高瓦斯低透气性煤层增透技术发展现状及前景展望

结合我国低透煤层的赋存特点和各种增透技术的优缺点,对提高煤层透气性的技术方法进行了分类比较,较系统地梳理了每一种增透方法的工艺技术及装备、应用效果、存在的问题与缺陷及适用条件等;并对增透技术发展趋势进行了展望,指出增透技术将向多种增透方式联合作业,增透设备将向智能化、无人化的方向发展。     

低透气性煤层增透卸压研究现状及新技术

阐述了低透气性煤层外加载荷破坏煤岩体中孔隙的增透卸压机理;进一步分析了煤岩体内部结构的变形和传统的增透卸压方法,以及基于这些方法大范围增透卸压的困难,提出了一种新的增透卸压方法,即可控煤与瓦斯喷流技术。此方法就是利用煤与瓦斯突出动力瓦斯膨胀能破碎煤体,抛出煤与瓦斯,增大煤层内的空腔,达到使更大范围内的煤层卸压,同时采出煤与瓦斯的目的。     

基于二氧化碳致裂增透技术的低透煤层瓦斯治理

为解决马堡煤矿15~#煤掘进工作面瓦斯涌出量大、抽采效果差的问题,通过理论分析和现场试验的方法,分析了二氧化碳致裂增透机理,设计了煤层增透试验方案,并在二采区运输下山掘进工作面进行了应用。在巷道迎头实施二氧化碳致裂爆破后,2组钻孔内瓦斯浓度平均提高了3倍,巷道掘进期间回风流中瓦斯浓度由抽采前的0.79%降为爆破后的0.26%,下降了67%,瓦斯平均抽采纯量提高了2.39倍,平均抽采混量提高了0.87倍。研究表明,二氧化碳致裂增透技术是一种有效的煤层增透手段,可以改善高瓦斯低透煤层难抽采的现状,显著提高瓦斯抽采效果。     

功率超声波技术在低透气性煤层增透试验中的应用

为了增加低透气性煤层渗透率,提高预抽煤层瓦斯抽采效率,提出了一种安全高效的新型功率超声波技术来实现对煤层的增透,超声波增透煤层时通过破裂和声波扰动的方式增加了煤层透气性,这些方式的加载使得其原先裂缝不断地扩展、延伸,最终达到增透整个煤层的作用。将功率超声波技术应用于2130矿24312采煤工作面,采用回风巷顺层布孔的方式进行作业,现场试验结果表明:功率超声波增透技术显著提高了煤层瓦斯抽采浓度和抽采纯量,同时降低了瓦斯抽采钻孔的工程量。现场证明功率超声波技术作用于低透气性煤储层,提高了瓦斯抽采效率,对于矿井瓦斯高效抽采具有广阔的应用前景。     

松软低透煤层CO_2爆破增透技术应用研究

为了有效提高松软低透煤层瓦斯抽采效果,采用理论分析和现场试验的方法,研究了CO2爆破增透技术的增透效果。以韩城象山矿5号煤层为例进行了试验研究,试验结果表明:CO2爆破不仅能有效提高煤层透气性,而且高压CO2气体对煤层瓦斯具有一定的驱替置换作用。经CO2爆破后,其有效影响半径为8m,钻孔瓦斯抽采浓度提高了1.98~2.18倍,该技术能够有效提高松软低透煤层瓦斯抽采效果。     

高瓦斯低透气性煤层深孔爆破增透技术研究

介绍了高瓦斯低透气性深孔爆破增透技术的基本原理、钻孔布置、爆破及工艺设备等具体参数。深孔爆破后,增大了钻孔瓦斯有效抽放半径和高瓦斯煤层通透性,成倍地提高了瓦斯抽放率;而且降低了煤与瓦斯突出的威胁性,从而有效地解决了高瓦斯突出煤层采掘工作面瓦斯超限与煤与瓦斯突出的问题。     

基于EGF增渗材料的煤层酸化增透技术研究

针对小回沟矿2号煤层高瓦斯低透气性的特征，在小回沟矿2204工作面进行了煤层酸化增透技术研究，试验得到2号煤层的微观孔隙结构较为复杂，微孔及小孔的迂曲程度高，利于瓦斯的储存，且矿物成分主要为SiO₂、Al₂O₃、TFe、CaO、MgO；根据已经掌握的煤层酸化增透机理，通过不同配比试验得到适合于2号煤层的EGF酸化增渗材料为氟化氢铵(5%)、KCl(2%)、柠檬酸(8%)、氨基磺酸(7%)、催化剂(1.5%、C₇H₁₃NO₄S(0.8%)、EDTA(0.5%)、KMS-6(l%)。通过现场酸化增透试验得出：试验钻孔单孔最大瓦斯抽采体积分数为68.2%，单孔瓦斯抽采体积分数提高了1.22～25倍；酸化后单孔瓦斯混合流量提高了7.17～11.75倍；试验区域内瓦斯含量呈下降了18.68%～25.91%，相较于其它增透方式具有施工简单、普遍性强、作用效果显著等优点，解决了小回沟矿高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽放困难的问题。     

