低透气煤层超高压水力割缝与水力压裂联合增透技术

为了解决矿井瓦斯预抽中存在的问题,提高矿井瓦斯抽采利用效率,杜绝瓦斯灾害事故发生,以新集二矿瓦斯预抽工艺为研究背景,针对矿井采掘接替紧张、煤层透气性差、瓦斯抽采率低等技术难题,提出了超高压水力割缝与水力压裂联合增透技术。基于岩石力学与流体力学理论,分析了超高压水力割缝与水力压裂联合增透机理。并采用数字模拟方法研究确定了沿槽缝延伸方向,缝槽至煤体深部依次形成破碎区、塑性区、弹性区及原岩应力区,被冲割煤体受高压水射流剪、割应力作用影响,原岩应力区向煤体深部转移,煤体渗透率增大。得出水力压裂钻孔布置在超高压水力割缝形成的塑性区范围内能够达到较好的增透效果,并设计了超高压水力割缝与水力压裂一体化联合增透技术工艺:割缝水压为95～100 MPa,旋转水尾转速为40 r/min,割缝间距为1.0～1.2 m,单刀冲割时间为12 min;水力压裂钻孔直径为95 mm,并采用100 mm的钻孔洗扩装置冲、扩钻孔。通过在新集二矿2201采区220108底板巷2号上钻场的应用结果显示:超高压水力割缝与水力压裂协同增透技术能够明显改善煤层透气性,瓦斯抽采30 d以后,协同超高压水力割缝钻孔平均瓦斯抽采纯量为普通钻孔的10.3倍;协同水力压裂钻孔平均瓦斯抽采纯量为普通钻孔的6.4倍,且能够持续保证较高流量和浓度的瓦斯抽采效果。     

顺层钻孔超高压水力割缝技术在强化瓦斯抽采中的应用

介绍了超高压水力割缝技术及装备、防突原理和工艺方法。现场试验结果表明:超高压水力割缝技术运用后,钻孔瓦斯抽采浓度提升1.75倍,钻孔瓦斯抽采量提高2.3倍,抽采有效半径较对比钻孔提高2.1倍,超高压水力割缝技术卸压增透效果显著。     

基于ZGF-100(A)型超高压水力割缝成套装备的煤层卸压增透效果考察试验

为了解决矿井深部区域高瓦斯难抽煤层抽采工作量大、抽采效果差的问题,提出了采用超高压水力割缝技术强化煤层瓦斯抽采。该技术可充分改变煤体结构,增加透气性,改善抽采效果。基于ZGF-100(A)型超高压水力割缝成套装备,以小宝鼎煤矿12393-2工作面作为试验区,开展了顺层钻孔水力割缝抽采效果考察试验。结果表明：在采用合理的水力割缝技术参数下,割缝组相较于普通组瓦斯抽采浓度提高约1.02倍,抽采纯量提高约2.36倍,抽采达标时间缩短约54.2%,抽采效果显著。     

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。     

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。     

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。     

超高压水力割缝和CO2相变致裂联合增透技术研究与应用

针对鲁班山北矿14采区8~#煤层地质构造复杂、瓦斯抽采难的问题,提出了超高压水力割缝和CO_2相变致裂联合增透技术,并分析其泄压增透原理,同时进行了不同增透方案条件下的现场抽采效果对比试验。结果表明,该联合增透方案的平均单孔瓦斯体积分数分别是普通抽采和超高水力割缝的1.79倍和1.20倍;单孔瓦斯抽采平均纯量分别是普通抽采和超高压水力割缝的3.2倍和1.9倍,90d抽采时间瓦斯抽采影响半径分别是普通抽采和超高压水力割缝的4.58倍和1.38倍,在同等条件下施工钻孔时间分别比普通抽采和超高压水力割缝缩短50.5%和40.6%,瓦斯达标抽采时间分别比普通抽采和超高压水力割缝缩短了66.7%和50%。相较于常规治理技术方案,超高压水力割缝和CO_2相变致裂联合增透技术对瓦斯灾害治理的应用效果更为理想。     

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。     

超高压水力割缝卸压增透最优参数研究

针对登茂通煤矿1~#煤层在深部区域整体透气性差、瓦斯含量高、传统抽放方法效果差的问题,提出利用超高压水力割缝卸压增透技术提高煤层透气性,并在108底抽巷进行工业试验。通过控制变量法确定在1~#煤层开展超高压水力割缝卸压增透的最优化参数,其中,割缝压力为60～70MPa,割缝时间为25min、割缝转速为80r/min,割缝间距为2m。通过割缝钻孔与普通钻孔抽采情况对比分析,表明割缝后钻孔的抽采浓度是普通钻孔的1.75倍,抽采纯量是普通钻孔的3.25倍,抽采达标时间降低了42%,煤层残余瓦斯含量明显减小,瓦斯抽采效果显著提高。     

