水力割缝(压裂)综合增透技术研究

穿层钻孔预抽低透气性煤层瓦斯,时间长、效果不明显,严重影响矿井采掘交替。基于水射流割缝和水力压裂理论原理,结合红阳二矿开采条件、瓦斯实际情况,在底抽巷实施了穿层钻孔水力割缝(压裂)综合增透技术试验,介绍了布孔技术工艺,对煤层增透效果进行检验。     

切槽致裂增透瓦斯高效抽采技术应用研究

为解决高瓦斯低渗透煤层瓦斯抽采困难的问题,提出采用切槽致裂增透瓦斯高效抽采技术进行增透促抽。在理论分析切槽致裂增透技术增透原理的基础上,采用现场分组试验对切槽致裂钻孔和常规钻孔的抽采效果进行了应用研究。研究结果表明:切槽致裂增透技术对低渗透煤层增透促抽效果良好,与常规抽采技术相比,采用切槽致裂增透技术后,平均瓦斯抽采浓度提高2.1倍,平均瓦斯抽采纯量提高2.2倍,瓦斯抽采效率大幅提升,瓦斯治理效果显著,为矿井瓦斯防治提供了新思路。     

高瓦斯低渗透煤层切槽致裂增透机理及数值模拟研究

为实现高瓦斯低渗透煤层煤与瓦斯安全高效共采的目标,提出煤层切槽致裂增透新技术。理论分析了水力切槽与脉冲水力压裂联合作用于煤体时应力场-损伤场的重构和裂隙网构建效应,建立了煤层内预制切槽导向水压致裂的卸压增透模型,分析了煤层切槽与水压致裂的应力损伤联控机制,获得了切槽煤层水压致裂下的裂纹扩展及渗透率演化规律,实现了切槽卸压场与水压致裂场的有效结合,控制了水力压裂裂隙扩展方向,破除了孔槽周围应力集中圈的瓶颈效应,提高了煤层内整体增透效果。     

急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术研究

由于急倾斜煤层地质条件与开采工艺的特殊性,在采用水平分层开采方式时下部卸压煤体释放的大量瓦斯流向回采工作面造成安全问题。为了治理急倾斜煤层综采工作面底部煤体瓦斯的威胁,降低急倾斜煤层底部煤体瓦斯流向回采工作面的浓度,提出了将水射流割缝与高压水力压裂相结合,形成切槽定向致裂增透急倾斜煤层底部区域煤体的瓦斯高效抽采技术。在神新集团乌东煤矿北区+500 m水平45号煤层东翼南巷40—400 m至上分层+525 m水平进行了工程试验研究。讨论与分析了急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术的增透原理与工艺流程,制定了详细的现场工程试验方案,优选出了适用于急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术的整套工艺技术装备。研究结果表明:采用切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术增透急倾斜煤层回采工作面底部煤体瓦斯富集区域后,切槽定向致裂钻孔在注水压力为20 MPa条件下的瓦斯抽采纯量较普通瓦斯抽采钻孔提升了6.7倍,割缝钻孔瓦斯抽采纯量较普通瓦斯抽采钻孔提升了3.0倍;增透直接扰动半径约为6 m,70 d的抽采时间内影响半径已达到8 m以上。研究结果表明应用此技术治理急倾斜煤层回采工作面底部煤体瓦斯效果明显,有效保障了上分层回采工作面的安全生产。     

