水力割缝技术在提高瓦斯抽采效果中的应用

 为了解决我国矿井在低透气性煤层瓦斯抽采治理中遇到的瓶颈,基于近年来水力割缝技术在矿井石门揭煤、底板巷消除地应力方面取得的发展,探讨性的开展了水力割缝技术在本煤层强化瓦斯抽采方面的研究工作。提出了用水力割缝技术扩大钻孔的直接影响范围的思路,研究了水力割缝技术对扰动煤体的体积、表面积、单孔瓦斯抽采量、钻孔影响半径等参数,对比分析了水力割缝技术和普通钻孔抽采技术的数据,结果表明水力割缝技术扰动煤体体积可提高6~16倍,影响煤体表面积可提高5.3~8.8倍,单孔抽采流量可提高2.0~2.5倍。同时水力割缝技术可增大单孔有效影响半径,在一定程度上可减少施工工程量。     

低渗煤层“切槽-压裂”卸压增透技术研究

针对阳泉矿区煤层透气性低瓦斯难以抽采特点,研究提出了水力切槽及脉冲水力压裂相结合的新型煤层增透技术,该技术利用水力切割缝槽卸载钻孔周围应力并形成初始导向裂缝,采用定向脉动水力压裂致裂煤体,提高煤体渗透率和卸压增透范围,改变煤体应力场和瓦斯流动场。研究结果表明:切槽钻孔单孔瓦斯抽采累计混合量约是常规孔的10倍以上,单孔抽采混合量约是常规钻孔的20倍以上,钻孔瓦斯抽采最高浓度是常规组钻孔的2~3倍,有效提高阳泉矿区低渗煤层穿层钻孔瓦斯抽采能力,达到煤层整体卸压增透及瓦斯高效抽采的目的。     

水力压裂增透技术在软煤瓦斯抽采中的应用

目前,我国高瓦斯和突出矿井占全国矿井总数的40%以上,所开采的突出煤层具有瓦斯含量大、瓦斯压力高、裂隙不发育、透气性普遍较低等特点。针对煤层透气性大小直接影响矿井瓦斯抽采效果的问题,贵州某矿为大幅度提高煤体透气性和瓦斯抽采量,在其1321底抽巷进行水力压裂试验。实验表明,1321底抽巷钻孔注水压力为38 MPa,水力压裂钻孔在煤层走向上的影响半径超过25 m范围,水力压裂后钻场钻孔平均瓦斯抽采体积分数提高近31倍,平均瓦斯抽采量提高29倍。通过对取样点的煤体的残余瓦斯含量的测定及线向拟合分析,得出1321底抽巷水力压裂有效半径为41 m。     

条带预抽钻孔超高压水力割缝增透技术研究

研究探索了水力割缝使钻孔周围煤体中的瓦斯由单向的径向流动变为径向和轴向双向流动,通过对扰动煤体的割缝宽度、平均单孔瓦斯抽采纯量、抽采半径的考察,分析了水力割缝技术和钻孔抽采技术的数据,得出了平均单孔抽采效果提高约3倍的结论。     

水力诱导穿层钻孔喷孔煤层增透技术及工程应用

依据煤与瓦斯突出机理,在分析低透气性突出煤层穿层钻孔喷孔煤体增透提高瓦斯抽放机理基础上,对煤体穿层钻孔的诱导喷孔工艺及瓦斯抽放钻孔布置进行了优化设计,并在淮北矿业集团祁南煤矿7煤层工作面进行了现场试验。结果表明：水力诱导穿层钻孔喷孔煤层增透可使孔群范围煤体透气性提高150余倍,单孔平均瓦斯抽采流量增加4倍以上;消除突出危险性煤层采用综合机械化掘进,月掘进进尺平均达200 m,较传统瓦斯治理方法下放炮掘进进尺可提高4～5倍。     

