隙气动流场中受到的气动阻力、压力梯度力、附加质量力、Basset力、重力、浮力、Magnus力和Saffman力等，基于气固两相流理论、牛顿第二定律和不可压缩流体的能量方程等，建立理想状态下单粒子在单裂隙中、单粒子在多裂隙中、多粒子在单裂隙中、多粒子在多裂隙中输运特性的气固耦合数学模型，通过对数学模型进行分析，得出粒子的运移与裂隙尺寸形态、气力压降、裂隙本身的阻力、固相粒子流输送时的固气比、粒子尺寸形态以及粒子与气体之间的粘度系数等的关系，并得出粒子在裂隙中输运、沉积和封堵特性；

5）构建二次封孔的模拟试验平台，包括可拆卸式模板、瓦斯气源、模拟钻孔、模拟漏风裂隙、抽气泵、空气压缩机、粉料输送机、瓦斯浓度测定仪及相关封孔器材等；利用模拟试验平台进行二次封孔的模拟试验，考察在不同输送正压、不同抽采负压、不同裂隙下固相粒子在裂隙区域输运距离、输运时间、停止后继续运移距离及时间，优化二次封孔的关键技术参数，同时采用正交试验法考察不同组分、配比和不同粒径分布的固相粒子（主要包括高吸水树脂、膨润土、滑石粉、羧甲基纤维粉和聚丙烯酰胺等组分）的输运距离、输运时间，优化固相粒子的组分及配比参数；

6）在煤矿现场进行试验，采用着色固相粒子对钻孔周边煤（岩）裂隙进行封堵，通过锚杆机或钻机在钻孔不同位置施工一定深度的小钻孔，观测打钻排渣中的着色粒子情况，并利用TYGD10岩层钻孔探测仪窥视孔壁，考察固相粒子在煤（岩）裂隙区域的输运距离和分布特性；通过监测瓦斯抽采浓度考察粒子对裂隙的封堵效果，优化固相粒子的组分及配比，并确定出二次封孔技术的关键工艺参数。

2.2.2.3 关键科学问题

负压条件下裂隙结构中粒子运动规律：研究在煤岩裂隙场中，粒子在负压条件下在不同尺度裂隙通道中的吸附、凝并、沉降机理，探索不同煤性和温、湿度环境下对运动规律的影响和煤体损伤与粒子流动的相关性，可为研究松软低透煤层中二次封孔机理提供科学理论支撑。

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2.2.3 技术工艺

颗粒封堵顺层钻孔工艺分为两个阶段，即孔口预留密闭腔室阶段和颗粒封堵裂隙阶段。

1）孔口预留密闭腔室

（1）在抽采管花管末眼位置绑上棉纱，呈拖把状，距此棉纱200mm~300mm开始在抽采管上缠绕棉纱，缠绕长度3～4m，首末两端用铁丝绑紧，棉纱粗细适中且要蓬松，以利于吸收聚氨酯封孔材料；

（2）将聚氨酯封孔材料浇在棉纱上浸透，前段“拖把状”棉纱不浇，封孔材料浇透以后迅速送入钻孔内，并保证达到要求的封孔深度（一般为8m），待封孔材料发泡凝固后，即从孔口至孔内形成大约3～4m的预留腔室；

（3）往钻孔孔内送入一根1～2m长的四分铁管或PVC管作为颗粒输送管，孔口用蘸有聚氨酯封孔材料的棉纱密封，即形成孔口密闭腔室；

2）颗粒输送工艺

如图2.27所示，L1为封孔段，L2为预留段，L3为孔口密封段。矿方原封孔工艺封孔长度为L=L1+L2+L3。二次封孔简化一体化孔口预留工艺在保证封孔深度不变的前提下，改变封孔长度。

1）按矿方原封孔工艺进行钻孔初期密封，形成封孔段L1。

2）往孔内送入四分铁管或PVC管作为颗粒输送管，孔口用蘸有聚氨酯封孔材料的棉纱密封，便形成预留段L2和孔口密封段L3。

L1L2L3预留段抽采管裂隙粉料输送管封孔段微细膨胀粉料煤岩

图2.27 第一次封孔阶段完成图

孔口预留工艺中设计到L2和L3的长度参数，在保证L=L1+L2+L3为矿方原封孔长度情况下，考察不同预留段L2和孔口密封段L3时（如表2.5），钻孔的二次封孔效果。

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表2.5 钻孔封孔参数设计表

L2 L3 L2+L3=4m 2m 2m 3m 1m L1L2+L3=3m 2m 1m L2L2+L3=2m 1m 1m 1.5m 0.5m 1m 2m 预留段抽采管输送管裂隙控制阀3封孔段微细膨胀粉料煤岩压风控制阀1流量计减压阀控制阀2粉料输送机