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。     

导向槽定向水力压裂煤层增透强化瓦斯抽采技术及应用

针对低透气性高瓦斯煤层预抽瓦斯困难问题,提出导向槽定向水力压裂煤层增透技术,通过理论推导计算煤层段扩孔后塑性区分布,分析穿层钻孔煤层段水压裂缝的起裂与扩展,揭示导向槽定向水力压裂煤层增透的力学机制,研发导向槽定向水力压裂煤层增透装备。在山西中兴煤矿进行现场应用,结果表明：利用水射流方法对穿层钻孔煤层段进行扩孔,使得煤中产生形似圆柱孔洞,穿层钻孔围岩塑性区半径与钻孔半径成正比,钻孔扩孔是增大塑性区范围的一种有效方法,裂隙扩展明显,瓦斯采出率提高。同时研发了一种导向槽定向水力压裂防突成套装备,主要部件有移动高压水力泵站、喷头、喷嘴、螺旋辅助排渣水射流高压钻杆、孔口防喷装置以及高压旋转接头,结合井下水力化作业远程监测和控制,现场监测结果表明,通过增透作业钻孔的方法,平均瓦斯浓度和瓦斯抽采混合量提高到常规孔的2.75倍和1.81倍,说明采取导向槽定向水力压裂措施的增透效果显著。     

三维旋转水射流扩孔与压裂增透技术工艺参数研究

通过对比丁集煤矿试验钻孔的试验数据,在明确三维旋转水射流扩孔与压裂增透机理的基础上,运用理论分析并结合实际的手段,总结分析了影响三维旋转水射流扩孔与压裂增煤的工艺参数,并确定了工艺参数的范围。结果表明:工艺参数可以分为系统工艺参数和钻孔施工参数。根据丁集矿实际情况,工艺参数确定为扩孔压力控制在10～15 MPa,管路选型内径应该大于25 mm,压裂压力确定在18～20 MPa,试验钻孔与控制钻孔间距为10 m。     

碎软低透煤层分段水力压裂增透技术研究

碎软低透煤层普遍存在瓦斯抽采效果差的问题,加剧了生产接替矛盾,也对矿井安全高效生产影响尤为突出,亟待解决。以阳煤寺家庄公司15#煤层增透技术为研究对象,分析了碎软低透煤层瓦斯抽采的技术难点,探讨了梳状长钻孔分段水力压裂增透机理,进行了井下梳状钻孔钻进工艺试验。在此基础上,形成了适合碎软低透煤层水力压裂增透技术和工艺,采集和监测了增透过程中参数变化规律,完成了增透效果考察和评价。     

注水压裂工业试验与数值模拟研究

针对开滦集团煤层高瓦斯低透气性的特点,为了增大煤体裂隙与范围,提高煤层透气性,在开滦唐山矿井下进行了注水压裂增透工业试验,研究了注水压裂过程中注水孔的影响半径,确定了注水孔的合理深度,并按试验工作面建立了全尺寸物理模型,进行了相关数值模拟,分析了不同压力下的压裂增透效果。研究表明,注水压裂技术在开滦矿区具有可行性,并确定了增透过程中的关键参数。     

顶板楔形槽导控压裂对“三软”煤层增透影响的数值分析

采用理论分析和数值模拟的方法,开展顶板楔形槽导控压裂对"三软"煤层增透影响研究,揭示了顶板楔形槽导控压裂卸压及增透原理,分析了顶板楔形槽导控压裂过程中煤岩体的裂隙发展分布规律,对松软煤层水力压裂与顶板楔形槽导控压裂的效果进行了比较。研究结果表明,顶板楔形槽导控压裂可以有效地提高"三软"煤层的透气性。     

水力压裂纵向切槽钻头的研制与试验

为解决采用常规水力压裂进行强烈动压巷道切顶卸压效果难以控制的问题,研发了一种钻孔内纵向切槽钻头,进行了一系列实验室试验和井下试验。研究结果表明,纵向切槽钻头可有效实现孔内纵向切槽,引导水力压裂主导裂缝沿切槽方向起裂和扩展,满足强烈动压巷道水力压裂切顶卸压要求,切槽效率比传统的横向切槽钻头效率提高30%~50%;何家塔煤矿井下试验表明,纵向切槽水力压裂主导裂缝沿巷道轴向起裂和扩展,扩散范围达20～30 m,起裂压力明显小于常规水力压裂的起裂压力;受工作面回采影响后纵向切槽水力压裂段煤柱应力增量相对普通水力压裂段和未压裂段明显较小,切顶卸压效果明显好于普通压裂段和未压裂段;纵向切槽水力压裂切顶卸压段工作面端头三角区悬顶长度平均3.7 m,明显小于常规压裂段和未压裂段平均悬顶长度6.2 m和8.0 m,且顶板断裂较为整齐。     

