低渗透高瓦斯煤层液态二氧化碳相变致裂增透数值模拟研究

针对低渗透高瓦斯煤层瓦斯高效抽采是制约煤炭工业安全与可持续发展的难题,提出不受煤层赋存条件影响及本质安全型的液态二氧化碳相变致裂增透技术。通过理论分析得出液态二氧化碳气爆致裂煤层的增透机理,并推导得出了气爆应力波引起的煤体初始裂隙长度的数学模型。运用数值模拟分析得出了气爆增透煤层影响半径与不同地应力时非线性指数关系式为R=8. 7788e~(-0.034σ);同时还得出气爆增透煤层影响半径与煤体自身坚固性系数呈类抛物线趋势,煤的坚固性系数为1. 15左右时增透效果最优。     

高瓦斯低透煤层深孔预裂爆破增透数值模拟试验

深孔预裂爆破产生的应力波相互叠加,加快了两爆孔间裂纹的形成和沟通速度,有效促进卸压带的形成。以淮南矿业集团谢一矿5121工作面为例进行深孔预裂爆破试验,运用ANSYS软件进行数值模拟,并分析了爆破过程中的3个阶段,为高瓦斯低透气性煤层的安全生产提供了一个较好的解决方案。     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透数值模拟

针对高瓦斯低透气性煤层,采用Taylor方法建立了一个新的LS-DYNA3D爆破损伤模型,对深孔预裂爆破进行了数值模拟研究,再现了爆破过程中,动压冲击震裂、应力波传播与叠加以及爆生气体驱动裂纹扩展的整个过程,分析了爆破孔间距对爆生裂纹和爆破增透效果的影响,提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破的合理间距为5~6 m,为高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽放提出了解决方案.     

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。     

高瓦斯煤层干胀致裂增透技术试验研究

瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害治理的关键,煤层结构改造是瓦斯抽采的核心问题,干胀致裂是实现煤层结构改造的有效途径.本文提出一种煤层干胀致裂增透技术,利用自制的干胀致裂试验系统,采用低密度泡沫混凝土相似材料来模拟煤岩体,开展了干胀致裂物理试验,得到了有围压、无围压两种条件下煤岩体相似材料的致裂规律和致裂效果.结果表明:无围压条件...     

常村煤矿高瓦斯低透气性煤层CO_2致裂增透技术研究

为了解决低透气性煤层瓦斯治理的难题,以常村煤矿23采区胶带运输大巷为工程背景,分析了CO_2致裂增透技术原理,设计了常村煤矿23采区胶带运输大巷CO_2致裂增透技术方案,确定其致裂参数与范围。现场应用结果表明,采用CO_2致裂增透技术后,瓦斯抽采浓度由原来普遍低于40%,在较长时间内维持在40%左右,胶带大巷煤体中的瓦斯含量平均减少了2.37 m~3/t,最高减幅达到42.36%,瓦斯抽采效果明显提高。     

低透气性高瓦斯煤层CO2相变致裂强化增透技术

如何提高煤层透气性是低透气性高瓦斯矿井煤与瓦斯安全高效共采的关键.本文基于液态CO_2相变致裂工作原理,分析了爆破煤岩致裂与增透机理.结合陕西蒋家河煤矿ZF201工作面低透气性高瓦斯煤层地质生产条件,进行了爆破钻孔设计,确定了合理爆破有效影响半径等工艺参数.现场试验结果表明,采用液态CO_2爆破致裂增透技术后,提高瓦斯抽采纯量1.71倍,共抽采瓦斯105.4万m3,瓦斯抽采率提高到38.9%,促进了低透气性高瓦斯煤层工作面煤与瓦斯安全高效共采.     