超高压水力割缝卸压抽采区域防突技术应用研究

为了有效解决丁集矿高地应力、低透气性突出煤层煤巷条带瓦斯区域预抽效率低、预抽达标后区域验证指标仍超标的问题,在该矿1351(1)运输巷煤巷条带穿层预抽钻孔进行了超高压水力割缝卸压增透技术应用研究,利用水力割缝卸压增透原理确定了超高压水力割缝设备组成,选型配套了超高压清水泵、超高压软管、超高压旋转水尾、水力割缝钻杆、高低压转换割缝器、钻头和超高压远程操作台等超高压水力割缝设备,考察了相同孔径未割缝钻孔、割缝钻孔瓦斯涌出量及割缝钻孔瓦斯抽采量,理论研究了百米煤孔初始瓦斯涌出量、瓦斯涌出衰减系数及不同预抽时间、预抽率条件下的有效抽采半径,现场检验了顺层钻孔预抽措施单元、穿层钻孔水力冲孔措施单元、穿层钻孔水力割缝措施单元的预抽瓦斯区域防突措施效果,统计了不同措施预抽单元局部补充措施执行情况、局部措施效果,分析评价了超高压水力割缝卸压增透效果。结果表明:针对丁集矿11-2煤层工程条件选型配套的超高压水力割缝设备参数是合理的,在1351(1)运输巷煤巷对11-2煤层条带进行穿层钻孔超高压水力割缝措施卸压增透效果显著,与未增透措施相比,煤层透气性系数提高了25.9倍、113 mm孔径的穿层钻孔百米煤孔初始瓦斯涌出量提高了5.5倍、瓦斯涌出衰减系数降低了73.4%、预抽15 d和30 d达35%预抽率的钻孔间距提高了84.3%和53.0%,与穿层钻孔水力冲孔相比,煤巷条带防突局部补充措施工程量降低了50.0%、煤巷平均掘进速度增加了1倍。     

超高压水力割缝精准控制技术应用及效果分析

为了解决由于水力割缝压力、喷嘴大小、割缝时间等参数的选取不当导致煤层割缝深度浅、割缝后煤体卸压增透效果不理想、割缝作业期间钻孔憋孔、堵孔等问题,提出了超高压水力割缝精准控制技术,分析了割缝缝槽宽度、深度控制,割缝落煤速度控制,以及割缝区域效果控制,集成开发了ZGF-100(A)型超高压水力割缝装置,并进行了精准控制割缝现场应用试验。结果表明:采用超高压水力割缝精准控制技术对煤层进行割缝后,缝槽等效半径约为1.02～1.58 m,割缝钻孔平均抽采瓦斯纯量较普通对比钻孔增大约2倍,割缝钻孔抽采半径较对比钻孔增大1倍左右。     

穿层钻孔超高压水力割缝技术试验研究

为提高张集矿1煤层瓦斯抽采效果,解决低透气性厚煤层瓦斯抽采率低、瓦斯涌出量大的难题,矿井采用超高压水力割缝卸压增透技术在1415A底抽巷进行了试验应用。通过对割缝钻孔和未割缝钻孔的等效直径、钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采量、瓦斯含量下降率等分析表明,采用超高压水力割缝术后,钻孔内煤体的暴露面积大大增加,为瓦斯释放提供了有利空间,同时使煤体充分卸压,改善煤层透气性,大幅度提高瓦斯抽采率,减少了抽采达标时间,解决了厚煤层采掘工作面瓦斯治理的难题。研究为矿区类似条件厚煤层的瓦斯高效治理提供了技术指导。     

水力造穴增透技术在余吾煤业的应用

余吾煤业所采的3#煤层具有低透气性、瓦斯含量高等特点,为提高顺层钻孔的抽采效率,缩短抽采达标时间,开展了水力造穴增透技术应用。先后对钻孔间距、造穴布置形式、造穴工序、配套设备进行了改进,建立了视频监控煤量验收机制,形成了一套适合余吾煤业的水力造穴技术参数。8个推广地点的应用证明,水力造穴增透技术可大幅度提升巷道钻孔的成孔深度、瓦斯抽采浓度、万米抽采量,实现了高瓦斯煤层的高效抽采。     

本煤层分段水力造穴增透技术影响因素现场试验研究

以山西潞安集团古城煤矿N1305工作面煤层及瓦斯赋存条件为工程背景,在该工作面A、B、C 3个区域分别进行了水力造穴抽采试验,验证钻孔施工倾角、造穴方式和造穴参数对水力造穴效果的影响作用。结果表明,随着钻孔倾角的增大,水力造穴钻孔单孔平均抽采浓度逐渐增大,提升了瓦斯抽采效率;在不考虑钻孔围岩塌孔压杆等钻孔事故的条件下,本煤层钻孔分段后退式水力造穴工艺对钻孔围岩的增透效果要大于前进式水力造穴方式,对瓦斯抽采纯量的提升作用更加明显;水力造穴单穴长度和造穴半径的增加有利于造穴影响范围的增大,从而有效增加钻孔瓦斯涌出量。     