分段水力压裂技术提高煤层块煤率的试验研究

为了解决陕北侏罗纪厚硬煤层综采能耗大、块煤率低的问题,采用水力压裂造缝技术提高煤层开采的块煤率、降低煤尘。以陕北某国有煤矿为例,在矿区回采工作面进行水力压裂试验及分析,并对试验段和非试验段的块煤率、煤层截割比能耗、含水率和工作面粉尘浓度进行现场统计,得出:水力压裂技术在煤层中的起裂压力、时间及扩散半径等参数。通过回采试验区和非试验区的对比,得出采用水力致裂煤层后,采煤块煤率、工作面粉尘浓度具体的改善程度。研究表明,对煤层进行超前水压预裂,具有清洁高效、提高块煤率及降低煤尘等优点,采用分段水力压裂技术可大幅度提高单孔的造缝率,具有很好的推广价值。     

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。     

低透煤层井下重复水力压裂后含水率与瓦斯含量变化规律研究

目前水力压裂技术已广泛用于低透气性区域煤层的消突增透,注水量是水力压裂工艺重要的控制参数,也是决定压裂效果的关键指标,但是如何准确定量一直是水力压裂技术的难题。以探讨井下低透煤层水力压裂后含水率与瓦斯含量的变化规律为出发点,在平煤股份十二矿低透煤层开展了重复水力压裂增透及效果考察试验,通过详细分析考察孔的含水率和瓦斯含量,获得了压裂后煤层含水率、瓦斯含量及其关系规律,并初步确定了水力压裂区域有效注水量临界值。研究表明:压裂后煤层含水率的变化规律与瓦斯含量相反,含水率增幅较大的区域瓦斯含量降幅较小,含水率增幅较小的区域瓦斯含量降幅较大;含水率小于3%的区域瓦斯含量平均较低且差值较小,而含水率大于3%区域的瓦斯含量平均较高且差值较大;由此判断水力压裂区域有效注水量最高为含水率3%。研究结果可为低透煤层水力压裂泵注量的计算、压裂后煤巷安全高效的掘进与抽采钻孔的优化提供参考。     

脉冲射流割缝控制压裂技术关键参数研究及应用

为解决常规水压裂缝受地应力影响,导致扩展形态单一、易在裂缝两侧遗留增透空白带等问题,结合脉冲射流破煤岩特点与缝槽-孔隙水压联合诱导裂缝定向扩展作用,研究了煤矿井下脉冲射流割缝控制压裂技术。通过冲击应力波效应分析了脉冲射流充分利用水锤压力高效破碎煤体割缝机理,阐明了脉冲射流割缝控制压裂大幅增加煤层透气性原理,明晰了脉冲射流割缝压力、割缝控制压裂实施压力和压裂钻孔封孔长度等关键参数,探讨了割缝控制压裂技术的工艺流程,并在逢春煤矿开展了割缝控制压裂、常规压裂和钻孔抽采三种现场试验,对比考察了三种方式的煤层瓦斯抽采效果。现场试验结果表明:由于缝槽卸压和孔隙压力场的存在,脉冲射流割缝控制压裂能降低煤层压裂时的实施压力;通过分析压裂后不同距离煤体瓦斯含量和含水率变化规律,得出割缝控制压裂技术比常规压裂的影响范围更远,提高约33%;煤层实施割缝控制压裂后单孔瓦斯抽采纯量为0.034m³/min,较常规压裂和传统钻孔抽采技术提高了3.7倍和10.6倍,瓦斯抽采汇总浓度约为73%,提高了1.7倍和2.25倍。     

