煤矿井下水力压裂泵组的研发与应用

煤体的低渗特性制约了瓦斯的抽采,水力压裂技术是提高煤体渗透率的有效手段,为了将地面压裂工艺引入到煤矿井下,对煤体进行压裂增透,河南理工大学与宝鸡航天动力泵业联合研发了煤矿井下水力压裂泵组。该泵组由柱塞泵、液力变速箱、电动机、电控柜、远程操作台及远传视频监控台等部分组成,它在井下运输安装方便、操控简单,安全、排量和压力可以满足井下压裂的需求。现场应用表明,该泵组工作性能良好,压裂后渗透率大幅度提高,实现了压裂增透的目的。     

井下煤层水力压裂理论与技术研究现状与发展方向

煤矿瓦斯治理的关键是解决煤层低渗透率的难题,而水力压裂增透技术是解决该问题的有效途径。基于国内外学者水力压裂研究成果,对井下煤层水力压裂理论、工艺技术以及压裂设备的研究现状进行了系统的梳理,详细分析了水力压裂理论的裂隙扩展规律与模型研究进展,以及压裂工艺中较为先进的定向水力压裂技术、脉动水力压裂以及缝网压裂技术,并指出了井下煤层水力压裂技术的发展方向：进行多手段的水力压裂基础理论研究;开发多元化及适合各类煤层的水力压裂技术;实现水力压裂装备一体化和智能化。这些方向的研究对于水力压裂技术的发展具有一定的借鉴意义。     

煤矿井下控制水力压裂煤层增透关键技术及应用

为了减少低透气性煤层瓦斯抽采钻孔工程量和提高瓦斯抽采效率,对低透气性煤层增透理论及技术应用进行了研究,基于煤层控制水力压裂概念,开发了煤矿井下水力压裂数值模拟与优化设计软件,提出了高承压上向孔和近水平孔的封堵方法,形成了压裂水分布范围探测关键技术,并进行现场应用。结果表明,通过定点定向定区域压裂实现了目标区域煤层的增透,控制水力压裂前后相比单孔瓦斯抽采量提高了5倍以上,部分工作面瓦斯抽采钻孔工程量减少了1/3,采掘工作面单产单进大幅提高,煤矿井下控制水力压裂是对常规水力压裂技术的改进和创新,能有效促进目标区域煤层增透、提高瓦斯治理效果。     

井下煤层水力压裂理论与技术研究现状及发展方向

煤矿瓦斯治理的关键是解决煤层低渗透率的难题,而水力压裂增透技术是解决该问题的有效途径。基于国内外学者水力压裂研究成果,对井下煤层水力压裂理论、工艺技术以及压裂设备的研究现状进行了系统的梳理,详细分析了水力压裂理论的裂隙扩展规律与模型研究进展,以及压裂工艺中较为先进的定向水力压裂技术、脉动水力压裂技术以及缝网压裂技术,并指出了井下煤层水力压裂技术的发展方向:进行多手段的水力压裂基础理论研究;开发多元化及适合各类煤层的水力压裂技术;实现水力压裂装备一体化和智能化。这些方向的研究对于水力压裂技术的发展具有一定的借鉴意义。     

地面直井大液量水砂压裂增透技术研究与应用

新元煤矿现主采3号煤层,整体呈北高南低的单斜构造,北边布置有四、五采区为区域预测无突出危险区,南边布置有二、十采区为突出危险区。针对3号突出煤层瓦斯含量高、渗透率低、瓦斯突出危险性高等问题,在3号煤层二采区、十采区工作面对应的地面上方设计施工了36口压裂井开展地面井大液量水砂压裂增透工程,综合考察压裂前后煤层瓦斯含量、突出危险性指数等变化情况,评价地面井水砂压裂技术在瓦斯治理中的作用。结果表明,通过采取地面井水砂压裂措施,提高了煤层透气性,有效降低了煤层瓦斯含量和井下瓦斯突出风险,保障了煤矿安全开采,并且缩减了井下瓦斯治理周期,提高了煤矿采掘效率。     

高压水力压裂技术在瓦斯综合治理中的研究与应用

针对平顶山矿区低透气性突出煤层瓦斯难以抽放的问题,首次将水力压裂技术成功应用于煤矿井下瓦斯综合治理中,有效提高了煤层透气性,降低了煤层瓦斯压力.为保证压裂效果,进行了定向压裂研究,优化了煤矿井下水力压裂参数.在此基础上成功研制出了一套适合煤矿井下应用的水力压裂装备以及封孔装置,并进行了推广应用.     