深部低透气性煤层水力冲孔强化增透技术研究

分析了水力冲孔技术强化增透机理,并在淮南矿业集团潘北矿进行了底板抽采巷水力冲孔强化增透实验。系统地分析了冲孔水压、冲孔时间、钻孔仰角等技术参数与出煤量的关系,并分析了出煤速度与水压的关系。     

松软低透煤层钻孔卸压增透技术研究

为解决松软低透突出煤层卸压增透难题,在祁南矿开展了深螺纹钻杆钻进工艺试验。效果考察结果表明,钻孔排渣量越大,煤体卸压效果越好;钻孔瓦斯初始涌出量越大、衰减系数越小,抽采达标时间越短。研究认为,松软低透煤层应以卸压增透为发展方向;钻孔卸压增透技术的本质就是加大钻孔排渣量;应制定配套的薪酬管理及钻孔考核验收制度,应把钻孔排渣量、瓦斯初始流量作为重要考核内容。     

可控冲击波增透技术在吉宁低孔低渗松软煤层的应用

吉宁煤矿是典型的低透气性煤矿,可控冲击波技术是目前低透气性煤层增透的理想措施之一。适合于该矿的可控冲击波作业点间距、单点作业次数和孔口保留深度等参数尚未解决。针对上述问题,在吉宁煤矿低透气性煤层采帮区和非采帮区开展了可控冲击波增透技术的合理作业参数设计。考虑安全和作业效果因素设计了0～30m和0～40m两种孔口保留深度,考虑冲击波叠加和单孔作业效率影响设计了6m和9m两种作业点间距,考虑煤层物性差距设计了6次、8次和9次三种单点作业次数。试验结果:非采帮区3~#增透孔采取冲击点间距9m、单点冲击6次参数施工后钻孔平均抽采纯量最高,非采帮区增透钻孔平均日抽采量提高5倍,采帮区增透钻孔平均日抽采量提高5.9倍;孔口保留深度对增透效果的影响无规律可循;距离增透钻孔60m处的1-2~#观测孔抽采量明显高于本组增透孔。结果表明:吉宁煤矿可控冲击波作业参数以9m冲击点间距、6次单点冲击次数最佳;孔口保留深度对增透效果影响无规律可循,根据现场施工经验维持在0～40m较为合适;可控冲击波对吉宁煤矿煤层最大增透影响距离达60m左右。     

低透气性煤层高压水力压裂—冲孔联合增透技术研究及应用

针对深部开采煤层普遍存在的构造应力复杂、透气性系数低、抽采效果差等问题,为探究最优的瓦斯抽采技术方案,以水溪煤矿K₁松软煤层为研究对象,分别采用水力压裂、水力冲孔、普通抽采和高压水力压裂—冲孔联合增透4种技术,进行现场对比应用试验。结果表明：高压水力压裂—冲孔联合增透技术对煤层透气性系数的提高程度分别为水力压裂、水力冲孔和普通抽采方案的1.85、1.61、6.30倍,抽采瓦斯纯流量分别提高了1.42、1.33、2.32倍,此外,抽采汇总瓦斯浓度(CH₄体积分数)保持在42.6%以上,抽采效率为四者之中最高。现场应用结果表明,高压水力压裂—冲孔联合增透技术具有明显的技术优势。     

单一低渗煤层井下增透技术研究现状与展望

为了系统总结我国单一低渗煤层井下增透技术研究现状,并梳理主要发展方向,为煤矿瓦斯治理和科技发展布局提供决策参考,从技术原理、装备组成、施工工艺等方面入手,对增透技术研究现状进行了归纳总结。重点介绍了水力化技术、爆破类技术、钻探类技术的最新进展和其他增透新技术,分析了各类技术存在的主要问题,并对发展趋势进行了展望。认为提高单项技术的有效性,发展复合型增透技术,发展井上下联合压裂区域化增透技术,发展深部复杂地质条件下增透技术,提高技术的协同化、智能化、无人化水平,建立完善的单一低渗煤层增透技术体系是未来主要研究方向。     

低渗透煤层钻孔与水力割缝瓦斯排放的实验研究

介绍了特大煤样采用水力割缝提高瓦斯渗透率的实验研究。实验表明,割缝能提高瓦斯的排放量;当埋深400m时,割缝较钻孔的瓦斯排放量提高25％;相同埋深的煤层,割缝后,初期瓦斯排放速度急增,为钻孔的2．0－2．5倍。     