豫西三软煤层区域快速消突技术研究

为了解决三软煤层掘进工作面区域快速消突过程中存在的问题，通过现场观测、理论分析和模拟计算等方法，查明了高压水射流卸煤增透施工过程中煤与瓦斯喷出的主要原因，是卸煤所引起的水平应力集中；区域验证指标超限主要原因是钻孔密度小、瓦斯抽放量少。在选择合理参数基础上，采用水力压裂和钻孔加密的方法，现场应用中效果显著，有效减轻了高压水射流卸煤期间的煤与瓦斯喷出，掘进速度提高了72%左右。实践证明，穿层孔抽放结合水力压裂和高压水射流卸煤增透，可实现煤与瓦斯突出掘进工作面的快速消突。     

不同扩孔半径下的钻孔水力压裂数值模拟研究

利用RFPA数值模拟软件构建了钻孔水力压裂数值物理模型,分析了应力平衡状态对钻孔水力压裂的影响,研究了不同扩孔半径下的钻孔水压裂纹的发展演化规律。研究得出:破煤压力在钻孔开挖完待应力平衡后加载水压明显降低;随着钻孔扩孔半径的增加,破煤压力、分支裂纹初现水压、最终水压及平均范围角都将降低,水压主裂纹的长度将增加。研究为煤矿井下现场实施水力压裂技术提供了一定的理论支撑。     

突出矿井水力压裂增透技术应用研究

针对煤与瓦斯突出矿井煤层透气性差、瓦斯较难抽采的现状,为提高突出矿井的抽采效果,改善矿井抽掘采衔接紧张的局面,提出采用水力压裂增透技术,结合保安矿现场实际考察应用情况,详细介绍了适用于矿井的水力压裂工艺流程及参数。现场实践表明,水力压裂后,掘进条带区域的煤层瓦斯抽采纯量相比原始未压裂煤体的瓦斯抽采纯量提高1倍以上,煤层透气性系数相比原始煤层透气性系数提高8倍以上。水力压裂技术可精准提高矿井煤层的透气性,增大瓦斯抽采浓度和抽采量,大大缩短了瓦斯预抽时间,可进一步提升瓦斯抽采钻孔的抽采能力,有效缩短抽采达标时间,为采煤工作面本煤层预抽提供了瓦斯抽采空间,解决了矿井抽掘采衔接紧张问题,可为相似地质条件矿井提供参考。     

循环往复式水力压裂技术在顺煤层瓦斯治理中的应用

水力压裂增透是提高煤层瓦斯抽采效率的常用措施之一,在常规水力压裂原理的基础上,提出了循环往复式水力压裂作用于煤层的增透技术,在红阳三矿705回采工作面进行了顺煤层循环往复式水力压裂现场试验。试验结果表明,循环往复式水力压裂与常规水力压裂相比,压裂影响范围及透气性等均得到大幅度提升,同时瓦斯抽采浓度及纯量均得到提高,压裂增透效果改善明显,与原始煤层及常规压裂的瓦斯抽采方法相比,循环往复式水力压裂措施减少了瓦斯抽采钻孔数量,提高了瓦斯抽采纯量总量,提升了瓦斯抽采效率。循环往复式水力压裂技术可以作为改善常规压裂增透效果的一种方法。     

水力压裂增透技术在单一低透气性煤层中的应用

豫东地区陈四楼煤矿煤层为单一低透气性突出煤层,瓦斯预抽存在难度大、效率低的问题,严重制约了煤矿安全生产。为增加煤体透气性,提高瓦斯抽采效果,井下水力压裂是一种行之有效的措施。依据瓦斯赋存情况,在煤体瓦斯含量低于5 m³/t区域进行水力压裂增透试验,既能大幅降低钻孔工程量,加快区域治理进度,又能有效保证压裂过程中施工安全,防范压裂期间瓦斯异常涌出,引起瓦斯事故,对低瓦斯区域实现科学治理、精准施策具有重要意义,同时也能为高瓦斯区域进行压裂尝试提供借鉴。