煤矿井下水力压裂增透抽采机理及应用研究

通过借鉴地面水力压裂技术的成功模式,研究了煤矿井下水力压裂增透抽采机理,针对单一、低渗高突煤层的特点,研发了一套井下压裂增透抽采技术及装备,并进行了工业性试验。应用效果表明：通过井下对煤体进行水力压裂,中平能化十矿24110工作面煤层渗透率提高了800倍,单孔瓦斯抽放量提高了120倍;鹤壁六矿2115运输巷掘进期间水力压裂后突出危险性效检指标超标率显著下降,瓦斯体积分数普遍降到临界值0.8%以下,大幅降低了煤与瓦斯突出危险性。     

煤矿瓦斯灾害防治技术探讨

在分析目前煤矿瓦斯治理存在问题的基础上,提出了利用井下水力压裂技术和地面采动井抽采与常规的井下瓦斯抽采技术相结合的综合瓦斯治理措施,分别阐述了煤矿井下水力压裂和地面采动井的原理和应用情况,实践表明:煤矿井下定向压裂增透消突成套技术可有效提高瓦斯抽采率,降低煤与瓦斯突出危险性,改善井下作业环境;地面采动井可"一井三用",对抽放采动区域瓦斯效果较好。     

晋城矿区地面压裂与井下抽采时空衔接关系研究

晋城矿区煤层瓦斯含量高、渗透率低,单一的地面或井下抽采已难以满足矿井安全高效生产的需要,为此开展了"地面压裂+井下抽采"立体抽采模式的探索。为掌握地面与井下瓦斯抽采工程在时空上的合理衔接关系,首先利用离散元软件进行了地面水力压裂数值模拟分析,得到压裂裂缝扩展规律及计算公式,并在赵庄煤矿试验验证了其适用性,为预测压裂影响范围提供了量化方法;通过在赵庄、成庄煤矿的现场试验考察,提出了晋城矿区低透气性煤层地面压裂与井下抽采的合理时空衔接参数。提出合理时空衔接关系量化确定方法,可充分发挥"地面压裂+井下抽采"模式的联合抽采优势,为其在全国同类条件矿区的推广应用提供技术支撑。     

重复水力压裂技术在深井低透气性煤层中的应用

随着井下煤矿开采深度的不断加大,煤层透气性进一步降低,煤层瓦斯抽采难度亦同时增加,对于单一无保护层煤层来说,大多数需要人为地增加渗透率,水力压裂因其增透范围广,性价比相对较高而取得广泛的应用。对于深井低透气性煤层来说,为了进一步提高瓦斯抽采效率,单次的水力压裂增透技术已然不能满足需要,因此提出了井下重复水力压裂技术,并且论述了重复压裂原理及工艺流程。根据十二矿己_(15)-31040工作面地质情况,设计了相关水力压裂参数,并进行了重复水力压裂和压裂之后瓦斯抽采的效果检验。结果表明:煤层经过重复水力压裂后,煤层残余瓦斯含量较单次压裂降低明显,而且瓦斯抽采浓度和纯量亦增加显著。试验结果表明重复水力压裂可以明显提高深井低透气性煤层瓦斯抽采效率,具有一定瓦斯防治的应用价值。     

顶板顺层长钻孔泵组并联压裂抽采瓦斯技术研究

通过研究煤层顶板水力压裂增透机理及多泵并联压裂工艺参数,形成了煤矿井下泵组并联压裂预抽瓦斯工艺,并在山西阳煤集团新元煤矿31009辅助进风巷3号突出煤层增透工程中进行了现场试验,实现了单孔抽采纯量稳定在700 m~3/d以上的显著效果,解决了松软煤层增透及抽采困难的难题,为类似工程提供了可参考依据与经验指导。     

水力压裂增透技术在南桐煤矿的应用研究

为探索低渗煤层的瓦斯抽采增产关键技术,提高瓦斯抽采效率,缩短抽采达标时间,针对南桐煤矿瓦斯治理中的难题,开展了煤矿井下水力压裂增透抽采瓦斯技术研究。研究结果表明:水力压裂可在煤层中形成一组沿最大主应力方向延伸、最小主应力方向张开的径向张性裂缝,明显提高煤层的透气性;南桐煤矿K2煤层最大破裂压力为32.0MPa,选择压力为38.0MPa的设备工况进行压裂,单孔平均压入水量400m3左右;-325m7511工作面压裂后钻孔平均每米抽采贡献量是传统工艺的49倍,减少了预抽钻孔工程量,降低了成本,提高了瓦斯抽采效果。     