图2.28 粉料输送图

钻孔孔口预留段L2形成后，如图2.28所示，连接颗粒输送系统的各组成部件，开始颗粒输送工艺，具体操作为：

1）井下压风管路出气口处依次连接控制阀1、流量计、减压阀、控制阀2、粉料输送机、控制阀3和输送管。

2）打开粉料输送机机盖，往其中装入粒径大于200目的微细膨胀粉料，所加粉料体积量为粉料机容积的3/4~4/5，并关闭机盖。

3）关闭控制阀2，打开控制阀1，并调节减压阀，使进气压力降至0.15~0.2MPa。

4）先后打开控制阀3和控制阀2，开始输送颗粒。

5）如流量计读数一直不下降，并维持3min以上时，停止输送粉料，并更换粒径为60~200目，继续输送粉料，直至流量计读数接近0，此时停止颗粒输送。

6）测定粉料输送后的钻孔瓦斯抽采浓度，如钻孔浓度低于50%，则增大气力输送压力至0.2~0.3MPa，对该钻孔进行补吹，直至钻孔浓度为50%以上。

7）定期测定钻孔瓦斯抽采浓度，待钻孔浓度低于30%时，再次对钻孔进行补吹。

3）效果考察

试验孔与原钻孔接抽后，每隔2天对钻孔瓦斯抽采浓度、流量、负压进行测

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定，记录表格如表2.6所示，对比试验孔与原钻孔的瓦斯抽采参数的变化情况。

表2.6 试验孔与原钻孔的瓦斯抽采参数表

参数 孔号 1 2 3 … … … 100

负压 （kPa）

流量（m3/min）

浓度 （%）

测定 人员

测定 时间

备注

2.2.4 装备研发

经过反复设计和改进，自主研制出MK-3型粉料输送机。其结构如图2.29所示。

（a）主视图 (b)左视图

1-顶盖;2-料仓;3-缓冲器;4-气体调压阀门;5-泄压阀门;6-气体调压阀门;7-推车把手;8-振动器; 9-进气管路;10-进气旁通阀门;11-车轮;12-出口压力表;13-料仓压力表;14-出料口;15-流量计

图2.29 MK-3型粉料输送机结构图

该设备的工作流程及相关操作如下： 1)检查气密性并加粉料

设备所有阀门处于关闭状态，进气管路与巷道内风管接通，并在进气口和出气口（14）管路连接处安装球阀，以上为设备的原始状态。打开所有球阀，打开

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气体调压阀（6），气流经过流量计（15），流量计透明外罩内的浮子会上浮，关闭气体出口处的阀门，检验设备的气密性，气密性检验完毕后将调压阀门（6）压力调至0.25-0.3MPa，气体调压阀门（4）处于关闭状态，进气口球阀关闭，出气口球阀打开，球阀（10）关闭，将顶盖（1）打开，加入适量粉料，盖上顶盖并拧紧。

2)粉料输送

加入粉料后，打开进气口球阀，观察调压阀门（6）的压力，若有所变化，将其调至合理范围，此时打开（4），压力调至0.3MPa左右，每隔60s，观察气体流量计（15）的变化，若（15）的浮标下沉至底部则关闭进气口球阀，读压力表（13）的读数，若读数较大，则打开泄压阀门5，待压力泄完，打开顶盖，继续加入粉料并输送。

2.3 研究内容之三：瓦斯抽采管网优化

为了提高矿井瓦斯抽放系统的效率和可靠性，根据图论理论和矿井瓦斯抽放系统的关系，采用图论的理论和方法来表示抽放系统图，依据现场实测数据，结合数值软件计算瓦斯抽放系统各管路流体力学参数，灵活调控各管路开关，以输出量最大为优化目标，解决抽放系统局部浓度过低、抽采能量分配不合理等问题。目的是增加矿井瓦斯抽放量，提高矿井安全性，为瓦斯利用奠定坚实基础，从而形成一个“以抽保用、以用促抽、安全生产”的良性循环，更好地实现瓦斯综合治理。

2.3.1 管网优化设计原理

在图论中，一个图G定义为一个偶对（V，E），即G=（V，E），其中V=︱v1，v2，…，vm︱，是图G的节点(或顶点)的集合；E=︱e1，e2，…，en︱，是图G的边（或分支）的集合。因此图是由节点的集合和分支的集合构成的，其本质是节点和分支之间的联接关系即拓扑关系。根据不同的标准可将图划分为不同的种类，若V，E都是有限的集合，称图G为有限图，否则称为无限图，若偶对（V，E）是有序，即图由节点和有向的边组成，称为有向图,否则称为无向图。既含有向分支，又含无向分支的图称为混合图。没有圈（始终节点重合的分支构成）又不含平行分支（有向图中连接两个相同节点、方向也相同）的图称为简单图；含平行分支的图称为多重图。当用点边关系图来揭示具体事物之间的量值关系时，