液态CO_2相变致裂增透技术在高瓦斯低透煤层的应用

针对平煤十三矿煤层的高瓦斯低透气性现状,为了提高矿井的瓦斯抽采量,采用了液态CO_2相变致裂技术进行强化抽采,试验研究了液态CO_2相变致裂技术在高瓦斯低透气性煤层中的增透机理和消突增透效果。通过对己15.17-11111运输巷底抽巷采取液态CO_2相变致裂技术,利用专门的液态CO_2相变致裂装置,在穿层钻孔中致裂爆破,可以使周围煤体产生裂隙,煤层透气性系数增大,试验结果表明:单孔瓦斯平均抽采体积分数是试验前的1.42倍,单孔瓦斯日平均抽采纯量是试验前的2.17倍,抽采衰减周期至少延长2倍以上,可有效提高煤层瓦斯预抽效果。     

复合增透技术在高瓦斯低渗透煤层中的应用

针对高瓦斯低渗透煤层透气性差、渗透率低导致瓦斯抽采效率低,制约矿井安全高效开采等问题,提出水力压裂与CO_2相变气爆致裂复合作用增加煤层透气性的技术方案。采用RFPA~(2D)-Flow软件对不同水压作用下钻孔周边煤体裂纹形成过程及向四周延展的规律进行模拟分析,采用FLAC~(3D)软件对在不同长度预裂缝条件下CO_2相变气爆致裂作用的影响程度进行模拟分析,同时在常村煤矿3106工作面进行工业试验。模拟分析和现场验证结果表明:水力压裂试验中,水压达到28 MPa时,作用的有效影响半径达到2.5 m;CO_2相变气爆致裂作用影响区域范围与预裂缝长度之间呈线性关系,采用复合增透法能够使煤体的有效影响作用半径由2.5 m提高到7 m,通过30 d的现场数据采集分析,瓦斯压力由原0.43 MPa降低到0.15 MPa,瓦斯抽采效果显著,为类似条件下煤层瓦斯抽采提供技术参考。     

煤层深孔聚能爆破致裂增透机理研究

针对高瓦斯低透气性煤层钻孔瓦斯抽放效率低的问题,以郑州煤炭工业（集团）有限责任公司大平煤矿为例,提出了煤层深孔聚能爆破致裂增透方法.利用爆破特殊装药结构积聚爆炸能量,驱使聚能罩侵彻煤体形成初始裂隙,并在爆生气体的二次驱动下扩大煤体断裂带范围.现场爆破试验及瓦斯抽放效果证明,煤层深孔聚能爆破裂隙有效影响半径为5~6 m,钻孔瓦斯抽放浓度平均提高200%~300%.     

低透煤层CO_2气相致裂卸压增透技术研究

针对高瓦斯低透气性煤层效率低,提出CO_2相变致裂爆破增透技术来提高抽采效率。通过理论分析和FLAC~(3D)数值模型研究分析液态CO_2相变致裂爆破煤层增透效果,并进行了现场试验,结果证明:当爆破参数为CO_2爆破器间距5 m、爆破孔间距7.5 m,此时多孔连续爆破煤层增透效果最好;爆破后煤体透气性距爆破孔由远及近的变化规律为非线性增加。1312材料巷实施液态CO_2相变致裂爆破增透技术后,透气性系数增大了16.89～20.97倍,平均瓦斯抽采混量和浓度分别提高43.1%和55.8%,保证了矿井安全生产和煤层气资源的有效利用。     

低透气性煤层水力压裂增透数值模拟研究

针对高瓦斯低透气性煤层抽采率低下、钻孔工程量大及抽采周期长的难题,提出水力压裂卸压增透技术。借助RFPA2D-Flow软件模拟分析了压裂时压裂孔附近煤体从发生破裂、裂隙裂纹的生成演化、扩展延伸到最终贯通的完整过程,得到钻孔附近煤体的裂隙裂纹演化规律。通过在斜沟煤矿18205材料巷实施水力压裂现场试验,发现当水压升高至16MPa时有效影响半径为7m,试验结果与模拟结果基本一致;水力压裂影响范围内煤层的透气性系数提升14倍,瓦斯抽采浓度提高了4.43倍,抽采纯量提升了9.62倍,抽采效果显著提高。     

低透气性煤层脉动注水增透机理研究及数值分析

为了有效提高低透气性煤层渗透率,提出脉动注水增透技术,从微观机理上对脉动注水原理和疲劳裂纹起裂扩展过程进行了研究。在充分考虑有效应力以及滑动摩擦力的基础上,结合 Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂判据,首次计算得到考虑影响因素较全面的煤体原级裂纹起裂的临界裂隙水压计算公式;通过将分支裂纹力学模型简化为悬臂梁模型,计算得到适合分支裂纹起裂扩展的裂隙水压范围。通过FLAC3D内嵌FISH程序语言编写脉动注水函数,实现了对裂纹尖端裂隙水压变化趋势以及裂纹扩展规律的数值模拟,模拟结果表明原级裂纹起裂扩展临界裂隙水压为13.1 MPa,分支裂纹初次起裂扩展水压为12.91 MPa;裂纹扩展半径在水平方向为3.6 m,竖直方向为2.3 m。现场试验表明脉动注水压裂增透效果明显优于普通注水压裂增透效果。     