低渗透性煤层瓦斯治理技术研究

地下煤矿开采需要有效的技术方法来控制瓦斯的排放。针对低渗透性煤层瓦斯抽采困难的问题,提出了一种低渗煤层瓦斯高效抽采方法,并进行了井下工程试验,包括长钻孔、斜交叉钻孔和上隅角柔性抽采管等技术。现场试验表明,该技术可有效提高低渗煤层瓦斯抽采率,51109、51105工作面瓦斯抽采率从30%分别提高到67.33%和76.44%,工作面风流中瓦斯浓度大幅下降至0.3%左右。研究为低渗透性煤层瓦斯治理技术研究提供了新思路。     

不稳定流量水力压裂对深部低透气性煤层增透效果的影响

为了进一步提升深部低透气性煤层水力压裂增透效果,在煤层水力压裂相关理论研究及现场试验的基础上改进水力压裂工艺,根据相关的力学原理,推导得到压裂孔周边的应力随注水流量的变化情况,提出以控制注入水流量为原则,在水力压裂过程中采用不稳定注入水流量的方法,在平煤十二矿己₁₅-31040工作面进行水力压裂试验。试验结果表明：通过注入不稳定水流量,克服了煤层深部高地应力对水力压裂施工的影响,且压裂过程顶板保持良好;经过测定与己₁₅-31040工作面相邻的己₁₅-31030工作面的常规稳定水流量压裂、未压裂区域瓦斯抽采数据,不稳定水流量压裂单孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量比常规水力压裂及未压裂区域均有明显提升。该方法对深部煤层水力压裂增透具有一定的指导作用。     

松软低透气性煤层水力压裂增透瓦斯抽采技术研究

为解决松软低透气性煤层瓦斯抽采难度大、效率低的难题,以新景煤矿3^#煤层为研究对象,采用PFC^2D颗粒流数值模拟软件和控制变量法,研究不同注水流量和压裂时间对煤层水力压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目的影响。研究结果表明：松软低透气性煤层水力压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目与注水流量和压裂时间均呈幂函数形式增长。基于松软低透气性煤层的特点,引入压裂液效率,得到了压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目的修正计算公式。基于新景煤矿3^#煤层实际工程地质条件,在南五底抽巷进行了现场水力压裂试验。试验结果表明：当泵注压力为20~25 MPa、注水量为90~100 m³时,水力压裂半径约为50 m;水力压裂区域煤层透气性系数、平均抽采瓦斯浓度、百米巷道瓦斯抽采量和单孔平均抽采瓦斯纯流量分别为未压裂区域煤层的22.0、2.2、2.4、2.7倍,为新景煤矿3^#煤层水力压裂参数选取和瓦斯抽采设计提供了技术指导。     

低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究

概括地介绍了通过实验提示的三维应力作用下,煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律,据此提出三维地层压力是导致煤层渗透性降低的主要因素。基于实验、理论与数值分析,论述了水力压裂技术在改造低渗透煤层中的局限性,其机理是水力压裂技术仅能在煤层中产生极少量的裂缝,而且在压裂裂缝周围还会产生应力集中区,该区事实上成为煤层气开采的屏障区;本煤储层割缝,使煤层卸压的同时,还产生大量裂缝,是改造低渗透煤储层的最有利的技术方向,并研究了有效的割缝高度。     

长钻孔分段压裂增透技术在抽采煤层瓦斯中的研究与应用

针对重庆地区地质条件的复杂性,在研究定向长钻孔分段压裂技术装备的基础上,成功在松藻煤矿实施了定向分枝长钻孔分段压裂试验,实现对每个分支孔的单独压裂施工。与该煤矿常规压裂钻孔相比,定向分支长钻孔分段压裂后,平均瓦斯抽采流量提高了7.12倍,平均瓦斯抽采浓度在30%以上,取得了良好的效果,达到了大幅提高煤矿瓦斯抽采效率、缩短抽采达标时间、降低瓦斯治理成本的目的,提升了煤矿的安全水平,为煤矿安全高效生产奠定了基础。     

水力压裂技术在低透气性煤层瓦斯抽采中的应用

为了解决某煤矿低透气性煤层难抽采的问题,分析了水力压裂增透裂缝扩展规律以及煤层水力压裂卸压增透机理,采用PFPA-2D数值模拟软件,研究了单注水孔以及双注水孔的水力压裂过程中的裂缝扩展规律及煤体位移和应力变化规律,实现大范围裂隙网的形成、贯通和发育,提高了煤体的透气性。通过现场试验,实现了低透气性煤层卸压增透的目的,验证了低透气性煤层水力压裂增透技术的安全性、有效性和适用性。