顺煤层定向长钻孔水力压裂煤层增透技术及试验研究

为了提高顺煤层钻孔瓦斯抽采效果,在分析井下煤层水力压裂技术发展现状及其增透机理的基础上,结合定向长钻孔施工技术与煤层水力压裂增透强化抽采技术,提出了顺煤层定向长钻孔裸孔坐封、水力压裂增透技术工艺。鉴于赵固二矿二1煤层中等偏硬、厚度大、瓦斯含量高等特征,选择该矿井二1煤层进行长钻孔整体压裂试验。结果表明:采用煤层长钻孔孔内封隔器裸孔坐封方式能够满足赵固二矿水力压裂煤层段密封需要;注水压裂过程压力上升平稳,泵压和流量达到设计要求;工具串回收过程无塌孔和卡阻现象,顺层长钻孔孔内封隔器裸孔坐封和压裂工艺达到预期目标;整体水力压裂影响半径最大达到38 m(单侧),压裂钻孔百米钻孔瓦斯抽采量比常规顺层钻孔有了较大提升。     

松软煤层穿层钻孔水力压裂实验研究

分析了煤层水力压裂增透的原理,设计了两个穿层钻孔(一个压裂对象为构造软煤,另外一个为软煤的坚硬顶板)的压裂方案,在淮北矿业(集团)有限责任公司临焕煤矿进行了现场试验,采用压裂后钻孔瓦斯抽采浓度与流量等指标考察压裂效果.试验表明,水力压裂对松软煤层效果甚微.针对这一问题,提出了对松软煤层的坚硬顶板进行压裂以达到对该煤层卸压增透的目的,现场结果表明松软煤层顶板压裂能大幅增加松软煤层的渗透率,增强瓦斯抽放的效果.     

王家岭煤矿高位定向长钻孔抽采顶板卸压瓦斯技术

王家岭煤矿是典型的低瓦斯煤层高强度开采引起的高瓦斯矿井,由于煤层瓦斯含量不高且透气性差,所以瓦斯抽采顶板难度大。为了得到适合于王家岭煤矿的高位定向水平钻孔抽采卸压瓦斯工艺参数,现场跟踪考察了12318综放工作面高位定向钻孔的瓦斯抽采体积分数、纯流量等工艺参数,分析了布孔垂直层距、水平错距等关键参数与抽采效果的关联特性。依据实测的顶板岩层力学参数及经验公式,计算得到顶板冒落带高度,为19.11~24.10 m;裂隙带高度,为57.06~74.86 m。分析抽采效果认为:同一钻场中的钻孔抽采瓦斯纯流量随着钻孔垂直层距的增大而增大,钻孔抽采瓦斯纯量随水平错距的减小而增大,垂直层距最大的2个钻孔瓦斯抽采纯量占钻场抽采总量的70%以上。钻场钻孔垂直层距在25~41 m时,对工作面上隅角瓦斯防治效果明显优于垂直层距20 m的钻场。     

采掘应力作用下顺层钻孔孔径时空演化规律

为研究采掘应力对顺层瓦斯抽采孔孔径的影响,建立考虑煤的塑性软化的黏弹塑性模型,得到钻孔孔径表达式,运用钻屑法研究煤体内采掘应力分布规律。以鹤壁八矿3103北工作面为例,对比分析了相同采掘应力作用下软、硬煤层内顺层钻孔孔径的时空演化规律。结果表明,在松软煤层内实施顺层钻孔,钻孔形成初期在应力集中区域极易形成塌孔,随着时间的推移,应力集中区钻孔逐渐被压实,甚至在原始应力区也出现塌孔现象,瓦斯抽采通道急剧破坏,导致松软煤层钻孔难以保持长时间高体积分数抽采;在硬煤层内实施顺层钻孔,孔径随着时间的推移有所缩小,但依然处于稳定状态,未发生堵孔现象,瓦斯抽采通道顺畅,硬煤层钻孔能保证较长时间的高体积分数抽采。因此,充分考虑采掘应力对具体煤层孔径影响,为钻孔稳定性防护提供依据,对提高瓦斯抽采效果具有重要意义。     

