高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透数值模拟及应用

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采钻孔施工量大、效率低等问题,研究了水力压裂技术的破煤理论及高压水对煤层的卸压增透理论,提出水力压裂强化抽采瓦斯的措施,以岩土工程数值模拟软件FLAC3D对煤层进行水力压裂数值模拟,得到煤层水力压裂过程中裂纹扩展规律,确定了水力压裂现场试验的工艺参数、压裂装备及抽采系统,完成封孔及压裂试验。     

基于分子模拟的煤中甲烷吸附扩散行为研究现状及展望

煤层中甲烷既是一种优质清洁能源，又是一种矿井灾害源。由于煤分子结构复杂，实验方法难以表征煤中分子微小尺度的吸附扩散行为。随着现代计算机信息科学和统计力学理论的发展，分子模拟方法突破了传统实验宏观的理论研究路线，使得从分子尺度研究煤中甲烷吸附扩散行为成为可能。目前更多科研学者从煤结构特征、孔径分布特性和气体吸附扩散特性等方面，以微观角度来揭示煤层中甲烷运移和积聚规律，从而有效地解决了实验室的一些难题，为甲烷抽采提供了更多理论与方法上的指导。通过调研煤中甲烷吸附扩散分子模拟的研究现状，深入分析了煤对甲烷等气体的吸附扩散微观机理及规律，并探讨了该研究领域亟需解决的问题。     

赵庄矿石门揭煤冲孔试验与钻孔优化布置研究

为确保赵庄矿石门安全揭煤,决定采用水力冲孔技术对煤层进行卸压增透。针对现场冲孔钻孔平均出煤量较少高于1 t/m与抽采负压经验化的问题,采用数值模拟软件COMSOL对出煤量0.5、0.75、1 t/m以及不同抽采负压对钻孔瓦斯抽采效果的影响进行了模拟。模拟结果表明:预抽期180 d时,现场最佳布孔间距为出煤量1 t/m时的12 m,孔组对角区域的瓦斯抽采空白带消失;增大抽采负压对抽采效果影响有限。工程实践表明:水力冲孔后钻孔瓦斯抽采量是未冲孔前的5~10倍,瓦斯浓度较冲孔前提升3~6倍,冲孔后瓦斯浓度普遍保持在70%以上。     

超高压水力割缝参数对煤体卸压影响研究及应用

为了提高瓦斯抽采效率，研究了超高压水力割缝工艺操作流程，主要为装备准备阶段、连接阶段和检查阶段。采用数值模拟软件，分析了割缝深度、割缝宽度和割缝间距等超高压水力割缝参数对煤体卸压的影响，得出了超高压水力割缝参数最优参数，分别为割缝深度1.0 m、割缝宽度0.1 m、割缝间距3.0 m，并进行了工程实践。研究表明，采用超高压水力割缝技术后，瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采流量都得到了有效提高。     

煤体水力化措施综合消突作用研究

为了研究水力化措施的综合消突作用,在综合分析水力化措施作用效应的基础上,将水力化措施归结为致裂类和掏槽类,结合煤与瓦斯突出综合作用假说,分别从水力化措施对煤体卸压效应、瓦斯内能以及煤的物理力学性质3个方面的影响进行了分析。结果表明:水力化措施能够降低一定范围内煤体的载荷应力;煤体吸附瓦斯受到环境气体压力的变化和水分的竞争吸附影响,发生了降压解吸和置换解吸,水分置换了59.14%的吸附瓦斯,降低了瓦斯内能;采取水力措施后煤体水分增加,弹性模量能够降低58.69%,塑性指数增大4.3倍以上,降低了煤体弹性能。水力化措施能够降低煤体承载应力、瓦斯内能和煤体弹性能,对煤层消突具有综合作用。为进一步提高水力化措施综合消突效果,提出执行水力化措施时,应考虑在注入的水中加入活性剂,增强煤体的湿润效果,致裂类措施还应采取卸压孔来消除裂缝尖端应力集中效应。     