定向长钻孔水力压裂增渗技术预抽煤巷条带瓦斯的应用研究

为提高低渗、高瓦斯突出煤层煤巷条带瓦斯抽采效率,实现低渗、突出煤层煤巷条带瓦斯的快速有效治理,在2130煤矿4号煤层24223运输巷开展了井下定向长钻孔水力压裂增渗技术试验研究。试验结果表明,试验区内4号煤层水力压裂影响半径为30 m,煤层透气性提高了4.59倍,缩短了瓦斯抽采时间,提高了瓦斯抽采效果。     

煤层压裂泵旋转液压支撑装置的设计与应用

正煤层压裂泵是专门用于煤矿井下压裂,通过煤层压裂泵提供70~100 MPa的压力,将煤层压裂后抽采瓦斯,既有利于煤矿安全生产,防止发生瓦斯爆炸事故,抽采出的瓦斯气又能满足其他工业生产和民用燃气需要。煤层压裂抽采瓦斯工艺在煤矿生产中有着极其重要的作用,煤层压裂泵是实现该工艺的     

煤矿井下穿层钻孔水力压裂的现场应用研究

为解决煤层透气性低、瓦斯抽采效率低而严重制约采煤作业的技术难题,针对渝阳煤矿地质及开采技术条件,基于煤岩体水力压裂原理及瓦斯流动理论,在N3704西瓦斯巷(下)内设计了穿层钻孔水力压裂增透系统,并对水力压裂效果进行了考察。现场试验结果表明,通过对压裂试验研究分析、压裂后效果检验,表明煤矿井下穿层钻孔水力压裂对于提高瓦斯抽采效率效果显著。该试验结果可为其他煤矿井下水力压裂作业提供参考。     

单一松软低透气性煤层井下水力压裂技术应用研究

为了有效缓解煤矿瓦斯治理工作的压力,针对豫西煤田某矿的煤层赋存规律和瓦斯地质特征,在底板岩巷利用井下水力压裂技术进行卸压增透,提高瓦斯抽采效率。     

井下重复水力压裂技术在保安煤矿的应用

为了更好地提高煤储层的渗透率,减少水力压裂盲区,提出了井下重复水力压裂增透技术,并阐述了井下水力压裂的一般工艺流程。根据保安煤矿地质及煤层特征,设计了该矿重复水力压裂的关键技术参数,并进行了重复水力压裂试验和压裂效果检验。结果表明:未压裂区域单孔瓦斯抽采纯量和抽采浓度平均为0.0024m3/min和6.2%,压裂区域平均为0.0051m3/min和11.2%,分别提升1.13倍和0.81倍,瓦斯抽采效果提升显著;未压裂煤体透气性系数为0.007861m2/(MPa2·d),压裂后为0.317582m2/(MPa2·d),提高40倍以上;水力压裂后百米流量衰减系数由原始煤体百米流量衰减系数0.024减小到0.021,降低了12.5%。试验结果表明重复水力压裂能够有效提高井下瓦斯抽采效果,在煤矿瓦斯灾害防治中具有推广应用价值。     

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。     

水力压裂增透技术在昌兴煤矿松软低透煤层瓦斯治理中的试验研究

为提高昌兴煤矿松软低透煤层瓦斯抽采效果,拟对2101和2102运输巷掘进条带区域进行水力压裂增透技术试验,在1320运输石门钻场设计施工5个压裂钻孔,并对钻孔进行套管和固孔,根据10号煤层性质确定压裂参数和压裂泵选型,经过水力压裂,由瓦斯参数统计分析结果可知,试验增透效果较为明显,压裂区单孔抽采瓦斯浓度及抽采量得到大幅度提升,该技术的成功试验为矿区类似条件的煤层瓦斯治理提供了参考。     

水力压裂技术在龙门峡南煤矿的应用研究

针对龙门峡南煤矿瓦斯含量大、透气系数低、区域瓦斯压力大等问题,采用BZW-200型水力压裂泵组对该矿进行水力压裂试验并考察压裂前后含水率、瓦斯压力、瓦斯含量、抽采浓度、流量及透气性系数等参数的变化来检验压裂试验的效果并优化钻孔布置。试验结果表明:与原始煤层相比,压裂后煤层的瓦斯压力、瓦斯含量均有显著降低,而瓦斯抽采浓度和抽采量得到大幅提高,达到了消除煤与瓦斯突出、提高经济效益的目标。