超高压水力割缝技术在N1103胶带顺槽中的应用

为了降低某可抽放-较难抽放煤层瓦斯含量,提高瓦斯涌出的均匀性,杜绝发生瓦斯事故,采用超高压水力割缝技术在已施工的钻孔中对煤体割缝、钻扩孔。结果表明,单孔抽采纯量为普通孔的3. 33倍,万米抽采量为普通孔的2. 69倍;极大地提高了煤层瓦斯抽采量,加快降低了煤层瓦斯含量,从而缩短抽采达标时间,符合《采煤工作面抽采达标评判标准》要求,促进了矿井安全高效生产。     

顺层钻孔分段复合水力化增透技术应用研究

水力化增透技术是低渗煤层瓦斯强化抽采的重要手段,在分析水力割缝技术高压水喷射作用及水力压裂技术高压水压入作用特点的基础上,以增大钻孔卸压范围、联通孔周裂隙网络、提高瓦斯抽采效果为目的,提出顺层钻孔分段复合水力化增透技术,并在霍尔辛赫煤矿进行了现场试验。结果表明:在实施顺层钻孔分段复合水力化增透技术后,钻孔孔径提高3～4倍,卸压范围显著增大;单孔日抽采瓦斯纯量较对比钻孔提升幅度明显,抽采初期提高3～4倍;单孔抽采出现大幅度衰减迹象由10d提高到20d,抽采30d单孔累积抽量提高4～6倍;抽采30d单孔瓦斯抽采率提高3～5倍,增大了钻孔抽采有效控制范围。     

超高压水力割缝技术在低渗透特厚煤层中的应用

为增大煤层透气性系数,提高煤层瓦斯抽采效果,通过超高压水力割缝技术,增大煤体暴露面积,给煤层内部卸压、瓦斯释放和流动创造了良好的条件,缝槽上下的煤体在一定范围内得到较充分的卸压,增大了煤层的透气性。结果表明:水力割缝钻孔组瓦斯抽采浓度、纯流量、百米瓦斯抽采纯流量及瓦斯抽采率是对比钻孔的2~4倍,远远大于对比钻孔组,割缝钻孔瓦斯抽采效果显著。研究为其他类似矿井提供借鉴。     

密集水力冲孔增透抽采瓦斯试验研究

高瓦斯含量低透气性突出煤层高效抽采瓦斯是复杂地质条件下工作面瓦斯治理的主要难题。为增加该类煤层透气性,依据瓦斯流量法测试水力冲孔影响半径的结果,利用煤层底板巷布置穿层密集钻孔,对工作面进行水力冲孔强化增透,达到高效预抽煤层瓦斯的目的。研究结果表明：水力冲孔在煤体中形成的孔洞促使钻孔周围煤体持续膨胀变形,约在1.8倍孔洞直径范围内煤体的地应力下降,煤体受压程度降低,煤体透气性增大;水力冲孔加速了煤体瓦斯的解吸,实现了连续18 d,平均单孔瓦斯体积分数大于52.64%的高浓度瓦斯预抽效果;预抽60 d后,煤层瓦斯含量由原始的9.09 m³/t降至4.03 m³/t。可见,采用密集穿层钻孔水力冲孔,提高了煤层预抽瓦斯效果,实现了低透气性突出煤层的消突,保障了工作面的安全生产。     

三软难抽煤层底抽巷抽采方法及效果研究

郑州矿区三软煤层属于低透气性难抽煤层,通过采用穿层钻孔高压水力冲孔增透卸压的方法,释放煤层瓦斯压力,提高煤体透气性,研究了抽采钻孔的封孔方法、分析了高压水力冲孔增透区域的瓦斯抽采效果及其参数,提高了煤体瓦斯预抽效果,解决了矿井煤层透气性差、瓦斯抽放效率低、钻孔工程量大的难题,最终形成一套适合矿井自身条件的穿层钻孔高压水力冲孔卸压增透技术,可为矿井的区域瓦斯治理提供技术支持。     