煤储层造缝及卸压增透实验研究

煤矿井下瓦斯抽采难易程度取决于煤体渗透性,煤体增透是瓦斯抽采研究的关键之一。以煤岩体加载作用下的渗透率测试实验为前提,揭示了不同结构煤体水力强化的造缝和卸压两种增透机理;提出了硬煤(原生结构煤和碎裂煤)可通过水力压裂造缝提升渗透率,软煤(碎粒煤和糜棱煤)可通过冲孔出煤卸压增透或顶底板围岩水力压裂抽采的两种工艺,从而形成了基于煤体结构的水力强化增透瓦斯抽采技术。现场应用结果充分说明了实验室研究结论的正确性。     

水力冲孔卸压增透技术研究

为了增加煤矿瓦斯抽采量，缩短瓦斯抽采时间，理论研究了水力冲孔破煤机理，对喷嘴进行了选型；采用FLAC^3D数值模拟软件，模拟分析了水力冲孔后煤体应力、位移分布及不同孔径下煤体应力和位移的关系，并进行了工业试验，采用水力冲孔技术后，瓦斯抽采效果明显。研究为有效防范煤与瓦斯突出提供了技术支持。     

“三软”煤层水力冲孔与压裂耦合致裂增透技术

通过数值模拟软件分析和现场工程试验等手段,研究了水力冲孔与压裂耦合致裂增透技术对豫西"三软"煤层煤体位移、应力分布、渗透率的影响。研究结果表明,水力冲孔与压裂耦合致裂增透技术可以使水力冲孔泄煤钻孔间煤体应力降低20%以上、渗透率提高35%以上;告成矿23041下副巷(北)揭煤工作面穿层钻孔平均抽采浓度较相同瓦斯地质条件提高4.3倍,日平均抽采纯瓦斯量较相同瓦斯地质条件提高6.7倍,研究成果可推广应用于郑州矿区底板岩巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯区域防突措施。     

不同含水及负压条件下煤层气等温吸附解吸规律

为了探究水分含量和负压对煤层气等温吸附、解吸特征的影响,采用大样量煤层气吸附/解吸仿真试验设备对鄂尔多斯盆地东缘北部煤矿煤样进行煤层气常规等温吸附解吸过程和负压解吸过程的实验室模拟,通过将煤样进行处理得到干燥煤样、平衡水煤样、饱和水煤样3种不同含水饱和度煤样,分别对其进行等温吸附测试、常规等温解吸测试和负压解吸测试,得到了煤样在不同含水饱和度、不同负压条件下的压力与吸附量实测数据,并采用不同的吸附/解吸方程式进行拟合。通过对比分析,研究了水分对等温吸附过程、解吸过程以及负压对解吸过程的影响,并从分子间作用力的角度解释了水分对等温吸附解吸过程的影响。结果表明:煤样解吸过程与吸附过程不可逆,存在解吸滞后;由于水分子与煤分子间的作用力大于甲烷分子与煤分子间的作用力,水分在与甲烷的竞争吸附中具有优势,煤样含水率越高,其吸附甲烷的能力越低;煤样含水率较低时,含水对煤岩降压解吸影响不明显;当煤样含水率高于某一值时,外来水分抑制煤层气降压解吸,分析认为这可能与煤样的物质组成和煤分子结构有关;由于水分对甲烷的置换解吸作用,若水力压裂过程中压裂液滤失严重,将降低煤层吸附气量,延长排水降压阶段,减少累计产气量,因此应严格控制压裂液滤失;负压解吸阶段,单位压降引起的解吸量更大,说明负压排采增产措施具有潜力。     

水力冲孔影响范围数值模拟研究与应用

针对某矿为了解决"三软"低透气性突出煤层抽采困难,采用水力冲孔卸压增透强化抽采措施时遇到的影响范围难以确定的问题,通过分析水力冲孔作用机理,运用瓦斯流动理论与方法建立钻孔周围流固耦合模型;利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件对水力冲孔的卸压增透范围进行模拟,采用现场试验的方法对数值模拟结果进行考察,验证了数值模拟的正确性。