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。     

煤层高压注水压裂增透效应研究

为了保障煤矿安全开采,有效解决低透气性煤层瓦斯抽采达标周期长及抽采效率低的问题,对煤层高压注水压裂进行了数值模拟分析,得出裂缝前端和裂缝两侧应力变化,分析了裂缝水力压裂在消除应力集中和整体消突方面的优势,并在某矿3~#煤层开展了应用研究,增透卸压效果较好,实现了低透气性煤层瓦斯高效抽采。     

煤矿地面水力压裂理论研究及应用

利用弹性力学原理,建立了水力压裂力学模型,给出了起裂压力理论计算公式。从压裂后压裂液的滤失速度出发,推导出了压裂半径理论计算公式,提出了新的压裂工艺技术,给出了压裂参数。试验结果表明:压裂孔后平均抽采量较原始孔提高了33.14倍,平均浓度较原始孔提高了44.28%,说明压裂后的增透效果较为显著。     

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。     

寺家庄矿钻孔水力压裂抽采瓦斯技术研究

水力压裂技术能够在很大程度上增加煤层的透气性,能够达到高效抽采煤层瓦斯,提高抽采瓦斯浓度。针对寺家庄矿煤层透气性系数低、不能满足采掘接替需要的问题,进行了井下钻孔水力压裂抽采瓦斯技术试验,实现了未卸压状态下的煤层增透,提高了煤层瓦斯抽采效率,从根本上消除了该矿煤与瓦斯突出的隐患。     

辛置煤矿水力压裂试验与效果分析

辛置矿属高瓦斯矿井,煤层透气性差,瓦斯抽采率低,由于目前矿井采掘关系紧张,按照原计划抽采无法满足时间和安全生产的要求。为提高瓦斯抽采效率,确保安全生产,在辛置矿2-559工作面采用了水力压裂技术,有效提高了煤层的透气性,提高了瓦斯抽采效率;降低了煤层瓦斯的压力,降低了煤与瓦斯突出危险性,为辛置矿煤层瓦斯综合治理技术研究探索出新的方法。     

水力压裂技术在打通一矿低透气性突出煤层中的试验研究

随着矿井开采深度的不断加大,煤层透气性系数逐渐降低,严重威胁着矿井的生产安全。针对打通一矿7#、8#主采煤层低透气性、瓦斯难以抽放的问题,对高压水力压裂技术进行了分析研究。现场试验中对压裂孔的施工技术、布孔方式、封孔工艺,以及安全组织措施进行了分析和实施,并对高压水力压裂影响范围和效果进行了考察,结果表明:煤层的透气性、平均瓦斯抽采浓度及抽采纯量显著增大,减少了抽采时间,降低了煤与瓦斯突出危险性。     

地面钻井压裂煤层结合井下钻孔瓦斯抽放技术研究

瓦斯灾害严重影响煤矿安全生产。针对山西潞安集团余吾煤业有限公司地质条件和煤层瓦斯赋存状况,以该煤业公司N2105工作面区域作为实验场地,采用地面钻井水力压裂煤层结合井下水平钻孔抽采瓦斯的技术方法抽采瓦斯。抽采1 a采出控制区域内50%-55%的瓦斯含量,而压裂井影响瓦斯抽采速率的半径范围为90-100 m。通过与未压裂区的数据对比分析,得出压裂区抽放率净提高90%,同时得到合理的压裂区钻孔间距较未压裂区钻孔间距应增加1.5-2倍。结果表明:该方法起到了良好的工作面瓦斯抽采效果。     

大淑村矿172405工作面煤层注水防突技术研究及应用

为了预防大淑村矿172405工作面在回采过程中发生煤与瓦斯突出事故,提出采用煤层注水技术降低突出危险性。在分析煤层注水防突机理和现场情况的基础上,制定了长钻孔低压和短钻孔高压相结合的煤层注水方案,并基于能量原理确定了高压注水临界水压为11.8~12.6 MPa。     

马堡煤业高压水力压裂冲孔工业试验分析

为探究马堡煤业水力压裂冲孔增加煤层瓦斯渗透率的适用性,采用RFPA^2D-Flow数值模拟软件建立了高压水力压裂冲孔数值模型,分析了不同注水压力条件下裂纹的扩展规律,并以8205运输巷底抽巷为试验对象开展了穿层水力压裂增透工业试验。结果表明：在马堡煤业煤层条件下,注水压力为8 MPa可使煤层产生初始破坏,注水压力为13 MPa可使裂隙快速扩张,注水压力为18 MPa可使煤层裂隙充分达到破坏。工业试验中,采用18 MPa的注水压力可使水力压裂的裂隙影响范围达到1.10～4.45 m,满足煤层的增透性需求。水力压裂钻孔组平均抽采体积分数是无水力压裂钻孔组的3.8倍。     

煤矿地面水力压裂增透技术研究及应用

为了提高煤层的透气性、强化井下瓦斯抽采,采用地面大排量压裂、井下抽采的井上下联合工艺。通过分析地层应力的分布特点和水压破裂规律,给出水压裂缝的两种典型形态,计算裂纹在平面应力状态下的位移场,得到了基于水力压裂变缝高椭圆压裂形态的压裂半径理论计算公式,为地面压裂设计提供依据。提出了煤矿地面压裂井下抽采的压裂工艺系统,给出了压裂位置的布置原则。在寺河矿进行地面压裂试验,压裂增透后瓦斯抽采量较原始孔提高了3.65倍,压裂孔抽采瓦斯累计量为218.66万m³,压裂半径120 m,达到了较好的压裂增透效果。     