高瓦斯低透性煤层深孔松动爆破卸压增透影响参数的数值模拟

建立了高瓦斯低透性煤层深孔松动预裂爆破的力学模型，采用ANSYS有限元模拟软件模拟了爆破孔径、爆破孔和导向孔间距以及装药耦合系数对深孔松动预裂爆破卸压增透效果的影响情况。数值模拟结果表明：爆破孔径、爆破孔和导向孔间距和装药耦合系数是影响深孔松动爆破卸压增透效果的3个主要因素。根据巷道断面情况，适当增加爆破孔和导向孔间距；增大爆破孔径；爆破孔采用完全耦合装药结构，可提高卸压增透效果，从而提高钻孔瓦斯涌出量和抽放量，起到防止煤与瓦斯突出的作用，保证工作面安全生产。     

低透气性高瓦斯煤层深孔控制预裂爆破增透技术

为了解决低透气性高瓦斯煤层难抽采问题,运用RFPA2D数值模拟软件,建立了2种深孔控制预裂爆破力学模型,通过对模拟结果进行对比分析,得出一套适用于鹤煤八矿底板抽采的爆破参数,并进行了现场试验,爆破后煤层透气性系数平均值达到了2.23 m2/（MPa2.d）,比爆破前测定的煤层原始透气性平均值提高了近3.05倍,说明该技术可以明显提高钻孔周围煤体裂隙发育程度,煤体透气性增加,达到了提高煤层瓦斯抽采量和抽采率的目的。     

高瓦斯低渗透煤层冲孔造穴卸压增透技术及装备应用

针对我国高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采困难、极易导致煤与瓦斯突出的现状,分析了现有煤层瓦斯抽采的各种技术措施,研究了冲孔造穴的卸压增透原理,指出冲孔造穴是实现高瓦斯低透气性煤层卸荷增透的关键技术,并对我国水力冲孔造穴技术装备的研发进展进行了系统总结分析。在寺家庄煤矿和平煤八矿开展典型现场试验结果表明,采用目前广泛应用的煤层水力钻冲一体化装备和煤层机械扩孔一体化装备能够高效进行高瓦斯煤层扩孔造穴,降低煤层钻孔施工量,提高煤层透气性系数23.9倍以上,提高钻孔瓦斯抽采浓度和纯量在2倍以上。     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透技术研究

为提高中兴煤矿松软煤层透气性,有效解决传统钻孔瓦斯抽采难题,通过现场工业试验及瓦斯抽采效果对比相结合的方法,对2号松软煤层水力压裂增透技术及工艺进行了研究。结果表明：水力压裂方案实施后,煤层透气性提高明显,瓦斯抽采浓度、流量分别增幅3.6倍、2.7倍,抽采巷风排瓦斯量平均降低0.68m³/min,减幅27%,水力压裂可有效提升煤层瓦斯抽采效率。     

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。     

低透气性煤层致裂增透技术应用与展望

为了实现煤层气的工业化利用,分析了三维高压旋转水射流扩孔煤层增透技术、定向分段水力压裂增透技术、高压空气爆破致裂煤层技术的增透效果,应用上述煤层致裂增透新技术后,煤层气抽采量明显增加。高压水通过三维旋转钻头对煤体快速切割迅速破坏煤体,实现对影响区域内煤层气的快速释放;特制封孔器将压裂孔分割为数段,增大压裂面积的同时最大限度地利用高压水能,大幅增加了煤层气的逸出通道;经过加压的高压空气可实现对目标钻孔的连续爆破,大幅增加了煤层的煤层气的逸出通道,经济成本低。由于物理破坏增透方式存在着能量损失大、裂纹扩展方向有一定的随机性、预期方向有一定的偏差等问题,提出研发能溶解部分煤基质溶剂结合物理破坏方式以增加煤层的透气性。