高压脉冲水射流顶底板钻孔提高煤层瓦斯抽采率的应用研究

在分析松软煤层中钻孔塌孔、硬分层中成孔机理的基础上,提出利用高压脉冲水射流在硬分层或顶底板中钻孔,切至软分层提高瓦斯抽采率的新钻孔工艺。并基于高压脉冲射流破煤岩动力特性,分析计算了射流在松软煤层中切缝所需的射流压力及流量;研制出钻孔、切缝系统装置及工艺。在四川某煤矿的松软煤层进行了现场试验,应用结果表明钻孔深度是本煤层钻孔深度的2.7倍,平均单孔瓦斯的抽放纯量为0.19~0.26 m³/min,是采用原工艺钻孔的5.2倍以上。     

定向长钻孔瓦斯抽采技术在低透气煤层中应用

针对采用本煤层顺层抽采钻孔进行煤层瓦斯抽采时,钻孔施工量大、施工周期长、瓦斯抽采效率低等技术难题,司马矿在1208工作面应用定向长钻孔技术抽采瓦斯,现场结果表明,相比本煤层顺层钻孔瓦斯抽采技术,定向长钻孔瓦斯抽采技术可减少钻孔长度4 500 m,钻孔成孔率提高1.5倍,瓦斯抽采率提高1.7倍,取得了显著应用成效。     

高压水射流环切割缝自卸压机制与应用

为解决深部矿井低透气性煤层瓦斯抽采难题,针对穿层钻孔提出了高压水射流环切割缝煤层自卸压增透技术。通过瓦斯流动理论分析普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动模式,分别建立了普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动微分方程,获得了高压水射流环切割缝自卸压技术改善煤层瓦斯流动机制;采用FLAC3D软件建模分析高压水射流割缝后钻孔周边煤体应力演化规律,基于煤体卸压程度及塑性区分布特征,确定了穿层钻孔合理化割缝参数;通过底板穿层钻孔高压水射流环切割缝技术现场考察,环切割缝后煤层变形量达到0.136%,煤层透气性系数较原始状态提高了42倍,瓦斯抽采纯量相较普通钻孔提高3.44~5.32倍,同等条件下煤层抽采半径提高了1倍以上。理论研究与现场试验均表明,采用高压水射流切割在煤层内部形成环形缝槽,能有效改善钻孔煤体应力状态,增加煤层渗透性,提高瓦斯抽采效率。     

低渗煤层液态CO_2相变定向射孔致裂增透技术及应用

如何实现深部煤层瓦斯的高效抽采是保障我国煤炭企业安全生产的重要问题,而低透气性煤层瓦斯储层增产改造则是其中的核心技术和热点问题。为解决低透气性煤层瓦斯高效抽采技术难题,研究提出了地应力条件下优势射孔致裂方向的确定方法及低渗煤层液态CO_2相变定向射孔致裂增透技术,现场试验及应用研究形成了液态CO_2相变定向射孔致裂增透网格式瓦斯抽采方法。研究表明:孔壁破裂压力受钻孔方位角、倾角影响具有明显的方向性,并确定了试验区液态CO_2相变定向射孔优势致裂方向;该技术可有效增加煤样孔隙度、孔径、比表面积、可见孔比例等,改善煤岩体内孔隙结构及渗流能力,提高瓦斯抽采纯流量9~12倍,降低煤层瓦斯抽采流量衰减系数92%;现场试验及PFC2D数值模拟研究确定了该技术的影响半径为9~13 m;应用表明液态CO_2相变定向射孔致裂增透网格式瓦斯抽采方法,可有效预防低透气高突煤层巷道掘进期间的瓦斯超限问题,提高巷道掘进速度4~5倍。     

穿层树状钻孔煤层增透技术在深部矿井的应用试验

针对深部开采矿井低透煤层瓦斯抽采过程中抽采半径小,抽采效率低的问题,以平顶山矿区首山一矿己15-17-12110抽放巷为试验地点,开展了穿层树状钻孔增透技术的试验研究。试验采用自进式水力喷射树状钻进工艺,在工作面低抽巷共施工了34组穿层树状钻孔,每组7个,共238个钻孔。试验结果表明：与水力冲孔钻孔相对比,穿层树状钻孔在深部低透煤层的瓦斯抽采应用中,抽采影响半径明显增大|平均瓦斯抽采浓度提高了1.30～1.80倍,且高浓度抽采周期延长|单孔平均日抽采纯量为3.47～5.30m3/d,是水力冲孔钻孔的1.58～3.66倍。穿层树状钻孔煤层增透技术在深部矿井工作面穿层条带预抽中,应用效果显著,为平顶山矿区深部低透煤层的瓦斯抽采提供了增透技术储备。     