水驱气理论在煤层水力压裂工程实践中的应用

在煤层水力压裂现场实施过程中,存在着对煤层破坏的复杂性及施工盲目性等问题。分析水力压裂流体在煤层中的流动规律,不仅可以优化水力压裂施工参数,而且可以为水力压裂后煤层抽采钻孔的布置提供依据,因此提出了水力压裂过程中流体的径向流流动模型。以该模型为指导,在郭家河煤矿1307工作面进行了水力压裂现场试验。结果表明：在一定的注水压力下,随着压裂时间的延长,压裂煤层的水区半径及透气性系数进一步增大,同时该煤层经过水力压裂后瓦斯抽采浓度和纯量都有较大程度的提高,在水力压裂影响半径区域内,抽采孔距离压裂孔越远,瓦斯抽采纯量和抽采浓度提升的幅度越大。现场试验证明了水驱气理论在煤层水力压裂工程应用中有较好的适用性。     

水力压裂技术在煤矿瓦斯治理方面的应用

为了提高煤层的透气性,改善瓦斯抽采效果,许多煤矿对水力压裂技术进行了研究和应用实践。介绍了水力压裂技术原理及工艺,分析了该技术的煤体增透、改变煤体强度、平衡地应力等多重效应。通过实施水力压裂技术,平煤十矿单孔瓦斯抽采时间由原来的7~9d延长到80多d,单孔瓦斯抽采量最大提高120多倍;神火集团梁北矿"三软"煤层单孔瓦斯抽采浓度由4.4%提高到95.0%,瓦斯抽采总量由237.9m3/d提高到1404.4m3/d;贵州六枝工矿2372机巷、1470中巷实施10次水力压裂后,瓦斯抽采时间大幅延长,抽采效率明显提高,消突效果达到预期目标。     

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。     

汪家寨煤矿松软高突煤层水力压裂试验研究

针对汪家寨煤矿瓦斯难抽采、防突效果检验超标、掘进速度缓慢等问题,在分析井下水力压裂技术的原理及设备情况的基础上,试验并研究了X41105工作面井下水力压裂技术措施。结合现场试验情况,确定出各种施工参数:封孔长度、压裂时间、压裂压力等,并对瓦斯抽采、消突效果,以及经济效益等指标进行了考察分析,结果表明,井下水力压裂措施具有快速消除煤与瓦斯突出危险性、提高瓦斯抽采率、经济效益显著的综合效果。     

水力压裂消突技术的研究与应用

 为防止煤巷掘进过程中突出事故的发生,实现安全高效掘进,对水力压裂消突技术进行了研究。基于水力压裂消突技术原理的重要性,提出了在平煤十三矿己15-17-11111回风下山掘进工作面实施水力压裂技术。研究对比了措施前后瓦斯相关参数、煤岩体相关参数、掘进速度等参数的变化,结果表明水力压裂消突技术不仅在低透气性突出煤层能起到明显的增透、消突、降尘作用,而且提高了掘进速度,最终实现了煤与瓦斯安全高效共采。     

水力压裂影响范围数值模拟研究

为了对水力压裂措施压裂煤层裂缝的起裂效果在直观上有一个感性的认识,采用RF-PA2D-Flow软件对平煤集团十矿己15-31010工作面进行数值模拟。模拟软件清晰地展现了水力压裂时裂缝的起裂、扩展和延伸的过程,并且通过对抽采孔和压裂孔孔间距分别为5、6、7 m时进行数值模拟,模拟结果表明:煤体经水力压裂后,透气性发生了明显的变化,透气系数增大到4～6倍左右,最高能增大到近10倍,增透效果明显,另外还表明:在煤体硬度、水压、钻孔直径等因素一定的条件下,水力压裂的影响范围是一定的。     

水力压裂对煤层应力影响的实验研究

为了研究水力压裂过程中注水压力和周围煤层应力的变化规律,在实验室开展了相似材料模拟实验,结果表明：注水压力的增加、煤体破裂的速度均受地应力影响,地应力越大,注水压力越大、煤体破裂的速度越慢;距注水孔半径75 mm圆形区域内为钻孔水力压裂实验的卸压范围,注水后煤体应力往深部方向转移;裂隙以水力压裂孔为中心,沿半径方向延伸分为3个等级,即半径40 mm圆形区域内裂隙范围最大,40~65 mm圆环区域裂隙范围次之,65~80 mm圆环区域裂隙范围最小。根据实验结果,在小庄煤矿40201工作面开切眼以内200 m区域进行现场应用,抽采瓦斯浓度相比常规抽采提高了20%,钻孔抽采瓦斯流量相比常规抽采提高了40%。     

水力压裂技术在王行庄煤矿的应用

针对王行庄矿二1煤层透气性、瓦斯预抽率低等问题,提出了水力压裂增透技术,分析了水力压裂增加煤层透气性机理,确定了水力压裂工艺及参数,并在二1煤层11091运输巷进行了水力压裂技术试验。结果表明:实施水力压裂后,煤层瓦斯平均抽采浓度提高了5.3倍,瓦斯抽采量提高了6.1倍,提高煤层透气性和瓦斯抽采率的效果较理想。