超高压水力割缝技术在中等硬度低透气性煤层的应用

为提高高瓦斯低透气性中硬煤层瓦斯预抽效率,探讨了水力冲孔、水力压裂、水力割缝增透技术适用条件和优缺点。基于超高压水力割缝技术原理,研制了一种穿层钻孔超高压水力割缝装置,主要由金刚石水力割缝钻头、水力割缝浅螺旋钻杆、超高压旋转接头、超高压清水泵、高低压转换器、超高压橡胶管等组成,水压达到60～100 MPa,可实现钻进、切割一体化,使用简单方便。采用该装置在丁集煤矿1361(1)运输巷底板抽采巷11-2煤层穿层预抽钻孔中开展现场试验,煤层瓦斯压力1.43 MPa,瓦斯含量为8.05 m3/t,透气性系数为0.013 m2/(MPa2·d),煤层坚固性系数为0.79;1361(1)运输巷底板抽采巷11号～15号钻场区域单元长度227 m,采用高压水力割缝增透措施,1361(1)运输巷底板抽采巷6号～10号钻场区域单元长度213 m,采用矿井低压水冲孔增透措施。结果表明：超高压水力割缝钻孔平均单刀割缝时间为10.7 min,单刀出煤量为0.31 t,等效割缝半径达1.38 m,煤孔段割缝密度为1刀/m,平均每孔割缝2.6个;超高压水力割缝钻孔平均瓦斯抽采浓度56.97%,是低压冲孔的2.37...     

顺层钻孔机械造穴增透技术及现场应用研究

余吾煤业为高瓦斯矿井,主采3号煤层瓦斯吸附性强、透气性差,属于较难抽放煤层。本煤层顺层钻孔区域预抽是工作面瓦斯治理的根本措施,普通钻孔存在钻孔工程量大、瓦斯抽采效率低等问题,推广应用水力造穴增透技术后,抽采效果显著。为进一步提高钻孔抽采效率,余吾煤业公司开展机械式造穴增透技术,并在N2106回风巷顺层钻孔开展效果考察试验,机械造穴钻孔平均抽采纯量达0.053 m³/min,为普通钻孔的4～5倍。     

高压水力割缝增透技术及其应用

为阐述水力割缝卸压增透技术的原理,在松树镇煤矿通过2组5个钻孔进行为期12 d抽放效果对比考察。未进行水力割缝考察的钻孔最高瓦斯浓度为43%,单孔纯抽瓦斯量0.067 m3/min,持续8 d时间瓦斯浓度降至5%;进行水力割缝考察的钻孔最高瓦斯浓度为75%,单孔纯抽瓦斯量0.198 m3/min,持续7 d时间瓦斯浓度降至9%。通过对比,进行水力割缝考察钻孔纯抽瓦斯量比未进行水力割缝考察钻孔纯抽瓦斯量提高2~7倍,基本达到试验的预期目的。实践证明,水力割缝卸压增透技术为提高低透气性煤层的瓦斯抽放效果提供了一个经济可行的技术途径。     

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。     

本煤层分段水力造穴钻孔抽采半径考察试验研究

针对本煤层分段水力造穴钻孔抽采半径定义不明确、难以确定的问题,以古城煤矿3号煤层为背景,开展本煤层分段水力造穴钻孔抽采半径考察现场试验研究,结合不同试验钻孔的瓦斯抽采流量现场监测,运用瓦斯储量法考察了本煤层分段水力造穴钻孔和普通钻孔的抽采半径,获得了不同类型试验钻孔的抽采半径时变规律以及本煤层分段水力造穴对瓦斯抽采半径的扩大作用。结果表明:①在相同抽采时间内,前进式本煤层分段水力造穴钻孔和后退式本煤层分段水力造穴钻孔的抽采瓦斯纯量平均值分别是普通钻孔的3.08倍和3.79倍,抽采半径分别是普通钻孔的2.14～5.62倍和2.58～5.88倍,本煤层分段水力造穴钻孔能够显著提高钻孔瓦斯抽采纯量,有效扩大钻孔瓦斯抽采半径,且后退式本煤层分段水力造穴钻孔的扩大作用更加显著;②普通本煤层抽采钻孔和本煤层分段水力造穴钻孔的瓦斯抽采半径均具有时变特性,即抽采半径随着抽采时间的延长而相应扩大,并逐渐趋于某一极限值;抽采240 d后,普通钻孔的抽采半径基本达到极限,60 d内仅增长了0.01 m左右,钻孔瓦斯流量逐渐衰竭,而本煤层分段水力造穴钻孔的抽采半径仍能随时间延长而有效增长,瓦斯流量仍保持稳定,...     

掘进工作面水力造穴工程试验分析

高瓦斯厚煤层迎头掘进存在应力集中和瓦斯超限等问题.五阳煤矿在8006回风巷进行水力造穴工程试验,以解决单孔瓦斯抽采量低且衰减快这一难题.通过实施水力造穴前后的释放煤量和瓦斯浓度对比,试验得出:水力造穴释放孔造穴期间对煤层补水半径在1.5 m范围内,占煤墙面积的79％;在补水半径影响范围内,随着水分的增加,初始瓦斯解吸速度b值在不断降低,此正是水力造穴钻孔抽采纯量衰减慢和水力造穴释放孔作用下,掘进工作面割煤期间回风流瓦斯浓度低的根本原因.