高应力和构造应力区联合增透抽采技术研究

为了解决矿井高应力和构造应力影响作用下煤层透气性差、钻孔塑性变形垮孔严重的问题,以松藻煤电公司逢春煤矿M7、M8煤层为试验对象,采用水力压裂和水力割缝相结合的方式,对煤层进行增透,以提高瓦斯抽采效率。介绍了穿层钻孔区域防突措施设计方案,开展了水力压裂钻孔、瓦斯抽采钻孔设计以及注水压力、注水量和保压时间等水力压裂工艺参数试验。通过比较水力压裂、水力割缝增透措施结合硬套管封孔技术及普通钻孔瓦斯抽采情况,表明水力压裂和水力割缝后钻孔瓦斯抽采浓度分别提高16%~36%和4%~16%,瓦斯抽采量（纯量）分别提高了6倍和3倍,可为同类地质条件瓦斯抽采提供参考。现场试验结果表明,复杂地质低渗煤层水力压裂—割缝综合瓦斯增透技术在煤层强化抽采中有较好的实际应用价值。     

赵固二矿坚硬煤层超高压水力割缝增透技术应用

针对赵固二矿煤层坚硬、透气性低、钻孔瓦斯抽采效果差及钻孔工程量大等问题,提出采用超高压水力割缝技术提高瓦斯抽采效率。基于应力波原理,分析了高压水射流破煤机理,研制了适用于坚硬煤层条件且能够有效提高射流打击力的圆锥收敛型喷嘴和适用于坚硬煤层条件的定点冲击割缝方式。现场试验表明,针对坚硬煤层条件,割缝钻孔平均单刀出煤量约0.18t,等效割缝半径0.99～1.57m,割缝后瓦斯自然涌出量是普通钻孔的11.3倍,抽采纯量较普通钻孔提高3.8倍,钻孔抽采有效半径较普通钻孔增加了90%左右。超高压水力割缝技术能有效的解决低渗透性坚硬煤层的瓦斯抽采难题。     

基于水射流割缝煤层区域动态指标研究

基于水射流割缝煤层增透技术,分析了割缝后煤体应力分布状态,计算了割缝钻孔径向应力和切向应力。在理论分析水射流割缝钻孔影响半径的基础上,确定基于水射流割缝钻孔布置的技术工艺。根据现场实测数据,统计分析了动态指标,对水射流割缝后煤层瓦斯抽采增透效果进行了验证。中兴矿现场试验表明:与常规钻孔相比,采用水射流割缝钻孔瓦斯抽采浓度提高3.6倍、流量提高2.7倍、纯流量提高9.7倍;上覆三采西翼回风巷平均风排瓦斯涌出量最大减少0.68 m^3/min,降低26.98%;水射流割缝钻孔段瓦斯含量降低0.48 m^3/t;抽采半径为3.0 m时,水射流割缝钻孔段抽采时间41 d,相比常规钻孔抽采时间缩短43 d。     

基于坚硬煤层条件的顺层钻孔增透技术研究

为了解决低透气性坚硬煤层顺层钻孔抽采影响范围小、抽采效果差等问题,分析了坚硬煤层高压水射流破坏过程,采用数值模拟的方法研究了超高压水射流环形割缝卸压增透机制,研制了新型超高压水力割缝成套装置,并现场考察了坚硬煤层煤巷条带顺层钻孔超高压水力割缝应用效果。结果表明:采用超高压水力割缝后,坚硬煤层透气性提升约20倍,钻孔平均抽采瓦斯纯量提高2.0~2.5倍,抽采达标时间缩短67%以上,月掘进速度提高约50%,掘进期间无瓦斯异常现象,实现了坚硬煤层煤巷条带安全、快速掘进。