基于残余瓦斯含量的顺层钻孔抽采有效半径阶梯式测定法

为确定瓦斯抽采合理钻孔间距,有效减少或消除抽采空白带,基于瓦斯抽采相关标准与行业规范,以突出煤层采煤工作面瓦斯含量临界值、采煤工作面回采前煤体可解吸瓦斯含量、采煤工作面瓦斯抽采率和预抽率作为抽采达标的4项基本指标,根据4项基本指标计算得出残余瓦斯含量最小值,将其作为考察指标,对顺层钻孔瓦斯抽采有效半径测定方法进行探索,提出阶梯式测定法.使用该测定法对山西霍尔辛赫煤业有限责任公司3号煤层瓦斯抽采有效半径进行现场测试,同时基于含瓦斯煤的流固耦合动态模型对测试结果进行数值模拟验证.结果表明:阶梯式测定法现场测试结果与数值模拟结果基本吻合,在该矿合理预抽期内,抽采有效半径为1.52 m,合理钻孔间距为2.50 m.研究结果对于完善瓦斯抽采有效半径测定方法、确保瓦斯抽采达标具有参考作用.     

地面群孔瓦斯抽采技术应用研究

为保证新集一矿突出煤层13-1煤北中央采区的安全开采,先后开采131103、131105等11-2煤层工作面作为保护层。首先在上述两个工作面共布置了6个地面钻孔,建立了地面群孔瓦斯抽采系统,预抽采动区被保护层13-1煤瓦斯。接下来对地面钻孔抽采瓦斯参数进行了考察,主要包括基于示踪技术考察了131105工作面采动卸压地面钻孔走向及倾向瓦斯抽采半径,统计分析被保护层瓦斯抽采率,同时就地面群孔与井下底板巷穿层钻孔瓦斯抽采两种方法进行了抽采率、工程费用等方面的对比。研究结果表明：新集一矿的地层条件下地面钻孔抽采煤层卸压瓦斯沿煤层倾向和走向的抽采半径分别不小于160m和240m;采动区地面群孔瓦斯抽采率达35%以上;地面钻孔相对比井下底板巷,在抽采瓦斯方面具有技术上可靠、安全、经济等优点。     

煤与远程卸压瓦斯安全高效共采试验研究

运用高瓦斯煤层群煤与瓦斯安全高效共采的思想,在淮南潘一矿进行了煤与瓦斯安全高效共采及远程瓦斯抽采的试验研究：首先开采瓦斯含量低、无突出危险的B11煤层,利用其采动影响使处在其上部70m(相对层间距35)的C13煤层卸压,煤层透气性系数增加近3000倍,瓦斯大量解吸并形成了沿顺层张裂隙流动的条件,通过在C13煤层底板沿走向布置的瓦斯抽采巷向C13煤层均匀地打网格式上向穿层钻孔,C13煤层内的卸压解吸瓦斯在煤层残余瓦斯压力和抽采负压作用下沿顺层张裂隙向抽采钻孔汇集,瓦斯抽采率达60%以上,不仅消除了煤与瓦斯突出危险性,而且相对瓦斯涌出量由原来25m^3／t下降到5m^3／t,工作面日产量由原来的1700t提高到5100t,成功地实现了煤与瓦斯两种资源的安全高效共采。     

低透气煤层预裂瓦斯运移数值模拟及抽采试验

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采难问题,利用数值模拟软件RFPA^2D—Flow再现了采取煤层深孔爆破预裂后,瓦斯在煤层及爆生裂隙中的流动规律。研究结果表明,预裂圈内煤和岩石的孔隙率大大提高,煤层透气性显著增加,但当裂隙圈之间不相交时,瓦斯同样很难在完整的低透气性煤体中运移,因此只有当抽采瓦斯钻孔处在裂隙圈中才能高效抽采瓦斯。现场试验证实,低透气性煤层预裂后,有效导通裂隙增加,布置在裂隙圈内抽采瓦斯钻孔可以获得高效抽采瓦斯效果,从而降低煤与瓦斯突出危险性。     

低渗厚煤层水力压裂增渗技术研究与应用

为增强保安煤矿15#低渗厚突出煤层的透气性,提高穿层钻孔瓦斯的抽采效果,改善煤矿生产接替困难的现状,采用工业试验和数值分析相结合的方法,对低渗厚煤层的水力压裂增透技术及工艺进行试验研究。结果表明:15#煤层水力压裂影响半径高达40m,透气性显著增强,抽放浓度提高3倍以上,抽放纯量提高4倍以上,掘进速度提高2.5倍以上;形成了一整套包括压裂参数设计、压裂钻孔封孔、注水压裂增透、压裂效果考察、煤巷条带瓦斯抽采、煤巷掘进等适合阳泉矿区厚煤层的水力压裂增渗技术。     