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可以在E或V上定义权函数，从而构成赋权图。在图中若任意两个节点之间至少存在一条路则称为连通图，瓦斯抽放系统拓扑示意图如图2.30。

（a）简单图 （b）网络图

图2.30 瓦斯抽放系统

矿井瓦斯抽放系统是抽放管网、抽放方式和抽放方法的总称，通常绘制的矿井瓦斯抽放系统图是一个三维空间的图形，它反映了各抽放管道的空间位置、流量、流向、抽放方法和抽放方式。它比较客观地反映了矿井抽放系统的实际情况。由于一个矿井瓦斯抽放系统的抽放稳定性、合理性及安全性往往在很大程度上取决于瓦斯管路的结构情况，因而对其结构进行研究上很有意义的。

在任何矿井的抽放系统中，所有分支管道的瓦斯按其会合的结构形式来构成一个有向的连通体系。在相应的瓦斯抽放网络图中，瓦斯流动方向标定相应的边的方向，其有向边称为弧。如把瓦斯抽放管道中的有关参数（如阻力、流量、长度、断面积等）对应相应的边，则就形成了矿井瓦斯抽放网络图。矿井抽放网络图的绘制：任取对应于抽放系统中某一瓦斯交汇点的一个节点，按其与弧的关联关系逐一加入各弧，从而得到其相邻的节点，并不断挪动各相邻节点的位置,使各弧尽可能地不在节点以外相交。这样依次将各节点和弧加入图内，得到一个平面图,即矿井抽放网络图。

因此，可以把瓦斯抽放管路系统优化归结于矿井抽放网络图的研究，抽放系统优化实际上可以看成是抽放网络图的优化。 2.3.2 管网优化设计研究 2.3.2.1 研究内容

1）制约瓦斯抽采系统能力与效果的主要原因分析；

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2）瓦斯抽采系统优化，包括基于多源抽采的瓦斯抽采系统设置、能力与抽采泵优选，瓦斯抽采系统抽采负压优化，预抽钻孔孔径与孔间距优化，预抽钻孔合理长度优化。

3）“抽采泵—管网—钻孔”的能力匹配力学机制； 2.3.2.2 研究方案

依据图论优化设计原理，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，从而确定合适的瓦斯管路系统。

瓦斯抽采管网示意图如图2.31所示，回采工作面抽出的瓦斯通过工作面支管、大巷干管经回风立井总管输送到地面瓦斯抽放站（泵站）。其中，各抽采管的直径、支管上连接的钻孔数目以及各管路的拓扑结构（由开关闭合控制）均可作为设计变量。管内某点的瓦斯浓度、流量、负压损失、钻孔数目上下限、拓扑结构尺寸上下限以及管路开关闭合情况等均可作为约束条件，泵站处的瓦斯输出量作为优化目标变量。

图2.31 瓦斯抽采管网示意图

iSIGHT最大的特点就是能够集成常用的商业软件，本优化分析所使用的CAD软件Pro/E、网格划分软件GAMBIT以及流体分析软件Fluent都是常用的商业软件，它们与iSIGHT的调用关系如图2.32所示。首先，根据预先给定的设计变量，利用ProE生成几何模型，然后由iSIGHT将生成的几何模型导入到GAMBIT内，由GAMBIT生成网格后结束GAMBIT。再调用FLUENT，对GAMBIT生成的网格进行流场计算。最后用编写的iSIGHT图论优化算法对FLUENT的计算结果进行分析，得出优化参数，再次执行上述过程，实现整个优化流程的自动化。由此过程可见，所有的外部软件都是由iSIGHT控制调用的。

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图2.32 基于iSIGHT的优化流程图

以上过程涉及多个外部程序和相关文件，iSIGHT具有强大的数据管理功能，可对其进行灵活处理。当优化分析任务执行时，iSIGHT引导操作系统执行各个程序，同时提供各个程序需要的输入输出信息。具体优化过程以及优化过程中的文件传递如图2.33所示。详细步骤如下：

（1）给出设计变量的初值，存入input.txt文件中；

（2）执行RunProE.bat批处理文件，读入input.txt内的参数，建立并输出可被GAMBIT读取的标准几何模型stp文件；

（3）执行RunGambit.bat批处理文件，依据mesh.jou文件对stp几何模型进行网格划分，输出msh文件；

（4）执行RunFluent.bat批处理文件，将msh文件传入Fluent进行流体分析，得到流体力学分析结果文件output.txt；

（5）从分析结果文件output.txt中提取优化变量，利用iSIGHT的优化分析模块搜索设计变量组成的设计空间，对设计变量进行调整；

（6）输出调整后的设计变量并重新存入input.txt并返回回到步骤（2）。 重复步骤（2）至步骤（6）直到满足优化目标，即可实现管网的全自动优化分析过程。

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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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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/b2ia.html