超高压水力割缝强化抽采瓦斯技术研究

水力割缝是一种重要的强化瓦斯抽采增透技术,现已开始在低透气性突出煤层应用。为了进一步考察其实际效果,选取新集二矿1煤组220112工作面底抽巷实施了100 MPa超高压水力割缝试验。试验结果表明:割缝后,瓦斯抽采纯量平均0.77 m3/min,是未割缝钻孔的瓦斯抽采纯量(0.34 m~3/min)的2.26倍;1煤层组瓦斯抽采钻孔抽采30、60天的抽采有效半径为5 m、7.5 m,极限抽采半径为8 m,相比水力冲孔、未割缝钻孔抽采有效半径显著增加,超高压水力割缝强化抽采瓦斯技术具有广泛的应用前景。     

煤层密闭取心瓦斯含量测试技术及其在定向长钻孔中的应用

为了准确测定煤层瓦斯含量,提出了煤矿井下煤层密闭取心瓦斯含量测试技术。采用高压水流驱动密闭取心装置中的球阀转动,以达到切断煤心并密封煤心的目的,同时采用取心解吸一体化设计,保证煤心在钻割后、退钻、自然解吸全程密闭,最大限度减少煤心瓦斯逸散量。将该技术应用于煤矿井下底抽巷定向长钻孔中,并成功完成了4个密闭取心样品的采集,最大取心深度达到400 m,煤心样品质量满足瓦斯含量测试要求,样品密封效果良好。从同一深度的取心对比测试结果看,密闭取心瓦斯含量测值大于常规取心测值,前者约高于后者19.07%~44.56%。现场试验表明,煤层密闭取心瓦斯含量测试技术可有效提高煤层瓦斯含量测试精度,其在定向长钻孔中的应用充分体现了密闭取心技术在深孔采样测定煤层瓦斯参数方面的突出优势。     

高瓦斯综采工作面瓦斯涌出预测与立体防治技术研究

针对高瓦斯低渗透煤层工作面瓦斯抽采与灾害控制难题,以土城矿15311综采工作面为研究对象,首先,初步分析了工作面瓦斯涌出来源,运用分源预测法预测了其瓦斯涌出含量,接着针对性地在3#煤层运用了顺层钻孔、底抽巷穿层钻孔、高位钻场以及采空区埋管等多种抽采方法,并联合工作面配风提出了立体瓦斯防治技术。最后,通过施工底抽巷截留钻孔对底抽巷溢出瓦斯进行截留抽放,考察了抽采效果。结果表明:15311综采工作面瓦斯来源主要为3#煤层和下邻近层,瓦斯抽采总量为45.4 m3/min,瓦斯抽采率为85.33%,回风流中瓦斯浓度未超过1%,瓦斯抽采达标,有效地控制了工作面高瓦斯的涌出。     

CO_2致裂增透技术的抽采半径考察研究

为了提高在某矿15号煤层穿层钻孔瓦斯抽采效率和缩短瓦斯抽采达标时间,利用CO_2致裂增透技术对瓦斯抽采钻孔致裂作用进行抽采半径考察,通过对煤层致裂增透前后的瓦斯抽采效果进行对比分析可知三组不同瓦斯抽采半径的最优抽采钻孔间距,最终确定瓦斯抽采半径。现场试验表明,CO_2致裂增透技术条件下,三组瓦斯抽采半径致裂孔的布置方式,1.5m瓦斯抽采半径能有效缩短抽采达标时间,提高瓦斯抽采率。     

煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用

提出了高瓦斯煤层群煤与瓦斯安全高效共采的概念：在煤层群开采条件下，首先开采瓦斯含量低、无突出危险的首采煤层，利用其采动影响使处在其上部和下部的煤层卸压，煤层透气性成百倍地增加，从而形成高效的瓦斯抽采条件．同时进行的卸压瓦斯高效抽采既解决了由卸压煤层向首采煤层涌出瓦斯问题，保障首采煤层实现安全高效开采，又大幅度地降低了卸压煤层的瓦斯含量，消除了煤与瓦斯突出危险性，为在卸压煤层内实施快速掘进与高效采煤方法提供了安全保障，从而实现了瓦斯与煤炭两种资源的安全高效共采．文中介绍了针对不同卸压瓦斯流动特点的近程、中程和远程卸压瓦斯抽采方法及工程应用实践，最后对高瓦斯煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系的应用前景进行了分析．     

本煤层顺层瓦斯抽采渗流耦合模型及应用

为揭示瓦斯在本煤层抽采时的渗流机理,开展了煤岩体变形与瓦斯渗流相互作用规律研究.根据煤层瓦斯渗流特性,考虑渗透率的动态变化过程,研究裂隙瓦斯渗流、微孔隙吸附瓦斯解吸扩散和煤岩体变形等过程,建立耦合渗流模型.针对特定矿井抽采煤层的瓦斯地质条件,进行了耦合模型的数值模拟研究.结果表明:抽采初期瓦斯压力下降较快,抽采稳定后下降趋缓,距抽采孔越远下降梯度越小,有效抽采半径约为3m.现场实验孔距6m顺层瓦斯抽采,抽采稳定时瓦斯纯量达5~7m3/min,抽采效果较理想.     

深部煤层瓦斯赋存规律及钻孔抽采有效半径研究

实测了新庄孜矿深部低透气性煤层的瓦斯压力、煤层透气性系数、瓦斯含量、瓦斯涌出衰减系数和自然排放半径等基础参数;在此基础上,数值模拟计算了钻孔抽采瓦斯的有效半径。研究结果表明,煤层的透气性是决定钻孔有效排采半径的主导因素。为提高低透气性煤层抽采瓦斯钻孔预抽消突效果,应积极采取措施提高煤层透气性系数。     

近距离煤层群首采保护层工作面瓦斯综合治理技术研究

瓦斯治理仍是世界性难题。本文针对赤峪煤矿近距离高瓦斯煤层群首采保护层C0202工作面瓦斯治理问题,提出了沿空留巷Y型通风配合本煤层顺层钻孔、两巷底板穿层钻孔、顶抽巷高位穿层钻孔、采空区埋管的＂五措并举＂治理措施,实现了工作面成功连续留巷200m,瓦斯抽采率高达70%,回风流瓦斯浓度控制在0.4%左右的效果,保证了工作面的安全高效开采。该研究成果可为赋存条件相似的煤层群开采瓦斯治理提供借鉴。     

预抽瓦斯防治煤与瓦斯突出的应用实例

安阳龙山煤矿11081区域二1煤层为一突出煤层,本煤层瓦斯预抽是区域性防治煤与瓦斯突出的措施之一.根据预抽煤层瓦斯防突作用原理,选取合理的瓦斯防突有效性指标及各钻孔参数,达到消除该煤层煤与瓦斯突出危险性的目标.据对本煤层瓦斯预抽效果的考查,已达到《防治煤与瓦斯突出细则》之规定,该区域可按无突出危险煤层进行管理.     

预抽瓦斯防治煤与瓦斯突出的应用实例

安阳龙山煤矿11081区域二1煤层为一突出煤层,本煤层瓦斯预抽是区域性防治煤与瓦斯突出的措施之一．根据预抽煤层瓦斯防突作用原理,选取合理的瓦斯防突有效性指标及各钻孔参数,达到消除该煤层煤与瓦斯突出危险性的目标．据对本煤层瓦斯预抽效果的考查,已达到《防治煤与瓦斯突出细则》之规定,该区域可按无突出危险煤层进行管理．     

赵固二矿千米定向煤钻孔区域瓦斯治理 关键技术研究

针对中硬高承压水煤层瓦斯治理周期长、突水威胁严重等问题,利用千米定向煤钻孔超前预抽代替底板抽采岩巷进行区域瓦斯治理,同时研制出基于煤层深孔定点密闭取心的瓦斯含量测试装置,解决了瓦斯防突措施效果检验参数难以测定的问题。该技术经在河南能源焦煤公司赵固二矿试验,实现了对600 m煤巷条带煤层瓦斯的均匀抽采控制,完成了超长区段一次性整体评价,保证了煤巷安全掘进,成为赵固二矿深部煤层区域瓦斯治理的新技术,可为类似地质条件的煤层区域瓦斯治理提供参考。